DE2853740A1 - Primary zinc air cell - with oxygen reduction activating layer and hydrophobic layer forming the positive air electrode - Google Patents

Primary zinc air cell - with oxygen reduction activating layer and hydrophobic layer forming the positive air electrode

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DE2853740A1
DE2853740A1 DE19782853740 DE2853740A DE2853740A1 DE 2853740 A1 DE2853740 A1 DE 2853740A1 DE 19782853740 DE19782853740 DE 19782853740 DE 2853740 A DE2853740 A DE 2853740A DE 2853740 A1 DE2853740 A1 DE 2853740A1
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Abstract

A primary galvanic cell with an alkaline electrolyte includes a negative electrode (zinc) and a positive air electrode. The latter consists of the electrolyte side of a layer which activates the oxygen reduction and, firmly connected it a hydrophobic layer on the gas side. The hydrophobic layer is pref. a thermoplastic material such as PTFE. Its thickness can vary between 25 and 100 mu and it has a permeability factor for air from 10-8 and 10-5cm3/cm.s.bar. The electrolyte pref. is caustic soda soln. A metallic bleeder grid is embedded in the layer for the activation of the oxygen reduction. Such a cell can supply small currents of up to a few 100mA over long working and periods so that it ideal for button cells required in wristwatches or pocket computers.

Description

Galvanisches Primärelement Galvanic primary element

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Primärelement mit alkalischem Elektrolyten, einer negativen Elektrode und einer positiven Luftelektrode, die elektrolytseitig aus einer die Sauerstoffreduktion aktivierenden Schicht und einer damit fest verbundenen, der Gasseite zugekehrten hydrophoben Schicht besteht.The invention relates to a galvanic primary element with alkaline Electrolytes, a negative electrode and a positive air electrode, the electrolyte side from a layer that activates the oxygen reduction and a firmly connected, the gas side facing hydrophobic layer consists.

Alkalische .I;uft/Zink-Systeme sind seit langem bekannt.Alkaline air / zinc systems have been known for a long time.

Nach ihrem heutigen Entwicklungsstand können sie Energiedichten von über 700mWh/cm3 besitzen. Sie gehören damit zu den Hochenergiesystemen, wie z.B. die Lithiumzellen, mit denen in der Regel nur 500 mWh/cm³ bis 700 mWh/cm³ erreicht werden. Ihre Entladespannung liegt zwischen 1,4 und 1,2 Volt. Sie entspricht somit der des HgO/Zn-Systems. Im Gegensatz zu diesem ist das Luft/ Zink-System jedoch bedeutend umweltfreundlicher, da es praktisch kein Quecksilber enthält.According to their current level of development, they can have energy densities of own over 700mWh / cm3. They belong to the high-energy systems, e.g. the lithium cells, with which usually only 500 mWh / cm³ to 700 mWh / cm³ is achieved will. Their discharge voltage is between 1.4 and 1.2 volts. It therefore corresponds that of the HgO / Zn system. In contrast to this, however, is the air / zinc system significantly more environmentally friendly as it contains practically no mercury.

Bekannte Knopfzellen des Luft/Zink-Systems weisen Konstruktionen der Luftelektrode auf, die sich im Prinzip stets aus zwei Schichten zusammensetzt, nämlich einer elektrolytzugänglichen - der eigentlich aktiven - Schicht und einer der Außenluft zugewandten hydrophoben Schicht.Known button cells of the air / zinc system have constructions of Air electrode, which in principle always consists of two layers, namely one electrolyte-accessible - the actually active - layer and a hydrophobic layer facing the outside air.

Die DE-OS 2 454 890 beschreibt eine solche Schichtenanordnung, bei welcher der hydrophoben gasdurchlässigen Schicht zusätzlich eine Saugschicht aus Papier zugeord net ist, um als Luftverteilungsschicht und gleichzeitig als Absorber für möglicherweise durchtretenden Elektrolyten zu dienen. Die hydrophobe Schicht ist eine mikroporöse, ungesinterte Polytetrafluoräthylen Folie (PTFE)o Die aus der DE-OS 2 743 078 bekannte Luftelektrode besitzt eine hydrophobe PTFE-Membran, die eine Dichte von 0,5 bis 1,5 g/cm3 und eine Dicke zwischen 75 und 300ru besitzt.DE-OS 2 454 890 describes such a layer arrangement in which of the hydrophobic gas-permeable layer also has an absorbent layer Paper is assigned to act as an air distribution layer and at the same time as an absorber to serve for electrolytes that may leak through. The hydrophobic layer is a microporous, unsintered polytetrafluoroethylene film (PTFE) o Die from the DE-OS 2 743 078 known air electrode has a hydrophobic PTFE membrane which has a density of 0.5 to 1.5 g / cm3 and a thickness between 75 and 300ru.

Aus der DE-OS 2 535 269 schließlich ist eine Luftelektrode mit einer ebenfalls ungesinterten PTFE-Folie von 200>i Stärke und 40 ,~ Porosität bekannt.From DE-OS 2 535 269, finally, an air electrode with a Also unsintered PTFE film of 200> i thickness and 40, ~ porosity known.

Die positiven Elektroden dieser bekannten Luft/Zink-Systeme sind für hohe Ströme bzw. Stromdichten (über 10 mA/cm2) ausgelegt. Eine hohe Stromdichte erfordert eine entsprechend hohe Luftzufuhr bzw einen hohen Luftaustausch. Ein hoher Luftaustausch mit der umgebenden Atmosphäre birgt Jedoch die Gefahr der Austrocknung oder auch der unzulässigen Wasseraufnahme des Luft/Zink-Systems in sich, darüber hinaus bedeutet ein hoher Luftaustausch eine verstärkte Karbonatisierung des alkalischen Elektrolyten durch den C02-Gehalt der Luft.The positive electrodes of these known air / zinc systems are for high currents or current densities (over 10 mA / cm2). A high current density requires a correspondingly high air supply or high air exchange. A high one However, air exchange with the surrounding atmosphere carries the risk of dehydration or the inadmissible water absorption of the air / zinc system in itself, above In addition, a high exchange of air means an increased carbonation of the alkaline Electrolytes due to the C02 content of the air.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein galvanisches Primärelement mit einer positiven Luftelektrode anzugeben, welche für einen so geringen Luftaustausch ausgelegt ist, daß aus der mit dieser Elektrode ausgerüsteten Zelle nur Lastströme,beispielsweise bis zu einigen 100~u A, diese jedoch über lange Betriebszeiten, entnommen werden können.The invention is based on the object of a galvanic primary element indicate with a positive air electrode which one for such a low air exchange is designed that from the cell equipped with this electrode only load currents, for example up to a few 100 ~ u A, but this can be taken over long periods of operation can.

Die für Kleinstverbraucher wie elektronische Taschenrechner oder Armbanduhren bereits sehr weitgehend miniaturisierten Luft/Zink-Elemente in Form einer Knopfzelle sollen auch hinsichtlich der Stromabgabe dem tatsächlichen Bedarf dieser Kleingeräte angepaßt werden.The ones for small consumers such as electronic pocket calculators or wristwatches already very largely miniaturized air / zinc elements in the form of a button cell should also meet the actual needs of these small devices with regard to power output be adjusted.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die hydrophobe Schicht eine Dicke zwischen 25 und 100zu und einen Permeabilitätskoeffizienten K zwischen 10 8 und 10## 5 cm3/cm x sec. x bar (für Luft) besitzt.The object is achieved according to the invention in that the hydrophobic Layer a thickness between 25 and 100 to and a permeability coefficient K between 10 8 and 10 ## 5 cm3 / cm x sec. x bar (for air).

Schichten der erfindungsgemäßen Permeabilität und Dicke lassen sich aus ungesinterten Kunststoff-Folien durch Walzen, Pressen oder Sintern herstellen. Dabei können neben dem vorzugsweise verwendeten PTFE auch Thermoplaste wie Polyäthylen, Polypropylen oder Polystyrol oder Mischungen von PTFE mit einem Thermoplasten verwendet werden. Durch-Aufwalzen oder Aufpressen der verdichteten Folien auf die katalytisch aktive Schicht erhält man die zweischichtige Luftelektrode.Layers of the permeability and thickness according to the invention can be Manufacture from unsintered plastic films by rolling, pressing or sintering. In addition to the preferably used PTFE, thermoplastics such as polyethylene, Polypropylene or polystyrene or mixtures of PTFE with a thermoplastic are used will. By rolling or pressing the compacted foils onto the catalytic active layer one obtains the two-layer air electrode.

Kriterien für die Eignung einer Folie als erfindungsgemäuse hydrophobe Elektrodenschicht insbesondere bei Uhren- und Rechnerzellen ergeben sich aus der nachstehenden Betrachtung. Ausgangspunkt ist dabei stets eine 700 r starke PTFE-Folie. Diese besitzt im handelsüblichen, ungesinterten Zustand eine Dichte 1,62 g/cm² bei einem Porenvolumen von 26 %. Der Grenzstrom iG beträgt 300 mA/cm2.Criteria for the suitability of a film as a hydrophobic film according to the invention Electrode layers, especially in clock and computer cells, result from the considerations below. The starting point is always a 700 r thick PTFE film. In the commercially available, unsintered state, this has a density of 1.62 g / cm² a pore volume of 26%. The limit current iG is 300 mA / cm2.

Ungesinterte Folien, die einen so hohen Grenzstrom erlauben, werden in den Luftelektroden für hochbelast bare Knopfzellen verwendet. In der Nähe dieses Leistungsbereiches arbeiten übliche Luft/Zink-Hörgerätezellen.Unsintered foils that allow such a high limit current will be Used in the air electrodes for heavy duty button cells. Close to this Normal air / zinc hearing aid cells work in the power range.

Der Grenzstrom iG ist einem bestimmten Luftvolumen proportional, welches zu seiner Erzeugung in der Zeiteinheit an die Elektrode herangeführt werden muß, wobei für den Luftdurchsatz V gilt: Wie man aus der Beziehung erkennt, lassen sich durch Variation des Folienquerschnitts Q, der Foliendicke d und der Druckdifferenz tp unterschiedliche Durchflußwerte erzielen. Nimmt man Jedoch den atmosphärischen Außendruck gegen das Luftelement und damit Ap als konstant an und vereinbart weiterhin konstante Werte für Q (= 1 cm2) und d (=100>1), so liefert der Permeabilitätskoeffizient K (cm3/cm x sec x bar) ein direktes Maß für den Luftdurchsatz.The limit current iG is proportional to a certain volume of air, which must be brought to the electrode in a unit of time to generate it, whereby the following applies to the air throughput V: As can be seen from the relationship, different flow values can be achieved by varying the film cross-section Q, the film thickness d and the pressure difference tp. However, if one assumes the external atmospheric pressure against the air element and thus Ap as constant and continues to agree constant values for Q (= 1 cm2) and d (= 100> 1), the permeability coefficient K (cm3 / cm x sec x bar) a direct measure of air flow.

Unter den oben getroffenen Voraussetzungen wird sogar der Permeabilitätskoeffizient K aus dem Grenzstrom iG berechenbar, weil iG dem Luftdurchsatz V proportional ist, wobei die Maßgabe zu Hilfe kommt, daß man 1 cm3 Luftih der Elektrode zuführen muß um einen Strom von 1 mA zu erzeugen.Under the above conditions, even the permeability coefficient becomes K can be calculated from the limit current iG, because iG is proportional to the air flow rate V, with the proviso that 1 cm3 of air must be supplied to the electrode to generate a current of 1 mA.

Dieser Sachverhalt läßt sich durch Messungen an PTFE-Folien experimentell bestätigen, die schrittweise - von der Dichte je = 1,62 mit dem Porenvolumen 26 96 ausgehend - zu immer höheren Dichten (bis Jo = 2,23) heruntergewalzt bzw. gesintert worden waren und welche außer durch den Dichtewert jeweils durch entsprechende Werte für den Grenzstrom iG und den Permeabilitätskoeffizienten K für Luft charakterisiert werden konnten.This fact can be determined experimentally by measurements on PTFE foils confirm the step-by-step - of the density each = 1.62 with the pore volume 26 96 starting out - rolled down or sintered to ever higher densities (up to Jo = 2.23) and which, in addition to the density value, by corresponding values for the limit current iG and the permeability coefficient K for air could become.

Die ungesinterte Ausgangsfolie besitzt einen Permeabilitätskoeffizienten K = 4,4 x 10 3cm3/cm x secx bar. Bei der Dichte # = 1,83 betragen das Porenvolumen noch 15 % und der Grenzstrom iG 165 mA/cm2 (gegenüber 300 mA/ cm2 bei 26 % Porosität). Mit der Dichte p = 2,06 korrespondieren ein Porenvolumen von 2,8 %, ein Grenzstrom iG = 30 mA/cm² sowie ein Permeabilitätskoeffizient K = 9,75 x 10 6 cm3/cm x sec x bar.The unsintered starting film has a coefficient of permeability K = 4.4 x 10 3 cm3 / cm x sec x bar. At the density # = 1.83 the pore volume is still 15% and the limit current iG 165 mA / cm2 (compared to 300 mA / cm2 with 26% porosity). With a density of p = 2.06, a pore volume of 2.8% corresponds to a limit current iG = 30 mA / cm² and a permeability coefficient K = 9.75 x 10 6 cm3 / cm x sec x bar.

Es wurde nun gefunden, daß im größten Dichtebereich von # = 2,15 bis 2,23 das Folienmaterial je nach seiner Behandlung durch fortgesetztes Auswalzen oder durch Sintern und Abschrecken zwei unterschiedliche Zustandsformen aufweist, nämlich eine transparente, hochkristalline im ersten und eine amorphe im anderen Falle. Bei beiden Formen ist die meßbare Porosität praktisch 0 5'.It has now been found that in the largest density range from # = 2.15 to 2.23 the sheet material depending on its treatment by continued rolling or has two different states through sintering and quenching, namely a transparent, highly crystalline one in the first and an amorphous one in the other Cases. In both forms the measurable porosity is practically 0 5 '.

Nach der Porosität sind sie also nicht mehr unterscheidbar, wohl aber aufgrund ihrer Permeabilitätskoeffi zienten,die bei der kristallinen Form 8 x 10 -9 und bei der amorphen Form 8 x 10 8 cm3/cm x sec bar betragen.According to their porosity, they are no longer distinguishable, but they can due to their permeability coefficient, which in the crystalline form is 8 x 10 -9 and in the amorphous form 8 x 10 8 cm3 / cm x sec bar.

Korrespondierend mit diesen Werten sind ferner - obwohl die Porosität praktisch 0 % ist - noch Grenzströme von 10 x 10#3mA/cm2 (kristallin) bzw. 36 x 10 cm2 (amorph) meßbar.Corresponding to these values are also - although the porosity is practically 0% - limit currents of 10 x 10 # 3mA / cm2 (crystalline) or 36 x 10 cm2 (amorphous) measurable.

Durch gezielte Auswahl des Folienmaterials für die Luftelektrode ist es möglich, sich dem minimalen Energiebedarf elektronischer Armbanduhren und Taschenrechner, deren Stromaufnahme im Mikroamperebereich liegt, zweckmäßig anzupassen.By carefully selecting the film material for the air electrode it is possible to meet the minimal energy requirements of electronic wristwatches and calculators, whose power consumption is in the microampere range, appropriately adapted.

Zu berücksichtigen ist jedoch, daß der Grenzstrom ein Strom ist, bei dem die Lastspannung paktisch den Wert Null hat. Soll der Strom daher bei einer brauchbaren Nutzspannung fließen, darf er nur einen Bruchteil des Grenzstromes, beispielsweise 1/10 davon betragen.However, it must be taken into account that the limit current is a current at which the load voltage practically has the value zero. Should the current therefore be at a useful voltage flow, it may only flow a fraction of the limit current, be for example 1/10 of it.

Für Folien des Dichtebereiches p = 2,06 bis 2,23 und mit entsprechenden Permeabilitätskoeffizienten von ca. 10 5 bis10 8 cm3/cm x sec x bar bedeutet dies, daß ihnen echte Gebrauchs ströme zwischen 3 mA und 1 » zugeordnet werden können.For foils of the density range p = 2.06 to 2.23 and with corresponding Permeability coefficients of approx. 10 5 to 10 8 cm3 / cm x sec x bar this means that real utility currents between 3 mA and 1 »can be assigned to them.

Diese Zahlenwerte beziehen sich stets auf eine Folie mit der Dicke d= 100zu und dem Querschnitt Q = 1 cm2 und gelten bei einer Druckdifferenz, die dem atmosphärischen Druck entspricht.These numerical values always relate to a film with the thickness d = 100 to and the cross-section Q = 1 cm2 and apply to a pressure difference that corresponds to atmospheric pressure.

Die Obergrenze der Gebrauchs ströme bei Verwendung erfindungsgemäßer Folien reduziert sich jedoch auf ca. 700#iA, wenn man in Betracht zieht, daß Q bei der eingebauten Folie wegen des nur wenige mm betragende Zellendurchmessers nur 1/4 bis 1/3 cm2 erreicht. Andererseits läßt sich die Untergrenze der Gebrauchsströme von ca.The upper limit of the use currents when using the invention Foils, however, is reduced to about 700 # iA when one takes into account that Q at the built-in foil because of the cell diameter, which is only a few mm 1/4 to 1/3 cm2 reached. On the other hand, the lower limit of the usage currents from approx.

im Bedarfsfall zu größeren Stromstärken hin verschieben, indem man die Foliendicke von 100 u bis auf 25 P herunter reduziert.if necessary move to higher currents by the film thickness reduced from 100 u down to 25 P.

Für die Auslegung der Luftelektrode hinsichtlich des notwendigen Luftaustausches ist somit ein hinreichend großer Spielraum gegeben, wobei man etwa davon ausgehen darf, daß der Basisstrom für eine Quarzuhr 9 #iA kaum übersteigt und der Taschenrechner keinen stärkeren Strom als 200 benötigt.For the design of the air electrode with regard to the necessary air exchange there is thus a sufficiently large leeway, assuming something like this is allowed that the base current for a quartz watch hardly exceeds 9 #iA and the pocket calculator no more current than 200 is required.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert.The subject matter of the invention is set out below with reference to FIGS to 8 explained in more detail.

Figur 1 zeigt in einer Teilansicht eine Luft/Zink-Zelle mit typischen Abmessungen von 11,6 mm ~ und 5,4 mm Höhe und Figur 2 in einer Teilansicht eine Vergrößerung des mit einer gepunkteten Linie abgegrenzten Ausschnitts aus Figur 1. Aus der katalytisch aktiven Schicht 1 und der hydrophoben Schicht 2 ist die Luftelektrode 3 zusammengesetzt. Die Schicht 2 ist hierbei eine durch Sintern oder Walzen in ihrer ursprünglichen Dicke reduzierte, d.h. verdichtete PTFE-Folie. In die aktive Schicht 1 ist der elektrische Ableiter 4 in Form eines Metallnetzes, z.B. aus Nickel, eingelassen. Des weiteren besteht die Zelle aus dem Zink 5 mit dem Elektrolyten und dem Deckel 6, wobei gegebenenfalls im Deckelraum oder auf andere bekannte Weise ein genügender Ausdehnungsraum vorhanden ist, um den Volumenzuwachs des Zinks aufzufangen, der bei der Entladung entsteht. Darunter folgen das ElektrolytS quellblatt 7, der Separator 8 und die Kontaktscheibe 9, mit deren Hilfe zwischen dem Becher 10 und der Luftelektrode 4 ein sicherer elektrischer Kontakt hergestellt wird.Figure 1 shows a partial view of an air / zinc cell with typical Dimensions of 11.6 mm ~ and 5.4 mm in height and Figure 2 in a partial view Enlargement of the section of the figure delimited with a dotted line 1. The air electrode is made up of the catalytically active layer 1 and the hydrophobic layer 2 3 composed. The layer 2 is here one by sintering or rolling in its original thickness reduced, i.e. compressed PTFE film. In the active layer 1, the electrical arrester 4 is embedded in the form of a metal mesh, e.g. made of nickel. Furthermore, the cell consists of the zinc 5 with the electrolyte and the cover 6, where appropriate in the lid space or in another known manner a sufficient Expansion space is available to accommodate the increase in volume of the zinc that occurs during discharge. This is followed by the electrolyte source sheet 7, the separator 8 and the contact disk 9, with the help of which between the cup 10 and the air electrode 4 a safe electrical contact is established.

Die Dichtung 11 verbindet Deckel 6 und Becher 10 mit dem Luftzutrittsloch 12. Mit 13 ist die Dichtungszone zwischen der Luftelektrode 4 und dem Becher 10 bezeichnet. Zusätzlich enthält die Zelle gemäß Figur 2 eine hochporöse Schicht 14 für die Luftverteilung. Sie dient gleichzeitig zur Verbesserung der Elektrolytdichtigkeit der Zelle.The seal 11 connects the lid 6 and cup 10 to the air inlet hole 12. With 13 is the sealing zone between the air electrode 4 and the cup 10 designated. In addition, the cell according to FIG. 2 contains a highly porous layer 14 for air distribution. It also serves to improve the electrolyte tightness the cell.

Diese ist jedoch prinzipiell durch die hochverdichtete Schicht 2 stets gewährleistet.In principle, however, this is always due to the highly compressed layer 2 guaranteed.

Bei dieser Zellenkonstruktion wird der Luftzutritt und die Luftverteilung dadurch erreicht, daß der Becher boden leicht gewölbt ist. Hierdurch entsteht zwischen dem Becherboden und der Luftelektrode 3 ein Luftspalt.With this cell construction, the air inlet and the air distribution achieved in that the cup is slightly curved bottom. This creates between the cup base and the air electrode 3 an air gap.

Diese Konstruktion ist sinnvoll für Ströme bis zu ca, 500fluA/cm2. Der Luftspalt selbst liegt im Bereich von etwa 1/10 mm.This construction makes sense for currents up to approx. 500fluA / cm2. The air gap itself is in the range of about 1/10 mm.

Figur 3 zeigt, ebenfalls in einer Teilansicht, eine besonders flache Variante der zu Figur 1 beschriebenen Zelle, geeignet für Zellenhöhen von weniger als 2 mm.FIG. 3 shows, also in a partial view, a particularly flat one Variant of the cell described for FIG. 1, suitable for cell heights of less than 2 mm.

Hier fehlt der vorgenannte Luftspalt, dafür wird die Luftverteilung über eine Mikrorauhigkeit des Becherbodens bzw. der PTFE-Schicht, die auf dem Becherboden anliegt, gewährleistet. Es fehlt ferner der Kontaktring 9; die Kontaktierung erfolgt hier bei 9' über die elektronisch leitende, katalytisch aktive Schicht 1 mit dem Becherrand 10.The aforementioned air gap is missing here, but the air distribution is used via a micro-roughness of the cup base or the PTFE layer on the cup base is present, guaranteed. The contact ring 9 is also missing; the contact is made here at 9 'over the electronically conductive, catalytically active layer 1 with the Cup rim 10.

Figur 4 entspricht wiederum einer Vergrößerung des gepunkteten Ausschnitts von Figur 3, zeigt jedoch abweichend von dieser eine mit Kontaktring 9 und Ableiter 4 ausgerüstete Zelle. In Figur 4 ist insbesondere der Grenzfall für eine extreme Verdichtung der hydrophoben Schicht 2 dargestellt, die so stark ist, daß die Folie keinerlei Poren mehr enthält, d.h. hier ergeben sich die geringsten Gaspermeabilitätskoeffizienten. Die Schicht 2 ist dann eine bis zur Transparenz voll durchgesinterte Folie. Man erkennt ferner, daß im Dichtungsbereich 13 zwischen der hochverdichteten Schicht 2 und dem Becherboden infolge der Dichtungskräfte die Mikrorauhigkeit 15 verschwindet. Figur 5 gibt eine besonders vorteilhafte Form der Luftzufuhrung im Boden des Bechers 10 wieder. Die Dichtungszone 13 befindet sich zwischen dem äußeren Durchmesser dieser Zelle und dem inneren gestrichelten Kreis 10. Eingezeichnet wurden 3 Flächen, die voneinander durch Strichlierung getrennt sind. Die Luftlöcher 12 befinden sich dabei im Flächenschwerpunkt der Einzelflächen 16. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Luftverteilung gegeben.FIG. 4 again corresponds to an enlargement of the dotted section of Figure 3, but deviating from this shows one with contact ring 9 and arrester 4 equipped cell. In particular, FIG. 4 shows the borderline case for an extreme Compaction of the hydrophobic layer 2 shown, which is so strong that the film no longer contains any pores, i.e. this is where the lowest gas permeability coefficients arise. Layer 2 is then a film that is fully sintered through to transparency. Man also recognizes that in the sealing area 13 between the highly compressed layer 2 and the micro-roughness of the cup base due to the sealing forces 15 disappears. FIG. 5 shows a particularly advantageous form of air supply in the bottom of the cup 10 again. The sealing zone 13 is located between the outer diameter of this cell and the inner dashed circle 10. Drawn in became 3 areas, which are separated from each other by dashed lines. The air holes 12 are in the center of gravity of the individual areas 16. This is given a particularly even air distribution.

Zwischen den Elektrodenschichten 1 und 2 bildet sich beim Aufwalzen ein fester Verbund. Dabei hat sich als vorteilhaft und wichtig herausgestellt, daß der metallische Ableiter 4 nicht im Bereich der Grenzzone liegt, die den Übergang von der aktiven zur hydrophoben Schicht bildet. Offenbar wird die gegenseitige Haftung durch diese Anordnung besonders begünstigt. Außerdem führt der hydrophile elektrolytseitig orientierte elektrische Ableiter 4 nach Kontaktierung mit dem Elektrolyten zu einer Besonders schnellen Benetzung der aktiven Schicht, die infolge eines vorhandenen Bindemittels für den Katalysator ursprünglich ebenfalls hydrophobiert ist.Forms between the electrode layers 1 and 2 during rolling a solid bond. It has been found to be advantageous and important that the metallic arrester 4 is not in the area of the boundary zone which the transition from the active to the hydrophobic layer. Apparently there will be mutual liability particularly favored by this arrangement. In addition, the hydrophilic leads on the electrolyte side oriented electrical arrester 4 after contacting the electrolyte to form a Particularly rapid wetting of the active layer as a result of an existing one Binder for the catalyst is originally also hydrophobized.

Es ist auch möglich, gestützt auf eine ausreichende Elektronenleitung des Jeweils verwendeten Katalysatormaterials auf ein Ableiternetz 4 ganz zu verzichten. Dadurch läßt sich eine Luftelektrode aufbauen mit einer Gesamtdicke, die etwa 0,1 bis 0,15 mm beträgt. Diese Konstruktion ist allerdings nur für Niedrigstströme zu verwenden, sie hat nicht die Impulsbelastbarkeit der Luftelektroden gemäß Figuren 2 und 4, in welchen die Schicht 1 etwas stärker ausgeführt ist.It is also possible based on sufficient electron conduction of the catalyst material used in each case to completely dispense with a discharge network 4. This allows an air electrode to be built up with a total thickness of about 0.1 to 0.15 mm. This construction is only for To use very low currents, it does not have the pulse load capacity of the air electrodes according to Figures 2 and 4, in which the layer 1 is made somewhat stronger.

Luftelektroden gemäß Figuren 1 und 2 haben katalytisch aktive Schichten von beispielsweise 0,3 mm Dicke. Vermöge des darin gespeicherten Luftvolumens besitzen sie eine Pufferkapazität, die sie für kurze Zeit zur Stroms versorgung z.B. einer Leuchtdiodenanzeige befähigt, ohne daß die Spannung dabei nennenswert absinkt. Die hierzu notwendige Impulsbelastung beträgt 10 mA für 2 sec, entsprechend einer Strommenge von 5,55#Ä#iAh. Berücksichtigt man den eingangs geschilderten Zusammenhang zwischen Strom und auszutauschender Luftmenge, wonach für 1 # Ah das Luftvolumen 10 jil zugeführt werden muß, und nimmt man für die katalytisch aktive Schicht eine Porosität von 50 5' an, so läßt sich aus Umfang und Dicke dieser Schicht ohne weiteres auf die Pufferkapazität schließen. Durch Dimensionierung der Schicht dicke läßt sich auch wiederum die Impulbelastbarkeit der Zelle beeinflussen, d.h. Je dicker die Schicht 1, desto besser die Impulsbelastbarkeit.Air electrodes according to FIGS. 1 and 2 have catalytically active layers for example 0.3 mm thick. Capacity of the volume of air stored in it a buffer capacity that you can use for a short time to supply power to e.g. a LED display enables without the voltage dropping significantly. the The pulse load required for this is 10 mA for 2 seconds, corresponding to an amount of current from 5.55 # Ä # iAh. If one takes into account the relationship between Current and amount of air to be exchanged, after which the air volume 10 jil is supplied for 1 # Ah must be, and if the catalytically active layer has a porosity of 50 5 ', the circumference and thickness of this layer can be used to refer to the Close buffer capacity. By dimensioning the layer thickness can also in turn affect the pulse load capacity of the cell, i.e. the thicker the layer 1, the better the pulse load capacity.

Der verwendete Elektrolyt ist stets Natronlauge. Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Spannungsstromdiagramme, die das Belastungsverhalten der verschiedenen Zellausführungen erkennen lassen. Die Diagramme von Figur 6 und 7 wurden durch Entladung von Knopfzellen (Zink/Luft) der Abmessung 11,6 mm ~ x 5,4 mm erhalten. Dabei demonstriert Figur 6 zunächst den - nicht erfindungsgemäßen -Fall des Einsatzes einer 200 P starken, ungesinterten und lediglich auf die Starke 150>u r verdichteten PTFE-Folie, deren Porosität (ca. 15 5') so beschaffen ist, daß erst oberhalb von 25 mA die Spannung plötzlich abzufallen beginnt. Ein Strom von z.B. 27 mA ist nicht mehr möglich.The electrolyte used is always caustic soda. Figures 6, 7 8 and 8 show voltage-current diagrams showing the load behavior of the various Identify cell designs. The diagrams of Figures 6 and 7 were created by discharge obtained from button cells (zinc / air) measuring 11.6 mm ~ x 5.4 mm. Demonstrated figure 6 first of all the - not according to the invention - case of the use of a 200 P strong, unsintered and only on the strength 150> u r compressed PTFE film, their Porosity (approx. 15 5 ') is such that only above 25 mA does the voltage suddenly begins to fall off. A current of e.g. 27 mA is no longer possible.

Der Spannungsabfall ist durch den Strömungswiderstand bedingt, der durch die PTFE-Folie 2, die Luftzutrittsöffnung 12 sowie durch den zwischen Becherboden und Folienschicht 2 liegenden Luftverteilungsraum gebildet wird. Bei unbehindertem Luftzutritt zur PTFE-Folie steigt der Grenzstrom von 25 mA auf etwa 50 mA.The voltage drop is due to the flow resistance, the through the PTFE film 2, the air inlet opening 12 and through the between the cup base and film layer 2 lying air distribution space is formed. With unhindered If air advances to the PTFE film, the limit current increases from 25 mA to around 50 mA.

Erfindungsgemäße Knopfzellen besitzen dagegen die Belastungsdiagramme der Figuren 7 und 8. Die nach Figur 7 eingesetzte PTFE-Folie ist auf eine Dichte von 2,13 g/cm3 gesintert, und die Luftelektrode erlaubt nur einen Grenzstrom von etwa 25O#iA. Hier ist der Strom ausschließlich durch die PTEE>Folie kontrolliert.Button cells according to the invention, on the other hand, have the load diagrams of FIGS. 7 and 8. The PTFE film used according to FIG. 7 has a density of 2.13 g / cm3, and the air electrode only allows a limit current of about 25O # iA. Here the current is controlled exclusively by the PTEE> foil.

Figur 8 bezieht sich auf die flache Zelle 11,6 mm # x 1,7 mm nach Figur 3, die in diesem Fall mit einer 50>1 starken, voll durchgesinterten PTFE-Folie ausgerüstet ist. Diese läßt nur Ströme von ca 9 #2A auf Dauer zu.Figure 8 refers to the flat cell 11.6 mm # x 1.7 mm after Figure 3, in this case with a 50> 1 thick, fully sintered PTFE film is equipped. This only allows currents of approx. 9 # 2A in the long term.

Wird der Strom auf 12 µA erhöht, bricht die Spannung der Zelle zusammen. Der Zusammenbruch der Spannung erfolgt auch hier wiederum durch den Gasdurchtrittswiderstand der Folie.If the current is increased to 12 µA, the voltage of the cell collapses. The breakdown of the voltage takes place here again due to the gas passage resistance the slide.

Sämtliche vorgenannten Ergebnisse wurden bei etwa 250C erhalten. Als Elektrolyt der Zellen diente im Falle von Figur 6 8n KOH und im Falle der Figuren 7 und 8 8n NaOH, die bei Zellen der erfindungsgemäßen Art wegen ihrer geringeren Kriechneigung vorteilhaft ist.All of the above results were obtained at about 250C. as Electrolyte of the cells served in the case of FIG. 6 8n KOH and in the case of the figures 7 and 8 8n NaOH, which in cells of the type according to the invention because of their lower Creep is beneficial.

Claims (8)

Patentansprüche 1Galvanisches Primärelement mit alkalischem Elektrolyten, einer negativen Elektrode und einer positiven Luftelektrode, die elektrolytseitig aus einer die Sauerstoffreduktion aktivierenden Schicht und einer damit fest verbundenen, der Gasseite zugekehrten hydrophoben Schicht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe Schicht eine Dicke zwischen 25 und 100>1 und einen Permeabilitätskoeffizienten K zwischen 10 8 und 10 5 cm3/cm x sec. x bar (für Luft) besitzt. Claims 1 Galvanic primary element with alkaline electrolyte, a negative electrode and a positive air electrode, the electrolyte side from a layer that activates the oxygen reduction and a firmly connected, the gas side facing hydrophobic layer, characterized in that the hydrophobic layer has a thickness between 25 and 100> 1 and a permeability coefficient K between 10 8 and 10 5 cm3 / cm x sec. X bar (for air). 2. Galvanisches Primärelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der die Sauerstoffreduktion aktivierenden Schicht ein metallisches Ableiternetz eingelagert ist. 2. Galvanic primary element according to claim 1, characterized in that that in the layer which activates the oxygen reduction there is a metallic discharge network is stored. 3. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Ableiternetz-außerhalb der Grenzzone zwischen der die Sauerstoffreduktion aktivierenden Schicht und der hydrophoben Schicht angeordnet ist. 3. Galvanic primary element according to claims 1 and 2, characterized characterized in that the metallic arrester network-outside the boundary zone between the oxygen reduction activating layer and the hydrophobic layer is. 4. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe Schicht aus Polytetrafluoräthylen besteht.4. Galvanic primary element according to claims 1 to 3, characterized characterized in that the hydrophobic layer consists of polytetrafluoroethylene. 5. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe Schicht aus einem Thermoplast besteht.5. Galvanic primary element according to claims 1 to 3, characterized characterized in that the hydrophobic layer consists of a thermoplastic. 6. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der alkalische Elektrolyt Natronlauge ist.6. Galvanic primary element according to claims 1 to 5, characterized characterized in that the alkaline electrolyte is sodium hydroxide solution. 7. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der mit mindestens einer Lufteintrittsöffnung versehene Becherboden oder die an diesem anliegende hydrophobe Schicht entlang der gegenseitigen Berührungsfläche aufgerauht ist.7. Galvanic primary element according to claims 1 to 6, characterized characterized in that the cup base provided with at least one air inlet opening or the hydrophobic layer adjacent to it along the mutual contact surface is roughened. 8. Galvanisches Primärelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Becherboden leicht gewölbt ist.8. Galvanic primary element according to claims 1 to 6, characterized characterized in that the bottom of the cup is slightly curved.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2504021A1 (en) * 1981-04-17 1982-10-22 Gipelec Low porosity membrane - having areas of high porosity distributed within areas of low or negligible porosity
DE3613237A1 (en) * 1985-04-22 1986-12-04 Duracell International Inc., Tarrytown, N.Y. METAL ELEMENT DEPOLARIZED WITH AIR

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