DE69832175T2

DE69832175T2 - Verstärkte gewickelte elektrodenanordnung und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE69832175T2
Application number: DE69832175T
Authority: DE
Inventors: Donald Barber; Robert Smith; Robert Pavlinsky; Bruce Ingram
Original assignee: Duracell Inc USA
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2018-08-06
Also published as: AU8691898A; ZA986942B; US6298530B1; CA2298791A1; WO1999008333A1; JP4381599B2; TW421898B; EP1004147A1; AR016787A1; JP2001512891A; DE69832175D1; US20010012583A1; ATE308803T1; WO1999008333A9; EP1004147B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft gewickelte Elektrodenbaugruppen mit leitfähigen Abgriffen, betrifft Verfahren zum Anbringen der leitfähigen Abgriffe an die gewickelte Elektrode und betrifft elektrochemische Zellen unter Einsatz solcher Baugruppen.
Elektrochemische Zellen unter Einsatz gewickelter Elektrodenbaugruppen sind auf dem Fachgebiet weithin bekannt. Bei vielen dieser Zellenstrukturen wird die gewickelte Elektrodenbaugruppe in ein Verbundgehäuse eingesetzt, das als Strom leitende Klemmen für die Zelle dient. Beim Zusammenbau dieses Typs der Zelle muss zuerst ein leitfähiger Abgriff an den Elektroden mit Hilfe geeigneter Maßnahmen befestigt werden, wie beispielsweise Schweißen.
Zellen unter Einsatz gewickelter Elektrodenanordnungen lassen sich unter Anwendung zahlreicher elektrochemischer Systeme herstellen, wie beispielsweise Nickel/Metallhydrid, Nickel/Cadmium, Nickel/Zink und dergleichen. Sofern Nickel/Metallhydrid-Zellen verwendet werden, ist die negative Elektrode der Nickel/Metallhydrid-Zellen typischerweise eine Wasserstoff-Speicherelektrode in Form eines Metallhydrids. Die positive Elektrode ist typischerweise Nickelhydroxid. Diese Zellen enthalten außerdem einen Separator und einen Elektrolyten, wie auf dem Gebiet bekannt ist.
Das positive Elektrodenband ist im Allgemeinen die äußere gewickelte Elektrode bei Nickel/Metallhydrid-Zellen und hat einen leitfähigen Abgriff, der an einer ausgewählten Fläche des Trägers an dem einen Ende befestigt ist und an dem Zellengehäuse sowie an dem gegenüberliegenden Ende. Vor dem Befestigen des leitfähigen Abgriffes an der Elektrode muss eine ausgewählte Fläche des leitfähigen Trägers von jeglichem aktiven Elektrodenmaterial befreit werden. Üblicherweise erfolgt diese Entfernung mit Hilfe von Verfahren, wie beispielsweise Sandstrahlblasen, Kratzen, Saugen, Ultraschallreinigen und dergleichen. Allerdings ist die Anwendung dieser Verfahren vom Träger (Substrat) sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades der Entfernung von aktivem Material von dem Substrat als auch hinsichtlich der Festigkeit der resultierenden Schweißverbindung des leitfähigen Abgriffes an dem Substrat abhängig.
Mit der Entwicklung leitfähiger Träger, die aus Filz, Schaumstoff und anderen brüchigen Substraten gefertigt sind, ist die Aufgabe des Entfernens von aktivem Material von dem Substrat und des Anbringens eines leitfähigen Abgriffes schwieriger geworden. Es sind zahlreiche Verfahren angewendet worden, um das aktive Material von dem Substrat abzubrechen oder zu lösen, wie beispielsweise Ultraschallentfernung von aktivem Material von der gewünschten Fläche, Entfernung von aktivem Material von dem Substrat entlang des gesamten Randes der Elektrode, Anbringen von Abgriffen in Form eines "T" oder "V" oder "H", um den Abgriffbereich zu verstärken und vieles andere mehr.
Obgleich die Entfernung von aktivem Material von der gesamten Länge der Elektrode zum Wirkungsgrad der Herstellung dieser Zellentypen beiträgt, besteht der gegenwärtige Trend darin, die Kapazität dadurch auf ein Maximum zu bringen, dass so viel aktives Material wie möglich umgesetzt wird, das in der elektrochemischen Zelle vorhanden ist. Es besteht immer noch ein Bedarf nach Verfahren zum Herstellen von gewickelten Elektrodenanordnungen, bei denen im Wesentlichen nur ein geringer Abschnitt des aktiven Materials von den brüchigen Substraten entfernt wird, ohne die Substrate zu schwächen oder zu beschädigen, und bei denen die Anbringung eines leitfähigen Abgriffes auf den auf diese Weise freigemachten Substraten möglich ist.
Die JP-A-62 202 457 offenbart ein gesintertes Metallsubstrat, das aus Nickelfasern hergestellt ist und eine Porosität von 95% hat, die mit einer Paste aus aktivem Material gefüllt sind. Aktives Material wird von den die Leitung verbindenden Teilen des Substrats durch Hammer entfernt, die Nadeln aufweisen. Die Nadeln durchdringen die oberen und unteren Seiten des Substrats, wobei Ultraschallschwingungen aufgebracht werden, um aktives Material von den Nickelfasern in dem Bereich der Nadeldurchdringung zu entfernen.
Die FR-P-2 515 431 offenbart das Anbringen eines stromausführenden Abgriff zu einer metallisierten faserigen Elektrodenstruktur, indem der eine Rand der Struktur mit einem elektrochemisch abgeschiedenen Metallüberzug verstärkt wird und der stromausführende Abgriff an dem verstärkenden Rand befestigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenplatte gewährt, die über eine leitfähige Abgriff-Fläche verfügt, welches Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Durchstoßen einer Fläche einer Elektrodenplatte mit einander gegenüberliegenden Dornenplatten, die über erhöhte, versetzte, Durchstoßungsstifte verfügen;
(b) Freimachen der resultierenden und durchstoßenen Fläche, um poröses Substrat unter Erzeugung einer leitfähigen Abgriff-Fläche zu exponieren;
(c) Verstärken des exponierten porösen Substrats; sowie
(d) Anbringen eines leitfähigen Abgriffes an dem verstärkten porösen Substrat.

Die Erfindung betrifft Elektrodenplatten zur Verwendung in gewickelten Elektrodenanordnungen, die über einen daran befestigten leitfähigen Abgriff verfügen. Durch Behandeln der leitfähigen Abgriff-Fläche einer mit aktivem Material beschichteten Elektrodenplatte in der hierin beschriebenen Weise, wird in den nachfolgenden Schritten des Ultraschallreinigens im Wesentlichen das gesamte auf dieser Fläche vorhandene Material entfernt. In entscheidender Weise wird die befreite Flache mit einem verstärkenden Material verstärkt. Das Verschweißen mit Ultraschall des leitfähigen Abgriffes mit der auf diese Weise behandelten Fläche führt zu einer Elektrodenplatte mit einer fest zusammenhängenden Abgriffanordnung.
Der erste Schritt der Erfindung ist ein Schritt des Durchstoßens, wo einander gegenüber befindliche versetzte Dornenplatten gegen die Elektrodenplatte in dem Bereich der leitfähigen Abgriff-Fläche gepresst werden. Die Dornenplatten verfügen über erhöhte Oberflächenstifte, die das aktive Material durchstoßen und ein Muster von kleinen Löchern in der behandelten Fläche erzeugen. Der nächste Schritt des Freimachens der behandelten Fläche führt zu einer leitfähigen Abgriff-Fläche, die weitgehend von aktivem Material frei ist. Nach dem Schritt des Freimachens wird die Fläche mit einem verstärkenden Material verstärkt, indem das Material auf der freigemachten Fläche gefaltet und zusammengedrückt wird. Auf der freigemachten Fläche lassen sich dann zahlreiche Arten von leitfähigen Abgriffen befestigen und führen zu einer fest zusammenhängenden Abgriffanordnung.
Ebenfalls ist festgestellt worden, dass Elektroden, die mit Hilfe des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, als gewickelte Anordnungen zur Verwendung in elektrochemischen Zellen aufgrund einer relativ ebenen Abgriff-Fläche leichter zusammenzubauen sind. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren den Einbau von mehr aktivem Material in die fertige elektrochemische Zelle und führt zu einer höheren Kapazität. Die Verstärkung kann die Schweißung verfestigen und kann zu einer längeren Produktlebensdauer führen.
1 ist eine Seitenansicht einer Elektrodenplatte im Kontakt mit Dornenplatten, die erhöhte Oberflächenstifte haben;
2 ist eine Vorderansicht einer Dornenplatte mit erhöhten Oberflächenstiften;
2a ist eine Ansicht in auseinandergezogener Darstellung eines erhöhten Oberflächenstiftes einer Dornenplatte;
3 ist eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zum Widerstandsschweißen zeigt;
4 ist eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zum Ultraschallschweißen zeigt;
In dem ersten Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird der leitfähige Abgriffbereich einer Elektrodenplatte mit einander gegenüberliegenden, versetzten Dornenplatten durchstoßen, die über erhöhte Oberflächenstifte verfügen. In dem nächsten Schritt wird die resultierende Fläche von aktivem Material freigemacht, um das darunterliegende poröse Substrat weitgehend frei von aktivem Material freizulegen. Die freigelegte Fläche wird mit einem verstärkenden Material verstärkt. Sodann wird ein leitfähiger Abgriff an dem darunterliegenden freigemachten porösen Substrat angebracht.
Substrate, die nach der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden und in der Herstellung von positiven Elektroden in elektrochemischen Zellen verwendbar sind, schließen alle beliebigen Substrate hoher Porosität mit geringer mechanischer Festigkeit ein, wie beispielsweise Schaumstoff, Filz und dergleichen. Die Substrate sind mit aktivem Material für das gewünschte elektrochemische System beschichtet.
Im Fall von Nickel/Metallhydrid-Zellen weist das aktive Material der positiven Elektrode eine Nickelverbindung auf, wie beispielsweise Nickelhydroxid, oder Mischungen von Nickelverbindungen. In das aktive Material einbezogen können auch andere Verbindungen sein, wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind, einschließlich ein Leitfähigkeit verstärkendes Mittel, wie beispielsweise Cobaltoxid, ein leitfähiges Material, wie beispielsweise Carbonblack, Eindickungsmittel, ein Bindemittel und dergleichen. Die Metallpulver und anderen Komponenten werden unter Wasser gemischt, um eine nasse Aufschlämmung zu erzeugen, die auf das poröse Substrat mit Hilfe bekannter Verfahren aufgetragen werden kann, wie beispielsweise mit Rakelbeschichten, Walzenbeschichten, Spritzbeschichten und dergleichen. Das beschichtete Substrat kann sodann getrocknet und einem Kalandrierprozess unterworfen werden, um eine glatte, gehärtete Elektrodenplatte unter Anwendung von auf dem Fachgebiet bekannten Methoden zu erzeugen. Die fertige Dicke der Elektrodenplatten liegt normalerweise im Bereich von etwa 0,6 bis 0,7 mm und bevorzugt 0,63 bis 0,61 mm. Anschließend werden die Elektrodenplatten zu der gewünschten Größe für die Verwendung in einer elektrochemischen Zelle verlegt.
Es ist festgestellt worden, dass mit Hilfe des Durchstoßens der leitfähigen Abgriff-Fläche mit einander gegenüberliegenden und versetzten Dormenplatten der leitfähige Abgriffbereich von aktivem Material weitgehend befreit werden kann, ohne das darunterliegende poröse, brüchige Substrat zu beschädigen. Der von aktivem Material zu befreiende leitfähige Abgriffbereich kann geringfügig größer sein als die Breite des leitfähigen Abgriffes, der auf der freigemachten Fläche angebracht werden soll. Der Durchstoßungsschritt wird detaillierter in der US-P-5 657 522, erteilt am 19. August, 1997, beschrieben.
1 zeigt eine Vorderansicht von Elektrodenplatte 1 im Kontakt mit einander gegenüberliegenden Dornenplatten 2 in dem Schritt des Durchstoßens. Elektrodenplatte 1 wird einem Druck von etwa 20 bis 110 psi von den einander gegenüberliegenden Durchstoßungsplatten 2 mit versetzten erhabenen Durch stoßungsstiften 3 unterworfen, die in einem Punkt enden. Die erhabenen Durchstoßungsstifte sind derart versetzt, dass, wenn die einander gegenüberliegenden Dornenplatten die Elektrodenplatte berühren, die Spitzen der erhöhten Durchstoßungsstifte 3 in die Oberfläche des darunterliegenden porösen Substrats eindringen, ohne sich miteinander zu berühren. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform dringen clie erhabenen Durchstoßungsstifte durch die Elektrodenplatte durch das darunterliegende Substrat hindurch, treten jedoch an der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektrodenplatte nicht aus.
2 zeigt eine Vorderansicht der Dornenplatte 2 mit versetzten erhöhten Durchstoßungsstiften 3. Durchstoßungsstifte sind gegenüber den angrenzenden Stiften um den Abstand 4 und im Bezug auf die nächste Reihe der Durchstoßungsstifte um den Abstand 5 so versetzt, dass gegenüberliegende Durchstoßungsstifte den Kontakt untereinander vermeiden, wenn sie gegen die Elektrodenplatte gedrückt werden. Wie in 2a als eine Darstellung in auseinandergezogener Seitenansicht einer der Durchstoßungsstifte gezeigt, sind die Durchstoßungsstifte vorzugsweise spitzwinklig 6, und haben weniger als 20° und vorzugsweise 18 bis 22° im Bezug auf eine senkrecht zur Basis des Durchstoßungsstiftes zu der Spitze des Durchstoßungsstiftes gezogenen Linie. Die Durchstoßungsstifte haben eine Basis 7 von etwa 0,4 mm und eine Höhe 8 von näherungsweise 0,6 mm in Abhängigkeit von der Dicke der Elektrodenplatte. Von diesen Abmessungen können Basis und Höhe der Durchstoßungsstifte variieren, um eine Beschädigung des darunterliegenden porösen Substrats zu vermeiden. Wenn beispielsweie schmalere Durchstoßungsstifte verwendet werden, können die Stifte an der gegenüberliegenden Seite der Elektrodenplatte austreten, ohne das darunterliegende poröse Substrat zu beschädigen. Sofern breitere Durchstoßungsstifte verwendet werden, sollte die Eindringtiefe der Durchstoßungsstifte in die Elektrodenplatte so groß sein, dass das darunterliegende poröse Substrat nicht beschädigt wird.
Der leitfähige Abgriffbereich der Elektrodenplatte, der mit dem vorstehend beschriebenen Durchstoßungsschritt behandelt wurde, verfügt über feine Löcher in rautenförmigen Mustern auf der Oberfläche der Elektrodenplatte. In Abhängigkeit von dem Typ des Substrats und von der Dicke des aufgebrachten aktiven Materials können ein oder mehr als ein Durchstoßungsschritt angewendet werden, um die weitgehende Entfernung von aktivem Material von dieser Fläche während des nächsten Reinigungsschrittes zu erleichtern.
In dem nächsten Verfahrensschritt wird der leitfähige Abgriffbereich von aktivem Material unter Anwendung konventioneller Maßnahmen freigemacht. In einer bevorzugten Ausführungsform gelangt eins Ultraschallbehandlung zur Entfernung des aktiven Materials zur Anwendung. Es wird angenommen, dass der Durchstoßungsschritt der vorliegenden Erfindung außerdem die Ultraschallmenge verringert, die benötigt wird, um aktives Material von der behandelten Fläche im Wesentlichen zu entfernen, was zu weniger Beschädigung an dem darunterliegenden brüchigen Substrat führt. Die Art der zum Aufbringen von Ultraschall auf die behandelte Fläche verwendeten Anlage variiert und schließt im typischen Fall ein Ultraschalltrichter wieder mit glatten oder erhabenen Oberflächen ein und einen Amboss mit entweder glatten oder erhabenen Oberflächen. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Ultraschalltrichter eine glatte Oberfläche und der Amboss besteht aus einem beweglichen Rad mit erhabenen Oberflächen mit rautenförmigen stumpfen Spitzen, um eine Beschädigung des Substrats zu verhindern. Der aufgebrachte Betrag des Ultraschalls liegt im typischen Fall im Bereich von mindestens etwa 20 kHz bei 100% Amplitude (näherungsweise eine Energie von 20 kJ) für eine Dauer von etwa 0,5 bis 1,0 Sekunden.
Der leitfähige Abgriffbereich, der mit dem Durchstoßungsschritt und anschließend mit dem Schritt der Ultraschallreinigung behandelt wurde, hat ein darunterliegendes poröses Substrat das weitgehend frei ist von aktivem Material in diesem leitfähigen Abgriffbereich. Der Zusammenhalt des brüchigen Substrats bleibt intakt.
Wenn vergleichsweise der leitfähige Abgriffbereich lediglich durch Ultraschallreinigen ohne den Durchstoßungsschritt freigemacht wird, können Schäden an den Fasern des darunterliegenden brüchigen, porösen Substrats festgestellt werden. Das Ultraschallreinigen des leitfähigen Abgriffbereiches ohne die Anwendung mindestens eines Durchstoßungsschrittes macht die Möglichkeit zunichte, einen leitfähigen Abgriff an die freigemachte leitfähige Abgriff-Fläche des Substrats anzuschweißen.
Die freigemachte Elektrodenplatte wird mit einem Verstärkungsmaterial verstärkt, wie beispielsweise einem Füllstoffmaterial wie ein leitfähiger Schaumstoff oder Filz. Beispielsweise kann der leitfähigen Schaumstoff ein Nickelschaumstoff sein (z.B. ein Material mit einem Flächengewicht von 340, 400 oder 500), das bei Katayama, Japan, oder bei Retec Porous Metall, Tuscumbia, Alabama, verfügbar ist. In der Regel wird das Verstärkungsmaterial einem Zerkleinerungsschritt unterworfen, wo das Material über einen Faltgreifer in Position gebracht und auf eine vorgegebene Länge geschnitten wird. Ein kleiner Abschnitt des Verstärkungsmaterials wird in der Regel so geschnitten, dass er eine Fläche hat, die näherungsweise gleich der freigemachten Fläche ist. Das Verstärkungsmaterial lässt sich dann zu einem "V" formen, indem ein Stößel gegen das Material gedrückt und dieses in die Greifer eingesetzt wird. Das Verstärkungsmaterial wird sodann über der freigemachten Fläche der Elektrodenplatte angeordnet und so zusammengedrückt, dass es mit der Oberfläche der Elektrodenplatte bündig abschließt. Es können Verstärkungsmaterialien mit einer einzigen Lage oder einer Doppellage verwendet werden.
Nachdem das Verstärkungsmaterial in die freigemachte Fläche der Elektrodenplatte eingedrückt worden ist, kann das Verstärkungsmaterial mit einer Schweißung ortsfest gemacht werden, wie beispielsweise mit einer Widerstandschweißung oder einer Ultraschallschweißung. Die Schweißung kann die Abgriffanbringung fester machen und kann den Zusammenhalt zwischen dem Füllstoffmaterial und der Elektrodenplatte verbessern.
Nach Entfernung des aktiven Materials von der behandelten Fläche und der Verstärkung der Fläche kann ein leitfähiger Abgriff unter Anwendung des Ultraschallschweißens oder Widerstandschweißens angebracht werden. Bei dem leitfähigen Abgriff kann es sich um Nickel handeln oder um nickelplattierten Stahl und dieser kann jede gewünschte Form haben, wie beispielsweise ein doppellagiger Abgriff (V-förmig oder H-förmig) oder ein rechteckiger, flacher, einschichtiger Abgriff. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein rechteckig geformter, einlagiger Abgriff an dem Substrat unter Anwendung des Ultraschallschweißens angebracht. Das Ultraschallschweißen wird unter Anwendung von Vorrichtungen ausgeführt, die in dem Fachgebiet bekannt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform hat ein Ultraschalltrichter erhabene Oberflächen, während der Amboss eine ebene Fläche ist. Um zwischen dem Substrat und dem leitfähigen Abgriff eine Reibschweißnaht zu erzeugen, werden mit einem Schweißdruck von etwa 30 psi Ultraschallschwingungen von 20 kHz und einer 100%-Amplitude in einer zu den zu verschweißenden Oberflächen parallelen Richtung (180°) aufgebracht. In Abhängigkeit von dem zu verwendenden Typ des leitfähigen Abgriffes kann die Schweißenergie im Bereich von 18 J bei einem einlagigen Abgriff liegen und bis zu etwa 30 bis 45 J bei einem doppellagigen Abgriff mit einer Schweißdauer von etwa 0,5 bis 1 Sekunden.
In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein einlagiger leitfähiger Abgriff aus das freigemachte brüchige Substrat unter Anwendung eines Ultraschalltrichters angebracht, der über eine erhabene Oberfläche verfügt, und eines Ambosses mit einer ebenen Oberfläche. Es ist überraschend, dass ein einlagigen leitfähiger Abgriff und ein brüchiges Substrat unter Verwendung eines ebenen Ambosses eine zufriedenstellende Reibschweißung ergeben würde. Im typischen Fall umfasst das Ultraschallschweißen eines leitfähigen Abgriffes an ein brüchiges Substrat die Verwendung eines doppellagigen leitfähigen Abgriffes, wie beispielsweise ein H-Abgriff oder V-Abgriff. Dieser Typ von doppellagigen Abgriffen erleichtert sowohl die Verwendung eines Ambosses mit erhabenen Oberflächen als auch eines Ultraschalltrichters mit erhabenen Oberflächen, da das Substrat sandwichartig zwischen zwei Metallschichten eingeschlossen ist und sich weder in Kontakt mit dem Ultraschalltrichter noch mit dem Amboss befindet. Die Verwendung eines Ambosses mit erhabenen Oberflächen würde die exponierten brüchigen Fasern des Substrats zerstören, wenn ein einlagiger leitfähiger Abgriff geschweißt wird. Es ist festgestellt worden, dass unter Anwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung alle Formen von Abgriffen zufriedenstellend mit der leitfähigen Abgriff-Fläche eines brüchigen, porösen Substrats unter Verwendung eines ebenen Ambosses geschweißt werden können.
Die positive Elektrode, die entsprechend der vorstehenden Beschreibung über einen daran angebrachten leitfähigen Abgriff verfügt, kann sodann unter Anwendung konventioneller Schritte weiterverarbeitet werden. Diese Schritte können die Schaffung eines Stanzloches in dem Abgriff oberhalb des Elektrodenrandes einschließen, um die Flexibilität zu verbessern und die Anbringung des Abgriffes an der Zellenabdeckung zu erleichtern und/oder ein Bandbewickeln des leitfähigen Abgriffes und der leitfähigen Abgriff-Fläche, um für die Schweißnaht eine zusätzliche Festigkeit zu gewährleisten und innere Kurzschlüsse zu vermeiden.
Die Möglichkeit zur Verwendung eines einlagigen, leitfähigen Abgriffes gegenüber eines doppellagigen, leitfähigen Abgriffes gewährt Verbesserungen in kommerziellen Herstellungsprozessen, indem eine erhöhte Fläche eliminiert wird, die normalerweise im Zusammenhang mit gewickelten Elektrodenanordnungen auftritt, die einen doppellagigen Abgriff haben (d.h. doppelte Dicke). Die Eliminierung dieser erhöhten Fläche verringert auch die Möglichkeit zu inneren Kurzschlüssen und erlaubt die Verwendung zusätzlicher Lagen von Elektroden, die in die gewickelten Elektrodenanordnungen eingebaut werden können.
In den folgenden Beispielen werden die Ergebnisse des Ultraschallschweißens und des konventionellen Widerstandschweißens unter Anwendung von Verfahren der vorliegenden Erfindung verglichen. Es werden positive Elektroden durch Nassaufschlämmung der gewünschten Bestandteile (Nickelhydroxid, Cobaltoxid, Gelbildner, Bindemittel und Carbonblack) auf mit Nickel plattierten Schaumstoffsubstraten mit einem Flächengewicht zwischen 320 m²/g bis etwa 500 m²/g, wie beispielsweise Eltec 400-Schaumstoff von Eltec, Inc., hergestellt. Das beschichtete Substrat wird sodann bei näherungsweise 110° bis 120°C getrocknet und unter Anwendung von Drücken zwischen etwa 30 bis 40 t unter Erzeugung der positiven Elektrodenplatten kalandriert. Die positiven Elektrodenplatten werden sodann auf die gewünschte Größe geschnitten. Eine Reihe von Elektrodenplatter. wird unter Anwendung von einem oder mehreren der Schritte zum Durchstoßen nach der vorliegenden Erfindung hergestellt, um eine behandelte leitfähige Abgriff-Fläche zu erzeugen. Die leitfähige Abgriff- Fläche wird sodann unter Anwendung der Ultraschallreinigung mit einem Ultraschalltrichter, der eine glatte Oberfläche hat, und mit einem beweglichen Radamboss mit erhöhten Oberflächen freigemacht.
Sodann wird ein einlagiger leitfähiger Abgriff unter Anwendung des Ultraschallschweißens an der freigemachten Fläche angebracht. Das Ultraschallschweißen wird unter Verwendung eines Ultraschallhorns mit erhöhten Oberflächen und eines Ambosses ausgeführt, der über eine glatte Oberfläche verfügt. Unter Anwendung des konventionellen Widerstandsschweißens wird ein doppe-llagiger leitfähiger Abgriff an einer zweiten Reihe von Elektrodenplatten angebracht, die entsprechend der vorstehenden Beschreibung hergestellt wurden.
Die Festigkeit der Abgriffschweißungen wird unter Anwendung des Standard-Zugversuches auf Lloyd-Instrumenten, Model LRX, "Pulltester", gemessen. Der Test wird ausgeführt, indem das eine Ende der Prüfvorrichtung an dem leitfähigen Abgriff eingespannt wird und das andere Ende an der Unterseite der Elektrodenplatte. Die Klemmen werden sodann in entgegengesetzten Richtungen mit einer Geschwindigkeit von 5 mm pro Minute so weit gezogen, bis die Verbindung zwischen dem Abgriff und der Elektrodenplatte die maximale Kraft unmittelbar vor dem Schwächerwerden der Schweißung von leitfähigem Abgriff/Substrat erreicht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Es wurde ein Vergleichsbeispiel ausgeführt, indem eine Elektrodenplatte verwendet wurde, die mit Ultraschall freigemacht wurde, ohne einen Durchstoßungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwenden. Es konnte kein einlagiger, leitfähiger Abgriff mit dieser Elektrodenplatte unter Anwendung des Ultraschallschweißens angeschweißt werden, was auf eine Beschädigung des darunterliegenden Substrats und ein unvollständiges Freimachen von aktivem Material von der leitfähigen Abgriff-Fläche zurückzuführen ist. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt. Die jeweilige Probenbezeichnung stellt ein Mittelwertergebnis von 5 Proben von 5 verschiedenen Chargen unter Anwendung identischer Verarbeitungsschritte dar.
Tabelle 1: Zugtest
Die Ergebnisse zeigen eine gleich bleibende Schweißfestigkeit, wenn ein einlagiger leitfähiger Abgriff unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens angebracht wurde. Darüber hinaus liefert das Verfahren der vorliegenden Erfindung Schweißnahtfestigkeiten eines einlagigen Abgriffes/Substrats, die mit denen vergleichbar sind, bei denen Widerstandschweißungen von einem doppellagigen Abgriff/Substrat ausgeführt wurden.
Der leitfähige Abgriff kann durch Widerstandschweißen angebracht werden. In dem ersten Schritt dieses Verfahrens wird die Elektrode vorbehandelt, um die Beschichtung vor dem Freimachen zu lösen. Zum Teil wegen der relativ hohen Dichte des kalandrierten Elektrodenmaterials sind die nachfolgenden Verarbeitungsschritte wirksamer, wenn die Oberfläche der Elektrodenplatte aufgebrochen wurde.
Bezug nehmend auf 3, wird die Elektrodenplatte der Vorbehandlungsstation 10 präsentiert und zwar senkrecht zu den Aufreißspitzen für den Durchstoßungsschritt. Eine der Aufreißspitzen befindet sich auf der Oberseite der Elektrodenoberfläche und der andere darunter. Die Aufreißspitzen sind eine Reihe von einander gegenüberliegenden "Klauen", die die Oberfläche der Elektrode bis zu einer speziellen Tiefe durchstoßen und das Material aufreißen, ohne eine übermäßige Beschädigung an dem Substrat hervorzurufen.
Die vorbehandelte Elektrodenplatte wird einer Ultraschall-Reinigungsstation 20 zugeführt. Die vorbehandelte Platte wird senkrecht zu einer Kombination von Ultraschalltrichter und Amboss angeordnet. Der Spalt zwischen dem Trichter und dem Amboss ist so vorbestimmt, dass die Abmessungen der Elektrodenplatte passen. Die vorbehandelte Platte wird in die Reinigungsstation eingeführt. Es wird eine kleine Fläche freigemacht (z.B. 6 mm × 7 mm), indem die Kombination von Trichter/Amboss quer über die Fläche der Elektrodenplatte gefahren wird, die freigemacht. werden soll, um parallel zu der Elektrode und bis zu einer vorgegebenen Tiefe. Das Reinigen erfolgt durch Ultraschallschwingung für eine voreingestellte Zeitdauer.
Die freigemachte Elektrodenplatte wird an der Verstärkungsstation 30 verstärkt. In einem dreistufigen Prozess wird ein Verstärkungsmaterial aufgebracht. Zuerst wird das Verstärkungsmaterial über einen Faltgreifer angeordnet und auf vorgegebene Länge geschnitten. Das Verstärkungsmaterial wird sodann zu einer V-Form geformt, indem ein Stößel gegen das Material und in die Reihe der Greifer gedrückt wird. Sodann wird das Verstärkungsmaterial über der freigemachten Fläche der Elektrodenplatte angeordnet und mit der Oberfläche der Elektrodenplatte fluchtend zusammengedrückt.
In das Verstärkungsmaterial in den freigemachten Bereich der Elektrodenplatte eingedrückt worden ist, wird das Verstärkungsmaterial mit einer Schweiße an einer Ambossstation 40 ortsfest gemacht. Die Schweiße kann die Abgriffanordnung fester machen und kann den Zusammenhalt zwischen dem Füllstoff und der Elektrodenplatte verbessern. Die Stanzschweiße kann eine Widerstandsschweiße oder eine Ultraschallschweiße sein.
Nach der Verstärkung wird an der Widerstandsschweißstation 50 der leitfähige Abgriff mit der Elektrodenplatte verschweißt. Die Elektrodenplatte wird zu der Schweißstation senkrecht zu den Schweißspitzen geführt. Das kurze Stück des leitfähigen Abgriffmaterials (z.B. 4 mm × 18 mm) wird in die Position über der freigemachten verstärkten Fläche der Elektrodenplatte gebracht. Das Abgriffmaterial wird über der verstärkten Fläche angeordnet und mit Hilfe einer Anlage zum Widerstandsschweißen unter Verwendung von 1 bis 4 Schweißlinsen angeschweißt. Das Widerstandsschweißen kann ausgeführt werden, indem entweder eine direkt schweißende Anlage zur Anwendung kommt (gegenüberliegende Elektroden) oder eine indirekte Schweißanlage (paralleler Spalt). Vor dem Schweißen kann der Abgriff auf die gewünschte Länge geschnitten werden.
Nach dem Schweißen kann man an zwei vorbestimmten Stellen Löcher durch den Abgriff stanzen, um das Biegen während der Montageschritte zu erleichtern. Das Stanzen kann an der Stanzstation 60 ausgeführt werden. Zusätzlich können zwei Stück Band über den Abgriff gelegt werden (z.B. auf jeder Seite der Elektrodenplatte), um diese zu isolieren und nach dem Schließen der Zelle einen Kurzschluss zu verhindern. Das Band kann außerdem der Verbindung von Abgriff/Platte Festigkeit vermitteln. Das Band kann auf der Bandwickelstation 70 aufgebracht werden.
Alternativ ließe sich der leitfähige Abgriff mit Hilfe des Ultraschweißens anbringen. Bezug nehmend auf 4 wird die Elektrodenplatte der Vorbehandlungsstation 10 zugeführt, um die Oberfläche der Elektrodenplatte zu durchstoßen. Die vorbehandelte Elektrodenplatte wird der Ultraschall-Reinigungsstation 20 zugeführt und eine kleine Fläche freigemacht (z.B. 6 mm × 7 mm). Die freigemachte Elektrodenplatte wird an der Verstärkungsstation 30 beispielsweise in einem dreistufigen Prozess verstärkt.
Nach der Verstärkung wird an der Elektrodenplatte an der Ultraschallschweißstation 80 ein leitfähiger Abgriff angeschweißt. Die Ultraschallschweißanlage besteht aus einer Kombination von Trichter und Amboss, die auf einen optimierten Spalt eingestellt ist und das Schweißen durch Vibration ausführt. Die Elektrodenplatte wird der Schweißstation senkrecht zu dem Trichter und dem Amboss zugeführt. Ein kurzes Stück des leitfähigen Abgriffmaterials (z.B. 4 mm × 18 mm) wird in die Position über der freigemachten verstärkten Fläche der Elektrodenplatte gebracht. Der Trichter wird eingeschaltet, um das Material zu komprimieren und es unter Anwendung von Ultraschall ortsfest zu schweißen.
Nach dem Schweißen lassen sich in den Abgriff an der Stanzstation 60 Löcher stanzen, während an der Bandwickelstation 70 Band aufgebracht werden kann.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen, nicht aber einschränken.
Beispiel 1
Es wurden drei Gruppen von Elektroden konstruiert. Die Elektroden der Gruppe 1 wurden aus einem Retec-Schaumstoff (Bridgestone-Präkursor) hergestellt und enthielten keinen verstärkenden Schaumstoff. Die Elektroden der Gruppe 2 wurden aus Katayama-Schaumstoff hergestellt und enthielten keinen verstärkenden Schaumstoff. Die Elektroden der Gruppe 3 wurden aus einem Katayama-Schaumstoff hergestellt. Die Elektroden der Gruppe 3 wurden freigemacht, mit einem Stück 420 Retec-Schaumstoff mit 5,5 mm × 16 mm verstärkt widerstandgeschweißt und der Abgriff widerstandgeschweißt.
Von jeder der Gruppen 1, 2 und 3 wurden zwölf Elektroden hinsichtlich der Impedanz und der Zugfestigkeit des Abgriffes getestet. Die Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Chatillion-Kraftmessdose bestimmt. Die Trenngeschwindigkeit wurde bei 5 mm/min eingestellt und die Kraft in Kilogramm aufgezeichnet. Die Prüfung der Impedanz wurde unter Verwendung eines Impedanz-Messgerätes HF4338A und einer Vorrichtung ausgeführt. Die Impedanz wurde in Milliohrn aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Nichtverstärkte Elektroden (Gruppe 1 und 2) hatten eine höhere Impedanz und geringere Zugfestigkeiten als verstärkte Elektroden (Gruppe 3).
Tabelle 2
Beispiel 2
Es wurden acht Gruppen von zwanzig Elektroden (Gruppen A bis H) konstruiert und getestet. Die Elektroden wurden vorbehandelt und mit Ultra schallreinigung freigemacht. Die Gruppen A, C, E und G wurden nicht verstärkt. Bei den Gruppen wurde nach dem Reinigen Gruppe B, D, F und H das Schaumstoff-Füllmaterial (16 mm × 5,5 mm) zur Hälfte gefaltet und in die freigemachte Fläche unter Verwendung einer Flachrundzange eingedrückt. Der Abgriff wurde mit der Elektrode unter Anwendung der in Tabelle 3 aufgeführten Ultraschallschweißbedingungen geschweißt.
Tabelle 3
Die Elektroden wurden auf Impedanz und Zugfestigkeit des Abgriffes getestet. Die Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Chatillion-Kraftmessdose bestimmt. Die Trenngeschwindigkeit wurde auf 5 mm/min eingestellt und die Kraft in Kilogramm aufgezeichnet. Die Impedanzprüfung wurde unter Verwendung eines Impedanz-Messgerätes HP4338A und einer Impedanz-Vorrichtung vorgenommen. Die Impedanz wurde in mΩ aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Tabelle 4
Generell erreichten die mit Schaumstoff gefüllten Elektroden Zugfestigkeiten, die um etwa das 2- bis 3-fache größer waren als die nicht gefüllten Elektroden. Die Impedanz wurde um einen Faktor von etwa 17% verringert.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenplatte, die eine leitfähige Abgriff-Fläche hat, umfassend die Schritte: (a) Durchstoßen einer Fläche einer Elektrodenplatte mit einander gegenüberliegenden Dornenplatten, die über erhöhte, versetzte, Durchstoßungsstifte verfügen; (b) Freimachen der resultierenden und durchstoßenen Fläche, um poröses Substrat unter Erzeugung einer leitfähigen Abgriff-Fläche zu exponieren; (c) Verstärken des exponierten porösen Substrats; sowie (d) Anbringen eines leitfähigen Abgriffes an dem verstärkten porösen Substrat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verstärkens das Aufbringen eines verstärkenden Materials über dem exponierten porösen Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Schritt des Verstärkens ferner das Einpressen des verstärkenden Materials in das exponierte poröse Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das verstärkende Material doppellagig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Schritt des Anbringens die Anwendung von Ultraschalltechnik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Ultraschalltechnik ein Ultraschalltrichter einschließt, der über erhöhte Oberflächen verfügt und über einen Amboss mit einer glatten Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Schritt des Anbringens das Widerstandsschweißen einschließt. von Ultraschalltechnik auf das in das exponierte poröse Substrat eingepresste verstärkende Material vor dem Schritt des Anbringens.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Durchstoßens eines Loches in dem leitfähigen Abgriff nach dem Schritt des Anbringens.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Anzapfens des leitfähigen Abgriffes und der leitfähigen Abgrifffläche nach dem Schritt des Anbringens.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Freimachens die Anwendung von Ultraschalltechnik auf den resultierenden Bereich einschließt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Ultraschalltechnik angewendet wird mit Hilfe eines Ultraschalltrichters, der über eine glatte Oberfläche verfügt und über einen Amboss, der über erhöhte Oberflächen verfügt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der leitfähige Abgriff ein einlagiger leitfähiger Abgriff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der leitfähige Abgriff ein doppellagiger leitfähiger Abgriff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das exponierte poröse Substrat verstärkt wird, indem ein verstärkendes Material über dem exponierten porösen Substrat auf zwei Seiten des porösen Substrats aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem in den leitfähigen Abgriff Nickel einbezogen ist.