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Galvanisches Flachelement mit alkalischem
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El ektrolyten Die Erfindung betrifft ein-galvanisches Flachelement
mit alkalischem Elektrolyten, negativer Zinkelektrode und positiver MnO2-Plattenelektrode
in einem prismatischen Zellengehäuse aus Kunststoff.
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Das für die Erfindung vorwiegend in Aussicht genommene Anwendungsgebiet
ist die netzunabhängige Energieversorgung von Kleinstelektromotoren, wie sie zum
Antrieb von Spielzeugen, Flug- und Schiffsmodellen, aber auch bei einer breiten
Palette motorgetriebener Handgeräte, darunter beispielsweise Elektrorasierer eingesetzt
werden.
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In allen diesen Fällen werden besonders leistungsfähige Primärbatterien
oder Akkumulatoren verlangt.
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Bis heute ist als Energiequelle für die genannten Anwendungen noch
immer die bekannte Trockenbatterie vom Leclanché-Typ in Gebrauch, obwohl sie keine
besonders günstigen Voraussetzungen dafür mitbringt. Denn durch die hohe Stromaufnahme
seitens der Kleinstmotoren wird sie meistens in solchem Maße überfordert, daß sie
außerhalb ihres günstigen Leistungsbereiches arbeitet.
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Viele Anstrengungen der Batteriehersteller, durch konstruktive Maßnahmen
die Strombelastbarkeit von Leclanché-Zellen zu verbessern, hatten nur begrenzten
Erfolg.
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Ein grundlegender Fortschritt konnte erst mit Einführung des alkalischen
Zink/Braunstein-Systems erzielt werden, welches sich gegenüber dem Leclanche-System
durch gute Lagerfähigkeit und vor allem durch einen flacheren Spannungsabfall während
der Entladung auszeichnet. Die traditionelle Rundform der Leclanché-Zelle wir von
den alkalischen Braunsteinzellen jedoch übernommen. Dafür waren im wesentlichen
zwei Gründe ausschlaggebend. Man wollte einmal die vorhandenen maschinellen Einrichtungen
aus der Leclanché-Zellenfertigung weiterhin nutzen, zum anderen legte die leichte
Passivierbarkeit des Zinks in alkalischer Lösung die Verwendung einer Zinkpulverschüttung
anstelle des Zinkbechers als negative Elektrode nahe, wozu wiederum eine runde Zellenform
geeignet war. Die alkalischen Braunsteinzellen besitzen nur eine inverse Elektrodenanordnung,
d.h. mit negativer Zinkelektrode innen und diese zylindrisch umgebender Braunsteinelektrode
außen.
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Nachteile der Rundzelle liegen in der fehlenden Hochstrombelastbarkeit
infolge ungünstiger geometrischer Elektrodenformen und in der aufwendigen Herstellung
der Zinkelektrode, die als Pulverschüttung vorliegt. Hinzukommt, daß Rundzellen
in einer Batterieanordnung stets ein beträchtliches Totvolumen zwischen sich einschließen.
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Der Gedanke, für das alkalische Zink/Braunstein-System eine flache
Zellenbauart mit entsprechend flach geformten Elektroden vorzusehen, ist daher nicht
grundsätzlich neu. So werden in der DE-OS 2 514 124 Zellen aus stapelbaren Elektrodenplatten
mit einer schützenden Kunststoffumhüllung beschrieben, ohne daß jedoch über die
konkrete Ausführung der Zink- und Braunsteinelektroden etwas näheres mitgeteilt
ist.
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In der DE1OS 2 340 837 wird für ein alkalisches ZnlMnO2-Primärelement
die Verwendung einer plattenförmigen positiven Elektrode vorgeschlagen, welche dadurch
erhalten wird, daß man einem mit Leitmittel beschichteten Nickelstreckmetall das
aktive Mn02 unter Beimischung eines Binders aufpreßt. Als negative Elektrode ist,
wie sonst bei den Rundzellen üblich, eine Zinkpulverschüttung vorgesehen. Die Verwendung
des Zinks in Pulverform, was gleichbedeutend ist mit einer großen Oberfläche, ist
deshalb erforderlich, weil in alkalischen Lösungen das Zink nach Durchgang einer
bestimmten Strommenge pro Oberflächeneinheit sehr stark passiviert wird. Dem kann
nur durch eine Vergrößerung seiner Oberfläche begegnet werden. Die Verwendung massiver
Zinkbleche oder Zinkfolien als Elektrodenmaterial blieb aus diesem Grunde auf solche
Elektrodenanordnungen beschränkt, bei denen zumindest die geometrische Oberfläche
in einem optimalen Verhältnis zu dem Volumen der aktiven Masse steht, wie beispielsweise
bei dem als Wickel ausgebildeten Zinkstreifen in einem alkalischen Primärelement
nach DE-AS 1 421 577.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenkombination
für ein Flachelement mit Plattenelektroden und prismatischer Gehäuseform anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die negative
Elektrode eine Zinkblechelektrode ist.
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Figur 1 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung, bei
der die positive Elektrode von dem Zinkblech ähnlich wie von einem Kuvert umhüllt
ist.
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Die positive Elektrode 1 besitzt eine elektronenleitende Metallnetzeinlage
2 aus Eisen, Nickel oder Silber, auf welche das mit ca. 30 Gew.% Graphit vermischte
Braunsteinpulver unter einem Druck von ca. 104N/cm2 beidseitig aufgepreßt ist. Der
elektrische Innenwiderstand einer solchen Preßelektrode ist extrem niedrig und verschlechtert
sich kaum, wenn die Massemischung zusätzlich bis zu 5 Ges.% eines polymeren Bindemittels,
z.B. Polytetrafluoräthylen, enthält. Die Elektrode bleibt dabei porös und mechanisch
hinreichend stabil.
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Das Zink der negativen Elektrode 3 mit der Ableiterfahne 4 wird in
besonders rationeller Weise aus größeren Blechen oder Folien zugeschnitten und so
gefaltet, daß es auch die Kanten der positiven Elektrodenplatte überlappt mit Ausnahme
der Bereiche 5 und 6, wo Aussparungen für die positive Ableiterfahne 7 und zum Entgasen
oder Einfüllen des Elektrolyten vorgesehen sind. Durch Aufrauhen der Zinkfolie läßt
sich eine noch größere aktive Oberfläche erzielen.
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Die positive Elektrode selbst ist von einer eng sitzenden Tasche aus
einem porösen, für Zn-Ionen undurchlässigen Folienmaterial umschlossen, welches
den Separator 8 bildet. Besonders gut eignet sich regenerierte Zellulose für diesen
Zweck.
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Als Zellelektrolyt dient eine 8-normale KOH-Lösung, die 6 Ges.% ZnO
enthält.
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Figur 2 gibt eine Batterie aus drei erfindungsgemäßen Flachelementen
in einem 3-zelligen Kunststoffgehäuse 9 wieder. Ein solches Gehäuse läßt sich spritztechnisch
mit geringem Aufwand herstellen und kann mit dem Deckel 10, der zweckmäßig aus dem
gleichen Thermoplast wie das Gehäuse besteht, leicht verklebt oder verschweißt werden.
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Der besondere Vorzug des erfindungsgemäßen Flachelementes wird offenbar,
wenn man sich den nicht unterteilten Innenraum des 3-zelligen Gehäuses der Figur
2 anstelle dreier Flachzellen mit drei nebeneinanderstehenden konventionellen Rundzellen
des Alkali-Mangansystems besetzt denkt, einer AnordaU4g, wie sie von handelsüblichen
3-zelligen Flachbatterien 4,5 Volt des Leclanché-Typs bekannt ist. ~ Bei einer solchen
Bestückung mit Rundzellen ist das zur Aufnahme notwendige Batteriegehäuse nur zu
etwa 78 % ausgefüllt. Noch mehr als das große Totvolumen der Rundzellenbatterie
macht ein Vergleich zwischen der Oberfläche des Prismengehäuses und der Gesamtoberfläche
der darin untergebrachten Rundzellen, die Nachteile der letzteren gegenüber der
erfindungsgemäßen Zelle deutlich. Die Ober- bzw. Innenfläche
des
Prismengehäuses übertrifft die Oberfläche der Rundzellen um den Faktor 1,5. Da dieses
Flächenverhältnis auch die Elektrodengeometrie der hier im Vergleich stehenden Anordnungen
beeinflußt, ergeben sich für die flächige Gegenüberstellung der Elektroden im Fall
der prismatischen Bauweise sehr günstige Konsequenzen in bezug auf die elektrische
Leistung einer solchen Zelle.
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Die hohe Leistung wird zudem begünstigt durch den stark herabgesetzten
Ohm'schen.Widerstand der positiven Preßplatte und durch die bessere Elektronenleitung
im Zinkblech, verglichen mit derjenigen in einer Pulverschüttung. Diese Umstände
tragen wesentlich zur Verhinderung einer vorzeitigen Passivierung bei.
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Zugleich mit der erfindungsgemäßen alkalischen Zink/ Braunstein-Flachzelle
als Bauelement bietet sich also gemäß Figur 2 eine Kompaktbatterie an, die indessen
nicht auf eine 3-zellig Ausführung (4,5 Volt) beschränkt sein muß, sondern aus beliebigen
Zellen (n 1 2) aufgebaut sein kann, um je nach Bedarf beispielsweise eine 6 Volt-
(4Zellen) oder 9 Volt- (6 Zellen) Batterie zu ergeben. Da insbesondere die Plattendicke
der positiven Elektrode variabel gestaltet werden kann, ist man hinsichtlich der
Aufteilung eines Batteriegehäuses von gegebener Größe nicht an eine bestimmte Zellenzahl
gebunden. Es ist auch spritztechnisch kein Problem, Batteriegehäuse gemäß Figur
2 mit mehr als zwei Zellentrennwänden herzustellen.
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Man kann ferner jede Einzelzelle je nach Erfordernis mit einer Mehrzahl
dünnschichtiger Elektroden beider Polarität bestücken und auf diese Weise extrem
hohe Stromt elastbarkeit erzielen.
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Es ergibt sich also für die alkalische ZinklBraunstein-Kompaktbatteri
e gegenüber einer Rundzelleubatterie mit gleichen Raumabmessungen der Vorteil einer
um fast 1/4 höheren Raumausnutzung mit aktivem Material, damit verbunden eine entsprechend
größere Kapazität und eine unverhältnismäßig viel stärkere Strombelastbarkeit, da
diese überproportional mit dem Flächenquerschnitt wächst.
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o Vor allem aber bietet die prismatische Gehäuseform die Möglichkeit,
daß ihre Abmessungen den Halterungen der marktgängigen Einbaugeräte zwanglos angepaßt
werden können. Bisher mit Rundzellen ausgerüstete Kleinstmotoren und Geräte erfahren
dadurch einen erheblichen Zugewinn von -auf gleiche Volumina bezogener - elektrischer
Kapazität und Leistung, ohne daß dieser mit konstruktiven Abänderungen erkauft werden
muß.
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Figur 3 zeigt Entladekurven für eine konventionelle Alkali-Mangan-Rundzelle
(Kurve a) und für eine erfindungsgemäße prismatische Flachzelle (Kurve b) bei jeweils
gleicher Belastung von 0,5 A. Beide Zellen hatten das gleiche Gewicht von 64 g.
Die günstigere räumliche Verteilung des Massegewichtes in der prismatischen Zelle
jedoch, bei der sich ein Minimum des
Ohm'schen Widerstandes einstellt,
hat nicht nur eine um ca. 20 ,~ vergrößerte Kapazitätsausbeute, sondern auch eine
wesentlich höhere Spannungslage zur Folge.
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Unter den genannten Versuchsbedingungen und unter Zugrundelegung einer
Entladeschlußspannung von 0,8 Volt ergeben sich die nachstehenden Vergleichswerte
für die Energiedichte in Wh/kg bzw. Wh/l.
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Gewicht (g) Volumen(cm3) Wh/kg Wh/l Konventionelle Alkali-Mangan-
64 33,8 36 68 Rundzell e Erfindungsgemäße Zelle 64 25,0 54 137
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