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Elektrodengerust für Akkumulatoren
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Für alkalische Akkumulatoren sind Elektroden bekannt, bei denen auf
einem vernickelten, perforierten Trägerblech beidseitig eine Schicht aus hochporösem
Nickelpulver aufgesintert ist, die das aktive Material aufnimmt. Solche Elektroden
enthalten wesentlich mehr Nickel als für die Stromableitung notwendig ist und besitzen
ein hohes Leistungsgewicht.
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Eine andere bekannte Elektrode für alkalische Akkumulatoren besteht
aus einem Gerüst von gesinterten Metallfasern mit hohem Porenvolumen. Gerüste dieser
Art besitzen eine hohe Eigenstabilität, so daß auf eine besondere Trägerplatte verzichtet
werden kann. Damit wird ein günstigeres Leistungsgewicht als bei pulvergesinterten
Elektroden erreicht.
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Aufgrund wirtschaftlicher Überlegungen verarbeitet man für faserporöse
Gerüste vorwiegend feinste Stahlfasern, die nach dem Sintern vernickelt werden.
Trotz des hohen Porenvolumens von etwa 90 % läßt sich infolge der Wirr-Faserstruktur
nicht immer an allen Stellen der Oberfläche eine gleichmäßig starke, porenfreie,
elektrochemisch beständige Nickelauflage erzielen. Zur Vermeidung von Schwierigkeiten
bei der weiteren Verarbeitung oder von späteren Störungen im Betrieb wird daher
der Vernicklungsvorgang wiederholt. Dies führt zu einem höheren Nickelverbrauch
als fur die Stromableitung erforderlich und dadurch zu einer Erhöhung des Gewichts
und letzlich zu einer Verminderung der Wirtschaftlichkeit.
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Die inhomogenen Porenstrukturen sowohl der pulverporösen als auch
der faserporösen Sinterelektroden wirken sich auch nachteilig auf den inneren Widerstond,
sowie die chemischen Vorgänge beim Laden und Entladen der mit aktivem Material gefüllten
Elektroden aus. Dies hat wiederum zur Folge, daß der Massen-Wirkungsgrad sich verringert
und das Leistungsgewicht sich erhöht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes
Elektrodengerüst zu schaffen, das die beschriebenen Nachteile vermeidet und sich
durch eine gleichmäßige Zellenstruktur auszeichnet.
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Erfindungsgemäß besteht ein Elektrodengerüst aus einer Kombination
von mindestens zwei Lagen dünner, schmaler Bänder oder Bandstücken (Lamellen), deren
Flächen in einem Winkel von 900 zur Elektrodenebene angeordnet sind und die sich
gegenseitig stellenweise an Flächen, Linien oder Punkten berühren.
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Die Flächen der Bänder oder Lamellen sind eben, gewellt und/oder mit
kontaktgebenden Erhebungen oder Vertiefungen versehen, so daß durch die Kombination
mehrerer Lagen übereinander zellenartige Strukturen gebildet werden.
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Die Herstellung eines Elektrodengerüstes aus einer Kombination von
Bändern erfolgt in der Weise, daß mehrere Lagen spiralig übereinander zu einer flachen
Scheibe.
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gewickelt werden. Ein Gerüst aus Lamellen wird dadurch gebildet, daß
eine größere Anzahl von Lamellen in Lagen übereinander gestapelt werden, so daß
ein plattenförmiges Gerüst in der gewünschten Rechteckform entsteht.
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Eine feste und elektrisch leitende Verbindung an den sich berUhrenden
Flächen, Linien oder Punkten geschieht durch Sintern, Schweißen, Löten oder Kleben.
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Nach den beschriebenen Verfahren hergestellte Elektrodengerüste sind
selbsttragend und besitzen eine hohe Formstabilität.
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Als Werkstoff für die Bänder oder Lamellen kommen Metalle, Graphit
oder elektrisch leitende Kunststoffe in Frage mit einer Dicke von 0,03 bis 2 mm
und einer Breite von 3 bis 20 mm.
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Um eine gute Haftung dss aktiven Materials an den Oberflächen der
Bänder oder Folien zu bekommen, sind die Bänder oder Folien mit Durchbrüchen, Perforationen,
Erhebungen oder Vertiefungen versehen.
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Zur Verbesserung der elektro-chemischen Beständigkeit und/oder der
elektrischen Leitfähigkeit können die Bänder oder Lamellen oder dos fertige Gerüst
mit einem geeigneten Werkstoff galvanisch, chemisch, thermisch oder durch Bedampfen
Uberzogen werden.
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Aus Lamellen gefertigte Gerüste können am Umfang ganz oder teilweise
mit einem festen Rahmen umschlossen sein, dessen freie Verlängerung gleichzeitig
als Stromableiter dient.
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Durch zusätzliches Ausfüllen der Zellenstruktur des Gerüstes mit faserigem
oder porösem metallischem Substrat, z.B. aus Nickel, Kohlenstoff oder durch Vermischung
des aktiven Materials zusammen mit leitenden Expandaten z.B. auf Kohlenstoffbasis
läßt sich der innere Widerstand des Elektrodengerüstes verringern und die Dicke
der Gerüstplatte erhöhen.
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Zum Einbringen des aktiven Materials in die Zellenstruktur des Gerüstes
kann jedes bekannte Verfahren wie z.B. Pressen, Einstreichen, Kalandern oder Ausfällen
angewendet werden.
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Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Figur 1 Prinzipielle Konstruktion
der Zellstruktur eines ElektrodengerUstes aus ebenen und verformten Bändern oder
Lamellen Figur 2 Prinzipielle Konstruktion der Zellstruktur aus verformten Bändern
oder Lamellen Figur 3 Weitere AusfUhrungsbeispiele von verformten Bändern oder 4
Lamellen 5 Figur 6 Rechteckiges ElektrodengerUst aus horizontal verlaufenden Lamellen
7 Figur 8 Rechteckiges ElektrodengerUst mit vertikal verlaufenden Lamellen Figur
9 Spiralig gewickeltes Elektrodengerüst Aus Figur 1 ist das Prinzip der Kombination
eines ebenen Bandes 1 mit einem wellenartig geformten Band 2 ersichtlich. Die regelmäßig
wiederkehrende Form und Größe der Zellen ist bestimmt durch die Höhe h, den Wellenabstand
a und die Breite b. An den BerUhrungslinien 3 und 4 erfolgt eine feste und elektrisch
leitende Verbindung durch Sintern, Löten, Schweißen oder Kleben.
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In Figur 2 ist die Kombination von verformten Bändern oder Lamellen
dargestellt.
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Die Bänder oder Lamellen 5 und 6 sind mit gleichartigen Vertiefungen
7 versehen, die zur Vergrößerung des gegenseitigen Kontaktes die Fläche 8 besitzen.
Diese oder ähnliche Ausfuhrungsformen sind vorteilhaft für eine feste und gutleitende
Verbindung durch Sintern, Schweißen, Löten oder Kleben.
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Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen als Beispiele Variationen von verformten
Bändern oder Lamellen, die jedoch im Rahmen der Erfindung nicht auf die skizzierten
Beispiele beschränkt sind.
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Die Bänder und Lamellen sind erfindungsgemäß in der Weise angeordnet,
daß ihre Flächen rechtwinklig, also in einem Winkel von 900 zu der Elektroden-Ebene
verlaufen.
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Da das aktive Material innerhalb der Zellstruktur infolge von Erschütterungen
während des Betriebs und bedingt durch volumenmäßige Veränderungen während der Ladungs-
und Entladungszyklen, nach längerem Gebrauch die Neigung hat, sich von den Zellenwänden
zu lösen, bedeutet ein hoher Anteil von horizontal verlaufenden Bändern- oder Lamellenflächen
eine starke Einschränkung dieser Tendenz und erhöht die Lebensdauer des Akkumulators.
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Um eine gute Haftung des aktiven Materials an den Wänden der Zellstruktur
zu erreichen, werden die Flächen der Bänder und Lamellen mit geeigneten Durchbrüchen
oder Perforationen 11 versehen. Diese Durchbrüche sind vorzugsweise rund, können
aber auch jede andere fur die Konstruktion geeignete z.B. längliche oder kreuzartige
Formen aufweisen. Zur Erzielung eines guten Haftungseffektes kann auch Streckmetall
verwendet werden.
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Ein Elektrodengerüst in rechteckiger Form aus ebenen und verformten,
horizontal verlaufenden Lamellen wird in Figur 6 dargestellt. Die Lamellen sind
von einem Band 9 umschlossen, dessen freies Ende den Stromableiter 10 bildet.
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Figur 7 zeigt dieselbe Konstruktion wie Figur 6, aber mit einer vertikalen
Anordnung der Lamellen.
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Ein Elektrodengerüst, hergestellt aus einer Kombination von einem
ebenen, mit einem wellenartig verformten Band nach Figur 1 durch eine spiralige
Wicklung zeigt Figur 9. Die Wicklung beginnt am Kern 13. Die Verlängerung des äußeren
ebenen Bandes 1 bildet gleichzeitig den Stromableiter 10.
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Die erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden Bänder oder Lamellen
können aus Metall, Graphit oder Kunststoff hergestellt werden. Die Band- oder Lamellenstärke
richtet sich nach den mechanischen und elektrischen Eigenschaften des zur Verwendung
kommenden Materials und beträgt 0,03 bis 2 mm, die Breite 3 bis 20 mm.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, als Ausgangsmaterial für die Bänder
oder Lamellen möglichst wenig aufwendige Werkstoffe zu verwenden, die bereits mit
Überzügen versehen sind, die sich gegenüber den Elektrolyten inert verhalten, wie
z.B. vernickelten Bandstahl für einen alkalischen Akkumulator. Lokale Zerstörungen
oder Veränderungen des inerten Überzugs beim Herstellungsprozeß z.B. durch Schweißen
oder Sintern usw., können durch einen zusätzlichen galvanischen, chemischen oder
metallurgischen Prozeß nachträg,lich Se#o,be#nny#eC;df;n.
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Neben den bekannten Verfahren wie Sintern oder Schweißen können zur
Herstellung einer Verbindung an den Berührungsstellen der Bänder oder Lamellen auch
gee#ignete Klebstoffe verwendet werden. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere
für graphitische Werkstoffe und Kunststoffe.
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Nach der Beschreibung hergestellte Elektrodengerüste ergeben bei Verwendung
von vernickelten Lamellen aus Bandstahl mit einer Breite von 5 mm und einer Stärke
von 0,9 mm und einem Lamellenabstand von 2 mm ein Porenvolumen von ca. 90 %.
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Dieser Wert wird bei Verwendung von perforierten Lamellen noch erhöht
und ist somit mit den günstigen Werten von faserporösen Sintergerüsten vergleichbar.
Ähnlich günstige Werte ergeben sich auch für spiralgewickelte Ausführungen aus Bändern.
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Technisch bedeutet es keine Schwierigkeiten, die nach der Beschreibung
hergestellten metallischen Gerüste einem Sinterprozeß zu unterziehen. Die Sinteranlagen
sind jedoch in der Anschaffung und im Betrieb aufwendig und bedingen eine Schutzgasatmosphdre.
Infolge der geringen Breitentoleranzen der Bänder und Lamellen lassen sie sich nach
dem Wickeln oder Stapeln an den Kanten der Berührungsflächen mit Hilfe von wirtschaftlichen
Rollen- oder Punktschweißverfahren fest und elektrisch leitend verbinden. Im Vergleich
zu faser- oder pulverporösen Gerüsten, deren Formstabilität ausschließlich durch
Sintern erreicht werden kann, bedeutet diese Möglichkeit einen beachtlichen Vorteil.
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Die erfindungsgemäße Zellenstruktur der Elektrodengerüste bildet für
sämtliche während des Herstellungsprozesses erforderlichen galvanischen oder chemischen
Oberflächenbehandlungen, aber auch für die Anwendung von Bedampfungsverfahren günstige
Voraussetzungen, weil die homogene Porenstruktur an allen Stellen und von beiden
Seiten des Gerüstes für Flüssigkeiten und gasförmige Stoffe gleichmäßig durchlässig
und aufnahmefähig ist.
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