DE2628080A1

DE2628080A1 - Zylindrischer elektrochemischer generator

Info

Publication number: DE2628080A1
Application number: DE19762628080
Authority: DE
Inventors: Jean Coibion
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-02-03
Also published as: JPS5928026B2; US4032695A; SE7607482L; GB1505473A; FR2316759B1; JPS5231334A; FR2316759A1

Description

2 3. Juni 1976

^FO1OO46D 2628080

Dipl.-Ing- Jürgen WEINMILLER PATENT ASSESSOR

80OO München 8O
Zeppelinstr. 63

SAPT-SOCIETE DES ACCUMULATEURS FIXES ET DE TRACTION S.A. 156, avenue de Metz, 93230 ROMAINVILLE, Frankreich

ZYLINDRISCHER ELEKTROCHEMISCHER GENERATOR

Die Erfindung betrifft zylindrische elektrochemische Generatoren und findet beispielsweise Anwendung bei alkalischen Akkumulatoren.

Es sind Akkumulatoren bekannt, bei denen die Elektroden auf einem dünnen Träger aufgesintert sind und dann spiralig unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Separatoren aufgerollt sind. Mit dieser Technologie können Akkumulatoren hergestellt werden, die relativ hohe Ströme abgeben, jedoch sind die Herstellungskosten ziemlich hoch und nehmen relativ mit abnehmender Größe der Akkumulatoren überproportional zu. Es wurde vorgeschlagen, dickere Elektroden in Form von

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abwechselnd positiven und negativen koaxialen Zylindern i>zu verwenden, wobei die Anzahl von koaxialen Schichten einer Polarität auf eins oder zwei begrenzt war und jede zylindrische Schicht zur Erleichterung des Zusammenbaus aus einer bestimmten Anzahl von Zylinderabschnitten, beispielsweise zwei Halbzylindern, bestanden. Ein aus einem V-förmig gefalteten Metallstreifen gebildeter zentraler Kollektor dient dabei als Stromausgang für eine Polarität und drückt gleichzeitig die Halbzylinder radial auseinander und gegen den Metallbecher, der als Kollektor der anderen Polarität dient. Der Nachteil bei einem derartigen Generator besteht darin, daß die jeweils letzten Elektroden (im Zentrum und an der Peripherie), die relativ dick sind und nur mit einer Seite arbeiten, einen sehr geringen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu beheben.

Gegenstand der Erfindung ist ein zylinderförmiger elektrochemischer Generator, der ein Gehäuse besitzt, das mindestens eine zylinderrohrformxge Elektrode, die aus einer Anzahl von sektoriellen Zylinderrohrabschnitten besteht, mindestens eine negative Elektrode und mindestens einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator aufweist, dadurch gekennzeichnet, däft die negative Elektrode im Verhältnis zur positiven Elektrode dünn ist und aus derselben Anzahl von Einheiten wie die positive Elektrode besteht, wobei jede Einheit je zwei sektorxelle Zylinderrohrabschnitte aufweist, und die Sektorenwinkel dieselben wie bei der positiven Elektrode sind, und wobei die beiden Abschnitte einer Einheit miteinander elektrisch verbunden und derart ange-

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ordnet sind, daß jede Einheit der negativen Elektrode um einen der Sektorränder eines Abschnitts der positiven Elektrode herumgebogen ist, wobei je ein Abschnitt der negativen Elektrode auf eine Seite eines Abschnitts der positiven Elektrode aufgepreßt wird.

Die dicke positive Elektrode (beispielsweise 1 bis 3 mm dick) wird so auf ihren beiden Seiten von je einer dünnen negativen Elektrode (weniger als 1 mm dick) umgeben und arbeitet mit einem guten Wirkungsgrad.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Zylinderrohrabschnitte Halbzylinder, so daß es zwei positive Abschnitte und zwei negative Einheiten gibt.

Bei der positiven Elektrode kann es sich um eine Presselektrode handeln, die dann vorteilhafterweise beim Pressen bereits ihre endgültige Form erhält, oder um eine Weichelektrode, d.h. um eine Elektrode, deren aktive Masse unter evtl. Zusatz eines in verteilter Form vorliegenden Elektronenleiters mit einem Bindemittel gemischt ist und als Paste auf einen Kollektor gestrichen wird und dann vorzugsweise ihre endgültige Form ausgehend von einer Flachelektrode erhält.

Vorzugsweise handelt es sich bei der negativen Elektrode um eine Elektrode mit dünnem gesintertem Träger, und die beiden zylindrischen Abschnitte können durch den gemeinsamen nichtgesinterten Kollektor über dessen gesamte Höhe hinweg verbunden sein; der Kollektor ist evtl. an dieser Stelle mit einem Isolierlack beschichtet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Generator mindestens zwei zylindrische Baugruppen gleicher Höhe, die

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aus einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode mit dazwischenliegendem Separator gebildet werden, wobei jede dieser Baugruppen wie oben beschrieben gebildetnvird, wobei jedoch ihre Durchmesser so voneinander abweichen, daß, wenn sie koaxial im Generator angeordnet sind, die Baugruppe mit dem größeren Durchmesser die Baugruppe mit dem kleineren Durchmesser umgibt.

Um zu erreichen, daß die positiven und negativen Elektroden bzw. die Elektrodenbaugruppen aufeinander gepreßt werden und die äußere Elektrodenbaugruppe eng am Gehäuse anliegt, das aus Metall besteht und als negativer Kollektor dient, wird der Leerraum im axialen Bereich des Generators von einer Isolierstange ausgefüllt, die mit elastisch'.verformbaren Rippen versehen ist, die auf die Elektrodengruppen einen zentripetal ausgerichteten Druck ausüben.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.

Pig. I zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Generator.

Pig. 2 zeigt denselben Generator im horizontalen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1.

Fig. 3a zeigt einen Schnitt durch eine positive Halbelektrode eines weichen Typs i» flachen Zustand für einen Generator gemäß Fig. 1.

Fig. 3b zeigt einen Schnitt durch dieselbe Halbelektrode nach deren endgültiger Formgebung.

Fig. 4a zeigt einen Schnitt durch eine negative Halb- · elektrode nach dem Sintern und der Imprägnierung in flachem Zustanä

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für einen Generator gemäß Fig. 1.

Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch dieselbe Halbelektrode nach der Formgebung.

Fig. 5 zeigt den Zusammenbau eines halben Generators gemäß Fig. 1.

Fig. 6 zeigt einen Teilschnitt durch einen axialen Isolierstab für den Generator gemäß Fig. 1.

Das nachfolgend beschriebene Beispiel betrifft die Anwendung der Erfindung auf einen alkalischen Nickel-Kadmium-Akkumulator.

Der Generator gemäß Fig. 1 ist in einem Gehäuse 1 untergebracht, das die Form eines Bechers besitzt und aus vernickeltem Stahl besteht. Oben ist es durch einen ebenfalls aus vernickeltem Stahl bestehenden Deckel 2 verschlossen, der auf einer im oberen Bereich des Bechers eingearbeiteten Einschnürung 3 ruht. Auf seinem Umfang ist der Deckel mit einem Dichtring 4 versehen, der für die elektrische Isolierung des Deckels vom Becher sorgt. Der obere auf diese Dichtung 4 umgeschlagene Teil des Bechers gewährleistet die Abdichtung, indem der Deckel mit der Dichtung auf die Einschnürung 3 gepreßt wird. Der Deckel ist mit einem Ventil versehen, das aus einem auf den Deckel geschweißten Ventilgehäuse 5 und einer Elastomersaheibe 6 besteht. Die Scheibe verschließt eine in den Mittelpunkt des Deckels ge-Inohrte Öffnung 7.

Das Gehäuse 1 enthält eine negative Sinterelektrode,., die aus zwei Einheiten besteht, von denen jede aus zwei Halbzylindern mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet wird, die untereinander wie es in Fig. 2 angedeutet und weiter unten im einzelnen noch beschrieben ist, miteinander verbunden sind.

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Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang der gestrichelten Linie I-I in Fig. 2.und Fig. 2 einen Schnitt entlang der gestrichelten Linie II-II in Fig. 1. Die Sektorabschnitte 81, 82, 83 und 84 in Fig. 1 betreffen jeweils verschiedene Halbzy.linder, wobei die Abschnitte 81 und 82 zur ersten negativen Einheit und die Abschnitte 83 und 84 zur zweiten negativen Einheit gehören. In Fig. 2 ist zu erkennen, wie sie im Verhältnis zur positiven Elektrode angeordnet sind. Die Halbzylinder 81 und 82 einerseits und 83 und 84 andererseits stehen über nicht mit Aktivmasse beschichtete Bereichen 85 bzw. 86 des Elektrodenträgers miteinander in Verbindung. Der Träger besteht übrigens aus perforiertem Bandstahl. Vorzugsweise wird dieser blanke Bereich des Bandstahls mit einem Isolierlack versehen, um Kurzschlüsse mit den geraden Rändern der positiven Halbzylinder zu vermeiden. Die Halbzylinder 81 und 84 stehen mit dem Gehäuse, das als negativer Ausgang dient, in engem Kontakt.

Die positive Elektrode ist auch aus zwei Halbzylindern 91 und 92 gebildet. Die zentralen Kollektoren 93 und 94 dieser Halbzylinder verlängern sich über Leiter 10 und 11, die angelötet werden oder aus einer Verlängerung des Kollektors bestehen können. Die Leiter sind am Deckel 2 angelötet, so daß der positive Pol dann vom Ventilgehäuse 5 gebildet wird.

Die positiven bzw. negativen Halbzylinder 91, 81 und einerseits und 92, 93 und 84 andererseits werden durch Separatoren 12 und 13 voneinander getrennt, die um einen Sektorrand der positiven Halbzylinder 91 bzw. 92 herumgebogen werden, wobei es sich bei diesem Rand um denjenigen handelt, um den die negative Einheit herumgefaltet ist. In Fig. 2 ist zu erkennen, daß selbst,

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wenn die Enden des die positiven Halbzylinder umgebenden Separators ausreichend lang sind, um um den Rand des ihm gegenüberliegenden Halbzylinders, um den die negative Einheit herumgefaltet

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ist, herumgebogen^werden, dennoch die Gefahr eines Kurzschlusses mit dem blanken Bereich der der anderen halben Baugruppe (für 92 der Teil 85 und für 91 der Teil 86) angehörenden negativen Einheit besteht; dieser Gefahr begegnet man, wie es weiter oben bereits gesagt wurde, indem diese blanken Bereiche mit einem Isolierlack versehen werden. Außerdem bestünde ohne diese Maßnahme die Gefahr, daß, da in diesen Bereichen keine aktive Masse vorhanden ist, hier eine Gasentwicklung stattfindet, die vor allem in dichten Akkumulatoren vermieden werden muß.

Der Boden des Gehäuses 1 wird mit einer Isolierscheibe 14 versehsn, die jeglichen Kontakt der positiven Halbzylinder mit dem Becher verhindert.

In der Achse des Bechers ist ein Isolierstab 15 aus Kunststoff angeordnet, der mit Rippen 16 versehen ist, die nach dem Einbau in den Becher wie Kegelstümpfe aussehen, deren Mantellinien leicht gekrümmt sind.

Die Figuren 3 bis 6 stellen verschiedene Bauteile des Akkumulators während der Montage dar.

In Fig. 3a wird im Schnitt der Teil 92 der positiven Elektrode dargestellt, so wie er nach seiner Vorbereitung aussieht. Der Kollektor 94, bei dem es sich beispielsweise um getriebenes Blech aus vernickeltem Stahl handelt, wird mit einer Mischung aus Nickelhydroxyd, Graphit (oder Nickelpulver) und einem Binder wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen bestrichen. Die Elektrode ist 2 bis 3 mm dick. Sie wird anschließend in die Form eines

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Halbrohrzylinders_# wie er in Fig. 3b zu sehen ist, gebracht.

Fig. 4a zeigt im Schnitt eine Einheit bestehend aus Abschnitten 83 und 84 der negativen Elektrode, so wie sie sich nach der Imprägnierung und dem Ausschneiden zeigen. Wie zu sehen ist, liegt zwischen den vom aus vernickeltem Bandstahl bestehenden Kollektor getragenen gesinterten Abschnitten 83 und 84 ein Bereich 86, der durch Abwischen des aufgetragenen Nickelpulvers vor dem Sintern hergestellt wurde. Die Elektrode wird anschließend nach den üblichen Verfahren mit Kaliumhydroxyd imprägniert. Die Ausformung dieser Einheit bietet keinerlei Schwierigkeiten, da die Stärke der Elektrode in den Bereichen 83 und 84 etwa 0,7 mm beträgt. Wie es Fig. 4b zeigt, weisen die konkaven Seiten der Halbzylinder 83 und 84 in entgegengesetzte Richtungen.

Fig. 5 zeigt den Zusammenbau des positiven Halbrohrzylinders 92 mit der negativen Einheit zu einer Baugruppe, die den halben Generator bildet. Zunächst wird der Separator 13 in die Vertiefung des Halbzylinders 84 gelegt, wobei man auf der Seite des Bereichs 86 eine wesentlich größere Breite tiberstehen läßt als auf der entgegengesetzten Seite. Dann wird die Elektrode 92 eingesetzt, deren konvexer Teil sich genau auf die konkave Fläche des Bereichs 84 der negativen Elektrode legt, die mit dem Separator 13 beschichtet ist. Der Halbzylinder 83 wird dann gleichzeitig mit dem überstehenden Teil des Separators 13 in den konkaven Teil des Halbzylinders 92 eingesetzt, wobei der konvexe Teil des Halbzylinders 83 genau in die mit dem Separator 13 beschichtete konkave Rundung des Halbzylinders 92 hineinpaßt.

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Dann werden zwei derartige Baugruppen in das Gehäuse 1 eingesetzt, dessen Einschnürung 3 ursprünglich nur eine geringe Tiefe besitzt. Dann werden die Anschlüsse 10 und 11 an überstehende Teile der Kollektoren 93 und 94 und an den bereits mit der Dichtung 4 versehenen Deckel 2 angelötet. Der Elektrolyt wird hinzugefügt und anschließend der Stab 15 in den mittleren Bereich des Bechers eingeführt.

Dieser Stab 15 wird in Fig. 6 im Schnitt vor seiner Einführung in den Becher dargestellt. Er besteht aus einem Kunststoffstab mit senkrecht zu seiner Längsachse stehenden dünnen koaxialen Ringen, so daß er direkt durch Formgießen hergestellt werden kann. Da diese Ringe einen Außendurchmesser besitzen, der größer ist als der des von den konkaven Bereichen der Halbzylinder 82 und 83 freigelassenen Raums, werden sie beim Einführen des Stabs in den Becher nach oben gedrückt und üben auf

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die beiden halben Baugruppen^radial nach außen wirkende Kraft aus, so daß die Elektroden kräftig aufeinander gedrückt und der äußere Teil der negativen Elektroden auf die Wandung des Bechers gepreßt wird. Daraufhin wird der Deckel aufgesetzt und das Umbiegen des Becherrandes und das endgütlige Formen der Einschnürung beenden den Zusammenbau.

Will man Akkumulatoren größerer Kapazität oder größeren Durchmessers herstellen, so verwendet man eine oder mehrere weitere Baugruppen, deren Innendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der jeweils vorhergehenden Baugruppe ist, und man ordnet sie so an, daß der konkave Bereich der den Halbzylindern 82 und 83 entsprechenden negativen Halbzylinder mit dem konvexen Bereich der den Halbzylindern 81 und 84 entsprechenden in Berührung steht, wobei die

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Elektrodenbaugruppen dann koaxial liegen.

Die Erfindung ist vor allem vorteilhaft bei Generatoren geringen Durchmessers.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 — Zylinderförmiger elektrochemischer Generator, der ein Gehäuse besitzt, das mindestens eine zylinderrohrförmige positive Elektrode, die aus einer Anzahl von sektoriellen Zylinderrohrabschnitten besteht, mindestens eine negative Elektrode und mindestens einen zwischen den Elektroden angeordneten Separator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode im Verhältnis zur positiven Elektrode dünn ist und aus derselben Anzahl von Einheiten wie die positive Elektrode besteht, wobei jede Einheit je zwei sektorielle Zylinderrohrabschnitte (81782*83,84) aufweist, und die Sektorenwinkel dieselben wie bei der positiven Elektrode sind und wobei die beiden Abschnitte einer Einheit miteinander elektrisch verbunden und derart angeordnet sind, daß jede Einheit der negativen Elektrode (81, 82; 83, 84) um einen der Sektorränder eines Abschnitts der positiven Elektrode (91, 92) herumgebogen ist, wobei je ein Abschnitt der negativen Elektrode auf eine Seite eines Abschnitte der positiven Elektrode aufgepreßt wird.

2 - Elektrochemischer Generator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abschnitte der positiven Sektorabschnitte und der negativen Einheiten gleich zwei ist.

3 - Elektrochemischer Generator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei zylindrische Baugruppen enthält, die aus einer

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positiven und einer negativen Elektrode mit dazwischenliegendem Separator besteht, wobei die Baugruppen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen und koaxial derart angeordnet sind, daß die Baugruppe mit dem größeren Durchmesser die Baugruppe mit dem geringeren Durchmesser umgibt.

4 - Elektrochemischer Generator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der positiven Elektrode um eine Preßelektrode handelt.

5 - Elektrochemischer Generator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der positiven Elektrode um eine Weichelektrode handelt.

6 - Elektrochemischer Generator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der negativen Elektrode um eine Elektrode mit dünnem gesintertem Träger handelt.

7 - Elektrochemischer Generator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Freiraum im mittleren Bereich des Generators von einem Isolierstab (15) eingenommen wird, der mit elastisch verformbaren Rippen (16) versehen ist, die auf die Elektrodenbaugruppen eine radial nach außen gerichtete Kraft einwirken läßt,

(D so daß sie gemeinsam gegen das Gehäuse gedrückt werden.

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