DE3734131C1 - Faserstruktur-Elektrodengeruest - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter oder angelöteter Stromableiterfahne aus Blech für eine Fasergerüstelektrode für alkalische Se­ kundärzellen, insbesondere für Nickel/Wasserstoff-Zellen.

Zur Verbindung von Faserstruktur-Elektrodengerüsten mit Stromableitfahnen ist es bekannt, den Rand des Elektroden­ gerüstes zu schlitzen, in diesen Schlitz die Stromfahne hineinzuschieben und dann das Elektrodengerüst mit der Strom­ fahne zu verschweißen. Eine solche Möglichkeit ist jedoch sehr teuer und nur bei kleinen Stückzahlen durchführbar. Bei größeren Stückzahlen wird die Stromfahne auf den Rand des Faserstruktur-Elektrodengerüstes aufgelegt und unter Druck mit diesem verschweißt. Zur Erzielung einer ausreichenden Haltbarkeit ist es dabei im allgemeinen erforderlich, den Rand des Elektrodengerüstes galvanisch zu verstärken, wie es z. B. in DE-PS 31 42 091 beschrieben ist. Die Haltbarkeit derartiger Verbindungen kann dadurch noch verbessert werden, daß die Stromableiterfahne an der dem Fasergerüst anliegenden Seite mit Stufen abnehmender Dicke oder mit einer stufenlos auslaufenden Phase versehen ist, wie dies in den deutschen Patenten Nr. 36 32 351 und 36 32 352 beschrieben ist. Für lange Verbindungszonen an rechteckigen Platten prismatischer Batterien mit relativ dicken Fahnen reichen die genannten Maßnahmen auch für großflächige Elektroden aus, da deren Verbindung zwischen Fahne und Gerüst nur in Richtung der Plattenfläche auf Zug beansprucht wird. Für eine kleine Ver­ bindungszone, insbesondere am Mittelloch oder am Rand runder Elektroden für Nickel/Wasserstoff-Zellen, reichen die ge­ nannten Maßnahmen aber entweder nicht aus oder sind wegen der Elektrodenform oder wegen der durch die kleine Elektro­ denfläche erforderlichen, kapazitätsbezogenen hohen Anzahl von Verbindungen zu aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst stabile, einfache, leicht herstellbare Verbindung zwischen dem Faserstruktur-Elektrodengerüst und der Stromableiterfahne zu schaffen, die keiner galvanischen Verstärkung der Platte be­ darf und bei der der Stromableiter aus verhältnismäßig dünnem Blech bestehen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter oder angelöteter Stromableiterfahne aus Blech für eine Fasergerüstelektrode für alkalische Sekun­ därzellen, insbesondere für Nickel/Wasserstoff-Zellen, da­ durch gelöst, daß die Stromableiterfahne auf der zu dem Fasergerüst zeigenden Seite durch Ein- oder Ausschnitte in wenigstens drei Zungen aufgeteilt ist, von denen wenigstens jede zweite aus der Fahnenebene herausgebogen oder -gekröpft ist, derart, daß sie mit den übrigen Zungen - in Richtung der Zungenreihe und in der Fahnenebene gesehen - eine maul­ artige Öffnung bilden, in der das Fasergerüst gehalten wird.

Die Länge der Zungen soll etwa 3 bis 20 mm betragen. Wird die Zungenlänge kürzer als 3 mm, so kann das Faserstruktur- Elektrodengerüst schon häufig nicht mehr richtig zwischen den Zungen gehalten werden. Überschreitet man eine Länge von 20 mm für die Zungen, so tritt im allgemeinen keine Ver­ besserung der Verbindung zwischen Stromableiterfahne und Faserstruktur-Elektrodengerüst mehr ein, sondern es wird lediglich die nutzbare Fläche des Faserstruktur-Elektroden­ gerüstes verringert. Es empfiehlt sich, bei sehr dünnen Faserstruktur-Elektrodengerüsten kurze Zungen, bei dicken Faserstruktur-Elektrodengerüsten längere Zungen zu verwenden. Die Breite der Zungen kann in weiten Bereichen schwanken. Im allgemeinen erzielt man gute Ergebnisse, wenn die Breite der Zungen ebenfalls in dem Bereich von 3 bis 20 mm liegt. Die Zungen werden abwechselnd einseitig oder beidseitig aus der Fahnenebene gebogen und bilden in Richtung der Zungen­ reihe und in der Fahnenebene gesehen eine maulartige Öffnung, in die der Rand des Faserstruktur-Elektrodengerüstes ge­ schoben wird. Die Zungen werden dann durch Schweißen, z. B. Punktschweißen, Laserschweißen usw. oder durch Löten mit dem Rand des Faserstruktur-Elektrodengerüstes verbunden.

Besonders gute Verbindungen erhält man, wenn das Faserstruktur- Elektrodengerüst im Bereich der Kontaktzone durch Pressen komprimiert ist. Empfehlenswert ist eine Verdichtung des Faserstruktur-Elektrodengerüstes auf etwa 20 bis 35% der ursprünglichen Plattendicke. Bei den besonders bevorzugten Faserstruktur-Elektrodengerüsten aus metallisierten, insbe­ sondere vernickelten textilen Substraten ergibt sich bei diesen Verdichtungen eine Restporosität in der verdichteten Kontaktzone von etwa 50% oder weniger.

Es ist bevorzugt, die Verdichtung des Faserstruktur-Elektro­ dengerüstes im Bereich der Kontaktzone so vorzunehmen, daß die verdichtete Fläche geringfügig größer ist als die für die Kontaktfläche der Zungen gebrauchte Fläche. Damit erreicht man eine besonders gleichmäßige und sichere Kontaktierung. Der Übergang der verdichteten Fläche des Faser­ struktur-Elektrodengerüstes wird vorzugsweise so vorgenommen, daß keine scharfkantigen Übergänge zwischen verdichteter und nichtverdichteter Fläche entstehen, da solche scharf­ kantigen Übergänge eine Rißbildung im Faserstruktur-Elek­ trodengerüst begünstigen.

Der Winkel, mit dem die einzelnen Zungen aus der Fahnenebene herausgebogen werden, ist zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die Kante des Faserstruktur-Elektrodengerüstes bequem zwischen die beiden Zungenreihen geschoben werden kann. Ein zu großer Winkel ist nachteilig, da beim Verschweißen der Zungen mit den beiden Seiten des Faserstruktur-Elektrodengerüstes die Zungen wieder in Richtung der Fahnenebene zurückgebogen werden. Es hat sich gezeigt, daß es besonders günstig ist, wenn die Zungen miteinander einen Winkel von etwa 5 bis 20° bilden. Mit diesen Winkeln erzielt man bei den angegebenen Zungenlängen und üblichen Plattendicken sehr gute Verbindungen.

Besonders günstig ist es, insbesondere für Faserstruktur- Elektrodengerüste ab einer Randstärke von etwa 1 mm, wenn die Zungen nicht einfach aus der Fahnenebene herausgebogen sind, sondern wenn sie abgekröpft sind und zwar auf ein ge­ genseitiges Kröpfungsmaß, das der Dicke des Fasergerüstes in der Kontaktzone entspricht.

Die Erfindung wird anhand der in der Abbildung gezeigten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 bis 4 einen Schnitt in Richtung der Zungenreihe und in der Fahnenebene gesehen durch verschiedene Stromableiterfahnen,

Fig. 5 ein am äußeren Radius kontaktiertes Faserstruktur- Elektrodengerüst in Aufsicht,

Fig. 6 bis 8 ein am inneren Radius kontaktiertes Faserstruktur- Elektrodengerüst in Aufsicht und im Schnitt.

Fig. 1 zeigt, in Richtung der Zungenreihe und in der Fahnen­ ebene gesehen die Sicht auf eine Stromableiterfahne, die Zungen sind nach beiden Seiten mit einem Winkel von etwa 5 bis 10° aus der Plattenebene herausgebogen. Sie bilden dadurch eine maulartige Öffnung, in die der Rand des Faser­ struktur-Elektrodengerüstes zur Verschweißung geschoben werden kann. Fig. 2 zeigt eine Stromableiterfahne, bei der eine Zungenreihe in der Fahnenebene verbleibt und nur die andere Zungenreihe aus der Fahnenebene herausgebogen ist. In diesem Falle wird zweckmäßigerweise der Winkel, mit dem die Zungenreihe aus der Fahnenebene herausgebogen wird, größer gewählt. Fig. 3 zeigt eine Stromableiterfahne, bei der die Zungen abwechselnd nach beiden Seiten aus der Fahnen­ ebene herausgekröpft sind. Der Winkel, den die Zungen mit der Fahnenebene bilden, beträgt jeweils etwa 5 bis 10°. Das gegenseitige Kröpfungsmaß entspricht der Dicke des zwischen den Zungen zu befestigenden Fasergerüstes. Fig. 4 zeigt eine Ausführung ähnlich Fig. 2, wobei jedoch die aus der Fahnen­ ebene abstehende Zungenreihe so abgekröpft ist, daß ein Ab­ satz von der Breite entsteht, der der Dicke der verdichteten Zone des Faserstruktur-Elektrodengerüstes entspricht. Die um 5 bis 10° aus der Fahnenebene gebogenen Zungen erleichtern das Aufstecken der Fahne auf die verdichtete Zone der Platte.

Fig. 5 zeigt ein am äußeren Radius kontaktiertes rundes Fa­ serstruktur-Elektrodengerüst 21. Das Gerüst 21 ist mit einer verdichteten Zone 22 versehen. Im Bereich der verdichteten Zone 22 ist ein Teil des Kreises abgeschnitten, um eine gerade Kante zur Befestigung der Stromableiterfahne 23 zu bilden. Die Stromableiterfahne 23 ist mit Kontaktzungen 24, 24′ und 24′′ versehen, die die verdichtete Zone 22 oberhalb und mit Kontaktzungen 25, 25′ und 25′′, die die verdichteten Zonen unterhalb der Plattenebene kontaktieren. Das lange Ende der Kontaktfahne 23 ist senkrecht nach unten aus der Plattenebene abgebogen und daher nicht sichtbar, die einzelnen Kontaktzungen sind jeweils mit der verdichteten Zone 22 durch Punkt­ schweißen verbunden. In Fig. 5 besitzt die Stromableiterfahne insgesamt 6 Zungen. Die Zahl der Zungen hängt von der Länge der Kontaktzone ab, jedoch sollte eine Zungenzahl von drei Zungen nicht unterschritten werden, da bei nur zwei Zungen eine deutliche Verschlechterung der Haltbarkeit der Verbindung eintritt. Die Zahl der Zungen kann durch Ausbildung schmaler Zungen vergrößert werden. Zu viele zu schmale Zungen verteuern jedoch die Herstellung der Stromablei­ terfahne und können zu Schwierigkeiten beim Verbinden des Fahrerstruktur-Elektrodengerüstes mit der Stromableiter­ fahne führen, wenn z. B. Beim Transport oder der Lagerung der Stromableiterfahne eine der zu dünnen Zungen unbeabsichtigt verbogen worden ist.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen ein scheibenkreisförmiges Faser­ struktur-Elektrodengerüst 31 mit Mittelloch, bei dem die Kontaktierung am inneren Radius des Faserstruktur-Elektroden­ gerüstes erfolgt. Die Stromableiterfahne 33 besteht aus zwei miteinander verschweißten Teilen, einer kurzen Hilfsfahne 35, die auch die Kontaktzungen trägt und dem damit verschweißten längeren Ende 36. Die Kontaktzungen 34, 37 und 37′ sind in der verdichteten Zone 32 des Faserstruktur-Elektrodenge­ rüstes 31 durch Punktschweißen befestigt. Die Kontaktzunge 34 befindet sich dabei auf der einen Seite und die Kontaktzungen 37 und 37′ auf der andern Seite der verdichteten Zone 32. Fig. 7 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie A-A der Fig. 6. Man erkennt deutlich die verdichtete Zone 32, innerhalb derer das Faserstruktur-Elektrodengerüst durch die Kontakt­ zungen 34 und 37 der Fahne 33 kontaktiert wird. Die Zunge 34 ist so aus der Fahnenebene abgekröpft, daß das Kröpfungsmaß der Dicke der verdichteten Zone 32 entspricht. Bei der Herstellung des Faserstruktur-Elektrodengerüstes geht man zweckmäßigerweise so vor, daß zunächst die Hilfsfahne 35 mit Kontaktzungen 34 und 37 an der verdichteten Zone 32 durch Punktschweißen, Löten oder dergleichen befestigt wird, und daß man danach den Fahnenabschnitt 36 mit der Hilfsfahne 35 verbindet. Die Lage der Fahne 33 nach dem Ver­ binden der Hilfsfahne 35 mit dem Fahnenabschnitt 36 ist strichpunktiert dargestellt. In einer Batteriezelle befindet sich die Stromableiterfahne 33 in der durchgezogen dargestellten Lage, was durch entsprechendes Verbiegen aus der strichpunktiert gezeichneten Lage erreicht werden kann. Fig. 8 zeigt einen vergrößerten Schnitt gemäß der Linie B-B durch die Kontaktzone. Man erkennt, daß die verdichtete Zone 32 des Faserstruktur-Elektrodengerüstes 31 im Bereich der Kontaktzungen 34, 37 und 37′ weiterverdichtet ist, weil die Zungen während des Punktschweißvorganges durch Druck­ und Wärmeeinwirkung das in der Kontaktzone 32 durch Pressen verdichtete Fasergerüst noch weiter komprimieren. Eine be­ sonders starke Komprimierung tritt während des Verschweißens vor allem im Bereich 38 der aneinander grenzenden Zungenkanten auf.

Beispiel

Mittig kontaktierte, runde Faserstruktur-Elektrodengerüste von 86,5 mm Außendurchmesser und einem Mittelloch von 20 mm Durchmesser, einer Plattendicke von 2,3 mm und einer Porosität von 83% wurden mittels unterschiedlich gestalteter Verbindungen mit Elektrodenfahnen kontaktiert und es wurde die Festigkeit der Verbindung gemessen. Als Fahne diente jeweils ein 0,2 mm dicker Nickelblechstreifen von 10 mm Breite und 150 mm Länge. Das textile Plattensubstrat bestand aus Polyolefinfasern und hatte eine Nickelauflage von 0,15 g pro cm². Die Geometrie der Anordnung von Fahne und Platte entprach in etwa der Fig. 6. Folgende unterschiedliche Ver­ bindungen von Fahne und Platte wurden hergestellt:

• a) parallel zu den Flächen der Platte wurde an einer Seite des Mittelloches ein etwa 15 mm breiter, 5 mm tiefer Schlitz mittig in die Platte geschnitten, ein Fahnenende wurde etwa 5 mm tief eingeschoben und durch Punkt­ schweißen befestigt.
• b) eine Fläche von 7 × 12 mm² wurde am Rand des Innenlochs von 2,3 auf 0,8 mm mit Hilfe von Preßstempeln mit gerundeten Kanten verdichtet, so daß die Restporosität des Gerüsts an dieser Stelle noch etwa 50% betrug. Ein Ende der Fahne wurde mit einer Überlappung von 5 mm auf die verdichtete Fläche gelegt und durch Punktschweißen be­ festigt.
• c) in das Fahnenende wurden zwei parallele Einschnitte von 5 mm Tiefe in jeweils 3 mm Entfernung vom Fahnenrand ge­ macht, so daß mittig eine Zunge von 4 × 5 mm² und außen zwei Zungen von 3 × 5 mm² entstanden. Die mittlere Zunge wurde analog Fig. 4 aus der Fahnenebene gekröpft und die Fahne wurde auf eine wie unter b hergestellte ver­ dichtete Zone der Platte gestreckt. Die Zungen wurden durch Punktschweißen befestigt.

Die gemäß a), b) und c) befestigten Fahnen wurden nun, wie in Fig. 7 angedeutet, mit einem Radius von 5 mm senkrecht um 90°C zur Plattenfläche gebogen. Mittels einer Zugmaschine wurde die Ausreißkraft der Fahnen bestimmt. Dazu wurden die Platten horizontal an ihrem Rand eingespannt und am Ende der senkrechten Fahnen wurde gezogen. Folgende Ausreißkräfte wurden gemessen:

Befestigung gemäß a): 28 N Anordnung b): 87 N Anordnung c):105 N

Das Ergebnis zeigt deutlich die stark verbesserte Festigkeit der erfindungsgemäßen Gestaltung nach c).

Claims (4)

1. Faserstruktur-Elektrodengerüst mit angeschweißter oder angelöteter Stromableiterfahne aus Blech für eine Faserge­ rüstelektrode für alkalische Sekundärzellen, insbesondere für Nickel/Wasserstoff-Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiterfahne auf der zu dem Fasergerüst zeigenden Seite durch Ein- oder Ausschnitte in wenigstens 3 Zungen aufgeteilt ist, von denen wenigstens jede zweite aus der Fahnenebene herausgebogen oder -gekröpft ist, derart, daß sie mit den übrigen Zungen - in Richtung der Zungenreihe und in der Fahnenebene gesehen - eine maulartige Öffnung bilden, in der das Faserstruktur-Elektrodengerüst gehalten wird.

2. Faserstruktur-Elektrodengerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Kontaktzone auf 20 bis 35% der ur­ sprünglichen Plattendicke verpreßt ist.

3. Faserstruktur-Elektrodengerüst nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen 3 bis 20 mm lang sind.

4. Faserstruktur-Elektrodengerüst nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen auf ein gegenseitiges Kröpfungsmaß gekröpft sind, das der Dicke des Faserstruktur-Elektrodengerüstes in der Kontaktzone entspricht.