DE4009646C1 - Electrochemical battery esp. sealed lead battery - has lead plate electrodes and separator divided into zones in vertical directions - Google Patents
Electrochemical battery esp. sealed lead battery - has lead plate electrodes and separator divided into zones in vertical directionsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Batterie, insbe sondere verschlossene Bleibatterie, mit vertikal angeordneten Elektrodenplatten sowie jeweils einem dazwischen angeordneten Separator, wobei die Elektrodenplatten und der Separator je weils aus einem porösen, saugfähigen Material bestehen, in dem ein flüssiger Elektrolyt absorptiv festgelegt ist.The invention relates to an electrochemical battery, in particular special sealed lead acid battery, with vertically arranged Electrode plates and one in between Separator, the electrode plates and the separator each Weil consist of a porous, absorbent material in which a liquid electrolyte is fixed absorptively.
Elektrochemische Batterien, insbesondere verschlossene Blei batterien, sind bekannt. Zwischen den in einem Kunststoffge häuse meistens vertikal angeordneten positiven und negativen Elektrodenplatten aus einem porösen, saugfähigen Material ist dabei jeweils ein Separator angeordnet, der ebenfalls aus einem porösen, saugfähigen oder Flüssigkeit bindendem Material besteht. Als Separator kann beispielsweise ein Vlies-Separator vorgesehen sein, der beispielsweise aus Mikroglasfasern hergestellt ist.Electrochemical batteries, especially sealed lead batteries are known. Between those in a plastic ge houses mostly vertically arranged positive and negative Electrode plates made of a porous, absorbent material in each case a separator is arranged, which also consists of a porous, absorbent or liquid-binding material consists. A fleece separator, for example, can be used as the separator be provided, for example from micro glass fibers is made.
Aufgrund der Porosität sowohl der Elektroden als auch des Se perators saugen sich diese in der Art eines Schwammes mit einem flüssigen Elektrolyten voll, beispielsweise mit verdünn ter Schwefelsäure, so daß dieser Flüssigelektrolyt absorptiv im Material für die Elektroden sowie für den Separator festge legt ist. Der Elektrolyt ist damit nicht mehr frei fließfähig. Vielmehr ist er räumlich auf die Abmessungen des Separators sowie der Elektroden festgelegt.Due to the porosity of both the electrodes and the Se perators suck themselves in the manner of a sponge a liquid electrolyte, for example with dilute ter sulfuric acid, so that this liquid electrolyte is absorptive festge in the material for the electrodes and for the separator sets is. The electrolyte is no longer free-flowing. Rather, it is spatially related to the dimensions of the separator as well as the electrodes.
Der physikalische Hintergrund des Vollsaugens der Elektroden sowie des Separators liegt in deren porösen Strukturen, da diese Kapillarkräfte auf den Flüssigelektrolyten bewirken, welche geeignete Flüssigkeiten aufsaugen und in der porösen Struktur halten können. Unter der Wirkung der Schwerkraft ist jedoch die Steighöhe der gebildeten Flüssigkeitssäule in dieser porösen Struktur begrenzt, wobei die theoretische maximale Steighöhe durch das Jurin′sche Gesetz beschrieben wird, wonach die maximale Steighöhe umgekehrt proportional zum Porenradius ist. Dies bedeutet, daß die maximale Steighöhe desto größer ist je kleiner der Porenradius der porösen Struktur ist. Umgekehrt vermindert sich die maximale Steighöhe bei größer werdendem Porenradius.The physical background of soaking the electrodes and the separator lies in their porous structures, because cause these capillary forces on the liquid electrolyte, which suitable liquids absorb and in the porous Can keep structure. Under the action of gravity however the height of rise of the liquid column formed in this porous structure is limited, the theoretical maximum climbing height described by Jurin's law becomes, after which the maximum climbing height is inversely proportional to Pore radius is. This means the maximum climbing height the larger the smaller the pore radius of the porous Structure is. Conversely, the maximum climbing height decreases with increasing pore radius.
Dieses physikalische Phänomen hat jedoch Auswirkungen auf die elektrochemischen Batterien der eingangs angegebenen Art, bei denen der Flüssigelektrolyt absorptiv in porösen Materialien für die Elektroden sowie für den Separator festgelegt ist. Je größer der durchschnittliche effektive Porenradius der elek trolythaltigen Komponenten der elektrochemischen Batterie (nämlich die Elektroden sowie der dazwischen angeordnete Sepa rator) ist und je höher die Batterie bzw. die Zellen bauen, um so inhomogener ist der Flüssigelektrolyt aufgrund der Schwer kraft verteilt, d.h. der Flüssigelektrolyt wird sich vorwie gend im unteren Bereich der Batterie aufhalten. Diese Inhomo genität ist besonders nachteilig für die Funktion einer ver schlossenen Bleibatterie mit O2-Zyklus. Die bekannte elektro chemische Batterie ist somit auf relativ geringe Bauhöhen be schränkt. Darüber hinaus darf sie keinen relativ hohen Be schleunigungen ausgesetzt sein, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Raketen etc. auftreten.However, this physical phenomenon has effects on the electrochemical batteries of the type specified at the beginning, in which the liquid electrolyte is absorptively fixed in porous materials for the electrodes and for the separator. The larger the average effective pore radius of the electrolyte-containing components of the electrochemical battery (namely the electrodes and the separator arranged between them) and the higher the battery or cells build, the more inhomogeneous the liquid electrolyte is due to the heavy force, ie the Liquid electrolyte will mainly be in the lower area of the battery. This inhomogeneity is particularly disadvantageous for the function of a sealed lead acid battery with an O 2 cycle. The known electro-chemical battery is thus limited to relatively low heights. In addition, it must not be exposed to relatively high accelerations, such as occur in motor vehicles, aircraft, rockets, etc.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die elektrochemische Batterie der eingangs angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, daß auf technisch einfache Wei se eine inhomogene Verteilung des Flüssigelektrolyten sowohl in den Elektroden als auch im Separator im wesentlichen ver mieden wird bzw. es soll die inhomogene Verteilung des Flüssigelektrolyten auf einen definierten Umfang begrenzt werden.Proceeding from this, the object of the invention reasons, the electrochemical battery of the above Art to develop in such a way that in technically simple Wei se an inhomogeneous distribution of the liquid electrolyte both ver in the electrodes and in the separator essentially is avoided or the inhomogeneous distribution of the Liquid electrolytes limited to a defined scope will.
Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorge schlagen, daß die Elektroden und/oder der Separator durch im wesentlichen horizontal verlaufende Trennzonen in übereinander angeordnete, voneinander getrennte Bereiche derart unterteilt sind, daß der Elektrolytverbund zwischen diesen Bereichen in nerhalb der einzelnen Elektroden sowie des Separators im we sentlichen vollständig unterbrochen und die Elektrolytvertei lung in diesen Bereichen im wesentlichen homogen ist.As a technical solution is provided with the invention suggest that the electrodes and / or the separator by im essentially horizontal dividing zones in a stack arranged, separated areas so divided are that the electrolyte composite between these areas in within the individual electrodes and the separator in the we substantially completely interrupted and the electrolyte distribution in these areas is essentially homogeneous.
Bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Batterie ist somit die Ausdehnung der Elektroden sowie des Separators in Richtung der dominierenden Schwerkrafteinwirkung unterteilt, so daß die Höhe der porösen Strukturen der Elektroden sowie des Separa tors auf einen Bruchteil der maximalen Steighöhe begrenzt wird. Dadurch ist eine definierte, homogene Verteilung des in den porösen Strukturen festgelegten Elektrolyten geschaffen. Dadurch ist eine relativ große Bauhöhe der Batterie realisier bar, die diesen Bruchteil der maximalen Steighöhe um ein Mehr faches übersteigen kann. Dies wird erfindungsgemäß durch die in der gewünschten Höhe angeordneten Trennzonen erreicht, die die entsprechenden porösen Bereiche voneinander trennen. Zwi schen diesen übereinander angeordneten Bereichen sowohl der Elektroden als auch des Separators besteht dann kein Flüssig keitskontakt mehr. Er besteht aber weiterhin zwischen den be nachbarten Bereichen zwischen positiver Elektrodenplatte und Separator bzw. negativer Elektrodenplatte und Separator. Prin zipiell lassen sich somit beliebig hohe Zellen/Batterien her stellen, wobei für die Elektroden sowie für den Separator Ma terialien mit unterschiedlichen und in weiten Bereichen va riablen Porendurchmessern verwendet werden können. Es ist ein Betrieb bei relativ hohen oder variablen Schwerkrafteinwir kungen möglich, ohne daß sich eine nennenswert nachteilige in homogene Verteilung des Flüssigelektrolyten einstellen kann. Die erfindungsgemäße Batterie kann relativ hohen Beschleuni gungen ausgesetzt werden, ohne daß nennenswerte Funktionsbe einträchtigungen zu verzeichnen wären. Derartig hohe Be schleunigungen treten beispielsweise in Kraftfahrzeugen (und dabei insbesondere auf unebenem Gelände), in Flugzeugen, in Raketen etc. auf. Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfin dungsgemäßen Prinzipes sind sonstige Systeme mit porösen, flüssigkeitsgefüllten Strukturen, bei denen eine inhomogene Verteilung der Flüssigkeit zu Störungen der Systemfunktion führt.The electrochemical battery according to the invention is thus the expansion of the electrodes and the separator in the direction the dominating gravitational force divided so that the Height of the porous structures of the electrodes and the Separa tors limited to a fraction of the maximum climbing height becomes. This ensures a defined, homogeneous distribution of the in the electrolytes defined in the porous structures. This enables a relatively large overall height of the battery bar that this fraction of the maximum climbing height by an extra can exceed times. This is inventively by the reached at the desired height arranged separation zones, the separate the corresponding porous areas. Between between these superimposed areas The electrodes and the separator are then no liquid contact more. But it still exists between the be adjacent areas between the positive electrode plate and Separator or negative electrode plate and separator. Prin In this way, cells / batteries of any height can be produced ask, whereby for the electrodes as well as for the separator Ma materials with different and in wide areas especially reasonable pore diameters can be used. It is a Operation with relatively high or variable gravity kung possible without a significant disadvantage in can set homogeneous distribution of the liquid electrolyte. The battery according to the invention can have relatively high accelerations conditions are suspended without significant functional conditions impairments would be recorded. Such high loading Accelerations occur, for example, in motor vehicles (and in particular on uneven terrain), in aircraft, in Missiles etc. Another area of application of the inventions principles according to the invention are other systems with porous, liquid-filled structures in which an inhomogeneous Distribution of the liquid to disturbances of the system function leads.
Vorzugsweise verlaufen zumindest einige der Trennzonen jeweils auf gleicher Höhe durch die Elektroden sowie den Separator. Dies führt zu einem konstruktiv einfachen Aufbau der Batterie.At least some of the separation zones preferably each run at the same height through the electrodes and the separator. This leads to a structurally simple construction of the battery.
In einer weiteren Weiterbildung sind durch eine unterschied liche Anzahl von Trennzonen in den Elektroden einerseits und in dem Separator andererseits in diesen die unterteilten Be reiche in Abhängigkeit von den jeweiligen Porengrößen unter schiedlich hoch. Damit kann der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die üblichen Elektroden in Bleiakkumulatoren wegen ihres im allgemeinen wesentlich kleineren effektiven Porendurchmessers eine wesentlich größere maximale Steighöhe aufweisen als ein Separator aus Mikroglasfaservlies, so daß letzterer mehr un terteilt werden muß als die Elektroden. Im Hinblick auf die zuvor erwähnte Weiterbildung kann dies konstruktiv so aus sehen, daß entsprechend der Elektrodenunterteilung die Trenn zonen jeweils auf gleicher Höhe durch die Elektroden sowie den Separator verlaufen, daß aber der Separator zusätzliche Trenn zonen zwischen diesen gemeinsamen Trennzonen aufweist.In a further development, there is a difference Liche number of separation zones in the electrodes on the one hand and in the separator, on the other hand, the divided Be in these range depending on the respective pore sizes different levels. This can take into account the fact be that the usual Electrodes in lead acid batteries because of their general much smaller effective pore diameter have much greater maximum climbing height than a Separator made of micro-glass fiber fleece, so that the latter more un must be divided as the electrodes. In terms of The aforementioned training can be done constructively see that the separation according to the electrode subdivision zones at the same height through the electrodes and the Separator run, but the separator additional separation has zones between these common separation zones.
In einer weiteren Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß die Trennzonen jeweils als durchgehende Einheiten für das Elektro den/Separator-Paket ausgebildet sind. Dies bringt den Vorteil einer einfachen Montage mit sich.In a further training it is proposed that the Separation zones as continuous units for the electrical system the / separator package are formed. This has the advantage a simple assembly with itself.
Alternativ hierzu wird vorgeschlagen, daß jeweils einzelne Trennzonen für die Elektroden sowie für den Separator für die Bildung der Trennzonen vorgesehen sind. Die die Trennzonen bildenden Einzelelemente und zwar sowohl für die Elektroden als auch für den dazwischen befindlichen Separator sind somit nicht miteinander körperlich verbunden und bilden somit keine durchgehende Einheit. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß für die Elektroden einerseits und für den Separator anderer seits die Trennzonen unterschiedlich ausgebildet werden können.Alternatively, it is proposed that individual Separation zones for the electrodes and for the separator for the Formation of the separation zones are provided. The the separation zones forming individual elements, both for the electrodes as well as for the separator in between are not physically connected to each other and therefore do not form any continuous unit. This has the advantage that for the electrodes on the one hand and for the separator on the other because the separation zones are designed differently can.
Schließlich können die Trennzonen durch einen Hohlraum, durch einen nichtporösen Körper oder durch einen vom Elektrolyten im wesentlichen nicht benetzbaren, porösen Körper gebildet sein. Es ist auch denkbar, die Trennzonen durch irgendeine Kombina tion der zuvor beschriebenen Möglichkeiten zu bilden.Finally, the separation zones can pass through a cavity a non-porous body or through one of the electrolytes in the essential non-wettable, porous body. It is also conceivable to separate the separation zones by any combination tion of the possibilities described above.
Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektroche mischen Batterie werden nachfolgend anhand der Zeichnung be schrieben. In dieser zeigt:Two embodiments of an electroche according to the invention Mix battery will be based on the drawing below wrote. In this shows:
Fig. 1 eine rein schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform; Fig. 1 is a purely schematic representation of a first embodiment;
Fig. 2 eine ebenfalls rein schematische Darstellung entsprechend der in Fig. 1 einer zweiten Aus führungsform. Fig. 2 is also a purely schematic representation corresponding to the embodiment in Fig. 1 from a second.
Von einer elektrochemischen Batterie sind lediglich die beiden Platten, insbesondere Bleiplatten, der positiven und negativen Elektroden 1 dargestellt, zwischen denen ein Separator 2 in Form eines Vlieses festgelegt ist. Die beiden Elektroden 1 sowie der Separator 2 bestehen dabei jeweils aus einem porö sen, saugfähigen Material. In dieser porösen Struktur ist auf grund der Kapillarwirkung ein flüssiger Elektrolyt absorptiv festgelegt.Of an electrochemical battery, only the two plates, in particular lead plates, of the positive and negative electrodes 1 are shown, between which a separator 2 in the form of a fleece is fixed. The two electrodes 1 and the separator 2 each consist of a porous, absorbent material. Due to the capillary action, a liquid electrolyte is absorptively fixed in this porous structure.
Die senkrecht stehenden Elektroden 1 sowie der senkrecht ste hende Separator 2 sind durch horizontal verlaufende Trennzonen in übereinander angeordnete Bereiche unterteilt. In der ersten Ausführungsform in Fig. 1 sind insgesamt zwei Trennzonen T vorgesehen, die das Elektroden/Separator-Paket in drei über einanderliegende Bereiche B unterteilen. Diese Trennzonen T können dabei durch einen Hohlraum, durch einen nichtporösen Körper oder durch einen von dem Elektrolyten praktisch nicht benetzbaren porösen Körper gebildet sein und bewirken eine derartige Unterteilung, daß der Elektrolytverbund zwischen diesen Bereichen innerhalb der Elektroden 1 sowie des Separa tors 2 praktisch vollständig unterbrochen und die Elektrolyt verteilung in diesen Bereichen B praktisch homogen ist. Selbstverständlich sind die Bereiche B sowohl der positiven als auch der negativen Elektrode 1 in Reihe elektrisch mitein ander verbunden, was jedoch zeichnerisch nicht dargestellt ist.The vertically standing electrodes 1 and the vertically standing separator 2 are divided by horizontally running separation zones into areas arranged one above the other. In the first embodiment in FIG. 1, a total of two separation zones T are provided, which subdivide the electrode / separator package into three regions B lying one above the other. These separation zones T can be formed by a cavity, by a non-porous body or by a porous body that is practically non-wettable by the electrolyte and cause such a subdivision that the electrolyte bond between these areas within the electrodes 1 and the separator 2 is practically completely interrupted and the electrolyte distribution in these areas B is practically homogeneous. Of course, the areas B of both the positive and the negative electrode 1 are electrically connected to one another in series, but this is not shown in the drawing.
In der zweiten Ausführungsform in Fig. 2 sind ebenfalls zwei Trennzonen T′ vorgesehen, die sich auf gleicher Höhe durch die beiden Elektroden 1 sowie durch den Separator 2 erstrecken. Zusätzlich weist diese Ausführungsform jedoch noch drei weite re Trennzonen T′′ im Separator 2 auf. Entsprechend weisen die beiden Elektroden 1 jeweils drei übereinanderliegende Bereiche B′ sowie der Separator 2 sechs übereinanderliegende Bereiche B′′ auf, zwischen denen der Elektrolytverbund praktisch voll ständig unterbrochen ist und in denen die Elektrolytverteilung im wesentlichen homogen ist. Davon unbeeinträchtigt ist jedoch der Elektrolytkontakt zwischen den benachbarten Bereichen B′ und B′′ zwischen den beiden Elektroden 1 und dem mittleren Se parator 2. Dies gilt gleichermaßen für die Ausführungsform in Fig. 1.In the second embodiment in Fig. 2, two separation zones T 'are also provided, which extend at the same height through the two electrodes 1 and through the separator 2 . In addition, this embodiment, however, still has three wide re separation zones T '' in the separator 2 . Accordingly, the two electrodes 1 each have three superimposed areas B 'and the separator 2 six superimposed areas B'', between which the electrolyte network is virtually completely interrupted and in which the electrolyte distribution is essentially homogeneous. However, the electrolyte contact between the adjacent areas B 'and B''between the two electrodes 1 and the central separator 2 is unaffected. This applies equally to the embodiment in FIG. 1.
Durch die Unterteilung in Bereiche B bzw. B′, B′′ wird trotz der begrenzten maximalen Steighöhe des Flüssigelektrolyten in den porösen Strukturen eine praktisch homogene Elektrolytver teilung in diesen Bereichen B bzw. B′, B′′ erzielt, so daß eine einwandfreie Funktion der elektrochemischen Batterie ohne Störungen möglich ist. Auch kann die Batterie relativ hohen Beschleunigungen ausgesetzt werden, ohne daß dies zu Funk tionsstörungen führen würde. Insgesamt ist somit als wesent licher Vorteil die Schaffung sehr hoher Batterien mit vertikal orientierten Elektrodenplatten und Separatoren möglich, ohne daß sich eine nennenswerte nachteilige inhomogene Verteilung des Flüssigelektrolyten einstellen kann. Die Ausführungsform in Fig. 2 trägt dabei der Tatsache Rechnung, daß der Separator 2 im Vergleich zu den Elektroden 1 im allgemeinen einen wesentlich größeren effektiven Porendurchmesser aufweist, so daß die theoretische maximale Steighöhe niedriger ist als bei der porösen Struktur der Elektroden 1, so daß die ser Umstand durch niedrigere Bereiche B′′ kompensiert werden muß.By dividing into areas B and B ', B''is a practically homogeneous distribution of electrolytes in these areas B and B', B '' achieved in spite of the limited maximum height of the liquid electrolyte in the porous structures, so that a perfect function the electrochemical battery is possible without interference. The battery can also be subjected to relatively high accelerations without this leading to functional disturbances. Overall, the creation of very high batteries with vertically oriented electrode plates and separators is thus possible as a significant advantage without a noteworthy disadvantageous inhomogeneous distribution of the liquid electrolyte being able to occur. The embodiment in FIG. 2 takes into account the fact that the separator 2 generally has a substantially larger effective pore diameter than the electrodes 1 , so that the theoretical maximum rise is lower than in the porous structure of the electrodes 1 , so that the water circumstance must be compensated for by lower ranges B ''.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DD105535A1 (en) * | 1972-07-24 | 1974-04-20 |
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1990
- 1990-03-26 DE DE4009646A patent/DE4009646C1/en not_active Expired - Fee Related
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| DD105535A1 (en) * | 1972-07-24 | 1974-04-20 |
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