DE3632351C1 - Faserstruktur-Elektrodengeruest aus metallisierten Kunststoffasern mit verstaerktem Rand und mit angeschweisster Stromableiterfahne - Google Patents

Description

Zur Verbindung von Faserstruktur-Elektrodengerüsten aus metallisierten Kunststoffasern, z.B. aus vernickeltem Polyolefin-Filz oder -Vliesstoff ist es bekannt, den Rand des Elektrodengerüstes zu schlitzen, in diesen Schlitz die Stromfahne hineinzuschieben und dann das Elektroden­ gerüst mit der Stromfahne zu verschweißen. Eine solche Mög­ lichkeit ist jedoch sehr teuer und nur bei kleinen Stück­ zahlen durchführbar.

Zur Verbindung von Stromfahnen mit Faserstruktur-Elektroden­ gerüsten ist es auch bekannt, den durch eine galvanisch ab­ geschiedene Metallauflage verstärkten Rand des Elektroden­ gerüstes mit der Stromfahne zu verschweißen (DE-PS 31 42 091). Da Faserstruktur-Elektroden eine hohe flächenbezogene Kapa­ zität bei gleichzeitig sehr hoher Strombelastung aufweisen, muß die Stromfahne aus Gründen der elektrischen Leitfähig­ keit verhältnismäßig dick (etwa 1 bis 1,5 mm) gewählt werden. Die Verschweißung der Stromfahne mit dem Rand des Faser­ struktur-Elektrodengerüstes erfolgt durch Widerstands­ schweißung. Dazu wird das Faserstruktur-Elektrodengerüst auf die Stromfahne aufgelegt und unter Druck mit dieser ver­ schweißt. Nachteilig an dieser so gestalteten Verbindung ist, daß sich die Unterkante der Stromfahne in das vernickelte Gerüst eindrückt und dort zu Rissen im Fasergerüst führen kann. Außerdem wird an dieser Stelle der tragende Quer­ schnitt des Gerüstes stark vermindert. Das führt zu einer geringen Festigkeit der Schweißverbindung, so daß sich bei den nachfolgenden Bearbeitungsschritten zur Elektrodenher­ stellung (Einbringen der aktiven Masse, Verschweißen zu Plattensätzen) zu hohe Ausschußzahlen durch abbrechende Strom­ fahnen ergeben. Außerdem können bei Betrieb solcher Zellen, besonders bei Traktionseinsatz, einzelne Platten durch die mechanische Beanspruchung von den Fahnen abbrechen und da­ mit zu Störungen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Faserstruktur- Elektrodengerüst aus metallisierten Kunststoffasern mit an­ geschweißter Stromableiterfahne zu finden, bei dem in Nähe der Schweißverbindung keine Rissbildung im Faserstruktur- Elektrodengerüst auftreten kann, bei dem der Querschnitt des Faserstruktur-Elektrodengerüstes außerhalb des verstärkten Randes nicht zu stark eingeschnürt wird und bei dem die Schweißverbindung eine hohe Festigkeit nicht nur bei Zugbe­ anspruchung, sondern auch in Querrichtung aufweist und somit ermöglicht, Elektroden mit günstigen elektrischen Übergangs­ widerständen und hohen Standzeiten herzustellen, so daß diese auch in Traktionsbatterien eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das in dem Patentanspruch 1 beschrie­ bene Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter Strom­ ableiterfahne gelöst.

Die Stromableiterfahne ist an der dem Fasergerüst anliegenden Seite mit einer oder mehreren Stufen versehen, deren Höhe ins­ gesamt dem 0,3 bis 0,8-fachen der Stromfahnendicke entspricht und deren Tiefe insgesamt 3 bis 10 mm beträgt.

Die Kante des Faserstruktur-Elektrodengerüstes, das eine Dicke zwischen 1 und 10 mm besitzen soll, kann sich inner­ halb eines Bereiches auf der Stromfahne befinden, dessen Grenzen im Abstand der zweifachen Stromfahnendicke beidseitig von der Stufenkante liegen. Bevorzugt wird, wenn dieser Ab­ stand etwa der Dicke der Stromableiterfahne entspricht und das Fasergerüst auf dem abgestuften Teil der Stromableiterfahne zu liegen kommt. Liegt das Fasergerüst zu weit von der Stufe weg, so entsteht nach der Verschweißung auf dem nun zu langen un­ verschweißten Teil der abgestuften Fahne ein zu hoher Spannungs­ verlust. Liegt das Fasergerüst zu weit auf dem nicht abgestuf­ ten Teil der Stromableiterfahne, so geht die Wirkung durch die Stufe verloren. Beim Anpressen der Schweißelektroden treten in der Zone des verstärkten Randes des Fasergerüstes die höch­ sten Drücke auf und die Verschweißung erfolgt bei der bevor­ zugten Ausführung in erster Linie im abgestuften Bereich der Stromableiterfahne. Die Höhe der Stufe soll dem 0,3- bis 0,8 fachen der Stromfahnendicke entsprechen. Es ist auch möglich, diese Höhe auf mehrere Stufen zu verteilen, so daß allzu schroffe Querschnittsänderungen vermieden werden. Die Tiefe der Stufen soll insgesamt 3 bis 10 mm betragen.

Durch eine geeignete Formgebung der auf der Faserseite anliegen­ den Schweißelektrode wird erreicht, daß das im gestuften Be­ reich komprimierte Faserstruktur-Elektrodengerüst bis zum Ende der Stufe in etwa kontinuierlich die volle Stärke erreicht. Da­ durch wird in Kombination mit der abgestuften Stromfahne er­ reicht, daß das Elektrodengerüst am Ende der Stromfahne nicht zu stark eingeschnürt wird und damit an dieser Stelle Risse im Fasergerüst vermieden werden. Dies führt zu einer verbesserten mechanischen Stabilität der Schweißverbindung. Vorteilhaft ist es außerdem, zur Vermeidung von Faserrissen die Stufenkante abzurunden.

Als Elektrodengerüste Verwendung finden metallisierte Kunst­ stoffasergerüste, insbesondere Filze, Nadelfilze, Vliese und dgl. Die Metallisierung erfolgt nach den üblichen Techniken, wobei als metallischer Überzug auf den Fasern insbesondere Nickel oder Kupfer Verwendung finden. Als Material für die Fasern kommen die auch für textile Fasern geeigneten Kunst­ stoffmaterialien in Frage, z.B. Polyolefine, Polyamide, Poly­ acrylnitril usw., sofern sie stabil gegenüber dem Elektrolyten sind, mit dem sie später in Berührung kommen.

In der Abbildung wird schematisch ein Faserstruktur-Elektroden­ gerüst mit angeschweißter Stromableiterfahne gemäß dem Stand der Technik einer einem erfindungsgemäßen Faserstruktur-Elek­ trodengerüst gegenüber gestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Längs­ schnitt durch eine bisher gebräuchliche Verbindung einer vernickelten Stromfahne mit einem Faserstruktur- Elektrodengerüst vor dem Schweißen,

Fig. 2 zeigt das Gerüst gemäß Fig. 1 nach dem Schweißen,

Fig. 3 zeigt ein Faserstruktur-Elektrodengerüst mit einer gestuften Stromableiterfahne vor dem Schweißen und

Fig. 4 zeigt das Faserstruktur-Elektrodengerüst gemäß Fig. 3 nach dem Schweißen.

Fig. 1 zeigt die Stromableiterfahne 11, die mit zwei einge­ prägten Buckelreihen 13 und 13′ versehen ist. Auf die Buckel­ reihen 13 und 13′ ist das Ende des Faserstruktur-Elektroden­ gerüstes 12 aufgelegt. In Fig. 2 erkennt man die Schweißelektro­ den 24 und 25, zwischen denen sich die Stromableiterfahne 21 und das Faserstruktur-Elektrodengerüst 22 befinden. Durch den hohen Anpreßdruck der Schweißelektroden 24 und 25 ist der Buckel 13 gemäß Fig. 1 zu dem flacheren Buckel 23 verformt wor­ den. Man erkennt ferner, daß durch die Schweißelektrode 25 die Faserstruktur über eine größere Strecke hinweg stark kompri­ miert ist. Am Ende 26 der Stromableiterfahne erfolgt eine prak­ tisch übergangslose Querschnittsveränderung, die zu Rissen 27 führen kann. Nach dem Entfernen der Schweißelektroden 25 und 24 bleibt die dargestellte Form von Stromableiterfahne 21 und Fa­ serstruktur-Elektrodengerüst 22 im wesentlichen bestehen.

Fig. 3 zeigt wiederum eine Stromableiterfahne 31 sowie das Faserstruktur-Elektrodengerüst 32. Die Stromableiterfahne 31 ist mit einer Stufe 36 versehen, deren Höhe im dargestellten Fall etwa dem 0,5-fachen der Stromfahnendicke entspricht. Das Faserstruktur-Elektrodengerüst 32 ragt um eine Strecke, die etwa der Dicke der Stromfahne 31 entspricht, über die Stufe hinaus auf die Stromableiterfahne. Die Tiefe der Stufe 36 be­ trägt etwa 3 bis 10 mm.

Fig. 4 zeigt Stromfahne 41 und Faserstrukturgerüst 42 während des Schweißvorganges, eingepreßt zwischen die obere Schweiß­ elektrode 45 und die untere Schweißelektrode 44. Das Faser­ strukturgerüst 42 ist in dieser Ausführung so auf der Strom­ ableiterfahne 41 positioniert, daß die Verschweißung im wesent­ lichen auf dem abgestuften Teil der Stromableiterfahne 41 statt­ findet. Die Schweißzone kann bei Überlappung von Fasergerüst und nicht abgestufter Stromableiterfahne noch in den Bereich des nicht abgestuften Teiles der Stormableiterfahne hineinreichen. Die obere Schweißelektrode 45 ist so gestaltet, daß das im ge­ stuften Bereich komprimierte Faserstruktur-Elektrodengerüst bis zum Ende der Stufe etwa kontinuierlich die volle Stärke er­ reicht. In der Abbildung ist dieser Übergang durch eine leicht geschwungene Form der oberen Elektrode 45 erreicht. Es ist aber auch möglich, den Übergang stetig, wie z.B. durch die ge­ strichelte Linie 49 gezeigt, verlaufen zu lassen. Eine solche Elektrode 45 mit stetigem Übergang ist fertigungstechnisch leichter zu erzeugen und bei Verschleiß einfach nachzuarbeiten. Die Stromableiterfahne kann statt mit einer Stufe auch mit mehreren Stufen versehen sein, jedoch wird man aus Zweckmäßig­ keitsgründen im allgemeinen nicht mehr als 3 Stufen zur An­ wendung bringen.

Gegenüber einem herkömmlichen Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter Stromableiterfahne erhöht sich bei dem ge­ fundenen Faserstruktur-Elektrodengerüst, bei dem die Stromab­ leiterfahne eine oder mehrere Stufen besitzt, die Festigkeit der Verbindung im Übergangsbereich um über 30%. Damit sinken auch die Ausschußzahlen und eine solche Faserstruktur-Elektro­ de ist dann nicht nur im stationären Anwendungsfall, sondern auch bei Traktionsbatterien gefahrlos einsetzbar. Durch die geringere Einschnürung der vernickelten Fasern beim Übergang vom Gerüst in die Stromableiterfahne sind hier auch die Spannungs­ spitzen geringer und die Hochstrombelastbarkeit der Zellen wird besser.

Claims (2)

1. Faserstruktur-Elektrodengerüst aus metallisierten Kunst­ stoffasern mit verstärktem Rand und mit angeschweißter Stromableiterfahne, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Faserstruktur-Elektrodengerüst eine Dicke von 1 bis 10 mm besitzt,
• - daß die Stromableiterfahne an der dem Fasergerüst anlie­ genden Seite mit einer oder mehreren Stufen versehen ist, deren Höhe insgesamt dem 0,3 bis 0,8-fachen der Strom­ fahnendicke entspricht und deren Tiefe insgesamt 3 bis 10 mm beträgt,
• - daß die Kante des Faserstruktur-Elektrodengerüstes sich innerhalb eines Bereichs auf der Stromableiterfahne be­ findet, dessen Grenzen im Abstand der zweifachen Strom­ fahnendicke beidseitig von der Stufenkante liegen, und
• - daß das im gestuften Bereich komprimierte Faserstruktur- Elektrodengerüst bis zum Ende der Stufe etwa kontinuier­ lich die volle Stärke erreicht.

2. Faserstruktur-Elektrodengerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante der Stufe abgerundet ist.