DE3246799C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung positiver und negativer Elektroden aus Bandmaterial für elektrische Akkumulatoren, die vor dem Einbau einer Formation unterzogen werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Akkumulatorenpraxis versteht man unter "Formation" eine Konditionierungsbehandlung frisch hergestellter Elektroden durch zyklisches Laden und Endladen in einem Elektrolytüberschuß mit dem Ziel, vom Herstellungsprozeß herrührende Verunreinigungen zu beseitigen und die elektrochemisch wirksame Masse zu aktivieren.

In alkalischen Akkumulatoren sind heute aus Sinterbändern gefertigte Elektroden weit verbreitet. Die weiter unten beschriebenen Methoden ihrer Formation stehen nur beispielhaft für die derzeit übliche Verfahrenstechnik, denn die Erfindung erstreckt sich ebenso auf Elektrodenbänder saurer Akkumulatoren.

Nach einer dieser Methoden (vgl. S. Uno Falk, Alvin J. Salkind: Alkaline Storage Batteries, S. 138ff, John Wiley & Sons, Inc., 1. Aufl. 1969) werden zur Formation die positiven und negativen Sinterbänder in Stücke geschnitten und mit Kontaktfahnen versehen. Die positiven und negativen Bandstücke werden abwechselnd mit Separatoren als Zwischenlage in einem Tank mit Kalilauge eingebaut und einer Zyklenbehandlung unterworfen. Nachteilig ist hier die Stückelung des Bandes, die bei dem nachfolgenden Stanzen der Elektroden aus den Bandstücken zu viel Abfall (Reststücke) führt. Außerdem ist das Kontaktieren jedes Elektrodenstückes sehr aufwendig

Bei einem anderen üblichen Verfahren wird ein Formationswickel aus einem positiven und einem negativen Sinterband mit dazwischenliegenden Separatorenbändern gewickelt. Zur Kontaktierung müssen aus Potentialgründen viele Drähte angepunktet oder mit Stromklammern befestigt werden. Nach einem abgeänderten Verfahren wird der Formationswickel versetzt gewickelt und die herausstehenden Ränder beidseitig über Metallbürsten kontaktiert.

Alle bekannten Formationsverfahren sind nicht nur mit technischem, sondern auch mit zeitlichem Aufwand behaftet, weil Ladung und Entladung zeitlich nacheinander ausgeführt werden. Die Arbeitsweise ist diskontinuierlich und gestattet daher keinen kontinuierlichen Herstellungsprozeß der Bänder in einer sogenannten Produktionsstraße. Bedingt durch die gleichzeitig zu formierende Menge kann hier nur mit niedrigen Stromdichten formiert werden. Jedoch sind zur Erzielung von hohen Flächenkapazitäten und guten Hochstromeigenschaften von Ni- oder Cd-Sinterelektroden bei der Formation hohe Stromdichten, z. B. 2 CA, erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Konditionierung von Elektrodenbändern anzugeben, welches den Erfordernissen einer rationellen, modernen Akkumulatorenfertigung angepaßt ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gekennzeichnete Verfahrensweise gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels einer Anordnung ermöglicht, bei der die Formationsbehälter selbst, von denen einer an den positiven, der andere an den negativen Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen ist, als Gegenelektroden für die aufzunehmenden Bandabschnitte fungieren können. Die Wannen sind daher aus elektrischleitendem Material gefertigt oder besitzen zumindest eine elektrischleitende Auskleidung.

Da das von dem Sekundärstrom durchflossene Elektrodenband über keinen großen Leitungsquerschnitt verfügt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die benachbarten Bandabschnitte bei Ladung und Entladung durch eine zusätzliche Kurzschlußleitung miteinander zu verbinden.

Diese Maßnahme wirkt sich besonders günstig aus und ermöglicht die Anwendung hoher Formierstromstärken, wenn der Transport des Elektrodenbandes taktweise geschieht und die stromleitende Verbindung zwischen den Elektrodenbandabschnitten und der Kurzschlußleitung durch eine Kontaktierung hergestellt wird, die während des taktweisen Weitertransports unterbrochen werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Verfahrensprinzip gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Formationsvorrichtung in einer vorzugsweise Ausführung.

Nach Fig. 1 wird das mit aktiver Masse versehene Elektrodenband 1 durch die mit Elektrolyt gefüllte Wanne 2 aus einem elektrischleitenden Werkstoff, z. B. Nickelblech, geführt. Ein Kunststoffblock 3 als Isolator teilt die Wanne 2 in eine negativ gepolte Hälfte A und eine positiv gepolte Hälfte B. Er hat zum Durchlaufen des Bandes einen schmalen Schlitz 4. Bei einem positiv imprägnierten Elektrodenband wird das auf der Seite A befindliche Bandstück geladen und das auf der Seite B befindliche gleichzeitig entladen. Bei negativ imprägnierten Bändern ist es umgekehrt, d. h. auf der Seite B wird geladen und auf der Seite A entladen; deshalb wird dann entweder die Bandtransportrichtung umgedreht oder die Polarität der Stromanschlüsse 5, 6 an der Wanne vertauscht. Wegen der vertikalen Stellung des Elektrodenbandes ist zu seiner Durchführung das Anbringen von Dichtzonen 7, 8 an den Stirnseiten der Doppelwanne notwendig. Bei der Formation eines positiven Bandes fließt der Strom im Band von der Seite B zur Seite A. Da bei größeren Strömen die Leitfähigkeit des Bandes vielfach nicht ausreicht, wird eine parallele Kurzschlußleitung 9 angeschlossen, die das Band auf beiden Seiten mehrfach kontaktiert. Die Kontaktierung geschieht beim kontinuierlichen Durchlauf über stromführende Rollen, beim schrittweisen Durchziehen über pneumatisch oder hyraulisch betriebene Stromkontakte, die zum Weitertransport geöffnet werden. Öffnen und Schließen geschieht stromlos, d. h. hierzu wird die Stromversorgung der Wanne unterbrochen. Infolge des kontinuierlichen bzw. schrittweisen Bandtransports wird nacheinander das gesamte Band geladen und wieder entladen, d. h. formiert; es resultiert ein kontinuierlicher bzw. quasikontinuierlicher Prozeß. Die Stromdichte wird durch die Stromstärke und die Größe des in der Wanne befindlichen Bandstückes bestimmt. Beide lassen sich in weiten Grenzen einstellen.

Zur Erklärung der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ablaufenden Vorgänge wird im folgenden die Formation eines positiv imprägnierten Ni-Bandes und eines negativ imprägnierten Cd-Bandes, wie sie zur Herstellung von Ni/Cd-Akkumulatoren benötigt werden, beschrieben. Als Elektrolyt wird in der Doppelwanne Kalilauge verwendet.

Bei Stromfluß finden im Fall des Ni-Bandes folgende elektrochemische Reaktionen statt:

im Innern der negativ gepolten Wannenseite A:

2 H₂O + 2e⁻ → 2 OH⁻ + H₂

am Elektrodenband Seite A (Ladereaktion):

2 Ni(OH)₂ + 2 OH⁻ → 2 NiOOH + 2 H₂O + 2e⁻

bzw. die parasitäre Nebenreaktion:

2 OH⁻ → H₂O + ½ O₂ + 2e⁻

am Elektrodenband Seite B (Entladereaktion):

2 NiOOH + 2 H₂O + 2e⁻ → 2 Ni(OH)₂ + 2 OH⁻

bzw. bei Tiefentladung als parasitäre Nebenreaktion:

2 H₂O + 2e⁻ → 2 OH⁻ + H₂

im Innern der positiv gepolten Wannenseite B:

2 OH⁻ → H₂O + ½ O₂ + 2e⁻

Der negative Stromfluß läuft wie folgt:
Erzeugung von OH⁻-Ionen an der negativ gepolten Wannenseite A, über den Ladeprozeß des Elektrodenbandes auf der Seite A Verbrauch der OH⁻-Ionen und Erzeugung von Elektronen, die über das Band und über die parallelliegende Kurzschlußleitung 9 zur Seite B fließen. Dort werden die Elektronen über den Entladeprozeß verbraucht und OH⁻-Ionen erzeugt, die an der positiv gepolten Wannenseite B zu Wasser oxidiert werden. Dieser Stromtransport wird durch den Stromanschluß an die beiden Wannenhälften A und B aufrechterhalten.

Bei der Formation des Cd-Bandes finden folgende elektrochemische Reaktionen statt:

Im Innern der positiv gepolten Wannenseite B:

2 OH⁻ → H₂O + ½ O₂ + 2e⁻

am Elektrodenband Seite B (Ladereaktion):

Cd (OH)₂ + 2e⁻ → Cd + 2 OH⁻

bzw. die parasitäre Nebenreaktion:

2 H₂O + 2e⁻ → 2 OH⁻ + H₂

am Elektrodenband Seite A (Entladereaktion):

Cd + 2 OH⁻ → Cd (OH)₂ + 2e⁻

bzw. bei Tiefentladung als Nebenreaktion:

2 OH⁻ → H₂O + ½ O₂ + 2e⁻

in der negativ gepolten Ni-Wanne Seite A:

2 H₂O + 2e⁻ → 2 OH⁻ + H₂

Der Stromtransport erfolgt hier analog dem Stromfluß, wie er weiter oben zur Formation des Ni-Bandes erläutert wurde.

Die Formation von Elektrodenbändern für saure Akkumulatoren geschieht erfindungsgemäß nach dem gleichen Prinzip, nur muß anstelle des Werkstoffs Nickel für die Doppelwanne ein anderes für den betreffenden Elektrolyten beständiges Metall verwendet werden.

Bei der in Fig. 2 wiedergegebenen vorzugsweisen Ausführung einer Formationsvorrichtung gemäß der Erfindung werden Dichtzonen (7, 8 in Fig. 1) an den Stirnseiten der Doppelwanne 2 vermieden, indem die gesamte Bandführung über die Rollen 10, 11 und den Schlitz 4 im Kunststoffblock 3 schräg gegen die Horizontale gestellt ist. Dichtzonen bereiten nämlich in der Praxis Schwierigkeiten, und eine horizontale Bandführung ist ungünstig, da in diesem Fall die Ladegase nicht herauskommen können. Die Schrägstellung des Bandes zur Horizontalen sollte 30 bis 70°C, vorzugsweise 45 bis 60° betragen. Dann ist es möglich, das Band durch Abbiegen aus der Ebene schräg in die Wanne hinein- und herauszuführen. Hierzu muß die Doppelwanne am Anfang und am Ende verbreitert werden. Das Band 1 kann dann von einer schräg und erhöht stehenden Haspel 12 abgerollt und am Ende wieder nach schräg oben herausgebracht werden. Anschließend läßt sich das durchlaufende Band einer kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Weiterverarbeitung durch z. B. Waschen oder Trocknen unterziehen.

Als Kontaktelemente zwischen dem Elektrodenband 1 und der Kurzschlußleitung 9 sind bei der hier dargestellten Formationsvorrichtung Stromzangen 13 vorgesehen, die über Pneumatikzylinder 14 mittels Druckluft betätigt werden. Dies geschieht hier im Gleichtakt mit den Stillstands- und Bewegungsphasen eines schrittweisen Bandtransports, wobei in der Stillstandsphase die Klammern den imprägnierungsfreien Rand des Elektrodenbandes fest umschließen und unmittelbar vor dem nächsten Vorschub, bei dem die Stromzuführung zur Wanne ggfls. auch unterbrochen ist, öffnen. Eine die Pneumatikzylinder versorgende Druckluftleitung ist mit 15 bezeichnet.

Die Formationsstromstärke sollte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 0,2 bis 10 CA betragen. Elektrodenbänder für Ni/Cd- Sinterzellen, die erfindungsgemäß unter diesen Bedingungen formiert worden sind, wiesen hohe Flächenkapazitäten und gute Hochstromeigenschaften auf. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, mehrere Doppelwannen parallel aneinanderzuschweißen. Es können dann gleichzeitig mehrere Elektrodenbänder entsprechend der Anzahl der Doppelwannen formiert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung positiver und negativer Elektroden aus Bandmaterial für elektrische Akkumulatoren, die vor dem Einbau einer Formation unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Formation simultan ein Elektrodenabschnitt geladen und der benachbarte Elektrodenabschnitt entladen wird, wobei Ladung und Entladung in elektrolytgefüllten Wannen erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Bandabschnitte bei Ladung und Entladung durch eine zusätzliche Kurzschlußleitung verbunden werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport des Elektrodenbandes taktweise erfolgt und daß die stromleitende Verbindung zwischen den Elektrodenbandabschnitten und der Kurzschlußleitung durch eine Kontaktierung hergestellt wird, die während des taktweisen Weitertransports unterbrechbar ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit aktiver Masse versehene Elektrodenband (1) durch eine elektrolytgefüllte, elektrischleitende, jedoch durch einen für das Elektrodenband durchlässigen Isolator (3) in zwei voneinander elektrisch getrennte Hälften (A, B) aufgeteilte Wanne (2) hindurchführbar ist und daß die Wannenhälften mit einer externen Gleichstromquelle zu einem Stromkreis geschlossen sind, wobei gleichzeitig die eine in der Wanne befindliche Bandhälfte geladen und die andere Bandhälfte entladen wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Wannen fließende Strom 0,2 CA bis 10 CA beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer elektrolytgefüllten Wanne (2) aus elektrischleitendem Material besteht, die durch einen mit einem Durchlaßschlitz (4) für das Elektrodenband (1) versehenen Isolator (3) in zwei voneinander elektrisch getrennte Hälften (A, B) aufgeteilt ist, und daß jede Wannenhälfte mit einem elektrischen Anschlußpol (5, 6) versehen ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Elektrodenbandabschnitten in der Wanne eine Kurzschlußleitung (9) angeordnet ist, mit welcher das Band an mehreren Stellen, bei kontinuierlichem Durchlauf über Kontaktrollen, bei schrittweisem Transport mittels pneumatisch, mechanisch oder hydraulisch betätigter Kontaktstifte oder Stromzangen (13), kontaktierbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Wanne die Elektrodenbandführung schräg gegen die Horizontale geneigt ist, womit das Band durch schräges Abbiegen nach oben in die Wanne hinein- und herausführbar ist und daß der Schrägungswinkel der Bandführung zwischen 30 und 70°, vorzugsweise 45 bis 60° beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Aktivierung (Formation) mehrerer Elektrodenbänder mehrere Wannen parallel miteinander elektrischleitend verbunden sind.