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Zink-Kohle-Element für Trockenzellen oder -batterien Die Erfindung
betrifft Trockenbatterien oder einzelne Zellen; insbesondere solche Batterien oder
Zellen, bei denen die Batterie oder die einzelne Zelle aus einem Paar Elektroden
besteht, die voneinander durch einen Elektrolyten und einen Depolarisator getrennt
sind, wobei die Zelle oder Zellenelemente lagenweise übereinander angeordnet sind.
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Es ist bereits ein Zink-Kohle-Element für Trockenzellen oder Trockenbatterien
bekannt, welches auf einer Seite mit einer Schicht aus einer Mischung von Graphit
oder Kohleteilchen und einer haftenden Masse, wie z. B. Harz oder Schellack, versehen
ist, und die Erfindung betrifft eine Verbesserung dieses bekannten Elementes.
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Durch Versuche wurde festgestellt, daß es bei Verwendung übereinandergelagerter
Eletnente zur Erzielung guter Resultate erforderlich ist: r. Eine innige Verbindung
zwischen Kohleschicht und Zinkplatte zu haben und 2. die Kohleschicht mit der Platte
über die ganze Oberfläche derselben in gutem Kontakt zu halten, ohne daß die Möglichkeit
einer Unterbrechung des Kontaktes oder eines schlechten Kontaktes für einen Teil
der Schicht besteht.
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Die auf die Platte aufzubringende Schicht muß gute Klebeigenschaften
besitzen. Wenn jedoch ein großer Anteil eines Klebemittels für den Träger der Kohleschicht
verwendet wird, nimmt die Leitfähigkeit allgemein ab, wodurch auch der Wirkungsgrad
der Zelle entsprechend fällt.
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Ferner ist es erwünscht, eine gute Leitfähigkeit über den ganzen Querschnitt
der Kohleschicht zu erhalten. Wenn mehr als ein Überzug derartiger Kohleteilchen
verwendet wird, ist es vorteilhaft, einen guten Kontakt zwischen den verschiedenen
Überzügen zu haben, um so die gewünschte Leitfähigkeit über den ganzen Querschnitt
der Schicht zu erhalten.
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Ferner muß die frei liegende Oberfläche der Kohleschicht einen hohen
Kohlenstoffgehalt besitzen, um einen guten Kontakt sowie eine gute Leitfähigkeit
zwischen dieser Oberfläche und dem Rest der Zelle zu erhalten.
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Von besonderem Wert ist, daß die Kohleschicht an allen Stellen flüssigkeitsdicht
ist, damit keine Flüssigkeit an die Oberfläche der Zinkplatte gelangen und dort
eine unerwünschte örtliche Einwirkung hervorrufen kann. Die Kohleteilchen und der
Trägerstoff werden daher vorteilhaft nichthygroskopisch ausgebildet.
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Die Erfindung bezweckt in der Hauptsache die Schaffung einer allgemein
verbesserten Trockenbatterie mit Hilfe besonderer Zink-Kohle-Elemente. Insbesondere
besteht ein Ziel der Erfindung darin, bei einer :derartigen Batterie ein gutes Haften
der Kohleteilchen an der Zinkplatte über die ganze Fläche derselben oder einen beliebigen
Teil dieser Fläche zu erzielen, während
gleichzeitig die Kohleschicht
über ihre ganze Fläche und ihren ganzen Querschnitt gleichmäßig leitend sein muß.
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Ausgehend von dem bekannten Zink-.' Kohle-Element mit einer Schicht
aus einer Mischung von Graphit oder Kohleteilchen und einer haftenden Masse besteht
die Erfindung zur Erfüllung der vorstehenden Bedingungen im wesentlichen darin,
daß diese Schicht aus einer kolloidalen Dispersion reiner Kohle in einem ammoniakbeständigen
haftenden Trägerstoff oder Firnis besteht.
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Unter dem Ausdruck reine Kohle soll dabei eine Kohleschwärze verstanden
werden, die frei von allen Verunreinigungen ist, da diese den elektrischen Widerstand
wesentlich beeinflussen würden.
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Unter kolloidal wird eine Kohle verstanden, die sich in einer der
kolloidalen Form annähernd entsprechenden äußerst feinen Verteilung befindet.
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Gemäß der Erfindung kann die Kohleschicht auch aus einer kolloidälen
Dispersion von Acetylenruß in einem geeigneten Binde-oder Klebmittel bestehen, wobei
der Acetylenruß durch eine unvollständige Verbrennung, beispielsweise bei dem Verfahren
der Herstellung von Calciumcarbid, erhalten wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Kohleschicht
aus einer kolloidalen Dispersion von Graphit in einem haftenden Trägerstoff oder
Firnis, wobei die Schicht nach dem Trocknen flüssigkeitsdicht wird.
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Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines
Zink-Kohle-Elementes gemäß der Erfindung. angegeben: 2q. g Acetylenruß werden in
einer Kolloidmühle mit einem Gemisch aus 198 g ammoniakbeständigem Firnis und
859 Xylol vermengt. (Bei Verwendung von kolloidalem Graphit wird eine etwas
geringere Menge als '949 benutzt.) Der Mischprozeß wird so lange fortgesetzt, bis
die einzelnen Kohleteilchen vollkommen von der Trägermasse oder dem Firnis umgeben
sind, wodurch erreicht wird, daß jedes Teilchen des trockenen Materials von den
anderen Teilchen durch einen Firnisüberzug getrennt ist.
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Es empfiehlt sich, die Stoffe in einer Kolloidmühle zu mischen, da
hierbei gleichzeitig die Teilchen in dem erforderlichen Maße zerkleinert werden,
so daß eine Aufschließung dieser Teilchen erreicht wird, und schließlich eine nahezu
vollständige Suspension entsteht, die zum Anstreichen, -Spritzen öder Aufwalzen
verwendet werden kann.
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Eine besondere Form des Acetylenrußes, die man als Shawini,gan-Schwärze
bezeichnet, erhält man als Nebenprodukt bei der Herstellung von Calciumcarbid, wenn
Kalk oder ein ähnliches Material über einen Koksofen geschickt wird, wobei die Schwärze
sich in dem Fuchs sammelt. Dieser Ruß besitzt ein :F-spezifisches Gewicht von annähernd
1,89, ,üfüi . zwar handelt es sich hierbei um das 'äblute spezifische Gewicht, welches
nach Abzug aller Luftzwischenräume erhalten wird.
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Eine weitere für die Zwecke der Erfindung geeignete Schwärze, die
unter dem Namen kolloidaler Graphit bekannt ist, erhält man in der Weise, daß man
:den handelsüblichen Graphit bei sehr hoher Temperatur, beispielsweise in einem
elektrischen Ofen, einer Reinigungsbehandlung unterwirft, wodurch die Verunreinigungen
abgetrieben werden, so daß man den Graphit schließlich in gereinigtem und äußerst
fein verteiltem Zustand erhält. Dieser kolloidale Graphit besitzt eine Dichte von
2,a bis 2,24. Sein elektrischer Widerstand beträgt, wenn er einem Druck von annähernd
12 at ausgesetzt wird, ungefähr o,o2 Ohm je Kubikzoll.
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Für den Trägerstoff bzw. die Klebmasse wird vorteilhaft ein Gummi,
ein natürliches oder künstliches Harz, Firnis oder eine andere Flüssigkeit verwendet.
Die Kombination von Gummi, Harz, Firnis oder anderer Flüssigkeit muß einerseits
der Einwirkung von Ammoniak und anderen Chemikalien der Batterie widerstehen können
und andererseits nach dem Aufbringen die erforderlichen Klebeigenschaften besitzen.
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Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß sich als Material für
den Trägerstoff oder die Klebmasse besonders gut eignet ein Gemisch aus sieben Teilen
ammonialcbeständigem Firnis Nr. 129q./6 von dem spezifischen Gewicht o,895 bis
0,905 mit drei Teilen Xylol, welches .bei Arthur Holden & Sons, Limited,
Birmingham, England, erhältlich ist.
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Das in dieser Weise erzielte Produkt besteht aus einer kolloidalen
Dispersion der Kohle in dem Trägerstoff oder Firnis und wird auf die Oberfläche
.der Zinkplatte durch Bürsten, Spritzen, Walzen oder Pressen, und zwar in Form eines
einzigen Überzuges oder einer aus mehreren dünnen Überzügen bestehenden Schicht,
aufgebracht.
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Den erzielten Überzug läßt man dann trocknen, wobei durch das Zusammenziehen
des Trägerstoffes oder Firnisses die KöhIenteilch:en durch den überzug hindurchdringen
und dadurch in Berührung miteinander gelangen, so daß .die fertige Schicht eine
äußerst gute elektrische Leitfähigkeit besitzt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung
des Zink-Kohle-Elementes die weiter oben beschriebene kolloidale Dispersion der
Kohleschwärze in einen Klebstoff oder Träger in Kombination
mit
Kohle in Form von Kohle- oder Graphitteilchen verwendet.
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Das Element-kann dann in der weiter oben beschriebenen Weise hergestellt
werden, worauf auf die Außenfläche des Kohleelementes kleine Teilchen des Graphits
aufgespritzt werden. Hierdurch wird die Kohlefläche vergrößert, so daß infolge der
größeren Berührungsfläche zwischen Kohle und Depolarisator die Depolarisationswirkung
verbessert wird.
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Die. Kohle kann auch in einem Trägerstoff mit ungenügenden Klebeigenschaften
dispergiert werden, in welchem Fall ein geeignetes Klebemittel der Dispersion aus
Kohle und Trägerstoff zugesetzt wird.
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Es kann angenommen werden, wenn auch diese Theorie keinen Teil der
Erfindung bildet, daß die in äußerst feiner Verteilung befindlichen Kohlenteilchen
eine spitzwinklige oder kristalline Form besitzen und daß, wenn die Umhüllung .des
Trägerstoffes oder Firnisses sich zusammenzieht, die Spitzen oder Kanten der Teilchen
durch ihre jeweiligen Umhüllungen hindurchdringen, so daß die einzelnen Teilchen
in elektrischen Kontakt miteinander gelangen.
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Die Zusammenziehung des Überzuges wird vorteilhaft durch natürliches
Trocknen ohne direkte Anwendung von Wärme bewirkt, da die Zusammenziehung dann in
natürlicher Weise erfolgt und der erzielte Überzug elastischer ist und weniger zur
Rißbildung neigt, während andererseits die Gefahr der Anwendung zu hoher Temperaturen
vermieden wird.
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Durch die Aufbringung der Kohle und des Trägerstoffes auf das Zink
in Form einer Mehrzahl dünner Überzüge erhält man eine bessere und gleichmäßigere
Verteilung der Kohle über den ganzen Querschnitt des Überzuges, .als es in anderer
Weise möglich wäre. Wenn die Flüssigkeit zu stark mit Kohle gesättigt wird, um in
dieser Weise zu erreichen, daß Kohle über den ganzen Querschnitt des Überzuges vorhanden
ist, so kann unter gewissen Bedingungen der Kohleüberzug zur Rißbildung neigen,
so daß einzelne Stücke desselben von dein Zink abplatzen.
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Bei der Aufbringung mehrerer Überzüge 1ä ßt man jeden der Überzüge
trocknen, bevor rnan den nächsten aufbringt.
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Durch die Verwendung von zwei oder mehreren dünnen Überzügen wird
i. das Vorhandensein von Kohle über den ganzen Querschnitt des Überzuges gewährleistet,
eine :geeignete kohlenstoffhaltige Oberfläche auf beiden Seiten oder auf einem solchen
Teil dieser Seitenflächen erhalten, wie man es zur richtigen Erzielung der elektrochemischen
Wirkung für notwendig hält. 3. eine gleichmäßige Leitfähigkeit an allen Stellen
erzielt, während 4.. die Möglichkeit der Bildung eines Films aus dem Bindemittel
an der Oberfläche beträchtlich verringert und 5. die Gefahr einer nicht flüssigkeitsdichten
Ausführung des Überzuges vermieden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsforen der Erfindung kann die Oberfläche
der Zinkplatte zur Aufnahme des Überzuges oder der Kohlemasse besonders präpariert
werden, was in der Weise erfolgt, daß man die Oberfläche einer besonderen Behandlung
zur Entfernung des Fettes unterwirft oder sie mit dem Sandstrahlgebläse abbläst.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Platte eine schwache Lösung der
Kohle in einem Gummi, der aus Methylalkohol und Lack besteht oder diese Stoffe.
enthält, durch Bürsten oder Walzen aufzutragen, wobei das Lösungsmittel in dem Trägerstoff
den Lackfirnis nicht genügend schnell beeinflußt, um den letzteren während des Aufbringens
des zweiten Überzuges unstabil zu machen.
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Durch die Verwendung von Zink-Kohle-Elementen gemäß der Erfindung
für Zellen oder Batterien werden folgende Vorteile erzielt: i. Geringer innerer
Widerstand, 2. gleichmäßige Polarisation; 3. infolge der Mehrzahl übereinandergelagerter
Überzüge aus Kohle- und Trägerstoff ist die Gefahr des Eindringens von Flüssigkeit
nur -gering; q.. Ersparnis an Raum und Material sowie Erzielung weiterer Vorteile
durch die Verwendung dünner Überrüge aus Kohle und Trägerstoff, 5. große Festigkeit
des Überzuges aus Kohle- und Trägerstoff, 6. genügende Elastizität des Überzuges,
um Rißbildung oder Abplatzen zu vermeiden und Verbiegungen der Platte mitzumachen,
7. genügende mechanische Festigkeit .des Überzuges für die Handhabung der Platten,
B. genügend große Oberfläche für die Befestigung des Depolarisators; die Gefahr
eines Verderbens der Platten ist im wesentlichen beseitigt, so daß die Elernente
in der stillen Zeit hergestellt und ohne Verringerung der Wirksamkeit aufbewahrt
werden können.
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In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. In dieser bedeutet i einen Schnitt durch eine Zinkplatte, die für eine
Trockenzelle oder -batterie bestimmt und bei 2 mit einem Überzug versehen ist. Der
Überzug :2 besteht gemäß der Erfindung aus einer kolloidalen Dispersion reiner Kohle
in einem amrnoniakbeständigen
haftenden Trägerstoff oder Firnis.
Er kann aus einer einzigen Schicht oder aus mehreren übereinanderliegenden Schichten
zusammengesetzt sein.