DE4305568C2

DE4305568C2 - Masseträger für Akkumulator-Elektroden

Info

Publication number: DE4305568C2
Application number: DE4305568A
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Warlimont
Original assignee: Individual
Current assignee: DSL Dresden Material Innovation GmbH
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: DE4305568A1

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von Masseträ gern für Akkumulator-Elektroden, insbesondere für Elektroden von Bleiakkumulatoren.

Die bekannten Masseträger für Elektroden von Blei akkumulatoren sind meist als Gitter ausgeführt, welche beispielsweise im Metallguß oder aus Streckmetall her gestellt sind. Die Masseträger bilden zusammen mit der darin eingepreßten elektrochemisch aktiven Masse die Akkumulator-Elektrode.

In der Praxis wird bei der Konstruktion von Akkumu lator-Elektroden, insbesondere solchen, die für Akku mulatoren für Kraftfahrzeuge bestimmt sind, noch kaum versucht, den Querschnitt und die Anordnung der Gitterstege so zu wählen, daß sie insgesamt eine mini male Bleimasse pro Gitter ergeben. Die Herstellverfah ren erfordern eine Mindestdicke der Bleistege, z. B. ca. 0,8 mm beim Gießen. Auch für Gitter aus Streckmetall gilt eine fertigungsbedingte Mindestdicke. Außerdem werden die Gitter als Träger der elektrochemisch akti ven Masse mechanisch beansprucht, insbesondere wenn diese Masse eingefüllt, getrocknet und formiert wird. Ausreichender Widerstand des Masseträgers gegen die se Beanspruchung ist wegen der geringen elastischen Steifigkeit und der relativ geringen Festigkeit von Blei batterielegierungen nach dem Stand der Technik nur durch gitterförmige Strukturen mit einer bestimmten Dicke und einem bestimmten Abstand der Stege sowie einem versteifenden Rahmen zu gewährleisten.

Der Stand der Technik ist beispielsweise beschrieben in dem Handbuch "Bleiakkumulatoren", herausgegeben von der Varta Batterie AG und erschienen im VDI Ver lag, Düsseldorf, 11. Auflage, 1986. Dort wird festgestellt: "Für die Bleiquerschnitte gilt als Faustregel minimal 1 mm²/A. Aus Festigkeitsgründen müssen meist weit größere Querschnitte verwendet werden."

Zur Verringerung des Batteriegewichts, bezogen auf die Speicherkapazität, sind bereits verschiedene Blei- Kunststoff-Verbunde und -Konstruktionen sowie Ver fahren zu ihrer Herstellung beschrieben worden. So be schreibt die DE-OS 32 40 711 eine profilgeprägte Git terelektrode aus einem durchbrochenen metallischen Ableitergitter mit einer darauf abgestimmten gitterarti gen Kunststoffstruktur; die DE-PS 39 19 072 beschreibt eine Fasergerüstplatte als Träger des aktiven Materials der negativen Elektrode aus einem textilen Kunststoff fasersubstrat bestimmter Geometrie, dessen Fasern zu nächst mit Kupfer und dann mit Blei stromlos oder gal vanisch beschichtet sind; die DE-OS 39 22 424 be schreibt ein Kunststoffnetzwerk aus kupferbeschichte ten Fäden, das in buckelartige Vertiefungen und/oder Erhöhungen zur Aufnahme der aktiven Masse und in flache, stromleitende Bereiche verformt ist, mit einer weiteren Blei-Zinn- oder Bleibeschichtung überzogen ist und insbesondere als Negativelektrode dient; die DE-PS 31 33 323 beschreibt ein Verfahren zur Herstel lung eines Trägergerüstes zur Aufnahme der aktiven Masse, das aus einem mit dünnen Bleifolien beschichte ten, schlitzförmig durchbrochenen Kunststoffkern be steht und durch Recken zu einem gitterförmigen Flä chengebilde geformt wird; schließlich beschreiben die DE-OS 29 32 335 und DE-OS 31 24 703 A1 Verfahren zur Herstellung gitterförmiger Masseträger als Blei/ Kunststoff-Verbundgitter, bei denen im ersten Fall Stromleiter aus Streckmetallgittern, im zweiten Strom leiter aus gegossenen Bleigittern mit kontinuierlich ex trudierten Kunststoffstreifen verbunden werden.

Alle genannten technischen Lösungen gehen davon aus, daß der Masseträger gitterförmig und ohne elektri sche Optimierung ausgeführt ist, sei es als Guß-, als Streckmetall- oder als Streckverbundwerkstoff-Gitter. Dessen Nachteil besteht in seinem relativ großen Ge wicht und/oder erheblichem Fertigungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Mas seträgern für Elektroden von Akkumulatoren die Masse des verwendeten Bleis auf das elektrisch und elektro chemisch erforderliche Minimum zu reduzieren und da mit das Batteriegewicht bezogen auf die Speicherkapa zität zu minimieren, um so einen Beitrag zur Gewichts- und Energieeinsparung bei Fahrzeugen, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, zu lei sten.

Diese Aufgabe wird durch einen Masseträger gemäß Anspruch 1 gelöst.

Nach der Erfindung bestehen die Kunststoffstege und der Rahmen aus einem organischen Werkstoff, der vor zugsweise ein Polymerwerkstoff ist, wie Gummi, Poly ester, Polyvinylchlorid oder Polypropylen. Der Elektro denkörper ist durch galvanischen Niederschlag aus unle giertem oder legiertem Blei hergestellt. Der kammför mige Elektrodenkörper kann nach der Erfindung auch aus einem bleibeschichteten, höher leitfähigen und leichteren Metall bestehen. Zweckmäßigerweise ist die Befestigung der Kunststoffstege an den Metallstegen mittels Schnapp- oder Knüpfverbindungen oder durch Umspritzen hergestellt. Zum Fixieren der aktiven Mas se sind die Kunststoffstege und der Rahmen an ihren der aktiven Masse zugewandten Seiten profiliert ausgebil det. Diese Ausbildung kann aus Hinterschneidungen, Riffelungen, Noppungen oder anderen diskontinuierlichen Vor sprüngen bestehen.

Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführungs beispielen näher erläutert, die Masseträger für Akku mulatoren betreffen.

In den zugehörigen schematischen Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen kammförmigen Elektrodenkörper mit verti kalen Metallstegen 1/1-1/6 und einem horizontalen Verbindungssteg 2/1, der in einer Anschlußfahne 2/2 ausläuft, sowie einen Kunststoffrahmen 4 mit horizonta len Kunststoffstegen 3/1-3/5.

In Fig. 2 sind ein doppelkammerförmiger Elektroden körper mit horizontalen Metallstegen 1/1-1/6 und vertikalem Verbindungssteg 2/1 sowie ein Kunststoff rahmen 4 mit vertikalen Kunststoffstegen 3/1-3/4 dar gestellt. Der Verbindungssteg 2/1 ist auch hier an sei nem Ende als Anschlußfahne 2/2 ausgebildet.

Die Dimensionierung eines solchen Elektrodenkör pers wird - außer ggf. durch gießtechnische Bedingun gen wie z. B. einer konstanten Mindestdicke der Metall stege - erfindungsgemäß ausschließlich aufgrund elek trischer und elektrochemischer Anforderungen vorge nommen. Durch Modellbildung können diese Anforde rungen als Randbedingungen eingegeben und mit nu merischen Methoden die geometrischen Abmessungen wie die Stegbreite b und der Stegabstand a sowie die Querschnittsfunktion q(x) für den Verbindungssteg 2/1 ermittelt werden, die einem minimalen Aufwand an Elektrodenwerkstoff und damit einem minimalen Elek trodengewicht entsprechen. Außerdem wird der Querschnitt der Stege ebenfalls ortsabhängig variiert, wodurch auch die Abmessung der Stege b(y), z. B. für die Randbedingung konstanter Stromdich te, auf minimalen Werkstoffverbrauch ausgelegt wird. Damit nimmt die Stegbreite (der Stegquerschnitt) von einem mechanisch bedingten Minimum b am Ende bis zu einem elektrisch bedingten Maximum c an der Kon taktstelle zum Verbindungssteg zu. Diese Formgebung erfolgt erfindungsgemäß durch galvanischen Niederschlag.

Der kammförmige bzw. doppelkammförmige Elek trodenkörper ist mit Kunststoffstegen 3/1 bis 3/5 bzw. 3/1 bis 3/4, die leiterförmig in einem Rahmen 4 ange ordnet sind, verbunden. Die Kunststoffstege 3 und der Rahmen 4 bestehen aus einem Polymerwerkstoff. Ihre Dimensionierung erfolgt vorrangig unter den Randbe dingungen, daß einerseits die Pastierung und die Fixie rung der Paste optimal möglich sind, und daß anderer seits der gesamte Masseträger aus kammförmigem Elektrodenkörper 1 und 2, Kunststoffstegen 3 und Rah men 4 ausreichende Steifigkeit bei der Pastierung und bei der Handhabung aufweisen.

Als zusätzlicher Vorteil einer derartigen Konstruk tion, die einen ausreichend steifen und festen Rahmen aus Polymerwerkstoff aufweist, ist hervorzuheben, daß auf den außenliegenden Seiten der äußeren Metallstege 1/1 und 1/6, ebenfalls elektrochemisch aktive Masse in der Breite a/2 eingefüllt und voll wirksam werden kann, weil jeder Metallsteg auf die elektrische Reichweite ± (a/2) ausgelegt ist. Dies verringert die erforderliche An zahl von Metallstegen gegenüber Gittern nach dem Stand der Technik um 1 und die Masse der Metallstege um den Faktor (n - 1)/n, wenn n die Anzahl der Stege ist.

Für die Konstruktion des mit den Stegen 3/1 bis 3/5 bzw. 3/1 bis 3/4 und dem Rahmen 4 gebildeten Poly merwerkstoff-Gitters wurden folgende Kriterien und Merkmale berücksichtigt:

a) die Querschnitte sind so gewählt, daß sie die fertigungsbedingten Belastungen aushalten, insbe sondere ohne beim Pastieren nachzugeben; ein Teil der erforderlichen Steifigkeit ist durch ausreichend feste Verbindung mit dem Elektrodenkamm reali siert;
b) die der aktiven Masse zugewandten Innenkanten des Polymerwerkstoff-Gitters sind mit Hinter schneidungen profiliert, um die Paste und, nach der Formierung, die aktive Masse zu fixieren.

Als Verfahren zur Anbringung des Polymerwerk stoff-Gitters sind folgende Varianten möglich:

a) Umspritzen des kammförmigen Elektrodenkör pers mit dem Polymerwerkstoff-Gitter;
b) Herstellung des Polymerwerkstoff-Gitters in ei nem getrennten Vorgang mit geeignet geformten, leicht hinterschnittenen Kerben, um es durch eine Schnappverbindung mit dem kammförmigen Elek trodenkörper verbinden zu können;
c) Herstellung des Polymerwerkstoff-Gitters in ei nem getrennten Vorgang aus zwei Teilen, die den kammförmigen Elektrodenkörper beidseitig um schließen und mit geeignet geformten Noppen und Löchern oder anderen Verbindungselementen ver sehen sind, um miteinander verknüpft und mit dem kammförmigen Elektrodenkörper verbunden wer den zu können.

Claims

1. Masseträger für Akkumulatoren-Elektroden, insbesondere für Bleiakkumulato ren, aufgebaut mit stromleitenden Metallstegen und mit Kunststoffstegen, wobei die stromleitenden Metallstege zusammen mit einem metallischen Verbin dungssteg einen kammförmigen Elektrodenkörper bilden und wobei quer zu den Metallstegen ausschließlich Kunststoffstege angeordnet sind, die durch einen Kunststoffrahmen ver bunden und an den Metallstegen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbreite oder der Stegquerschnitt der Metallstege (1) von einem mecha nisch bedingten Minimum an deren Ende bis zu einem elektrisch bedingten Maximum an der Kontaktstelle zum Verbindungssteg (2) zunehmend dimensio niert ist und daß die Kunststoffstege (3) und der Kunststoffrahmen (4) an ihren der aktiven Masse zugewandten Seiten profiliert ausgebildet sind, wobei der kammförmige Elektrodenkörper durch galvanischen Niederschlag hergestellt worden ist.

2. Masseträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff stege (3) und der Rahmen (4) aus einem organischen Werkstoff bestehen, der vorzugsweise ein Polymerwerkstoff ist, wie Gummi, Polyester, Polyvinylchlorid oder Polypropylen.

3. Masseträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall stege (1) oder der gesamte kammförmige Elektrodenkörper (1; 2) aus blei beschichtetem höher leitfähigem Metall bestehen.

4. Masseträger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Be festigung der Kunststoffstege (3) und des Kunststoffrahmens (4) an den Metall stegen (1) und dem Verbindungssteg (2) mittels Schnapp- oder Knüpfverbin dungen, anderen mechanischen Kunststoffverbindungselementen oder durch Umspritzen hergestellt ist.

5. Masseträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die profilierte Ausbildung der Kunststoffstege (3) und des Kunststoffrahmens (4) aus Hinter schneidungen, Riffelungen, Noppungen oder anderen diskontinuierlichen Vor sprüngen besteht.

6. Masseträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleiten den Metallstege (1) in der Ebene des Masseträgers beiderseits an dem metalli schen Verbindungssteg (2) unter Bildung eines doppelkammförmigen Elektro denkörpers angeordnet sind.