DE3011981B2

DE3011981B2 - Verfahren zur Herstellung von aus einem Stromkollektor und aus einem aktiven Stoff bestehenden Akkumulatorelektroden

Info

Publication number: DE3011981B2
Application number: DE3011981A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing.-Chem. Janos Agh; Dipl.-Ing.-Chem. Geza Budapest Csath; Dipl.-Phys. Pal Horvath; Dipl.-Ing.-Chem. Sandor Kulcsar; Dipl.-Ing.-Mech. Dr. Jozsef Lukacs
Original assignee: VILLAMOSENERGIAIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST HU
Current assignee: VILLAMOSENERGIAIPARI KUTATO INTEZET BUDAPEST HU
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1981-08-06
Also published as: FR2457569A1; FR2457569B1; DE3011981C3; CS211370B2; DE3011981A1; HU179808B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur v> Herstellung von aus einem Stromkollektor und aus einem aktiven Stoff bestehenden Akkumulatorelektroden, bei denen der Stromkollektor mindestens von einer Seite mit dem aktiven Stoff bedeckt wird.

Im Bereich von chemischen Stromquellen finden eo intensive Forschungen zwecks Herstellung neuer Akkumulatoren von immer größerer Startleistung und von immer größerer spezifischer Energie bzw. Kapazität statt.

Eine wichtige Klasse der Akkumulatoren bilden Stromquellen, bei denen ein aus einem Metall, vorzugsweise aus Blei oder aus Nickel hergestellter Stromkollektor zur Akkumulation des Stroms verwendet ist. Der Stromkollektor ist mit einem aktiven Stoff, z. B. mit einer Elektrodenmasse gebunden. Der Stromkollektor kann in Form eines zentrisch angeordneten Netzes, Gitters oder einer äußeren Elektrodentasche ausgebildet werden. Die bekannten Pb-PbO2-, Cd-Ni-, Fe-Ni-, Zn-Ag, Zn-Luft- usw. Akkumulatoren sind derart aufgebaut

Das charakteristische Kennzeichen dieser Akkumulatoren liegt darin, daß der aktive Stoff eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweist Infolgedessen ist es zwecks Erhöhung der Belastbarkeit sowie des Wirkungsgrades dieser chemischen Stromquellen nötig, einen möglichst niedrigen elektrischen Durchgangsoder Obergangswiderstand zwischen dem aktiven Stoff und dem leitenden Stromkollektor auf der ganzen Oberfläche der Berührung sicherzustellen.

Die Oberfläche des Durchganges bestimmt den Widerstandswert Demzufolge ist der Durchgang von sehr großer Bedeutung bei modernen Akkumulatoren, bei denen die Elektroden mit Kunststoffgehalt ausgebildet sind. Ein derartiger Akkumulator ist aus der US-PS 40 64 331 bekannt.

Die Oberfläche des Stromkollektors ist von ausschlaggebender Bedeutung bei der Ausbildung eines Durchganges von minimalem Widerstand zwischen dem aktiven Stoff (der Elektrodenmasse) und dem Stromkollektor.

Aus der GB-PS 1197 107 ist ein Verfahren zur Verminderung des Durchgangswiderstandes bekannt. Nach diesem Verfahren soll die Oberfläche des Stromkoilektors mit einem elektrisch leitenden Pulver bedeckt werden. Das Verfahren ist zur Herstellung der Elektroden von Cd — Ni-Akkumulatoren geeignet und demzufolge von begrenzter Anwendbarkeit.

Nach der GB-PS 12 03 391 kann die elektrische Verbindung zwischen dem als Gitter ausgebildeten Stromkollektor und der Elektrodenmasse durch verschiedene Ausbildungen des Gitters verbessert werden. Dieses Verfahren ist lediglich zur Verbesserung von Bleiakkumulatoren geeignet; jedoch kann durch verschiedene mechanische Ausbildungen nur eine geringe Oberflächenvergrößerung und demzufolge nur eine geringe Verbesserung der Belastbarkeit sowie des Wirkungsgrades erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das eine bedeutende Vergrößerung der Oberflächenrauhheit des Stromkollektors sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stromkollektor mit einem Pol einer Stromquelle verbunden wird, daß auf der mit dem aktiven Stoff in Berührung kommenden Oberfläche des Stromkollektors eine mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundene Elektrode angeordnet wird, die periodisch mit der Oberfläche des Stromkollektors in Berührung gebracht wird, und daß durch den in den Zeitpunkten der Berührung entstehenden elektrischen Bogen auf der Oberfläche des Stromkollektors zwecks deren Vergrößerung Spitzen ausgebildet werden.

Bei einer bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Stromkollektor und die Elektrode eine Spannung von 0,1 ... 1000V gelegt.

Bei einer weiteren bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die an die Stromquelle angeschlossenen Stromkollektor und Klektrode in eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise in Wasser eingetaucht.

Bei der Berührung der Oberfläche des Stromkollektors mit der Elektrode fließt ein Strom von 5 ... 1000 A/m² Dichte, welcher auf der Oberfläche des Stromkollektors kleine Spitzen erzeugt Demzufolge erhöht sich die Oberflächenrauhheit des Ctromkollektors um eine Größenordnung.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 4 bis 6.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im folgenden an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und verwirklichenden Vorrichtung, und die

F i g. 2 eine Seitenansicht der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die Vorrichtung enthält einen Motor 1, der eine Elektrode 2 antreibt Die durch den Motor 1 gedrehte Elektrode bewegt sich über einen netzförmigen Stromkollektor 3, wodurch der Stromkollektor in Richtung des Pfeils 8 verschoben wird. Die Elektrode ist mit einem Pol 4 einer Stromquelle 6 gebunden, deren anderer Pol 5 an den Stromkollektor 3 angeschlossen ist

Die Elektrode 2 ist zweckmäßig in Form einer Rundbürste ausgebildet. Die dünnen fadenförmigen Nadeln der Bürste berührenden Elemente der Oberfläche des Stromkollektors, und die Einwirkung des Speisestroms führt zur Entstehung kleiner Schweißspitzen 7, die eine Höhe von 0,2 ... 0,6 mm aufweisen. Die große Menge der entstandenen Spitzen stellt eine effektive Verbindung und einen geringen Durchgangsbzw. Übergangswiderstand zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Stoff sicher. Die Folge des geringen Durchgangswiderstandes ist ein kleinerer Wert des Innenwiderstandes der Elektrode als bei bekannten Akkumulatoren, was zu besseren Startleistungen des Akkumulators und zur besseren Ausnutzung des aktiven Stoffes führt.

Im Falle der Verwendung von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, z. B. von Blei, können die Elektrode 2 und der Stromkollektor 3 bei der Spitzenbildung unter Wasser gehalten werden. Dadurch erhöht sich die Ungleichmäßigkeit der Oberfläche und die Effektivität des Verfahrens.

Beispiel 1

Ein Nickelnetz, das eine aus Fäden von 1 mm Dicke mit öffnungen von 3 mm Durchmesser ausgebildete Oberfläche aufweist, wird auf folgende Weise gereinigt:

Nach einem dreiminütigen Waschen in Trichloräthylen wird das Netz getrocknet und in trockenem Zustand eine Minute lang in Salpetersäure mit 25% Konzentration gehalten sowie hierauf zwanzig Minuten lang in destilliertem Wasser abgewaschen. Nach dieser Oberflächenbehandlung wird das Netz in eine in der F i g. 1 dargestellte Vorrichtung eingelegt. Die bürstenförmige Elektrode 2 wird von dem elektrischen Motor 1 mit einer Drehzahl von 600 min-¹ angetrieben. Der Durchmesser der Bürste ist 40 mm, die Dicke der Nickelfäden ist 1 mm. Die Stromquelle 6 hat an den Polen 4 und 5 eine Spannung von 2 V.

Die Stromintensität soll auf solche Weise reguliert werden, daß eine Stromdichte von 50 ... 80 A/mm² an den Kontaktpunkten erreicht wird. Die sich drehende bürstenförmige Elektrode 2 wird an beiden Seiten des netzförmigen Stromkollektors 3 entlanggeführt. Unter Einwirkung des Stroms wird ein Schweißprozeß durchgeführt, demzufolge die Spitzen 7 entstehen. Nach dem Abrauhen der Oberfläche des netzförmigen Stromkollektors 3 wird eine bei der Herstellung von positiven taschenförmigen Nickelelektroden verwendete Masse auf die Oberfläche mit einem Druck von 10 000 N/cm² aufgepreßt Die Masse enthält etwa 10% Polyäthylen, der Durchmesser der Körner ist durchschnittlich 0,15 mm. Die Masse weist eine Menge von 0,50 g/cm² auf.

Auf dieselbe Weise wird eine Elektrode mit einem gewöhnlichen, nichtbehandelten Stromkollektor 3 hergestellt

Die Elektroden werden auf bekannte Weise formiert und gemessen.

Die Meßergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.

Tabelle 1

Kapazität der Elektroden bei verschiedenen Stromdichten

Stromdichte, niA/cnr IO 20 50 KK)

Kapazität der
bekannten Elektrode, %

Kapazität der
crfindungsgemäß
hergestellten Elektrode, %

100

82,4 60,4 27,4 9,4

109,8 102,1 95,5 86,7 75,7

Die Entladung wird in beiden Fällen in einer Lösung des KOH mit 21% Konzentration hinsichtlich einer Hg/HgO Referenielektrode bis zur Erreichung des Potentials von 0,0 V durchgeführt.

Ähnliche Ergebnisse lassen sich auch im Falle der Anwendung von aus Titan hergestellten Elektrodenausführungen beobachten.

Beispiel 2

Das negative Gitter eines im Handel erhältlichen und zur Speisung von Fahrzeugen geeigneten Bleiakkumulators vom Typ 111 P-250 wird gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren gereinigt und als Stromkollektor 3 in die in der F i g. 1 dargestellte Vorrichtung eingelegt. Die bürstenförmige Elektrode 2 wird aus Blei hergestellt und samt dem Stromkollektor 3 in Wasser eingetaucht. Zum Abrauhen der Gitteroberlläche wird ein Strom von 40 A/cm² Dichte angewandt.

Auf das Gitter wird nach dem Abrauhen auf bekannte Weise ein aktiver Stoff aufgeschmiert Im Vergleich mit einer in gewöhnlicher Weise hergestellten Elektrode lassen sich die nachfolgenden Ergebnisse beobachten:

Tabelle 2

Kapazität der Elektrode bei verschiedenen Stromdichten

Stromdichte, mA/cm² 10 20 50

Kapazität der bekannten
Elektrode, %

Kapazität dci erfindungsgemäß hergestellten Elektrode, ",I

100 84 63

105 88 71

Die obenerwähnten Beispiele und die Ergebnisse zeigen überzeugend die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von aus einem Stromkollektor und aus einem aktiven Stoff bestehenden Akkumulatorelektroden, bei denen der Stromkollektor mindestens von einer Seite mit dem aktiven Stoff bedeckt wird. Das Wesen der Erfindung liegt darin, daß der Stromkollektor mit einem Pol einer Stromquelle verbunden wird, daß auf der mit dem aktiven Stoff in Berührung kommenden Oberfläche des Stromkollektors eine mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundene Elektrode angeordnet wird, die periodisch mit der Oberfläche des Stromkollektors in Berührung gebracht wird, und daß durch den in den Zeitpunkten der Berührung entstehenden elektrischen Bogen auf der Oberfläche des Stromkollektors zwecks deren Vergrößerung Spitzen ausgebildet werden. Unter Einwirkung des Stromes der Stromquelle entstehen kleine Spitzen mit einer Höhe von 0,2 .. .0.6 mm, welche die Effektivität der Verbindung und die elektrischen Durchgangsbedingungen zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Stoff der Elektrode bedeutend verbessern und zur Erhöhung der Startleistungen sowie zur besseren Ausnutzung des aktiven Stoffes beitragen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von aus einem Stromkollektor und aus einem aktiven Stoff bestehenden Akkumuiatorelektroden, bei denen der Stromkollektor mindestens von einer Seite mit dem aktiven Stoff bedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor mit einem Pol einer Stromquelle verbunden wird, daß auf der mit dem aktiven Stoff in Berührung kommenden Oberfläche des Stromkollektors eine mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundene Elektrode angeordnet wird, die periodisch mit der Oberfläche des Stromkollektors in Berührung gebracht wird, und daß durch den in den Zeitpunkten der Berührung entstehenden elektrischen Bogen auf der Oberfläche des Stromkollektors zwecks deren Vergrößerung Spitzen ausgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stromkollektor und die Elektrode eine Spannung von 0,1 ... 1000 V gelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Stromquelle angeschlossenen Stromkollektor und Elektrode in eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise in Wasser, eingetaucht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor in Form eines Netzes, eines perforierten oder expandierten Blechs aus Nickel, aus vernickeltem Eisen oder aus Eisen hergestellt wird und daß der Stromkollektor in an sich bekannter Weise zur Herstellung von Nickel-Kadmium-Akkumulaloren, von Eisenelektroden oder von Zinkelektroden verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor aus einem mindestens 80% Blei enthaltenden Stoff hergestellt wird und daß der Stromkoüektor in an sich bekannter Weise zur Herstellung von Bleiakkumulatoren verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor aus Titan oder aus einer Legierung von Titan hergestellt wird und daß der Stromkollektor in an sich bekannter Weise zur Herstellung von mit säurehaltigem oder alkalihaltigem Elektrolyt versehenen Stromquellen verwendet wird.

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