DE3337751C1 - Verfahren zur Verbesserung der Belastbarkeit von Batterieelektroden - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Belastbarkeit von Batterieelektroden von Sekundärbatterien mit Elektrodengerüsten aus metallisierten Polypropylen- oder Propylen-Copolymerisat-Fasern.

Derartige Elektroden sind wegen ihrer prinzipiellen Vorteile von hohem technischem Interesse (siehe dazu z. B. DE-OS 15 96 240 oder DE-OS 16 71 761), wobei die Vorteile in erster Linie auf das Elektrodengerüst zurückzuführen sind. Ein solches Elektrodengerüst aus metallisierten Polypropylen- oder Propylen-Copolymerisat-Fasern ist preiswert, hat ein niedriges spezifisches Gewicht und weist eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, wobei die beiden letzteren Eigenschaften durch die Art und die Stärke der Metallbelegung variiert werden können, uie gewöhnlich schlecht leitenden Aktivmassen werden in dem Elektrodengerüst gut kontaktiert und hoch ausgenützt. Dank der Festigkeit und Steifigkeit des Elektrodengerüstes bleiben die Elektroden während ihrer gesamten Lebensdauer auch unter erhöhter mechanischer und elektrischer Beanspruchung form- und dimensionsstabil.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß Batterieelektroden mit derartigen Elektrodengerüsten gegenüber anderen bekannten, wenn auch teuren Elektroden z. B. aus metallisierten Kohlefasern (DE-OS 10 71 788) oder aus reinen Metallfasern (US-PS 38 35 514) unerwartete elektrische Nachteile besitzen, die sich in einer erhöhten Polarisation und Spannungsverlusten, insbesondere bei hohen Stromlasten, äußern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen und Batterieelektroden mit Elektrodengerüsten aus metallisierten Polypropylen- oder Propylen-Copolymerisat-Fasern mit niedrigerer Polarisation und geringeren Spannungsverlusten zu finden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren.

Das Verfahren beruht also darauf, daß die metallisierten Gerüste vor dem Imprägnieren mit der Aktivmasse bei einer Temperatur von 110 bis 180⁰C, vorzugsweise 140 bis 165°C in Dickenrichtung um bis zu 15% irreversibel verdichtet werden. Die Temperaturangabe bezieht sich dabei auf die Oberfläche des verwendeten Werkzeugs, also der Preßformteile oder der Walze. Die Kontaktzeit zwischen Fasergerüst und Werkzeug richtet sich nach der eingestellten Temperatur und kann vom Fachmann durch Versuche leicht ermittelt werden. Im allgemeinen liegt sie zwischen 1 und 20 Sekunden. Der anzuwendende Preßdruck ist so hoch zu wählen, daß die gewünschte Enddicke des Faserkörpers sicher erreicht wird. Beim Verdichten durch Walzen (Kalandern) wird die Enddicke durch den Walzen-Abstand festgelegt, beim Pressen dienen Abstandshalter dem gleichen Zweck.

Im allgemeinen reicht eine Verdichtung in Dickenrichtung um 1 bis 5% aus, um die gewünschte Verbesserung zu erzielen. Wird über 15% verdichtet, so können bei Fasergerüsten, die mit spröden Metallen metallisiert sind, bereits die Fasern brechen. Zudem besteht die Gefahr, daß die Oberflächenporen weitgehend geschlossen werden und das.Gerüst dadurch für Elektroden unbrauchbar wird.

Eine erste grobe Beurteilung des Erfolgs des beschriebenen Verfahrens kann visuell geschehen. Bei richtiger Einstellung der Parameter muß das behandelte Fasergerüst eine glatte Oberfläche aufweisen, auf der kein Flaum aus aus der Oberfläche herausragenden Fasern mehr erkennbar sein darf. Das genaue Ergebnis der verfahrensgemäßen Behandlung des Gerüsts kann endgültig erst durch Tests von Batteriezellen beurteilt werden, deren Elektroden die behandelten Elektrodengerüste enthalten. Dazu bestimmt man den Innenwiderstand der Zellen, der bei Zellen mit den erfindungsgemäß behandelten Elektrodengerüsten um bis zu 50% niedriger (günstiger) als bei Zellen mit unbehandelten Elektroden liegt.
Die Ursachen für die Verbesserung sind nicht genau bekannt. Vermutlich spielt die Beseitigung oder Schwächung des hydrophoben Charakters der Elektrodenoberfläche durch Verwendung der Oberflächenstrukturen eine Rolle.
Als weiterer Vorteil zeigt sich, daß Zellen mit Elektroden, die die behandelten Elektrodengerüste besitzen, weniger anfällig für innere Kurzschlüsse sind. Durch das beschriebene Verfahren ist man in der Lage, Elektroden mit stets reproduzierbaren gleichen Dicken zu erzeugen, was eine wichtige Voraussetzung für eine gleichbleibende Produktionsqualität von Batteriezellen darstellt.

Beispiel

Es wurden je eine 40 Ah-Ni/Cd-Zelle gebaut, die völlig gleich hergestellt wurden, lediglich als Elektrodengerüst wurde einmal ein unbehandeltes Vlies und zum anderen das gleiche Vlies erfindungsgemäß behandelt eingesetzt.

Eingesetzt wurde ein Vliesstoff aus Polypropylenfasern mit einer Dicke von 4,2 mm nach DIN. Der Vliesstoff wurde nach stromloser Vorvernickelung elektrolytisch mit einer Nickelauflage von 0,3 g/cm² versehen. Nach dem Vernickeln wurde ein Teil der zugeschnittenen Gerüste zwischen auf 160⁰C beheizten Preßplatten 5 Sekunden unter einem Druck von 300 kPa bei einem Plattenabstand von 4,0 mm gehalten, was einer Verdichtung von 4,75% entspricht. Nach der Behandlung waren die Formkörper glatt und eben. Der andere Teil der Gerüste wurde nicht behandelt.

Nach dem Imprägnieren der Gerüste mit den aktiven Massen wurden die Zellen unter Verwendung eines Gewebeseparators aus Polyamid zusammengebaut und

formiert. Der Innenwiderstand beider Zellen wurde aus
dem Verlauf der Strom/Spannungskurve bestimmt. Im
halb entladenen Zustand zeigte die Zelle mit unbehandeltem Elektrodengeriist einen Widerstand von
4,0 mOhm, während die Zelle mit behandeltem Elektrodengeriist lediglich einen Widerstand von 2,6 mOhm
aufwies.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Belastbarkeit von Batterieelektroden von Sekundärbatterien mit Elektrodengerüsten aus metallisierten Polypropylen- oder Propylen-Copolymerisat-Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodengerüst vor dem Imprägnieren mit den aktiven Massen mit einem Werkzeug, das eine Oberflächentemperatur von 110 bis 180⁰C besitzt, in Dickenrichtung um bis zu 15% irreversibel verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung bei einer Temperatur von 140 bis 165° C erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodengerüst um 1 bis 5% verdichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung durch Pressen oder Walzen erfolgt.