DE3739735A1

DE3739735A1 - Nickelfaserelektrode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3739735A1
Application number: DE19873739735
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Faber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-11-24
Filing date: 1987-11-24
Publication date: 1989-06-08

Description

Die Bemühungen zur Entwicklung von hochstrombelasteten, porösen Elektroden für alkalische Akkumulatoren gehen zurück auf die An wendung von feinsten Nickelpulver (Carbonylnickelpulver) für Stromableitgerüste in Plattenform. Dabei hatte man das Pulver wegen der damaligen Unsicherheiten in der Sintertechnik zusätz lich mit einem innen liegenden Nickelnetz oder Lochblech ver sintert. Später kam dann die Folienelektrode, ein sehr dünnes, glattes Nickelblech, auf welchem ebenfalls beidseitig dünne Schichten des Carbonylnickelpulvers aufgesintert wurden, so daß eine insgesamt ca. 1,0 bis 1,2 mm starke Elektrode entstand. Diese pulvergesinterten Elektroden wurden im Tauchfällungsver fahren, teilweise unter Benutzung von Vakuum mit der aktiven Masse des Ni-II-Hydroxids gefüllt.

Nach dem 2. Weltkrieg kam ein neues, elektrochemisches Füllver fahren (Kandler-Verfahren) auf, daß eine wesentlich aktivere Masse in das Porenvolumen der porösen Strukturen zu bringen ge stattet. In jüngster Zeit nun versucht man die pulvergesinterte, hochstrombelastete Nickelelektrode durch faserporöse Systeme zu ersetzen. Dabei sind Versuche sowohl mit vernickelten Eisen fasern als auch vernickelte Kunst- oder Kohlenstofffasern gemacht worden. Reine Nickelfasern in der gewünschten feinen Form sind seinerzeit sehr teuer und nicht ohne weiteres herstellbar gewesen. Auch die nach stromlosen Verfahren vernickelten Kunststofffasern in Vliesform sind auch heute noch wegen der umständlichen, naß chemischen Verfahrenstechnik relativ kostspielig. Akkumulatoren mit diesen letztgenannten Elektroden sind heute auf dem Markt und haben sich für die verschiedensten Einsätze bewährt.

Seit Neuestem steht nun ein Material aus feinsten Nickelfasern mit einem Durchmesser zwischen 20 und 50 Mikrometern zur Verfügung, das noch dazu wesentlich preiswerter ist. Damit ist die Herstellung von hochporösen Elektroden mit 85 bis 90%iger Porosität möglich, die sich in drei wesentlichen Punkten von der kunststoffmetalli sierten Ausführung vorteilhaft unterscheidet:

1. Eine aus Vollnickelfasern hergestellte Ableitstruktur ist natürlich elektrisch wesentlich besser leitend als eine den alkalifesten Träger umhüllende "Schlauchmetall"-Faserstruktur.
2. Weiterhin ist die Sinterung der reinmetallischen Faser weniger problematisch als bei metallisierten Kunststofffasern, wo sich die bei der Sintertemperatur auftretenden thermischen Spalt produkte des Kunststoffs in die Schutzgasatmosphäre mischen und letztlich den Sinterverbund stören.
3. Schließlich ist die aus Vollnickelfasern bestehende Struktur bei gleicher Porosität mechanisch stabiler und kann auf Dauer den beim Lade/Entladevorgang auftretenden Volumenänderungen der aktiven Masse besser standhalten.

Die im nachfolgenden beschriebene Elektrode knüpft dagegen an die Ursprungsentwicklung der Pulversinterelektroden an mit dem Unter schied, daß jetzt wirtschaftlichere Herstellungsverfahren für das hochporöse Grundableitgerüst genutzt werden können. Die kostspielige Schutzgassintertechnik fällt fort.

Man kann die erfindungsgemäßen Nickelfaserelektroden sowohl mit als auch ohne Innenableiter aufbauen. Als Innenableiter wählt man zweckmäßig ein Nickelblech, Nickelstreckmetall oder Nickeldrahtge webe. Die faserporösen Teile werden nun nicht mehr durch eine Sinterung - obwohl das grundsätzlich auch noch möglich wäre - aufgebracht, sondern durch eine Elektroschweißung. Es ist ein leuchtend, daß die beidseitig aufgelegten Fasermatten gleichzeitig auf beide Seiten des Innenableiters geschweißt werden. Die Elektro schweißung kann punktuell oder auf Linien geschehen. Bei einer Massenfertigung, wo bekanntlich immer die Durchlaufgeschwindig keit der zu produzierenden Teile eine große Rolle spielt, müssen folgende patentrelevante Arbeitsweisen eingehalten werden.

* Es können nicht mehrere Punkte oder Linien von ein und derselben Elektroschweißmaschine gleichzeitig geschweißt werden, da der Strom sich immer den jeweils geringsten Übergangswiderstand sucht und sich dort überproportional zu konzentriert.
* Entweder man nimmt also mehrere, voneinander unabhängige Elektro schweißmaschinen oder man taktet eine Maschine elektronisch der art, daß die Stromimpulse nacheinander auf die verschiedenen, zu verschweißenden Stellen kommen. Nur so kann kontinuierlich gearbeitet werden.
* Falls man eine Linienschweißung in Längs- oder Querrichtung der Elektrode wünscht, ist es zweckmäßig mehrere Schweißmaschinen unabhängig voneinander arbeiten zu lassen.
* Schließlich kann ein kontinuierlich auf Linien arbeitendes Verfahren auch unter Benutzung einer entsprechend profilierten Rolle im Taktverfahren arbeiten, so daß ein schneller Durchlauf der zu verschweißenden Teile möglich wird.

Die erfindungsgemäße Nickelfaserelektrode kann auch als Bipolar elektrode ausgeführt werden. Man läßt dazu einen nicht mit dem Fasermaterial bedeckten Rand des natürlich geschlossenen Innen arbeitsblechs frei und bettet ihn in einen Kunststoffrahmen, um den Bipolarmodul zu bilden. Auf der einen Seite wird die Faser struktur mit Ni-II-Hydroxid, auf der anderen Seite mit Cd-Masse gefüllt. Die Module werden schließlich miteinander verbunden, verklebt oder mit Ultraschall verschweißt, so daß sich aus der Vielzahl der Rahmen gleichzeitig das Batteriegehäuse bildet. Diese Sandwich-Technik ist im Brennstoffzellenbau erprobt und als solche bekannt.

Ausführungsbeispiele

a) Ein 0,3 mm starkes, durchbrochenes Nickelblech oder Nickel drahtnetz wird beidseitig mit dem Nickelfasermaterial belegt. Dann wird das Fasermaterial und das Nickelblech mit einer Vielzahl von Einzelpunkten miteinander durch Elektroschweißung verbunden. Anschließend wird die Elektrode in ein Kandlerbad (10% Nickelnitrat + 1% Cobaltnitrat) gebracht und als Kathode geschaltet. Dabei füllt sie sich mit Ni-II-Hydroxyd, ein Ver fahren, daß in der Patentliteratur beschrieben ist (L. Kandler, DBP 11 33 442). Nach dem Füllvorgang wird die Elektrode wie bekannt von Nitratresten gereinigt und in 30%iger Kalilauge anodisch formiert. Sie wird dabei unter Bildung von NiOOH schwarz und erhält ihre Kapazität. Wenn die Elektrode danach ohne Trocknung direkt im alkalischen System eingesetzt wird, entspricht die Kapazität einer 95%igen Ausnutzung der aktiven Masse (ca. 3,6 g = 1 Ah).
b) Die Ausführung als Nickel/Cadmium Bipolarelektrode erfordert etwas mehr Umstand, da während des Füllvorgangs der einen Seite nach dem Kandlerverfahren, die auf der anderen Seite befindliche Faserstruktur dagegen geschützt werden muß, um dabei nicht auch mit dem grünen Ni-II-hydroxid gefüllt zu werden. Dies kann bei vertikaler Arbeitsweise beispielsweise durch eine über oder an den Kunststoffrand des Bipolarmoduls übergestreifte Gummimembran oder einer auf dem Rand aufge klebten Folie geschehen. Bei horizontaler Kandler-Technik kann die Elektrode von unten gegen einen mit einer Gummidichtung versehenen Trog gedrückt werden, so daß die Kandlerlösung nur auf die mit Ni-II-Hydroxid zu füllende Seite der Bipolar elektrode wirkt. Ansonsten wird genauso verfahren, wie unter a) beschrieben. Ist die Bipolarelektrode einseitig mit dem Ni-II-Hydroxid gefüllt, wird die Cadmiummasse auf die andere Seite einfach pastiert.

Claims

1. Nickelfaserelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnes, 0,2 bis 0,5 kmm starkes, glattes oder durchbrochenes Nickel blech oder Nickelgewebe mit beidseitig aufgelegten, porösen Nickelfasergerüsten durch Elektroschweißung verbunden wird.

2. Nickelfaserelektrode nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch eine chemische oder elektrochemische Methode mit der aktiven Masse des Ni-II-hydroxid gefüllt, gewaschen und for miert, ihre Verwendung im alkalischen Akkumulator findet.

3. Nickelfaserelektrode nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bipolarelektrode, in einen Kunststoffrahmen eingebettet, auf der einen Seite mit Ni-II-Hydroxid gefüllt als positive Nickelelektrode und auf der anderen Seite als Cadmiumelektrode ausgebildet ist. Dabei wird die Cadmiummasse entweder ebenfalls nach einem elektrochemischen Füllverfahren oder durch einfache Pastierung eingebracht.

4. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung der nach 1 aufge bauten Nickelelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro schweißung entweder punktuell vorgenommen wird oder auf Linien, vorzugsweise durch eine Rollenschweißelektrode geschieht.

5. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung der nach 1 aufge bauten und nach 4 hergestellten Nickelfaserelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß bei kontinuierlicher Fertigung derselben erfolgt, die zeitlich nacheinander auf die zu verschweißenden Stellen der Faserstruktur einwirkt.

6. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Nickelfaser elektrode nach 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek trode nach Formierung der eingebrachten Masse (schwarzes NiOOH) insgesamt gepreßt wird.

7. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer Nickelfaser elektrode nach 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kandlerbad feinstsuspendiertes Polytetrafluoräthylen oder Polydifluor äthylen zugegeben wird.