"Alkalische Batterie mit Elektroden, die ein gestanztes Lochblech
als Substrat enthalten"
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft alkalische
Speicherbatterien und insbesondere die Verbesserung des Aufbaus der darin
verwendeten Platten.
Beschreibung des Standes der Technik
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Da alkalische Speicherbatterien eine höhere Energiedichte als
Blei-Säurebatterien haben und ferner versiegelt werden können
und eine lange Lebensdauer haben, hat sich ihr
Anwendungsgebiet als Stromquellen mittlerer Kapazität für Fahrzeuge, wie
z. B. Elektrofahrräder und Elektrowägen, neben tragbaren
Vorrichtungen, wie z. B. mobile Kommunikationsvorrichtungen und
kleine Audiogeräte, immer weiter ausgeweitet.
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Als Platten für alkalische Speicherbatterien werden manchmal
solche verwendet, die ein dreidimensionales poröses Substrat
enthalten, wie z. B. filzartiges Metall oder schwammartiges
Metall, auf welchem ein aktives Material gehalten ist, aber
hauptsächlich werden solche verwendet, die ein ebenes
Substrat, wie z. B. ein gestanztes Lochmetall, enthalten, auf
welchem ein aktives Material mit einem Binder gehalten ist
oder auf welches ein aktives Material aufgetragen und
anschließend gesintert ist. Der Grund dafür liegt darin, daß
die gestanzten Lochmetallsubstrate im Vergleich zu den
dreidimensionalen porösen Substraten preiswert sind und ferner
verschiedene Füllverfahren für das aktive Material im Fall
von gestanzten Lochmetallsubstraten verwendet werden können.
Gewöhnlich werden die Platten, die ein gestanztes
Lochmetallsubstrat umfassen, hergestellt, indem das Substrat mit einem
aktiven Material gefüllt wird und anschließend einem
Preßvorgang und dergleichen unterzogen wird sowie in Plattengröße
geschnitten wird. Anschließend werden die Platten zusammen
mit Trenneinrichtungen und den Platten entgegengesetzter
Polarität in einen Behälter eingesetzt und der Behälter wird
mit einem Elektrolyt gefüllt und versiegelt, um eine Batterie
zu erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Fall der Verwendung eines gewöhnlichen gestanzten
Lochmetalls als Substrat wird dann, wenn das mit dem aktiven
Material versehene Substrat in Platten geschnitten wird, das
Substrat unter Erfassung einiger der Stanzlöcher geschnitten,
was zur Bildung von nadelförmigen Vorsprüngen führt, sofern
nicht eine sehr komplizierte und spezielle Technik angewandt
wird. Falls das aktive Material mit dem Substrat fest
verbunden ist, sind die Vorsprünge mit dem aktiven Material bedeckt
und liegen in einer zu der Plattenoberfläche parallelen
Richtung, so daß daher keine besonderen Probleme auftreten. Wenn
jedoch das aktive Material um die Vorsprünge bedingt durch
das Anschwellen des Binders oder die Ausdehnung oder
Kontraktion der aktiven Materialteilchen selbst abfällt, werden die
Vorsprünge in einer zu der Plattenoberfläche senkrechten
Richtung gebogen oder gekrümmt und durchstechen die
Trenneinrichtung, was einen Kurzschluß mit der benachbarten Platte
mit entgegengesetzter Polarität verursacht.
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Eine derartige Kurzschlußbildung tritt nicht unmittelbar nach
der Herstellung der Batterien auf, sondern tritt auf, nachdem
die Batterien einer bestimmten Anzahl von Lade-Entladezyklen
unterzogen wurden. Somit ist es schwierig, das Auftreten des
Kurzschlusses im voraus zu erkennen, und die Kurzschlüsse
verursachen eine beträchtliche Verringerung der
Zuverlässigkeit der Batterien.
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Zur Lösung dieser Probleme werden die Verfahren verwendet,
daß die Menge des Bindemittels erhöht wird oder starke
Trenneinrichtungen oder dicke Trenneinrichtungen verwendet
werden. All diese Verfahren erhöhen jedoch den spezifischen
Widerstand zwischen den Platten der Batterien, was zu einer
Verschlechterung der Entladeeigenschaften führt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Batterie zu schaffen,
die aus Platten aufgebaut ist, welche unter Verwendung eines
gestanzten Lochmetalls als Substrat hergestellt wurden, bei
welchen keine durch Vorsprünge des Substrats, die an den
geschnittenen Abschnitten der Platten gebildet sind, bedingte
Kurzschlußbildung verursacht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die eine
Positionsbeziehung von Platten in einem Beispiel der vorliegenden
Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die alkalische Speicherbatterie gemäß vorliegender Erfindung
hat positive Platten, negative Platten, Trenneinrichtungen,
die die benachbarten Platten mit entgegengesetzter Polarität
voneinander trennen, und ein alkalisches Elektrolyt, wobei
entweder die negativen Platten und/oder die positiven Platten
aus einem gestanzten Lochmetallsubstrat zusammengesetzt sind,
das mit einem aktiven Material beschichtet wird, die Platten
einer Polarität größer sind als die der anderen Polarität,
und die Platten so angeordnet sind, daß die geschnittene
Seite der Platte, die das gestanzte Lochmetallsubstrat aufweist,
an der das Substrat durch die gestanzten Abschnitte
geschnit
ten ist (das gestanzte Lochmetallsubstrat wird nämlich durch
die gestanzten Abschnitte geschnitten, was zur Folge hat, daß
die Platte eine gezahnte Seite hat), nicht die geschnittene
Seite der benachbarten Platte mit entgegengesetzter Polarität
überlappt.
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Die vorliegende Erfindung schließt ferner einen Aufbau ein,
bei dem die negative Platte ein gestanztes Lochmetallsubstrat
umfaßt, das mit einer aktiven Materialmischung beschichtet
ist, die hauptsächlich aus einer Wasserstoff absorbierenden
Legierung zusammengesetzt ist.
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Die vorliegende Erfindung schließt ferner den Aufbau ein, bei
dem eine Vielzahl von positiven Platten abwechselnd mit einer
Vielzahl von negativen Platten gestapelt werden, wobei
Trenneinrichtungen zwischen benachbarten Platten entgegengesetzter
Polarität sind, und in einen rechteckigen Behälter eingesetzt
werden.
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Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau kann das Auftreten
von Kurzschlüssen, die durch die Vorsprünge des Substrats an
der geschnittenen Seite der Platten verursacht werden,
effektiv verhindert werden. Zunächst kann bei einem Aufbau, bei
dem die Platte, die ein gestanztes Lochmetallsubstrat umfaßt,
das mit einem aktiven Material beschichtet ist, kleiner ist
als die benachbarte Platte mit entgegengesetzter Polarität,
die durch eine Trenneinrichtung von der erstgenannten Platte
getrennt ist, und die geschnittene Seite der Platten, an
welcher das gestanzte Lochmetallsubstrat durch die gestanzten
Abschnitte abgeschnitten ist, die geschnittene Seite der
benachbarten Platten mit entgegengesetzter Polarität nicht
überlappt, die Kurzschlußbildung wie nachfolgend dargelegt
verhindert werden. Das heißt, daß das aktive Material, das in
der Nähe der geschnittenen Seite vorhanden ist, an welcher
die gestanzte Lochmetallplatte durch die gestanzten
Abschnitte geschnitten ist, durch die benachbarte Platte, die durch
die Trenneinrichtung getrennt ist, gepreßt wird, und daher
kann das Abfallen des aktiven Materials, das bedingt durch
das Ausdehnen und Zusammenziehen des aktiven Materials selbst
oder eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des
Bindemittels durch die Wiederholung des Ladens und Entladens
auftritt, wirksamer verhindert werden, was zur Folge hat, daß
die an der geschnittenen Seite der Platten durch Schneiden
der gestanzten Lochmetallplatte durch die gestanzten
Abschnitte gebildeten Vorsprünge daran gehindert werden können,
daß sie in der zu der Plattenoberfläche senkrechten Richtung
gebogen oder gekrümmt werden können, und ferner daran
gehindert werden können, daß sie die Trenneinrichtung durchstechen
und einen Kurzschluß mit der benachbarten Platte mit
entgegengesetzter Polarität verursachen.
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Ferner fällt bei dem Aufbau, bei dem die Platte, welche aus
einem gestanzten Lochmetallsubstrat besteht, das mit einem
aktiven Material beschichtet ist, größer ist als die
benachbarte Platte mit entgegengesetzter Polarität, eine
Trenneinrichtung zwischen diesen vorgesehen ist und die Seite des
gestanzten Lochmetallsubstrats, an der das Substrat durch die
gestanzten Abschnitte geschnitten ist, die Seite der
benachbarten Platte mit entgegengesetzter Polarität nicht
überlappt, das in der Nähe der Seite, an der das gestanzte
Lochmetallsubstrat durch die gestanzten Abschnitte
geschnitten ist, vorhandene aktive Material aufgrund der Ausdehnung
und Zusammenziehung des aktiven Materials selbst oder der
Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Bindemittels
durch die Wiederholung von Laden und Entladen ab und somit
liegen die Vorsprünge an der Seite der Platte, die durch
Schneiden des gestanzten Lochmetallsubstrats durch die
gestanzten Abschnitte gebildet ist, frei. Auch wenn sie jedoch
in einer senkrechten Richtung zu der Plattenoberfläche
umgebogen oder gekrümmt sind und durch die Trenneinrichtung
stechen, ist die benachbarte Platte an dieser Position nicht
vorhanden und es tritt kein Kurzschluß auf.
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In dem Fall, in dem die negative Platte ein gestanztes
Lochmetall umfaßt, das mit einer aktiven Materialmischung
beschichtet ist, die hauptsächlich aus einer Wasserstoff
absorbierenden Legierung zusammengesetzt ist, hat die Wasserstoff
absorbierende Legierung das Merkmal, daß die Partikel der
Legierung bedingt durch den Einschluß- und Freigabezyklus von
Wasserstoff, der durch Laden und Entladen verursacht wird,
feiner werden. Aus diesem Grund fällt das aktive Material
stärker von der geschnittenen Seitenfläche der Platte ab als
in dem Fall einer negativen Cadmiumplatte oder negativen
Zinkplatte. Gemäß vorliegender Erfindung wird durch
vorstehend beschriebene Wirkung das Abfallen des aktiven Materials
gehemmt oder die durch Vorsprünge an der Seite, welche durch
Schneiden des gestanzten Lochmetallsubstrats durch die
gestanzten Abschnitte gebildet wurden, verursachte
Kurzschlußbildung nach dem Abfallen des aktiven Materials kann
verhindert werden, so daß daher der Effekt des Verhinderns von
Kurzschlüssen weiter in hohem Maß vorliegt.
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Ferner ist in dem Fall einer alkalischen Speicherbatterie,
bei der eine Vielzahl von positiven Platten und eine Vielzahl
von negativen Platten gestapelt sind und der Behälter eine
rechteckige Form hat, die gesamte Längenausdehnung der Seite,
an der das gestanzte Lochmetallsubstrat durch die gestanzten
Abschnitte geschnitten wird, sehr groß, und insbesondere sind
viele Eckenteile vorhanden, an welchen die Vorsprünge durch
Schneiden des gestanzten Lochmetallsubstrats durch die
gestanzten Abschnitte auffällig gebildet werden, was zur Folge
hat, daß der Effekt zum Verhindern des Kurzschlusses sehr
groß ist.
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Die vorliegende Erfindung wird im Detail durch die folgenden
Beispiele erläutert.
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Die positive Platte wurde hergestellt, indem ein
schwammartiges Nickelsubstrat, das eine Porosität von 95% und eine
Flächendichte von 600 g/m² hatte, mit einer Paste gefüllt wurde,
indem Wasser zu einer aktiven Materialmischung zugegeben
wurde, die im wesentlichen aus Nickelhydroxid zusammengesetzt
war, das gefüllte Substrat getrocknet wurde, anschließend das
Substrat auf eine Dicke von 1 mm preßgeformt wurde und auf
eine Größe von 90 · 100 mm geschnitten wurde. Die Platte
hatte eine Kapazitätsdichte von etwa 600 mAh/cm³ und eine
Kapazität von 5,4 Ah.
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Die negative Platte wurde hergestellt, indem ein gestanztes
Lochmetallsubstrat aus Nickel mit einer Dicke von 100 um,
einem Porendurchmesser von 2 mm und einer Öffnungsrate von 40
mit einer Paste beschichtet wurde, die hergestellt wurde,
indem Wasser und eine Emulsion aus Styrol-Butadiengummi zu
einer Wasserstoff absorbierenden Legierung des MmNi&sub5;-Typs,
welche auf eine Partikelgröße von 100 um oder kleiner gemahlen
war, zugegeben wurden, die Paste getrocknet wurde und
anschließend das beschichtete Substrat auf eine Dicke von 0,8
mm preßgeformt wurde. Die Kapazitätsdichte dieser Platte
betrug 1300 mAh/cm³. Die Platte wurde in einer Größe von 100 ·
105 mm geschnitten, um eine negative Platte (a) zu erhalten,
auf eine Größe von 85 · 95 mm, um eine negative Platte (b) zu
erhalten, und auf eine Größe von 90 · 100 mm, um eine
negative Vergleichsplatte (c) zu erhalten. Diese Platten (a), (b)
und (c) hatten eine Kapazität von 10,9 Ah, 8,4 Ah bzw. 9,4
Ah.
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Ein Nickel-Stromsammler wurde mit jeder der vorstehend
genannten positiven Platten und negativen Platten
punktverschweißt. Anschließend wurden zehn positive Platten und elf
negative Platten abwechselnd gestapelt, wobei
Trenneinrichtungen mit 0,2 mm Dicke zwischen den benachbarten positiven
und negativen Platten angeordnet waren, so daß die äußerste
Platte eine negative Platte war. Auf diese Weise wurde eine
Plattengruppe erhalten.
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Bei der Plattengruppe, in der die negativen Platten (a)
verwendet wurden, wurden die negativen Plätten und die positiven
Platten so gestapelt, daß alle Seiten der negativen Platte 1,
die mit einem aktiven Material bedeckt ist, außerhalb der
benachbarten positiven Platte 4 in einem Abstand von mindestens
2 mm von den vier Seiten der positiven Platte 4 positioniert
wurden, wie Fig. 1 zeigt. In diesem Fall waren nadelförmige
Vorsprünge 3, die durch Schneiden der Platte durch das
gestanzte Loch 2 des gestanzten Lochmetallsubstrats erzeugt
wurden, in einer Position, daß sie auch dann, wenn der
Vorsprung umgebogen oder gekrümmt wurde, nicht mit der
benachbarten Platte mit entgegengesetzter Polarität in Berührung
kommen. Bei der Plattengruppe, bei der die negativen Platten
(b) verwendet wurden, wurden in ähnlicher Weise die negativen
Platten und die positiven Platten so gestapelt, daß alle
Seiten der negativen Platte innerhalb der benachbarten positiven
Platte mit einem Abstand von mindestens 2 mm von den Seiten
der positiven Platte positioniert waren. Bei der
Plattengruppe, bei der die herkömmlichen negativen Vergleichsplatten (c)
verwendet wurden, wurden die negativen Platten und die
positiven Platten so gestapelt, daß alle Seiten der negativen
Platte die der benachbarten positiven Platte überlappten.
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Als Stromkollektor wurde jede der positiven Platten und der
negativen Platten mit einem Nickelstab punktverschweißt, der
als Elektrode verwendet wurde. Diese Plattengruppe wurde in
einen Polypropylenbehälter mit einer Innengröße von 150 mm
Höhe, 120 mm Breite und 25 mm Dicke eingesetzt und dieser
Behälter wurde mit 150 cm³ einer wäßrigen Kaliumhydroxidlösung
mit einem spezifischen Gewicht von 1,3 g/cm³ als Elektrolyt
gefüllt und anschließend wurde der Behälter versiegelt, um
eine versiegelte Batterie zu erhalten.
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Die Batterien, die unter Verwendung der negativen Platten
(a), (b) und (c) hergestellt wurden, werden als A, B bzw. C
bezeichnet. Von den Batterien A, B und C wurden jeweils
einhundert Stück hergestellt. An diesen Batterien wurde in einer
Atmosphäre von 25ºC ein Lebensdauertest durchgeführt. Die
Lade- und Entladebedingungen bestanden dabei in einem Zyklus,
der aus Laden mit einem Strom von 25 A über 2,5 Stunden, 0,5
Stunden Ruhezeit, Entladen mit einem Strom von 25 A auf eine
Zellenspannung von 1 V und 0,5 Stunden Ruhezeit bestand.
Tabelle 1 zeigt die Anzahl von Batterien, bei welchen während
des Lebensdauertests eine Kurzschlußbildung auftrat.
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Direkt nach dem Einfüllen des Elektrolyts trat bei keiner der
Batterien A, B und C ein Kurzschluß auf. Bei den
Vergleichsbatterien C trat jedoch bei 3% ein Kurzschluß nach der
Beendigung von 100 Zyklen und bei 9% ein Kurzschluß nach der
Beendigung von 200 Zyklen auf. Diese Batterien wurden zerlegt
und die kurzgeschlossenen Abschnitte wurden untersucht, wobei
festgestellt wurde, daß in allen Abschnitten nadelförmige
Vorsprünge, die an den geschnittenen Abschnitten des
gestanzten Lochmetallsubstrats der negativen Platte erzeugt worden
waren, umgebogen waren und die Trenneinrichtung durchstachen,
so daß sie Kontakt mit der benachbarten Platte mit
entgegengesetzter Polarität hatten. Bei weiterer Fortführung des
Lebensdauertests trat eine Kurzschlußbildung in 34% der
Batterien C nach der Beendigung von 500 Zyklen auf. Diese
Batterien wurden ebenfalls zerlegt und untersucht, wobei
festgestellt wurde, daß die Kurzschlußbildung aus demselben Grund
wie vorstehend genannt auftrat.
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Bei den Batterien A und B der erfindungsgemäßen Beispiele
trat andererseits keine Kurzschlußbildung bis zu 400 Zyklen
auf und es ist deutlich, daß der Effekt der vorliegenden
Erfindung sehr wesentlich ist. Nach der Beendigung von 500
Zyklen trat bei einer der Batterien A und bei zwei der
Batterien B Kurzschlußbildung auf. Diese Batterien wurden zerlegt
und die den Kurzschluß verursachenden Abschnitte wurden
untersucht, aber es gab keine Abschnitte, in welchen die
Platten direkt miteinander in Kontakt standen, und eine
Karbonisation aufgrund einer dendritischen Kurzschlußbildung war an
der Position der Trenneinrichtung nahe der Mitte der Platte
zu erkennen, so daß als Resultat festgestellt wurde, daß die
Kurzschlußbildung in den Batterien A und B durch die
dendritische Kurzschlußbildung verursacht ist, die aus der
Ablagerung von aufgelösten Metallen an der Trenneinrichtung
herrührt. Das heißt, daß die von den Vorsprüngen an der
geschnittenen Oberfläche des gestanzten Lochmetallsubstrats
verursachte Kurzschlußbildung vollständig verhindert werden
konnte.
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In dem vorstehend genannten Beispiel erfolgt die Erläuterung
an dem Batteriesystem, bei dem Nickelhydroxid als ein aktives
Material der positiven Platte verwendet wurde und eine
Wasserstoff absorbierende Legierung als das aktive Material der
negativen Platte verwendet wurde und ferner ein gestanztes
Lochmetall als ein Substrat der negativen Platte verwendet
wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die
vorstehend beschriebene Kombination beschränkt und das
Verhindern der Kurzschlußbildung kann durch dieselbe
Vorgehensweise in allen alkalischen Speicherbatterien erzielt werden,
bei welchen gestanztes Lochmetallsubstrat als ein Substrat
mindestens entweder der positiven Platte oder der negativen
Platte verwendet wird.
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Ferner erfolgt in dem vorstehend angeführten Beispiel die
Erläuterung für rechteckige Batterien, die eine Vielzahl von
positiven Platten und eine Vielzahl von negativen Platten
enthalten, welche gestapelt sind. Es kann jedoch die
Kurzschlußbildung durch dieselbe Vorgehensweise auch bei
zylindrischen Batterien verhindert werden, die einen zylindrischen
Behälter umfassen, in welchen eine positive Platte und eine
negative Platte eingeführt sind, die mit einer
Trenneinrichtung zwischen den Platten gerollt sind.
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Wie vorstehend erläutert können gemäß vorliegender Erfindung
alkalische Speicherbatterien auch unter Verwendung von
Platten erhalten werden, die gestanzte Lochmetallsubstrate
umfassen, bei welchen Batterien keine Kurzschlußbildung aufgrund
der Wiederholung von Lade-Entladezyklen verursacht wird, ohne
daß die Entladeeigenschaften durch Verwendung von
Trenneinrichtungen mit hoher mechanischer Festigkeit verschlechtert
werden oder die aktiven Materialien mit einer großen Menge
von Bindemitteln fixiert werden.
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Der Effekt der vorliegenden Erfindung ist bei alkalischen
Speicherbatterien deutlich, welche negative Platten
verwenden, die ein gestanztes Lochmetall umfassen, auf welchen eine
Wasserstoff absorbierende Legierung gehalten ist, wobei diese
Batterien gewöhnlich unter dem schwerwiegenden Problem
leiden, daß die Wasserstoff absorbierende Legierung als aktives
Material selbst während der Wiederholung von
Lade-Entlade
zyklen zu feinem Pulver wird und von der Platte abfällt.
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Ferner ist der Effekt der vorliegenden Erfindung bei
alkalischen Speicherbatterien deutlich, die einen rechteckigen
Behälter und eine Vielzahl von positiven Platten und eine
Vielzahl von negativen Platten enthalten, die abwechselnd
gestapelt sind, und bei welchen die Gesamtlängenausdehnung der
Seiten, an welchen das gestanzte Lochmetallsubstrat durch die
gestanzten Abschnitte geschnitten ist, sehr groß ist und
besonders viele Eckenteile vorliegen, an welchen die
nadelförmigen Vorsprünge an den geschnittenen Seiten auffällig sind.