DE69021276T2 - Nickel-Cadmium-Akkumulator mit verminderter Wartung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nickel- Kadmium-Akkumulator mit reduzierter Wartung, der insbesondere für Verwendungen geeignet ist, die große Leistung während kurzer Zeiträume erfordern, zum Beispiel in der Luftfahrt oder bei Notversorgungen bestimmter Anlagen.
• Für diese Anwendungen ist eine erste Art eines "offenen" Nickel-Kadmium-Akkumulators bekannt, der gesinterte positive und negative Elektroden aufweist, wobei der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden zwischen 0,15 mm und 0,4 mm liegt.
• Dieser Abstand wird von einem Separator gefüllt, der Filze enthält, die einer Membran aus Zellophan, aus veredeltem Polyurethan oder mikroporösem Polypropylen zugeordnet sind.
• Die Elektrodeneinheit ist in einem Behälter aus Kunststoffmaterial eingeschlossen, der eine gewisse Menge an freiem Elektrolyt aufweist; der Betriebsdruck liegt zwischen 0,2 Bar (0,2 102 kPa) und 0,7 Bar (0,7 102 kPa) relativen Drucks, der durch ein Ventil definiert wird.
• Bei der Verwendung in der Luftfahrt ergibt jeder in 15 Sekunden bei 25ºC entladene Akkumulator eine spezifische Leistung zwischen 400 und 700 Watt/kg.
• Ein solcher Akkumulator weist in sehr bemerkenswerter Weise das folgende Betriebsmerkmal auf: Wenn man ihn bei konstanter Spannung und begrenztem Strom lädt, steigt seine Spannung zum Zeitpunkt der Überladung sehr plötzlich an. Dieses Ansteigen ermöglicht eine automatische Beschränkung der Ladung des Akkumulators. Dieses Betriebsmerkmal existiert für Konstantspannungsladungen unabhängig von der Temperatur in einem Bereich zwischen -20ºC und +60ºC.
• Außerdem bietet dieser Akkumulator eine hohe Zuverlässigkeit während seiner ganzen Lebensdauer, die je nach den Verwendungsbedingungen zwischen 5000 und 50 000 Betriebsstunden variieren kann. Er hat jedoch den Nachteil, Wasser in einer Menge zu verbrauchen, die proportional zur Überladung ist. Dieser Wasserverbrauch muß durch periodische Zugabe von entmineralisiertem Wasser kompensiert werden, wozu die Batterie außer Betrieb genommen werden muß und ein Eingriff des Personals erforderlich wird. dieser Verbrauch liegt in der Größenordnung von 1 cm³ für 3 Ah Überladung.
• Weiter ist eine zweite Art eines "offenen" Nickel- Kadmium-Akkumulators bekannt, der gesinterte positive und negative Elektroden aufweist, deren aktive Masse durch ein Polymer verfestigt wird. Diese Elektroden sind insbesondere im französischen Patent FR-A-2.586.407 beschrieben.
• Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden beträgt über 0,4 mm und kann bis zu 1,5 mm gehen, je nach den gewünschten Anwendungen und spezifischen Leistungen. Diese spezifischen Leistungen können zwischen 50 und 200 W/kg variieren.
• Der Separator kann entweder aus einer Membran und zugeordneten Filzen bestehen wie im Akkumulator der ersten Art oder aus einer Einlage aus Kunststoffmaterial, insbesondere für Abstände zwischen Elektroden, die zwischen 0,8 mm und 1,5 mm liegen. Dieser Akkumulator steht im Betrieb nicht unter Druck. Er hat den gleichen Vorteil wie der Akkumulator der ersten Art hinsichtlich der Selbstbegrenzung der Ladung in einem großen Temperaturbereich und den gleichen Nachteil hinsichtlich des Wasserverbrauchs. Außerdem entspricht er nicht den für die Anwendungen in der Luftfahrt notwendigen Lei stungsmerkmalen.
• Es sind auch "dichte" Nickel-Kadmium-Akkumulatoren bekannt, deren Wasserverbrauch während ihrer ganzen Lebensdauer mehr oder weniger gleich Null ist. Ein solcher Akkumulator besitzt gesinterte positive Elektroden und mit einem Polymer verfestigte negative Elektroden, die einen Abstand besitzen, der zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt.
• Der Separator ist ein Filz aus Polyamid, aus Polypropylen, aus Polyäthylen oder aus einer Mischung dieser Materialien.
• Die Elektrodeneinheit ist in einem mit einem Ventil versehenen Metallbehälter untergebracht, wobei der Betriebsdruck üblicherweise zwischen 3 und 4 Bar relativen Drucks liegt.
• Wenn, wie weiter oben erwähnt, die dichten Nickel- Kadmium-Akkumulatoren auch kein Wasser verbrauchen, so haben sie aber auch nicht die sehr vorteilhafte Eigenschaft der Selbstbegrenzung des Ladens. Ihre Verwendung in den oben erwähnten Anwendungen würde komplizierte Systeme von Ladegeräten mit einer unerläßlichen Ladungsüberwachung, die es erlaubt zu überprüfen, daß der zulässige Druck nicht überstiegen wird und daß kein Elektrolytverlust vorliegt; ein solcher Verlust würde nämlich sehr schnell zum Versagen des Akkumulators führen.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen Nikkel-Kadmium-Akkumulator anzugeben, der die Vorteile der Nickel-Kadmium-Akkumulatoren der ersten Art beibehält, aber nur sehr selten eine Wasserzufuhr erfordert.
• Die vorliegende Erfindung hat einen Nickel-Kadmium Akkumulator mit reduzierter Wartung zum Gegenstand, der mehrere positive Elektroden und mehrere negative Elektroden aufweist, deren aktive Masse durch ein Polymer verstärkt oder elektrolytisch aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - er Separatoren aufweist, die von Filzen aus Polyamid, aus Polypropylen, aus Polyäthylen allein oder in Mischung ohne zusätzliche Membran gebildet werden,
• - der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 mm und 0,5 mm liegt,
• - ein Innendruck zwischen 0 und 0,7 Bar (0 bis 0,7 10² kPa) relativen Drucks aufrechterhalten wird,
• - und der Akkumulator freien Elektrolyt oberhalb der Elektroden aufweist,
• um im Temperaturbereich zwischen -30ºC und +60ºC im Fall einer Ladung mit konstanter Spannung, mit begrenztem oder konstantem Strom eine Ladungskennlinie aufzuweisen, die die Erfassung des Endes der Ladung aufgrund eines plötzlichen Anstiegs der Spannung ermöglicht.
• Vorteilhafterweise enthält die aktive Masse der negativen Elektroden, die im wesentlichen aus einer Mischung von Kadmium und Kadmiumoxid mit einem Bindemittel besteht, weniger als 5% metallisches Nickel, und vorzugsweise 0% enthält.
• Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 und 0,3 mm.
• Gemäß einer bevorzugen Ausführungsform enthält der Separator Filze, die aus Fasern von Polypropylen und Polyamid zusammengesetzt sind, deren Durchmesser zwischen 4 um und 20 um liegt, mit einem Flächengewicht der Größenordnung zwischen 70 und 150 g/m². Vorzugsweise liegt das Flächengewicht zwischen 90 und 120 g/m².
• Bei einem solchen Akkumulator wird der Wasserverbrauch um einen Faktor reduziert, der je nach der Geometrie des Akkumulators und den Ladebedingungen zwischen 2 und 20 liegt.
• Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die nicht einschränkend zu verstehen ist.
• Figur 1 zeigt Spannungskurven V von Akkumulatoren gemäß dem Stand der Technik und von einem erfindungsgemäßen Akkumulator in Abhängigkeit von der Zeit t während einer gleichen Ladung bei konstanter Spannung.
• Figur 2 zeigt Kurven, die den Wasserverbrauch der Akkumulatoren gemäß Figur 1 während der Überladung anzeigen.
• Figur 3 zeigt die Spannungskurven V der Akkumulatoren gemäß dem Stand der Technik wie in Figur 1 und einer Variante eines erfindungsgemäßen Akkumulators in Abhängigkeit von der Zeit t während der gleichen Ladung bei konstanter Spannung.
• Figur 4 zeigt Kurven, die den Wasserverbrauch der Akkumulatoren gemäß Figur 3 während der Überladung anzeigen.
• Es werden drei Akkumulatoren A, B, C gemäß dem Stand der Technik mit einem erfindungsgemäßen Akkumulator D&sub1; verglichen.
• Der Akkumulator A gemäß dem Stand der Technik ist ein offener Nickel-Kadmium-Akkumulator für Luftfahrtanwendung mit gesinterten positiven Elektroden und gesinterten negativen Elektroden. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden beträgt 0,25 mm. Der Separator wird aus Filzen gebildet, die einer Membran aus veredeltem Polyäthylen zugeordnet sind. Der Betriebsdruck beträgt 0,4 Bar (0,4 10² kPa) relativen Drucks.
• Kurve A Figur 1 zeigt die Spannung V (in Volt) in Abhängigkeit von der Zeit t (in Stunden) für diesen Akkumulator A während des Ladens, wobei der konstante Ladestrom 0,1 Cn (nominale Kapazität) bei 20ºC beträgt. Man sieht das plötzliche Ansteigen der Spannung des Akkumulators nach 9 Ladestunden.
• In Figur 2 zeigt die Kurve E den Wasserverbrauch c in Prozent des theoretischen Verbrauchs des Akkumulators A in Abhängigkeit von der Intensität der Überladung i ausgedrückt in Bruchteilen von Cn.
• Der Akkumulator B gemäß dem Stand der Technik ist ein offener Nickel-Kadmium-Akkumulator für andere industrielle Anwendungen als die Luftfahrt.
• Er enthält gesinterte positive Elektroden und durch Polymer verstärkte negative Elektroden. Der Abstand zwischen zwei Elektroden beträgt 0,50 mm. Der Separator besteht aus einer Membran und zugeordneten Filzen wie beim Akkumulator A.
• Der Akkumulator B wird unter den gleichen Bedingungen wie der Akkumulator A geladen. Die Kurve B der Figur 1 zeigt die Veränderungen der Spannung V dieses Akkumulators in Abhängigkeit von der Zeit.
• Man sieht wieder ein plötzliches Ansteigen der Spannung des Akkumulators B nach 9 Ladestunden bei konstanter Spannung.
• Wie der Akkumulator A verbraucht der Akkumulator B Wasser bei einer Überladung entsprechend der Kurve E der Figur 2.
• Der Akkumulator C gemäß dem Stand der Technik ist ein dichter Nickel-Kadmium-Akkumulator. Seine positiven Elektroden sind gesintert und seine negativen Elektroden sind durch Polymer verstärkt. Der Abstand zwischen zwei Elektroden von 0,20 mm ist mit einem Filz aus Polypropylen gefüllt. Der Elektrolyt ist begrenzt und der Betriebsdruck liegt bei 4 Bar relativen Drucks.
• Der Akkumulator C wird unter den gleichen Bedingungen geladen wie die Akkumulatoren A und B; die Kurve C der Figur 1 zeigt seine Spannungskurve. Im Gegensatz zu den Akkumulatoren A und B wird deutlich, daß diese Spannung keinerlei plötzliches Ansteigen am Ende der Ladung aufweist. Dagegen ist der Wasserverbrauch praktisch Null.
• Der erfindungsgemäße Akkumulator D&sub1; enthält positive und negative Elektroden der gleichen Art wie der Akkumulator B. Jedoch besitzt die negative aktive Masse, die im wesentlichen aus einer Mischung von Kadmium und Kadmiumoxid mit einem Bindemittel besteht, kein metallisches Nickel. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 0,3 mm.
• Der Separator besteht nur aus Filzen, die aus Polypropylen- und Polyamidfasern mit einem Durchmesser von 4 um bis 20 um gebildet werden. Das Flächengewicht dieses Separators liegt bei etwa 120 g/m².
• Es gibt freien Elektrolyt oberhalb der Elektroden. Der Betriebsdruck beträgt 0,4 Bar (0,4 102 kPa) relativen Drucks.
• Dieser Akkumulator D&sub1; wird unter den gleichen Bedingungen wie oben geladen. Die Kurve D&sub1; der Figur 1 zeigt einen plötzlichen Spannungsanstieg nach 9 Ladestunden wie bei den Akkumulatoren A und B. Dagegen liegt der Wasserverbrauch, der durch die Kurve F&sub1; der Figur 2 dargestellt wird, deutlich unter dem der beiden vorhergehenden Akkumulatoren.
• Da die Kurve D&sub1; eine Möglichkeit der Selbstbegrenzung der Ladung zeigt, kann die Überlade-Stromstärke i (siehe Figur 2) gering sein und der Wasserverbrauch kann bis um einen Faktor 10 reduziert werden.
• Außer diesem Vorteil behält der Akkumulator D&sub1; die Möglichkeit bei, bei konstanter Spannung und Temperaturen zwischen -30ºC und +65ºC über Zeiträume geladen werden zu können, die bis zu 24 Stunden dauern können, ohne die Gefahr einer thermischen Instabilität.
• Er hat Entladungsmerkmale identisch denen eines bekannten offenen Akkumulators gleicher Geometrie sowie eine identische Lebensdauer.
• In Figur 3 sind wieder die Kurven A, B, C des Standes der Technik ähnlich denen der Figur 1 und eine Kurve D&sub2; in Bezug auf eine Variante eines erfindungsgemäßen Akkumulators zu sehen.
• Dieser Akkumulator D&sub2; besitzt positive und negative Elektroden der gleichen Art wie die des Akkumulators B. Jedoch enthält die negative aktive Masse, die hauptsächlich aus einer Mischung von Kadmium und Kadmiumoxid mit einem Bindemittel besteht, kein metallisches Nickel. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 0,3 mm.
• Der Separator enthält nur Filze, die aus Polypropylen- oder Polyamidfasern bestehen, bei denen die meisten Fasern einen Durchmesser von 5 um haben. Das Flächengewicht dieses Separators beträgt etwa 100 g/m². Es gibt freien Elektrolyt. Der Betriebsdruck beträgt 0,4 Bar (0,4 10² kPa) relativen Drucks.
• Dieser Akkumulator D&sub2; wird unter den gleichen Bedingungen wie oben geladen. Die Kurve D&sub2; der Figur 3 zeigt einen plötzlichen Spannungsanstieg nach 9 Ladungsstunden, wie bei den Akkumulatoren A und B, gefolgt von einem progressiven Abfall. Dagegen liegt der Wasserverbrauch, der durch die Kurve F&sub2; der Figur 4 dargestellt wird, sehr viel niedriger als bei den beiden vorhergehenden Akkumulatoren.
• Er erlaubt eine Autonomie von 3 bis 5 Jahren ohne Anhebung des Elektrolytpegels, zum Beispiel bei Batterien von Luftfahrzeugen.
• Die Kurve D&sub2; zeigt eine Möglichkeit der leichten Erfassung des Ladungsendes durch Messung des Ansteigens der Spannung des Akkumulators.
• Zusätzlich zu diesem Vorteil behält der Akkumulator D&sub2; die Möglichkeit, bei Temperaturen zwischen -30ºC und +60ºC geladen zu werden.
• Der Akkumulator hat identische Entladungseigenschaften wie ein bekannter offener Akkumulator gleicher Geometrie, sowie die gleiche Lebensdauer.
• Gemäß einem anderen Beispiel ist der Abstand zwischen Elektroden gleich 0,5 mm und das Flächengewicht des Filzes des Separators beträgt 150 g/m²; das Ladungsverhalten des so hergestellten Akkumulators ist ähnlich dem des Akkumulators D&sub2;.
• Außerdem können die positiven Elektroden eines erfindungsgemäßen Akkumulators Elektroden mit einem Träger aus Schaum oder Fasern oder Taschenelektroden sein.
• Erfindungsgemäße Akkumulatorbatterien, deren Leistungsbereich zwischen 5 und 1000 Ah liegt, werden beim Start, wo hohe Leistungen gefordert werden, und bei der Notversorgung von Geräten verwendet, die während kurzer Zeit Stromspitzen benötigen; sie können auch für den Start von Notstromaggregaten der Telefonzentralen usw. verwendet werden.

Claims (7)

1. Nickel-Kadmium-Akkumulator mit reduzierter Wartung, der mehrere positive Elektroden und mehrere negative Elektroden aufweist, deren aktive Masse durch ein Polymer verstärkt oder elektrolytisch aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß er Separatoren aufweist, die von mindestens einem Filz aus Polyamid, aus Polypropylen, aus Polyäthylen, allein oder in Mischung, ohne zusätzliche Membran gebildet werden,

- daß der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 mm und 0,5 mm liegt,

- daß ein Innendruck zwischen 0 und 0,7 Bar (0 bis 0,7 10² kpa) relativen Drucks aufrechterhalten wird,

- und daß der Akkumulator freien Elektrolyt oberhalb der Elektroden aufweist,

um im Temperaturbereich zwischen -30ºC und +60ºC im Fall einer Ladung mit konstanter Spannung, mit begrenztem Strom oder konstantem Strom eine Ladungskennlinie aufzuweisen, die die Erfassung des Endes der Ladung aufgrund eines plötzlichen Anstiegs der Spannung ermöglicht.

2. Nickel-Kadmium-Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 und 0,3 mm liegt.

3. Nickel-Kadmium-Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator Fasern aus Polypropylen und Polyamid enthält, deren Durchmesser zwischen 4 um und 20 um liegt, mit einem Flächengewicht in der Größenordnung zwischen 70 und 150 g/m².

4. Nickel-Kadmium-Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Masse der negativen Elektroden weniger als 5% metallisches Nickel enthält.

5. Nickel-Kadmium-Akkumulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Masse der negativen Elektroden kein metallisches Nickel enthält.

6. Nickel-Kadmium-Akkumulator mit reduzierter Wartung, der mehrere positive Elektroden und mehrere negative Elektroden aufweist, deren aktive Masse mit einem Polymer verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß er Separatoren aufweist, die von mindestens einem Filz aus Polyamid- und Polypropylenfasern ohne zusätzliche Membran gebildet werden, wobei diese Fasern einen Durchmesser zwischen 4 um und 20 um aufweisen und der Filz ein Flächengewicht von etwa 120 g/m² besitzt,

- daß der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 mm und 0,3 mm liegt,

- daß ein Innendruck zwischen 0 und 0,7 Bar (0 bis 0,7 102 kpa) relativen Drucks aufrechterhalten wird,

und daß der Akkumulator freien Elektrolyt oberhalb der Elektroden aufweist,

um in Temperaturgrenzen zwischen -30ºC und +60ºC im Fall einer Ladung mit konstanter Spannung eine Ladungskennlinie aufzuweisen, die die Selbstbegrenzung der Ladung erlaubt.

7. Nickel-Kadmium-Akkumulator mit reduzierter Wartung, der mehrere positive Elektroden und mehrere negative Elektroden aufweist, deren aktive Masse mit einem Polymer verstärkt oder elektrolytisch aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß er Separatoren aufweist, die von mindestens einem Filz aus Polyamid, Polypropylen, Polyäthylen, allein oder in Mischung, ohne zusätzliche Membran gebildet werden,

- daß der Abstand zwischen den Elektroden zwischen 0,2 mm und 0,3 mm liegt,

- daß die Filze aus Fasern bestehen, von denen die Mehrheit einen Durchmesser von 5 um besitzt, wobei die Filze ein Flächengewicht zwischen 90 und 120 g/m² haben,

- daß ein Innendruck zwischen 0 und 0,7 Bar (0 bis 0,7 102 kpa) relativen Drucks aufrechterhalten wird,

und daß der Akkumulator freien Elektrolyt oberhalb der Elektroden aufweist,

um in Temperaturgrenzen zwischen -30ºC und +60ºC eine Ladungskennlinie aufzuweisen, die die Erfassung des Endes der Ladung durch Messung des Spannungsanstiegs erlaubt.