DE2707417A1 - Poroeser elektrodenkoerper fuer elektrische akkumulatoren - Google Patents
Poroeser elektrodenkoerper fuer elektrische akkumulatorenInfo
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Description
8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 8602 45
Anwaltsakte 27 865 2 1. FEß. 197?
Nife-Jungner AB
S 572 Ol Oskarshamn / Schweden
Poröser Elektrodenkörper für elektrische Akkumulatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Elektrodenkörper für elektrische Akkumulatoren, ein Verfahren
zu seiner Herstellung und einen elektrischen Akkumulator, der wenigstens einen solchen Elektrodenkörper
enthält.
Ebröse Elektrodenkörper für elektrische Akkumulatoren
to werden nunmehr seit langer Zeit aus gesintertem Metall-
<o pulver hergestellt. Ein bekanntes Verfahren zur Hero
stellung gesinterter Elektrodenkörper weist die Schritte, cn ein Metallpulver, z.B. nach dem Carbonylverfahren her-
VIII/wi - 2 -
• (019) 9« 82 72 8 Manchen 80, MuierkirchentnOe 45 Banken: Bayeriacne Vereinsbank Mflnchen 453100
987043 Telegrimme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3892623
3310 TELEX: 05 24 5*0 BERG d Poslacheck Manchen 6S3 43 - 808
gestelltes Wickel- oder Eisenpulver,in eine Graphitform
zu füllen und das locker gepackte Pulver in einem Ofen in reduzierender Atmosphäre zu sintern, auf.
Normalerweise wird ein Verstärkungselement in den gesinterten Körper eingebettet, z.B. in Form eines Metallgeflechts,
um die mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern.
Gegenwärtig werden gesinterte Elektrodenkörper auch unter Verwendung kontinuierlicher Verfahren hergestellt.
Ein solches Verfahren weist den Schritt auf, ein Metallpulver mit einem Cellulosebindemittel zu mischen, um
eine Schlämme zu bilden, die dann getrocknet, gewalzt und in einem Ofen gesintert wird. Auf diese Weise wird
die Cellulose abgebrannt, wobei sie Poren in dem Körper hinterläßt. In diesem Fall wird wieder ein Metallgeflecht
oder ein anderes Verstärkungsglied benötigt. Man kann das Sintern auch mit porenbildenden Wirkstoffen, z.B.
in der Form von Salzen, die nach dem Sintern ausgelaugt werden, und Fasern verschiedener Arten, die während des
Sinterns der Pyrolyse unterliegen oder abgebrannt werden, durchführen.
Elektrodenkörper mit verschiedenen Schichten, die mehr oder weniger dicht gesintert sind, sind auch bekannt,
z.B. aus den US-PSen 3 Ο53 925 und 3 340 052. Ausser daß diese Elektrodenkörper einen anderen Aufbau als die
erfindungsgemäßen Elektrodenkörper haben, werden sie auch
709834/0754 . 3
* 6.
durch komplizierte Verfahren hergestellt.
Es wurde auch vorgeschlagen, daß poröse Elektrodenkörper durch elektrisches Widerstandssintern eines
Metallpulvers zwischen zwei Elektroden mit niedrigerem elektrischem Widerstand als dem des gepreßten Metallpulvers hergestellt werden sollten. Diese Art des
Widerstandssinterns kann durchgeführt werden, wenn
sich die Metallpulvermasse unter sehr geringem Druck befindet, was sehr vorteilhaft ist, wenn eine gute Porosität in dem gesinterten Elektrodenkörper angestrebt
wird. Diese Technik 1st in der deutschen Offenlegungsschrift 2215 210 beschrieben, die sich jedoch nicht
Elektroden mit unterschiedlicher Wärmekapazität bedient. Demzufolge ist das Ausmaß der Sinterung durch das ganze
Material gleichmäßig.
Kennzeichnend für die bisher verwendeten gesinterten Elektrodenkörper ist, daß sie entweder irgendeine Art
eines eingebetteten Verstärkungselementes benötigen, um ihnen die entsprechende mechanische Festigkeit zu
verleihen, oder daß der Herstellungsprozess normalerweise eine Mehrzahl von Stufen umfaßt, die die Herstellung
komplizierter und teuer machen.
Der erfindungsgemäße poröse Elektrodenkörper hat eine gute mechanische Festigkeit ohne daß ein zusätzliches
verstärkendes Gewebe od. dgl. angewendet werden muß.
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Darüber hinaus ist die elektrische Leitfähigkeit des
Elektrodenkörpers und seine Stroiiiabgabekapazitat aussergewöhnlich
gut. Darüber hinaus kann die Herstellung des gesinterten Elektrodenkörpers in einem einzigen
Schritt durchgeführt werden, die ihn zur automatischen Herstellung geeignet macht.
Diese Merkmale werden dadurch geschaffen, dafl der Elektrodenkörper
mindestens zwei bündige Schichten enthält, von denen mindestens eine eine poröse Schicht
aus gesintertem Metallpulver und mindestens eine eine dünnere Schicht aus festem Metall ist, das durch Schmelzen
und Wiedererstarren der äusseren Oberfläche der anliegenden porösen Schicht hergestellt wird.
Der Elektrodenkörper kann mit einem leitfähigen Anschlußstück
versehen sein, das an mindestens eine Schicht aus festem Metall angeschweißt ist. Die Schicht aus festem
Metall bietet dann eine gute Grundlage für die Schweissung, die vorzugsweise in Form einer Punktschweissung
ausgeführt wird. Darüber hinaus stellt diese Anordnung einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem
Elektrodenkörper und dem Anschlußstück her und sorgt für
eine wirkungsvolle Stromabgabe vom Elektrodenkörper wie für eine wirkungsvolle Stromzufuhr zum Elektrodenkörper,
wenn der Akkumulator geladen wird, in den der Elektrodenkörper eingebaut ist.
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Zwei Elektrodenkörper, jeder mit einer porösen Schicht und einer Schicht aus festem Metall, können vorzugsweise
so angeordnet werden, daß sie, z.B. durch Punktschweissung, mit den Metallschichten gegeneinander gekehrt und
in elektrisch leitendem Kontakt miteinander, zusammengeschweißt werden.
Ein bevorzugtes Verfahren der Herstellung eines erfindungsgemäßen porösen Elektrodenkörpers ist, ein Metallpulver in eine Form zwischen zwei Elektroden zu pressen,
während ein elektrischer Strom durch das Pulver über die Elektroden geschickt wird, bis das Pulver zusammengesintert ist, wobei die beiden erfindungsgemäßen Elektroden
voneinander verschiedene Wärmekapazitäten haben. Wenn das Metallpulver zusammengesintert ist, wird der Druck
bis auf einen Wert nahe bei O Pascal vermindert, während der Strom weiter durch das gesinterte Metallpulver fließt.
Dies wird gemacht, um das Schmelzen der Oberflächenschicht an der Seite des Elektrodenkörpers, die der Elektrode
mit der geringeren Wärmekapazität zugewandt ist, zu bewirken. Schließlich läßt man sich die geschmolzene Oberflächenschicht verfestigen.
Um eine Schicht aus festem Metall der gewünschten Stärke zu erhalten, kann der Formdruck wiederholt erhöht und
vermindert werden,während der Strom weiter durch das
gesinterte Metallpulver fließt.
709834/075*
-9.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der anliegenden
Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektrodenkörper
im Querschnitt;
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektrodenkörpers im Querschnitt
und
Fig. 3 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Herstellung
eines porösen Elektrodenkörpers, gemäß der Erfindung.
Fig. 1 ist ein Querschnitt durch den Elektrodenkörper mit einer porösen Schicht 12 und einer festen Schicht 14,
gemäß der Erfindung. Die feste Metallschicht, die eine gute mechanische Festigkeit hat, unterstützt den Elektrodenkörper und erhöht die elektrische Leitfähigkeit des porösen Körpers. Da die Metallschicht 14 aus einem Teil des
porösen Körpers gebildet ist, besteht keine Gefahr des Zerreissens oder schlechten elektrischen Kontaktes zwischen
den Schichten.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Elektrodenkörper, bei dem zwei Elektrodenkörper 1O,
jeder mit einer porösen Schicht 12 und einer festen Metal1-
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• 40'
schicht 14,InIt den festen Metallschichten 14 gegeneinandergekehrt, zusammengeschweißt sind. Wenn nötig, kann
ein kleiner Teil der gesinterten Schicht an einigen Stellen des äusseren Randes des Elektrodenkörpers von der
Metallschicht entfernt werden, um mehr Platz für das Schweissen zu haben, das als Punktschwelssung ausgeführt werden
kann. Ein leitendes Anschlußstück 16 aus Metall, z.B. Metallblech, wird an die festen Metallschichten angeschweißt, z.B. durch Punktschweissung. Bei dem Elektrodenkörper sind die Poren in dem porösen Bereich völlig offen
gegen die Oberfläche, die von der Kontaktoberfläche zur festen Metallschicht abgewandt ist. So hat der Elektrolyt
in einem elektrischen Akkumulator, in dem die Elektrode benutzt wird, freien Zugang zu dem Porensystem der Elektrode. Bevor der Elektrodenkörper in einem elektrischen
Akkumulator benutzt wird, wird er mit einem elektrochemisch aktiven Material versehen oder das Metall des gesinterten
Teils des Körpers wird in einer bekannten Weise aktiviert.
Die Elektrodenkörper in Fig. 1 und 2 wurden mit vorwiegend flachen, parallelen und gleichförmig dicken Schichten des porösen bzw. des festen Metalls gezeigt, aber
es besteht kein Grund,warum sie nicht irgendeine andere Querschnittsform haben sollten, die durch eine dafür
geeignete Form des Preßwerkzeuges, das bei der Herstellung benutzt wird, erzeugt werden könnte. Die feste Netallschicht 14 sollte jedoch im wesentlichen gleichförmig
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dick sein und so dünn wie möglich im Verhältnis zur Dicke der porösen Schicht gehalten werden. So ist es möglich,
daß das niedrigstmögliche Gewicht im Verhältnis zur Kapazität beim Akkumulator, in dem der Elektrodenkörper benutzt wird, erhalten wird. Normale Dicken der Metallschicht
sind O,Ol bis O,2 mm, bei einer Gesamtdicke der porösen
und der festen Schicht von ungefähr 0,5 bis 5 mm.
Das Herstellungsverfahren wird unter Bezugnahme auf Fig. näher im einzelnen erläutert. Die Herstellung wird in einer
Preßform mit einem oberen Formstück 18, das mit einer Preßstange 20 versehen ist, durchgeführt. Die Form enthält auch ein Bodenformstück 22 und einen Hohlraum 24
aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Seifenstein oder Speckstein, oder einem anderen geeigneten keramischen Material. Sowohl das obere Formstück 18 als auch
das untere Formstück 22 sind aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, wie z.B. Eisen. Das obere
Formstück 18 hat eine grössere Wärmekapazität als das untere Formstück 22, und um eine bessere Wärmeabfuhr
während des Gebrauche zu erreichen, kann es mit einer Einrichtung zur Flüssigkeits- oder Luftkühlung versehen
sein. Eine Stromquelle, in der Figur als elektrische Batterie 26 angedeutet, ist mit ihrem einen Pol über einen
Unterbrecherschalter 28 an das obere Formstück 18 angeschlossen, während der andere Pol mit dem unteren Form-
- 9 -709834/075*
stück 22 verbunden ist. Um den Herstellungsprozeß zu überwachen, wird vorzugsweise ein Amperemeter A in
der Schaltung angeordnet. Ein Voltmeter V kann ebenfalls zwischen die Anschlüsse am oberen bzw. unteren Formstück
geschaltet werden.
Als Ausgangsmaterial für das Herstellungsverfahren kann ein feinverteiltes Metallpulver, ζ.B. nach dem
Carbonylverfahren hergestelltes Nickel, benutzt werden. Es wird in die Preßhöhlung 24 eingebracht, wie unter
Nr. 30 in Fig. 3 gezeigt ist. Ein niedriger Druck von zwischen 0,05 bis 1,0 Megapascal (1 Pascal gleich 1 N/m )
wird auf das Metallpulver 30 ausgeübt. Eine geeignete Presse ist eine pneumatische oder hydraulische Presse
mit Manometern. Ein elektrischer Strom von zwischen
2
1OO und 1000 A/cm wird nun durch das Metallpulver über die oberen und unteren Formstücke 18, 22, die als Elektroden dienen, geschickt. Das Pulver in der Pressenform hat bei dem niedrigen angewandten Druck einen hohen Widerstand und das bedeutet, daß innerhalb des Pulvers große Wärmemengen freiwerden. Das Pulver sintert daher schnell zusammen und die Sinterzeit liegt im allgemeinen irgendwo zwischen 2 und 60 Sekunden. Wegen des niedrigen in der Presse entwickelten Druckes behält die Pulvermasse beim Sintern eine hohe Porosität. Wenn die gewünschte Porosität in der gesinterten Pulvermasse erreicht ist,
1OO und 1000 A/cm wird nun durch das Metallpulver über die oberen und unteren Formstücke 18, 22, die als Elektroden dienen, geschickt. Das Pulver in der Pressenform hat bei dem niedrigen angewandten Druck einen hohen Widerstand und das bedeutet, daß innerhalb des Pulvers große Wärmemengen freiwerden. Das Pulver sintert daher schnell zusammen und die Sinterzeit liegt im allgemeinen irgendwo zwischen 2 und 60 Sekunden. Wegen des niedrigen in der Presse entwickelten Druckes behält die Pulvermasse beim Sintern eine hohe Porosität. Wenn die gewünschte Porosität in der gesinterten Pulvermasse erreicht ist,
- 10 709834/075*
wird der Druck verringert, bis das obere Formstück gerade die Pulvermasse berührt. Der Druck ist dann nahe
bei O Pascal. Dies ergibt einen sehr wesentlich erhöhten Kontaktwiderstand zwischen der Pulvermasse und dem
oberen bzw. unteren Formstück. Das bedeutet, daß die Wärmeentwicklung in den Kontaktflächen zwischen den
Preßformen und der nun gesinterten Pulvermasse schnell ansteigt. Bei dem oberen Formstück, das eine große Wärmekapazität
hat, wird die entwickelte Hitze von der zur Pulvermasse gewendeten Kontaktfläche weg befördert, so
daß die Schmelztemperatur des Pulvermaterials nicht erreicht wird. Beim unteren Formstück hingegen reicht
uie geringere Wärmekapazität des Formstückes nicht aus, um die Wärme ebenso schnell zu verteilen, was bedeutet,
daß die äussere Oberfläche der gesinterten Pulvermasse schmilzt.
Die geschmolzene äussere Oberfläche der gesinterten Pulvermasse wird dann erstarren gelassen. Dies kann auf
mehrere Weisen geschehen.
Wenn das obere Formstück von der Pulvermasse so weit abgehoben wird, daß der Kontakt mit ihm unterbrochen wird,
wird der Strom automatisch abgeschnitten und die Wärmeentwicklung in der Pulvermasse hört zur gleichen Zeit
auf. Durch Wärmeübertragung durch die oberen und unteren Formstücke wird die Wärme von der gesinterten Pulvermasse
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27D7417
-IZr-
verteilt und die geschmolzene Oberflächenschicht erstarrt
mehr oder minder sofort.
Ähnliches geschieht, wenn der elektrische Stromkreis durch den ünterbrecherschalter 28 geöffnet wird.
Ein bevorzugtes Verfahren um die geschmolzene Oberflächenschicht zum Erstarren zu bringen, ist es, den durch die
Presse auf die Pulvermasse ausgeübten Druck für eine oder zwei Sekunden wieder zu erhöhen, bevor der Strom
unterbrochen wird. Wenn der Druck auf diese Weise erhöht wird, wird der Kontaktwiderstand zwischen der Pulvermasse
und der Preßform vermindert und die geschmolzene Oberflächenschicht erstarrt zur gleichen Zeit, zu der sie durch den
Druck der Presse von den kleinen Unregelmässigkeiten befreit wird, die sich sonst beim Erstarren bilden. Der
Pulverkörper wird hierdurch nachgesintert, was einen vorteilhaften Effekt auf den Kontakt zwischen der porösen
und der festen Schicht innerhalb des gebildeten Elektrodenkörpers zu haben scheint. Verminderung des Druckes mit
erneutem Schmelzen und folglich dem Erzeugen einer dickeren Schicht festen Metalls im Elektrodenkörper kann dann bis zu
dem gewünschten Maß durchgeführt werden.
In eine rechteckige Preßform mit den Maßen 24 χ 40 mm wurden 9,0 g Carbonyl-gereinigten Nickels mit einer
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durchschnittlichen Partikelgröße von 2,6 bis 3,4 .um
nach Fisher, eingefüllt. Das Pulver wurde mit einem Druck von O,63 MPa zusammengedrückt. Bei diesem Druck
wurde ein Strom mit einer Stromdichte von 840 A/cm durch das Pulver geschickt. Ungefähr 4 Sekunden nach
dem Anschalten des Stromes wurde der Druck langsam während ungefähr 3 Sekunden auf praktisch 0 MPa reduziert
und dann schnell wieder auf den anfänglichen Druck von 0,63 MPa erhöht. Sobald der ursprüngliche Druck wieder
erreicht war, wurde er wiederum langsam während ungefähr 2 Sekunden auf praktisch 0 MPa gesenkt und noch einmal
auf die ursprüngliche Höhe erhöht. Eine zweite Sinterphase von 4 Sekunden folgte, wonach der Strom abgeschaltet
wurde. Die letzte Spannung an dem gesinterten Elektrodenkörper und den Preßformen war 0,8 Volt, was ungefähr
2,1 Volt pro cm Dicke des Elektrodenkörpers entspricht.
Die auf diese Weise gewonnene poröse Elektrode hatte eine poröse Schicht von 75 % Porosität und eine gleichförmig dünne aussere Schicht geschmolzenen und erstarrten
festen Metalls auf einer Seite. Die Gesamtdicke des Körpers war 3,75 mm, wobei die feste Metallschicht ungefähr
0,04 mm dieser Dicke ausmachte.
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Leerseite
Claims (6)
1. Poröser Elektrodenkörper für elektrische Akkumulatoren, gekennzeichnet durch
mindestens zwei bündige Schichten, von denen mindestens eine eine poröse Schicht aus gesintertem Metallpulver
und mindestens eine eine dünnere Schicht aus festem Metall ist, die durch Schmelzen und Erstarren
einer der äusseren Oberflächen der angrenzenden porösen Schicht erzeugt wurde.
2. Poröser Elektrodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, uaß ein
leitendes Anschlußstück an mindestens eine Schicht aus festem Metall angeschweißt ist.
3. Elektrodenkörperanordnung mit zwei Elektrodenkörpern
wie in Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Elektrodenkörper
eine poröse Schicht und eine Schicht aus festem Metall aufweist und sie mit ihren Metallschichten
gegeneinander gewendet und in elektrisch leitendem Kontakt miteinander zusammengeschweißt sind.
70 98 3 W 0754 OR.GINAL INSPECTED
- 14 -
2707A17
-M-
-JL.
4. Verfahren zur Herstellung eines porösen Elektrodenkörpers wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
(a) ein Metallpulver in einer Form zwischen zwei
Elektroden gepreßt wird, während ein elektrischer
.über
Strom die Elektroden durch das Metallpulver geschickt wird, bis es zusammengesintert ist, wobei
die beiden Elektroden voneinander verschiedene Wärmekapazitäten haben;
(b) der durch die Presse erzeugte Druck, wenn das Metall zusammengesintert ist, auf einen Wert nahe
bei 0 Pascal verringert wird, wobei der Strom nach wie vor durch das gesinterte Metallpulver hindurchgeschickt
wird, um die Oberflächenschicht an der Seite des Elektrodenkörpers, die gegen die Elektrode
mit der geringeren Wärmekapazität gewendet ist, zu schmelzen; und
(c) die geschmolzene Oberflächenschicht erstarren gelassen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Preßdruck der Presse
wiederholt erhöht und erniedrigt wird, wobei der Strom fortgesetzt durch das gesinterte Metallpulver
geschickt wird.
6. Elektrischer Akkumulator, gekennzeichnet
709834/075i - 15 "
-Ib-
• 3.
durch mindestens einen porösen Elektrodenkörper
nach einem der Ansprüche 1 bis
709834/0754
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE7602089A SE397438B (sv) | 1976-02-23 | 1976-02-23 | De tva sadana elektrodstommar poros elektrodstomme for elektriska ackumulatorer sett att tillverka densamma samt elektrodstommeanordning innefattan |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2707417A1 true DE2707417A1 (de) | 1977-08-25 |
| DE2707417B2 DE2707417B2 (de) | 1978-08-03 |
| DE2707417C3 DE2707417C3 (de) | 1979-04-05 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2707417A Expired DE2707417C3 (de) | 1976-02-23 | 1977-02-21 | Poröser Elektrodenkörper für elektrische Akkumulatoren und Verfahren zu seiner Herstellung |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4163173A (de) |
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