DE3728160A1 - Bleiakkumulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bleiakkumulator mit positiven und negativen Elektrodenplatten, zwischen welchen mikroporöse Separatorblätter ange­ ordnet sind, und einen flüssigen Säureelektrolyten.

Zur elektrischen Isolierung der positiven und negativen Akkumulatoren­ platten werden heute fast ausschließlich mikroporöse Membranen aus Kunststoff verwendet, wobei ein besonders leichtes, dünnes Folienmate­ rial in enger Schichtung mit den blockweise gestapelten Elektrodenplatten zur Erreichung einer hohen spezifischen Kapazität, d. h. hoher elektrischer Energie pro Gewichtseinheit, des Akkumulators günstig ist. Bei einem solchen Engeinbau, der auch dem Wunsch nach möglichst kompakten Batterien Rechnung trägt, muß andererseits dafür gesorgt sein, daß den Platten noch ein ausreichendes Säurevolumen zur Verfügung steht und daß die beidseitige Flächenpressung der anliegenden Elektrodenplatten nicht so stark wird, daß sie die Struktur des Scheiders zerstört.

Da der gesamte Säureaustausch mit den Platten sich praktisch innerhalb des porösen Separators vollzieht und der Abtransport der bei der Ladung entstehenden Gase nur über seine offene Porenkanäle erfolgen kann, muß sich eine mechanisch herbeigeführte Verdichtung des Separators zwangs­ läufig zu einer empfindlichen Störung der Batteriefunktion auswirken. Die Separatorkomponente erweist sich damit als ein Schlüsselelement bei der Konzeption einer leistungsstarken Batterie.

Derzeit gebräuchliche Separatoren in Bleibatterien sind deshalb so ausge­ führt, daß sie zur positiven Elektrode hin zwar eine hohe Rippung und damit eine gute Säureversorgung der positiven Masse ermöglichen. Zur negativen Elektrode hin haben sie jedoch entweder nur eine völlig glatte Fläche oder nur eine sehr feine Riffelung, die nicht ausreicht, die neg. Masse über die Lebensdauer hinweg mit Säure zu versorgen, zumal sie von den durch die von den Expandern in der Masse hervorgerufenen Quell­ kräften nach wenigen Zyklen mit Masse ausgefüllt werden.

Andere Separatoren besitzen als Mittel, um zumindest gegenüber der positiven Elektrode einen Abstand einzuhalten, eine Auflage aus einer Glasfasermatte. Diese hat den Nachteil, daß sich Gasblasen in ihr fangen und von dem dichten Filz festgehalten werden.

Es gibt auch Separatoren, die auf Grund ihrer glatten Oberfläche und der gegebenen Porenstruktur regelrecht an der negativen Masse festkleben. Die Folgen sind irreversible Sulfatation der negativen Masse, besonders im unteren Bereich, durch fehlenden Säuredichteausgleich (Säureschichtung) und Bildung von stationären Gaspolstern, wodurch ganze Bereich der Plattenoberfläche der negativen Elektrode inaktiv werden. Dabei gelingt es, wie Versuche gezeigt haben, nicht, den Säureausgleich etwa dadurch zu verbessern und die Glasblasenabfuhr zu erleichtern, indem man zwi­ schen die glatte oder leicht geriffelte Oberfläche des Separators und der negativen Platte eine Vlieslage einbringt oder die negative Platte in eine Vliestasche steckt, obwohl dies verschiedentlich geschieht.

Mit dieser Problematik ist ein mikroporöser Wellscheider, wie er z. B. aus der US-PS 43 68 243 bekannt ist, zwar nicht behaftet, dafür läßt er die angrenzenden Elektrodenflächen zum größten Teil unbedeckt und setzt sie der Gefahr einer erhöhten Masseabschlammung aus. Hinzukommt, daß gewellte Scheider den Volumenkräften der Masse bei Ladung und Ent­ ladung, insbesondere auch dem Quelldruck der negativen Masse, nur dann ohne kritische Verformung standhalten können, wenn ihr Grundmaterial bereits eine entsprechende Steifheit besitzt. Diese ist oft an eine Min­ destdicke gebunden, welche mit dem Wunsch nach Verwendung eines möglichst dünnen Membranmaterials schlecht zu vereinen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Bleiakkumulatoren eine Seperationsausführung anzugeben, welche in gleicher Weise sowohl für die positive wie für die negative Elektrode eine ausreichende Versorgung mit Säureelektrolyt sicherstellt, ohne daß mit einer zu diesem Zweck geeigneten Maßnahme zugleich Mängel anderer Art in Kauf genommen werden müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Danach liegt ein wesentlicher Teilaspekt der erfindungsgemäßen Separa­ tion darin, daß gleichermaßen der positiven wie der negativen Elektrode freie Schwefelsäurevolumina zur Verfügung gestellt werden, die eine gute Versorgung der Elektroden, besonders auch der negativen Elektrode, mit Säure und eine gute Gasblasenabfuhr gewährleisten. Dieser Vorteil der Erfindung gibt sich u. a. dadurch zu erkennen, daß über sehr lange Zeit der Lebensdauer eine konstante Zellenspannung (Ladeschlußspannung) erhalten bleibt. Dazu trägt im wesentlichen die Einzelspannung der negativen Elektrode bei, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung konstant im negativen Bereich bleibt und nicht wie im Normalfall der heutigen Separationsausführung - mit sehr geringem Säureangebot an der negativen Platte - schnell zu positiven Werten hin abfällt.

Eine konstante Zellenspannung, gemessen als Ladeschlußspannung, von über 2,6 V ist bekanntlich von großem Vorteil und Ursache dafür, daß die negative Elektrode nur sehr gering, z. B. durch Antimonabscheidung, vergiftet wird. Das bedeutet geringe Selbstentladung, geringe Gasung, geringeren Wasserverbrauch und eine gute Kapazitätsausbeute, über die Lebensdauer integriert.

Eine Voraussetzung für dieses Verhalten ist die Schaffung von mit frei beweglichem Säureelektrolyt gefüllten Freiräumen zwischen den Elektro­ denplatten und der ihnen jeweils zugewandten Seite des Separators, welcher ein mikroporöser Blattscheider ist, wobei jedoch gleichzeitig verhindert werden muß, daß es in diesen Freiräumen zu einer Säureschich­ tung kommt, denn diese führt sehr schnell zu ungleichmäßiger Stromver­ teilung in der Zelle und als Folge davon zum Kapazitätsabfall und zu einer verkürzten Lebensdauer. Die Ausbildung einer Säureschichtung läßt sich vermeiden, indem man den Elektrolyten z. B. rührt, umwälzt oder durch­ strömt.

Es hat sich nun gezeigt, daß die aus den Elektrodenplatten während des Ladens austretenden Gasblasen ein besonders wirksames Mittel sind, um einen Säuredichteausgleich herbeizuführen, wenn sie einerseits, insbeson­ dere bei turbulenter Gasung, an einem Mitreißen von Massepartikeln aus der Elektrodenoberfläche gehindert werden, andererseits aber in den besagten Freiräumen ungehindert aufsteigen können.

Die erfindungsgemäße Separationsanordnung erfüllt diese Bedingungen in vorteilhafter Weise, indem ein mikroporöser Blattseperator in vorzugswei­ se gewellter oder gerippter Ausführung auf beiden Seiten für senkrecht verlaufende Säurekanäle als Freiräume mit der notwendigen Größe sorgt und indem für beide Elektrodenpolaritäten eine deren Oberfläche schützende Abdeckung vorgesehen ist, die säureresistent, säuredurchlässig und vor allem durchlässig für die Gasblasen sein muß. Die letztgenannte Forderung schließt die Verwendung eines mikroporösen Materials oder Laminate mit größerer Schichtdicke wie z. B. Glasmatten, die den Gas­ blasen die Überwindung langer Wegstrecken auferlegen, aus.

Erfindungsgemäße Auflagen können dagegen aus Glasvliesen oder Kunst­ stoffvliesen gebildet sein. Ebenso sind Gewebe aus Glas oder Kunststoff vorteilhaft. Es kann auch zweckmäßig sein, für die eine Elektrodenpolari­ tät eine Gewebeausführung des einen oder anderen Fasermaterials und für die andere Elektrodenpolarität eine entsprechende Vliesausführung zu verwenden.

Ferner liegt es im Rahmen der erfindungsgemäßen Separationsausführung, daß die die Elektroden abdeckenden Materialauflagen von Taschen (Mono­ bags) oder Hüllen (Sleeves) gebildet werden, welche nicht nur die Ab­ schlammung behindern, sondern noch zusätzlich die Plattenkonturen iso­ lieren und damit Kurzschlüssen vorbeugen.

Eine erfindungsgemäße Separationsausführung liegt schließlich auch dann vor, wenn die positiven Elektrodenpolaritäten durch Panzerplatten mit runden Röhrchentaschen vertreten ist.

Zwei Figurendarstellungen sollen die erfindungsgemäße Separtionsaus­ führung verdeutlichen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung mit einem gewellten Scheider.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit einem beidseitig gerippten Scheider.

Zwischen der positiven Elektrodenplatte 1 und der negativen Elektroden­ platte 2 sind durch Zwischenlage entweder eines Wellscheiders 3 oder eines gerippten Separatorblatts 4 aus einem mikroporösen Material, z. B. PVC zu beiden Elektroden hin Freiräume 5 in Form senkrechter Kanäle vorhanden, die mit Elektrolyt gefüllt sind und den Gasblasen ein ungehin­ dertes Aufsteigen ermöglichen. Die Elektrodenplatten sind mit Vlies- oder Gewebeauflagen 6 abgedeckt, durch welche die Gasblasen leicht aus den Platten zu den Freiräumen hindurchtreten können und welche die Platten­ oberflächen andererseits vor den in den Elektrolytfreiräumen erzeugten Turbulenzen schützen, so daß die unerwünschte Massenabschlammung auf ein Mindestmaß reduziert ist. Die Auflagen können auf die beiderseitigen Vorsprünge des Separatorblatts aufgeklebt, aufgeschweißt oder aufgenäht sein.

Die Verwendung positiver Röhrchenplatten in den Zellen läßt es zu, daß in diesem Fall der beidseitig gerippten Scheider, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, auch schräg verlaufend gerippt sein kann. Bei einem Rippenabstand von 6 mm oder weniger genügt jedoch ebenso eine gerade Rippung, weil dann genügend Abstützung des Scheiders gegenüber den Röhrchen gegeben ist.

Claims (7)

1. Bleiakkumulator mit positiven und negativen Elektrodenplatten, zwischen welchen mikroporöse Separatorblätter angeordnet sind, und einem flüssigen Säureelektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten eines jeden Separatorblattes (3, 4) und über die Separatorfläche verteilt etwas gleiche, mit Schwefelsäure gefüllte Freiräume (5) vorhanden sind und daß die dem Separatorblatt jeweils zugekehrten Seiten der positiven und negativen Elektrodenplatten (1, 2) mit einer Auflage (6) aus einem säure- und gasblasendurch­ lässigen Material abgedeckt sind.

2. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den mit Schwefelsäure gefüllten Freiräumen eine gewellte Form des mikroporösen Separatorblattes zugrunde liegt.

3. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Schwefelsäure gefüllten Freiräume durch beiderseits auf dem mikroporösen Separatorblatt vorhandene Rippen gebildet sind.

4. Bleiakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die säure- und gasblasendurchlässigen Materialauf­ lagen Kunststoffvliese oder Glasvliese sind.

5. Bleiakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die säure- und gasblasendurchlässigen Materialauf­ lagen Kunststoffgewebe oder Glasgewebe sind.

6. Bleiakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fasermaterial der säure- und gasblasendurch­ lässigen Auflagen eine Mischung von Vlies- und Gewebeausführung ist.

7. Bleiakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die säure- und gasblasendurchlässigen Auflagen von Eintaschungen oder Umhüllungen der dem Separatorblatt anliegen­ den positiven und/oder negativen Elektrode gebildet ist.