DE2720250A1

DE2720250A1 - Separator fuer bleiakkumulatoren

Info

Publication number: DE2720250A1
Application number: DE19772720250
Authority: DE
Inventors: Horst Schmitt; Hans Dipl Chem Tuphorn
Original assignee: Accumulatorenfabrik Sonnenschein GmbH
Current assignee: Accumulatorenfabrik Sonnenschein GmbH
Priority date: 1977-05-05
Filing date: 1977-05-05
Publication date: 1978-11-09
Also published as: CA1121446A; AT362435B; ZA782586B; ES469458A1; FR2390019B1; GB1571267A; FR2390019A1; IL54602A; DE2720250B2; IT1094731B; US4150199A; IL54602A0; JPS53140542A; SE7805047L; DE2720250C3; AR214923A1; IT7822756A0; NL7804366A; BR7802805A; ATA298878A

Description

Separator für Bleiakkumulatoren

Zwischen den positiven und negativen Elektroden eines Bleiakkumulators befinden sich normalerweise Separatoren, welche die Elektroden auf Abstand halten und einen Kurzschluß zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität verhindern. Es ist bereits eine Vielzahl von Separatoren unterschiedlicher Form und Zusammensetzung vorgeschlagen worden. Während früher meistens dünne Holzbrettchen als Separatoren für Bleiakkumulatoren Verwendung fanden, werden heutzutage poröse plattenförmige Körper aus synthetischen Werkstoffen, beispielsweise Hartgummi, Kunststoff, Zellulose, Glasfasern und dergleichen, verwendet.

Da der Innenwiderstand eines Akkumulators sehr stark von der Art der verwendeten Separatoren anhängt, müssen diese eine möglichst hohe Porosität besitzen. Je höher die Porosität ist, desto geringer ist ferner die Verdrängung von Elektrolyt, der für die stromliefernde Reaktion in Bleiakkumulatoren benötigt wird.

Bei Separatoren aus synthetisch hergestellten organischen Substanzen kann es leicht durch den stark schwefelsauren Elektrolyten zusammen mit der starken Oxidationswirkung der positiven Bleidioxidmasse zur Abspaltung von Schadstoffen, beispielsweise von Chlor, Chloriden oder Essigsäure kommen. Derartige Spaltprodukte bewirken durch starke Erhöhung der Gitterkorrosion eine wesentliche Beeinträchtigung der Lebensdauer eines Bleiakkumulators.

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Es sind auch bereits Separatoren bekannt (DT-AS 2 137 908), die neben der Verhinderung eines Kurzschlusses gegenüberliegender Elektroden unterschiedlicher Polarität auch noch die Aufgabe haben, den Elektrolyten aufzusaugen. Derartige Separatoren sind mikroporös, d.h. enthalten eine Vielzahl von kapillaren Hohlräumen, in die der Elektrolyt eingesaugt und aufgrund von Kapillarkräften festgehalten wird. Zur kapillaren Festlegung des Elektrolyten werden insbesondere Separatoren in Form von Faservliesen verwendet. Bleiakkumulatoren, bei denen der schwefelsaure Elektrolyt lediglich in einem mikroporösen Separator kapillar festgelegt ist, weisen vor allem in wartungsfreier Ausführung mit antimonfreien Gittern recht geringe Zyklenlebensdauerwerte auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Separator für einen Bleiakkumulator zu schaffen, der der erforderlichen schwefelsauren Elektrolyten einwandfrei zu binden vermag und eine gute Zyklenlebensdauer ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Separator, der erfindungsgemäß aus einem zu einem Preßkörper verpreßten Geliermittel für den schwefelsauren Elektrolyten besteht. Insbesondere besteht das Geliermittel für den schwefelsauren Elektrolyten aus feinst verteilter Kieselsäure. Der flächige Preßkörper füllt den Zwischenraum zwischen gegenüberliegenden Elektroden unterschiedlicher Polarität aus.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Separatoren verändert der Separator nach der Erfindung nach dem Zusammenbringen mit schwefelsaurem Elektrolyten seine Konsistenz. Der aus verpreßtem Geliermittel bestehende Separator nach der Erfindung saugt schwefelsauren Elektrolyten auf und wird dabei unter Beibehaltung seiner Form in eine Gelmasse übergeführt, deren mechanische Festigkeit und Steifigkeit ausreichen, um die gegenüberliegenden Elektroden auf Abstand zu halten und einen elektrischen Kurzschluß zwischen gegenüberliegenden Elektroden zu verhindern.

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Zur Herstellung von erfindungsgemäßen Separatoren verwendet man vorzugsweise fein verteilte Kieselsäure mit Teilchengrößen von 10-20 mg. Insbesondere ist Kieselsäure mit einem SiO_-Gehalt von über 99,8 % geeignet. Kieselsäure solcher Reinheit erhält man durch Pyrolyse von Siliciumtetrachlorid in einer Knallgas flamme.

Der Separator nach der Erfindung wird zweckmäßigerweise mit säurefesten und oxidationsbeständigen Fasern armiert. Eine derartige Faserarmierung trägt dazu bei, daß der Preßkörper nach Zusammenbringen mit Schwefelsäure die für die Wirkung als Separator erforderliche Steifigkeit und Bruchfestigkeit erhält. Der Faseranteil des Preßkörpers liegt bei 3-3O %. Er beträgt vorzugsweise 7-15 %. Besonders geeignet sind Fasern mit einer Länge von 2-5 mm und einem Feinheitsgrad von 1-1O Denier. Ein mit Separatoren nach der Erfindung bestückter Bleiakkumulator ist ohne Verwendung von besonders konstruierten Füllstopfen kippsicher, da der eingefüllte schwefelsaure Elektrolyt aufgrund des ausgezeichneten Säurerückhaltevermögens der Separatoren nach der Erfindung einwandfrei festgelegt ist. Da der Elektrolyt durch die Separatoren zwischen den Elektroden gehalten wird, kann ein mit Separatoren nach der Erfindung ausgerüsteter Bleiakkumulator in jeder beliebigen Lage betrieben werden. Selbst beim Bruch des Akkumulatorgehäuses kann kein Elektrolyt auslaufen.

Das Säurerückhaltevermögen eines Kieselsäure als Geliermittel enthaltenden Separators nach der Erfindung ist umso besser, je höher die Kieselsäurekonzentration in dem gebildeten Gel ist. Eine erhöhte Kieselsäurekonzentration wirkt sich außerdem günstig auf die Zyklenlebensdauer des Akkumulators aus.

Besondere Vorteile ergeben sich dabei für wartungsfreie Batterien. Nach dem bisherigen technischen Stand ist allgemein bekannt, daß wartungsfreie Batterien mit antimonfreien Gittern nicht zyklenfest sind. Wird z. B. eine wartungsfreie Starterbatterie mit antimonfreier Gitterlegierung mehrmals versehentlich z. B. über die nicht abgeschalteten Scheinwerfer voll entladen, so führt das bekanntlich zu starken Schäden der Batterie, die sich im Anfangsstadium durch bleibenden Kapazitätsverlust, in fortgeschrittenen Stadium

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durch extrem starken Masseausfall bis zur völligen Zerstörung der Batterie äußern.

Der erfindungsg.mäße Separator bewirkt an solchen Batterien unter Verwendung von mit Phosphorsäure versetzter Schwefelsäure als Elektrolyt eine überraschende Änderung der oben beschriebenen nachteiligen Eigenschaften wartungsfreier Batterien insofern, daß sie mindestens gleiche Zyklenlebensdauerwerte erreichen wie konvnetionelle Batterien mit Gittern aus Blei-Antimon-Legierung trotz völlig wartungsfreien Verhaltens.

Separatoren nach der Erfindung können in einfacher Weise herge- ^C ^/Stellt werden. Das pulverförmige Geliermittel wird gegebenenfalls / ^K .?"/ nach Zumischung von Armierungsfasern unter einem Druck von

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. / -8-2Θ kp/cm zu plattenförmigen Separatoren entsprechender Dicke und Form verpreßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun näher anhand der Zeichnung erläutert, die einen schematischen Querschnitt durch einen Akkumulator zeigt.

Der in der Zeichnung dargestellte Akkumulator enthält lediglich eine einzige Zelle. Im Zellengefäß 1 sind positive Elektroden und negative Elektroden 3 untergebracht, die abwechselnd im Abstand voneinander angeordnet sind. Die positiven Elektroden 2 sind über eine Polbrücke 4 verbunden. Die negativen Elektroden sind ebenfalls über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Polbrücke verbunden.

Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden 2 und 3 ist jeweils ein Separator 5 eingesetzt, der den Zwischenraum zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden ausfüllt. Vorzugsweise liegen die Separatoren bündig am Separator an.

Die Separatoren 5 bestehen aus trockenen Preßkörpern, die nach Einfüllen des flüssigen schwefelsauren Elektrolyten unter Beibehaltung ihrer Form in ein Gel übergeführt werden, dessen mechanische Festigkeit und Steifigkeit ausreicht, um die gegenüberliegenden Elektroden auf Abstand zu halten und einen Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhindern.

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Der eingefüllte schwefelsaure Elektrolyt wird von den Separatoren aufgenommen und derart festgelegt, daß bei Kippen des Akkumulatorgefäßes kein Elektrolyt ausläuft.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung der Separatoren erläutert.

90 Gew.% feinst verteilte kieselsäure, die auf pyrolytischem Wege hergestellt worden ist - in unserem Fall wird das Produkt Aerosil 200 der Degussa verwendet, und 10 Gew.% Modacrylfasern, die eine Länge von 3 mm sowie einen Feinheitsgrad von 3 Denier aufweisen, wurden intensiv in einem Schnellmischer miteinander 'trocken vermischt. Das gebildete Gemisch wurde dann unter Anwen-

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dung eines Druckes von 15Ckp/cm zu Separatorplatten verpreßt. Aus 2 g des Gemisches wurde jeweils eine Tafel mit einer Fläche

von 26 cm und einer Dicke von 2 mm erhalten. Die Säurebindungskapazität einer solchen Tafel betrug ungefähr 6,5 g Schwefelsäure der Dichte 1,285 g/cm . Die gebildeten Tafeln wurden zu rechteckigen Separatoren zurechtgeschnitten und in Kleinbatterien mit antimonfreien Gittern eingebaut, die zur Inbetriebnahme mit flüssiger Schwefelsäure der Dichte 1,285 g/cm mit 2 % Phosphorsäure gefüllt wurden. Die Schwefelsäurefüllmenge wurde so bemessen, daß die Kieselsäurekonzentration in dem aus den Preßkörpern gebildeten Gel ungefähr 15 % beträgt. Kurze Zeit nach dem Einfüllen des flüssigen Elektrolyten war dieser soweit gebunden, daß keine Flüssigkeit aus der kopfstehenden Batterie mehr auslaufen konnte. Die Zyklenlebensdauer dieser Batterien lag mit 3bO Zyklen etwa 5 mal so hoch wie die gleicher Batterien, welche mit handelsüblichen Separatoren gebaut wurden. Vergleicht man die Lebensdauer dieser Batterien mit der von Batterien, in denen der Elektrolyt durch bekannte oben beschriebene säurebeständige Vliesstoffe festgelegt wurde, sind die Zyklenlebensdauerwerte durch Einführung des erfindungsgemäßen Separators sogar um mehr als das 1Ofache erhöht.

Der Separator nach der Erfindung kann vorteilhaft bei trocken vorgeladenen wartungsfreien Batterien eingesetzt werden, die vom

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Hersteller ohne Elektrolytfüllung ausgeliefert werden. Die noch nicht mit Elektrolyt gefüllten Batterien sind ohne Wartung nahezu unbegrenzt lagerfähig. Zur Inbetriebnahme braucht lediglich eine vorgegebene Menge eines handelsüblichen schwefelsauren Elektrolyten mit Phosphorsäurezusatz zugesetzt zu werden. Dieser zugesetzte Elektrolyt wird von den Separatoren unter Bildung eines Elektrolytgels schnell aufgenommen und kippsicher festgelegt. Aus der Batterie kann sofort nach Einfüllen der erforderlichen Elektrolytmenge Strom entnommen werden.

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Claims

Licht, Schmidt, Hansmann & Herrmann Patentanwälte A.bRßhtStr65 ™Γ «"SSST Albert-Roßhaupter-Str. 65 8000 München 70 Telegramme: Lipatli München 2720?S0 Anmelder: Accumulatorenfabrik Sonnenschein GmbH, Büdingen Patentansprüche

1. Separator für Bleiakkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem zu einem Preßkörper verpreßten Material besteht, welches die Eigenschaft besitzt, mit dem schwefelsauren Elektrolyten zu gelieren.

2. Separator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper eine den Zwischenraum zwischen gegenüberliegenden Elektroden ausfüllende Form aufweist.

3. Separator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Geliermittel für den schwefelsauren Elektrolyten aus feinst verteilter Kieselsäure besteht.

4. Separator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kieselsäure aus Teilchen mit einem Durchmesser von 1O-2O mn besteht.

5. Separator nach einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßkörper mit säurefesten und oxidationsbeständigen Fasern armiert ist.

6. Separator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil des Preßkörpers 3-30 % beträgt.

7. Separator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern eine Länge von 2-10 mm und eine Faserstärke von 1-10 Denier aufweisen.

8. Verwendung der Separatoren nach Anspruch 1-7 in wartungsfreien Batterien mit Gittern aus antimonfreien Legierungen.

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9. Verwendung der Separatoren nach Anspruch 1-7 in Batterien nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter aus Blei-Calcium-Legierung bestehen.

10. Verwendung der Separatoren nach Anspruch 1-7 in Batterien nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrolyten 0,5-5 % Phosphorsäure zugesetzt sind.

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