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Nickel-Zink-Akkumulator Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
einen elektrischen Sammler mit seiner im wesentlichen aus Zink bestehenden negativen
Masseelektrode und einem Borsäure und Alkalilauge, vorzugsweise Kalilauge, enthaltenden
Elektrolyten. Die positiven Elektroden sind Masseplatten, wie sie in alkalischen
Eisen- oder Kadmiumsammlern üblich sind, die negativen Elektroden enthalten als
aktiven Bestandteil Zinkschwamm, dem zweckmäßig einige Prozent Quecksilber zugefügt
sind. Die Masseträger werden aus einem vom Elektrolyten nicht angreifbaren Metall,
vorzugsweise Eiseen oder Nickel oder einer Legierung dieser Metallre, hergestellt.
Erfindungsgemäß ist die Kalilauge des Elektrolyten mit Borsäure so weit gesättigt,
daß die Lösung die Zusammensetzung einer schwach alkalischen Kaliummetaboratlösung
hat. Hierdurch wird erfindungsgemäß der ganz, besondere technische Vorteil erzielt,
daß die Zinknasse während der Entladung des Sammlers sowie in der Ruhe im wesentlichen
unlöslich bleibt. Vorzugsweise beträgt die Borsäuremenge mehr als 75 Gewichtsprozent
vom K2 0-Gehalt der Ausgangslauge.
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Man hat bereits vorgeschlagen, in einem elektrischen Sammler mit einer
aus Zink bestehenden negativen Elektrode einen neutralen Elektrolyten zu verwenden,
welcher aus gleichen Teilen Borozinkatkalium und Wasser beistehen und ein spezifisches
Gewicht von 45 beisitzen soll. Mit einem solchem Elektron lyten sollte es gelingen,
während der Ladung sämtliches Zink auf der negativen Elektrode niederzwschlagen,
so daß der Elektrolyt im geladenen Zustande zinkfrei wäre.
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Wie Versuche aber ergeben haben, ist ein solches Borozinkatkalium
nicht herstellbar und überhaupt nicht existenzfähig. Zink, Alkali, Borsäure und
Wasser können nur die Bestandteile eines Elektrolyten bilden, wenn dieser jenen
großen Überscheiß an freiem Alkali besitzt. Ein solcher Elektrolyt enthält die Verbindungen
x KOH, y KHZn02, z K B 02, also freies Alkali, und käme daher für den obenerwähnten
bekannten Sammler nicht in Frage, da er nicht neutral ist.
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Wie weiterhin Versuche bewiesen haben, besteht aber auch gar nicht
die Möglichkeit, eine neutrale Borozinkatkaliumlösung zu erhalten, indem man z.
B. Zinkoxyd bzw. Zinkoxydhydrat in Kaliummetäboratlösung zu lösen versucht; denn
diese Verbindungen sind in Kaliummetaboratlösung völlig umlöslich. Bei dem obenexwähnten
' Vorsichlag isst man daher von völlig unzutreffenden Vorauisisietztingen ausgegangen.
Löst
man in Kalilauge Zinkoxyd als Zinkat auf und setzt portionsweise Borsäure hinzu,
so wird diese aufgelöst, und man gelangt nach Zusatz einer bestimmten Menge zu einem
Punkt, an denn die Zinkverbindung aus der Lösung ausfällt. Die nun vom zinkhaltigen
Niederschlag abfiltrierte Lösung ist zünkfrei. Um in 25%iger Kalilauge gelöstes
Zinkat zu entfernen, sind je Liter etwa 35o g Borsäure erforderlich. Es ist dies
etwas mehr, als einer Metaboratlösung entspricht, und liegt weit unter der völligen
Umwandlung der Kalilauge in Tetraboratläsung.
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Setzt man in eine solche Alkaliboratlösung eine Masseplatte, die Zinkschwamm
enthält, als negative Elektrode und eine geladene Masseplatte mit Nickeloxydhydrat
als positive Elektrode ein, so wird die negative Masseplatte entladen, ohne daß
Zink in Lösung geht, ebenso findet die Entladung der positiven Platte ohne Änderung
des Elektrolyten statt.
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Es hat seich gezeigt, daß es, um einen brauchbaren Sammler zu erhalten,
nicht unbedingt notwendig ist, das Zink im Elektrolyten durch so hohen Borsäurezusatz
unlöslich zu machen. Verringert man z. B. den Borsäurezusatz von 35o g je Liter
äug 25o g j e Liter 2 5 % ig er Kalilauge; so erhält man einen Elektrolyten, in
welchem Zinkhydroxyd in sehr geringem Ausmaß löslich ist. Entlädt man in einem solchen
Elektrolyten eine negative, Zinkschwamm und Quecksilber enthaltende Masseplatte
unter Verwendung einer geladenen positiven Nickelhydratplatte, so löst sich zwar
ein geringer Teil des Zinkschwannmes im Elektrolyten auf, der größte Teil des Zinks
verbleibt jedoch in der Platte in Form einer im Elektrolyten unlöslichen Zinkoxydverbindung.
Windeine solche Zelle wieder aufgeladen, so wird sowohl diese unlösliche Zinkverbindung
zu Metall reduziert als auch das im Elektrolyten gelöste Zink an der Elektrode niedergeschlagen.
Letzteres bildet auf der Plattenoberfläche einen dünnen Zinkhauch. Bei der nächsten
Entladung geht dieses Metall zuerst in Lösung, wodurch eine weitere Auflösung des
in der Masseplatte enthaltenen Zinkschwammes verhindert wird und sich dieses bei
der Entladung nur noch: oxydiert. In einem solchen Elektrolyten arbeitet somit die
negative Elektrode vorzugsweise als Masseelektrode.
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Durch das Abstumpfen von Alkalilauge mit Borsäure erhält man einen
Elektrolyten geringerer Leitfähigkeit, als Wie sie die Alkalilauge allein besitzt.
Es ist daher für die Verwendung dieses Elektrolyten im Nickel-Zink-Akkumulator von
Wichtigkeit, Elektroden von besonders geringem Widerstand zu benutzen. Als sehr
geeignet haben sich solche Zinkelektroden bewährt, bei denen das Zink in die Poren
poröser Metallplatten eingebracht ist. Es hat sich herausgestellt, daß es für die
Wirksamkeit des Zinks in unlöslichen Zinkelektroden erforderlich ist, das Zink weitgehend
zu zerteilen und in möglichst guten Kontakt mit dem ableitenden Trägermaterial zu
bringen, da die Oxydationsprodukte des Zinks, die bei der Entladung entstehen, schlechte
Elektrizitätslefter sind. Eine poröse Metallplatte erfüllt diesen Zweck in ganz
besonderer Weise und gewährt gleichzeitig dem Elektrolyten am leichtesten Zutritt
zur Zinkmasse.
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Es hat sich auch als zweckmäßig erwiesen, diese Zerteilung des aktiven
Zinks noch durch das Einbringen eines leitenden Spreizstoffes zu steigern. Als solcher
kommt vor allem Kadmiummetall in Frage, das bei der Entladung nicht oxydiert wird,
solange noch metallisches Zink als aktiver Körper vorhanden ist.
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Als poröses Trägermaterial werden Platten. aus Eisen, Nickeleisenlegierung
und Nickel verwendet.
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Das Einbringen des Zinks in solche Platten läßt sich auf mannigfache
Weise bewerkstelligen.
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Man kann z. B. Zinkoxyd in Ammoniak lösen, die Lösung in die porösen
Platten einsaugen lassen, das Ammoniak und das überschüssige Wasser abdampfen, dieses
Verfahren mehrmals wiederholen und dann das in den Poren der Platte abgeschiedene
Hydrat durch elektrischen Strom in alkalischer Lösung zu Metall reduzieren.
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Indem man in der ammoniakalischen Zinklölsung gleichzeitig Kadmiumhydrat
mitlöst, kann man gleichzeitig einen Spreizstoff abscheiden. Es ist auch möglich,
die porösen Metallplatten mit Zinksalzlösung zu tränken und dann das Zink in alkalischer
Lösung durch elektrischen Strom abzuscheiden.
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Werden solche mit metallischem Zink imprägnierten porösen Platten
in Wasser gestellt, so beginnt eine starke Wasserstoffentwicklunig, weil sich das
äußerst fein zerteilte Zink besonders leicht oxydiert.
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Es hat sich gezeigt, daß die Gasentwick- i lunig, die im Sammler zur
raschen Selbstentladüng führt, auch bei solch fein verteiltem Zink fast vollständig
aufgehoben werden kann, wenn man die porösen Metallplatten vor Einbringen das Zinks
amalgamiert. Sie i hört auch auf, wenn man auf das Zink Quecksilber aus einer Quecksilbersalzlösung
niedersuhlägt.
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Zinkelektroden mit in Taschen eingebetteter aktiver Zinkmasse lassen
sich in der i Weise herstellen, daß man Zinkschwamm bzw. Zinkstaub unter Zusatzeiniger
Prozent
Quecksilberoxyd zu Briketts preßt und diese in die Taschen
einführt. Auch hier läßt sich durch Zusatz eines Spreizstoffes eine weitere Zerteilung
der Zinkmasse erzielen.
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Da es sich ferner gezeigt hat, daß in einer Kalilauge, deren Alkali
bis zur Stufe der Metaboratbildung abgestumpft ist, sich Nickelhydrat zu höherem
Nickeloxydhydrat genau so aufoxydieren läßt wie in Kalilauge allein und das Trägermaterial
Nickel bzw. vernickeltes Eisen nicht formiert wird, sind bei. dem neuen Sammler
alle Bedingungen für eine lange Lebensdauer erfüllt.
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Er besitzt den Vorzug des bekannten Zinkakkumulators mit löslicher
Zinkelektrode, nämlich die hohe Entladespannung, die im Mittel bei I,65 Volt liegt,
hat aber nicht die Nachteile desselben, nämlich die Kurzschlußgefahr durch Abscheidung
des Zinks zwilsichen den Elektroden und die Entmischbarkent des Elektrolyten.
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Bei den bisher bekannten Sammlern mit einem Borsäure und Alkalilauge,
vorzugsweise Kalilauge, enthaltenden Elektrolyten konnten diese Wirkungen niemals
erzielt wer' den, da der Elektrolyt nicht die oben angegebene Zusammensetzung gemäß
der vorliegenden Erfindung besaß.