DE69900175T2 - Bleiakkumulator mit einem gerippten, sackförmigen Separator - Google Patents
Bleiakkumulator mit einem gerippten, sackförmigen SeparatorInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bleiakkumulator, insbesondere zur Verwendung für Kraftfahrzeuge.
- Bei Bleiakkumulatoren für Kraftfahrzeuge ist sowohl eine positive Elektrodenplatte wie eine negative Elektrodenplatte, die jeweils gewonnen werden durch Füllen eines Netzes mit einer Paste aus Aktivmaterial, in einem beutelartigen Trennelement aufgenommen, das aus einer feinporösen Kunstharzfolie bzw. -lage besteht. Mehrere Vertikalrippen sind parallel zueinander auf einer Innenseite des beutelartigen Trennelements gebildet und so angeordnet, das sie sich entlang einer Vertikalachse der Elektrodenplatte erstrecken. Diese Anordnung ist Anlaß dafür, dass eine bestimmte Menge an Elektrolyt um die Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement vorhanden ist, und verhindert, dass die Innenseite des Trennelements sich in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Elektrodenplatte befindet, die in dem Trennelement aufgenommen ist.
- Das beutelartige Trennelement trennt die positive Elektrodenplatte von der negativen Elektrodenplatte und sorgt dafür, dass das Aktivmaterial, das im Laufe des Gebrauchs des Akkumulators vom Gitter herunterfällt, in dem Trennelementbeutel bevorratet wird, wodurch ein elektrischer Kurzschluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode verhindert wird.
- Das Aktivmaterial der positiven Elektrodenplatte erweicht leicht und signifikant und fällt vom Gitter bei wiederholten Lade- und Entladevorgängen im Vergleich zum Aktivmaterial der negativen Elektrodenplatte herunter. Der übliche Aufbau sieht demnach die Aufnahme der positiven Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement vor. Das beutelartige Trennelement, in welchem die positive Elektrodenplatte aufgenommen ist, wirkt vorteilhafterweise dem Herunterfallen des Aktivmaterials der positiven Elektrode selbst dann entgegen, wenn das Aktivmaterial mit einem bestimmten Ausmaß erweicht ist.
- Aufgrund der kürzlich eingeleiteten Bestrebungen, einen Hochleistungsmotor und einen kompakten Akkumulator bereitzustellen, besteht die Gefahr, dass der Motorraum in Kraftfahrzeugen extrem hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Wenn der Akkumulator bei hohen Temperaturen verwendet wird, schreitet die Korrosion des Gitters der positiven Elektrodenplatte fort und beeinträchtigt die Zykluslebensdauer des Akkumulators. Insbesondere dann, wenn eine antimonfreie Blei-Calcium-Zinn- Legierung für das Gitter der positiven Elektrodenplatte und der negativen Elektrodenplatte verwendet wird, um eine Verringerung des Volumens des Elektrolyten unter Hochtemperaturbedingungen zu verhindern, ist die Korrosion des Gitters der positiven Elektrodenplatte ausgeprägt und beeinträchtigt signifikant die Zykluslebensdauer des Akkumulators.
- Ein technischer Vorschlag zur Verhinderung, dass die Zykluslebensdauer des Akkumulators beeinträchtigt wird, sieht eine Erhöhung der Festigkeit des Gitters vor. Die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 5-290857 offenbarte Technik sieht eine Erhöhung der Zinnkonzentration in der Blei- Calcium-Zinn-Legierung vor, die ein aufgeweitetes bzw. vergrößertes Gitter der positiven Elektrodenplatte bildet, wodurch die ausreichende Festigkeit des Gitters sichergestellt wird und die Zykluslebensdauer des Akkumulators verbessert wird. Das aufgeweitete Gitter der positiven Elektrodenplatte verringert den Korrosionsgrad und verbessert die Zykluslebensdauer des Akkumulators. Die positive Elektrodenplatte des erweiterten Gitters, die in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, kann jedoch den Boden des beutelartigen Trennelements durchstoßen und einen Kurzschluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode hervorrufen sowie abrupt die Zykluslebensdauer des Akkumulators beeinträchtigen. Das aufgeweitete Gitter weist einen geringeren Korrosionsgrad auf als das herkömmliche Gitter, weitet jedoch in der speziellen Aufweitungsrichtung aufgrund der Korrosion auf. Dies führt dazu, dass der Boden des Trennelements beschädigt wird. Diejenige Struktur, die ein aufgeweitetes Gitter für die positive Platte anwendet und die positive Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement aufnimmt, in dem die mögliche Korrosion des Gitters unter Hochtemperaturbedingung in Betracht gezogen wird, stellt eine wirksame Gegenmaßnahme zur Erhöhung des Gitters dar. Das Problem dieser Technik besteht jedoch darin, dass das Aufweiten des aufgeweiteten Gitters in der speziellen Aufweitungsrichtung das Trennelement beschädigt, wodurch die Zykluslebensdauer des Akkumulators schlagartig beeinträchtigt wird.
- Ein technischer Vorschlag zur Lösung dieses Problems sieht die Aufnahme der negativen Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement anstelle der positiven Elektrodenplatte vor, die aus dem aufgeweiteten Gitter hergestellt ist. Diese Anordnung verhindert, dass die positive Elektrodenplatte den Boden des beutelartigen Trennelements beschädigt; sie ruft jedoch ein anderes Problem hervor, d. h., das Herunterfallen des Aktivmaterials von dem aufgeweiteten Gitter der positiven Elektrodenplatte. Bei der herkömmlichen Struktur fällt das erweichte Aktivmaterial der positiven Elektrode nacheinander in kleinen Mengen vom Gitter herunter. Mit dieser vorgeschlagenen Struktur fällt andererseits das Aktivmaterial der positiven Elektrode, die in einem Gitter enthalten ist, zu beiden Seiten der positiven Elektrodenplatte gleichzeitig herunter.
- Dies ist auf die Eigenschaft zurückzuführen, demnach das aufgeweitete Gitter der positiven Elektrodenplatte in der speziellen Aufweitungsrichtung aufgeweitet wird, und dass das aufgeweitete Gitter weder auf der linken noch auf der rechten Seite den Rahmen aufweist. Diese Eigenschaft veranlasst keinerlei signifikantes Problem bei der herkömmlichen Struktur, bei welcher die positive Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist. In dem vorgeschlagenen Bleiakkumulator, in welchem die negative Elektrodenplatte anstelle der positiven Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, beeinträchtigt jedoch das Herunterfallen des Aktivmaterials signifikant den Lebensdauerzyklus des Akkumulators. Dieses Phänomen ist besonders ausgeprägt unter Bedingungen mit starker Vibration, wie beispielsweise in Freizeitfahrzeugen, die weit verbreitet sich im Einsatz befinden.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, zu verhindern, dass Aktivmaterial von einer positiven Elektrodenplatte herunterfällt, und den Lebensdauerzyklus des Bleiakkumulators unter Bedingungen mit starker Vibration zu verbessern, wobei der Bleiakkumulator die positive Elektrodenplatte aufweist, die ein aufgeweitetes Gitter enthält, und eine negative Elektrodenplatte, die in einem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist.
- Die vorliegende Erfindung ist auf einen Bleiakkumulator gerichtet, aufweisend ein Zusammenstellelement, das mehrere positive Elektrodenplatten und negative Elektrodenplatten umfasst, die abwechselnd übereinander angeordnet sind, wobei jede negative Elektrodenplatte in einem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, wobei das Trennelement bereitgestellt ist durch Falten einer feinen porösen Kunstharzfolie und durch Abdichten linker und rechter Überlappungsseiten der gefalteten Folie zur Erstellung einer beutelartigen Form, wobei das Trennelement mehrere Vertikalrippen aufweist, die parallel zueinander auf einer Außenseite des Trennelements gebildet sind, und die in einem zentralen Abschnitt des Trennelements angeordnet sind, der den größten Teil seiner Breite einnimmt, wobei das Trennelement außerdem Bereiche mit kleinen Rippen aufweist, die sich entlang der Längserstreckung des beutelartigen Trennelements erstrecken, und die auf linken und rechten Seiten von ihm angeordnet sind, wobei jeder der Bereiche kleiner Rippen eine große Anzahl von kleinen Rippen umfasst, welche ein linkes und ein rechtes Seitenende der positiven Elektrodenplatte schneiden.
- In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die positive Elektrodenplatte ein Gitter, welches im wesentlichen keinen vertikalen Rahmen aufweist, und eine Paste aus Aktivmaterial, die auf das Gitter aufgetragen ist.
- Es ist bevorzugt, dass eine Gitterbreite des Gitters nicht größer ist als das 1,4-fache der Breite von jedem kleinen Rippenbereich.
- In Übereinstimmung mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellen einige oder sämtliche Enden der kleinen Rippe auf der zentralen Seite des Trennelements Fortsetzungen zu den anschließenden vertikalen Rippen dar.
- In Übereinstimmung mit noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jede der kleinen Rippen so angeordnet, dass ihre Längsachse zur Horizontalen geneigt verläuft.
- In Übereinstimmung mit noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die positive Elektrodenplatte ein aufgeweitetes Gitter aus einer Blei- Calcium-Zinn-Legierung und eine Paste aus Aktivmaterial, das auf das aufgeweitete Gitter aufgetragen ist.
- Es ist bevorzugt, dass der Zinngehalt in der Blei-Calcium- Zinn-Legierung von 0,7 bis 2,2 Gew.-% reicht.
- Außerdem ist bevorzugt, dass der Calciumgehalt in der Blei- Calcium-Zinn-Legierung von 0,05 bis 0,09 Gew.-% reicht.
- Während die neuartigen Merkmale der Erfindung im einzelnen in den anliegenden Ansprüchen ausgeführt sind, lässt sich die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus wie ihres Inhalts besser zusammen mit ihren Aufgaben und Merkmalen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstehen und würdigen.
- Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines beutelartigen Trennelements gemäß einer Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer Anordnung des Trennelements und der Elektrodenplatten.
- Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht eines Gitters einer positiven Elektrodenplatte.
- Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Hauptteils des Gitters.
- Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht eines weiteren beutelartigen Trennelements gemäß einer weiteren Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 6 zeigt eine Kurvendarstellung der Lebensdauereigenschaften von Akkumulatoren von Beispielen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und mit Vergleichsbeispielen.
- Fig. 7 zeigt eine Kurvendarstellung der Lebensdauereigenschaften der Akkumulatoren der Beispiele in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsbeispiele unter einer Vibrationsbedingung.
- Fig. 8 zeigt eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Zinngehalt in der Legierung, die für das Gitter der positiven Elektrodenplatte angewendet wird und dem Lebensdauerzyklus in Bezug auf die Akkumulatoren unter Verwendung unterschiedlicher Trennelemente.
- Fig. 9 zeigt eine Vorderansicht eines Trennelements gemäß dem Stand der Technik.
- Fig. 10 zeigt eine Draufsicht eines Zustands, in welchem eine positive Elektrodenplatte in dem Trennelement von Fig. 9 aufgenommen ist.
- Es wird bemerkt, dass einige oder sämtliche der Figuren schematische Darstellungen zu Erläuterungszwecken sind und nicht notwendigerweise die tatsächlichen Relativgrößen und Stellen des gezeigten Elements darstellen.
- Fig. 1 zeigt ein beutelartiges Trennelement 1, das für einen Bleiakkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das beutelartige Trennelement 1 ist ein Beutel mit einer oberen Öffnung und es wird bereitgestellt durch Falten einer feinporigen Polyethylenfolie in zwei Teile und Verbinden der linken und rechten Seiten 1a und 1b mit einer mechanischen Dichtung. Eine negative Elektrodenplatte 2 ist in dem beutelartigen Trennelement 1 aufgenommen. Mehrere Vertikalrippen 3 sind parallel zueinander auf einem zentralen Abschnitt einer Außenseite des beutelartigen Trennelements 1 gebildet. Kleine Rippenbereiche 5 sind in Positionen entsprechend den linken und rechten Seitenenden 4a und 4b einer positiven Elektrodenplatte 4 (strichliert gezeigt) auf der Außenseite des beutelartigen Trennelements 1 gebildet. Jeder kleine Rippenbereich 5 erstreckt sich entlang der Längserstreckung des beutelartigen Trennelements 1 und umfasst eine große Anzahl von kleinen Rippen 5a, welche das linke Seitenende 4a oder das rechte Seitenende 4b der positiven Elektrodenplatte 4 schneiden.
- Wie in Fig. 3 gezeigt, umfasst die positive Elektrodenplatte 4 ein aufgeweitetes Gitter 6 und ein Aktivmaterial, das in dieses gefüllt ist. Das aufgeweitete Gitter 6 ist durch seinen Herstellungsprozess rahmenfrei. Das Aktivmaterial, das in dem speziellen Bereich 8b vorliegt, der durch einen Gitterdraht 7 im Bereich des linken oder rechten Seitenendes des aufgeweiteten Gitters 6 umgeben ist, neigt dazu, leichter herunterzufallen als das Aktivmaterial, das im anderen Bereich 8a vorliegt, der durch den Gitterdraht 7 umgeben ist. Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert wirksam, dass Aktivmaterial in dem speziellen Bereich ohne weiteres herunterfällt. Das aufgeweitete Gitter 6 besteht bevorzugt aus einer Blei-Calcium-Zinn-Legierung, die 0,7 bis 2,2 Gew.-% Zinn enthält, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung deutlich zu erhalten.
- Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer Anordnung des Trennelements und der Elektrodenplatten in dem Bleiakkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung. Die negative Elektrodenplatte 2 ist in dem beutelartigen Trennelement 1 aufgenommen. Die Vertikalrippen 3 sind auf dem zentralen Abschnitt der Außenseite des beutelartigen Trennelements 1 gebildet. Die positive Elektrodenplatte 4 ist zwischen den beiden beutelartigen Trennelementen 1 angeordnet und durch die Vertikalrippen 3 und die kleinen Rippenbereiche 5 auf den Trennelementen 1 getragen. Die kleinen Rippen 5a sind so angeordnet, dass sie die linken und rechten Seitenenden 4a und 4b der positiven Elektrodenplatte 4 derart schneiden, dass sie das Aktivmaterial in den speziellen Bereichen 8b tragen, die durch den Gitterdraht 7 umgeben sind. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass das Aktivmaterial herunterfällt und den Lebensdauerzyklus des Akkumulators beeinträchtigt, was bei der Struktur gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
- Wie in Fig. 4 gezeigt, wird das aufgeweitete Gitter 6 in typischer Weise hergestellt durch Schneiden von Schlitzen in Zick-Zack-Anordnung auf einem Bleilegierungsblech in dessen Seitenrichtung und durch Aufweiten des Bleilegierungsblechs in der vertikalen Richtung. Die Gitterbreite p ist größer als die Gitterlänge d, um wirksam zu verhindern, dass das Aktivmaterial von den speziellen Bereichen 8b herunterfällt, die durch den Gitterdraht auf den linken und rechten Seitenenden des aufgeweiteten Gitters nicht umgeben sind, ist bevorzugt, dass die Breite w des kleinen Gitterbereichs 5 einen Überlappungsteil von zumindest p/2 aufweist, der das Seitenende der positiven Elektrodenplatte überlappt.
- Aus diesem Gesichtspunkt ist bevorzugt, dass die kleinen Rippen 5a so angeordnet sind, dass sie sich nicht in direktem Kontakt mit der Vertikalrippe 3 befinden. Wenn die kleinen Rippen 5a sich in Kontakt mit der Vertikalrippe 3 befinden, wird zwischen den kleinen Rippen 5a und der Vertikalrippe 3 ein Damm gebildet, der die Strömung eines Elektrolyten blockiert und die Diffusion des Elektrolyten in der vertikalen Richtung stört. Um eine ausreichende Diffusion des Elektrolyten sicherzustellen, ist bevorzugt, dass die kleinen Rippen 5a von der Vertikalrippe 3 beabstandet sind.
- Aus einem anderen Gesichtspunkt ist andererseits bevorzugt, dass die kleinen Rippen 5a eine Fortsetzung der Vertikalrippe 3 darstellen bzw. eine Verlängerung derselben. Diese Anordnung der kleinen Rippen 5a als Fortsetzung der Vertikalrippe 3 verhindert wirksam, dass die Seite des einen Trennelements in den Freiraum zwischen die kleinen Rippen 5a und die Vertikalrippe 3 auf einem anschließenden Trennelement beim Prozeß, eine größere Anzahl von Trennelementen übereinander zu verlegen, eindringt, in denen negative Elektrodenplatten aufgenommen sind. Diese Anordnung verhindert außerdem, dass das Beitenende einer positiven Elektrodenplatte in einen Freiraum zwischen den kleinen Rippen 5a und der Vertikalrippe 3 auf einem sich anschließenden Trennelement bei dem Prozeß eindringt, eine Gruppe von Elektrodenplatten bereitzustellen. Die kontinuierliche Anordnung bzw. die ineinander übergehende Anordnung erhöht die Festigkeit gegenüber der Expansion und Kontraktion aufgrund von Schwingungen. Aus diesen Gesichtspunkten und wie in Fig. 1 strichliert gezeigt, ist bevorzugt, dass ein Teil der kleinen Rippen 5a, beispielsweise mit einer Rate von einer pro fünf kleinen Rippen durchgehend ausgebildet sind mit einer sich anschließenden Vertikalrippe.
- Das beutelartige Trennelement wird hergestellt durch Falten einer Trennelementfolie in zwei Teile. Wenn kleine Rippen angeordnet bzw. vorgesehen sind, um in einer speziellen Richtung auf dem Trennelement geneigt zu verlaufen, verlaufen die kleinen Rippen auf einer Seite des beutelartigen Trennelements in einer anderen Richtung geneigt als die kleinen Rippen auf der anderen Seite des beutelartigen Trennelements. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass die kleine Rippe auf einem Trennelement in den Raum zwischen den kleinen Rippen auf einem sich anschließenden Trennelement im Laufe des Prozesses der Übereinanderverlegung der großen Anzahl von Trennelementen eindringt, in denen die negativen Elektrodenplatten aufgenommen sind. Dadurch kann eine große Anzahl von Trennelementen in der Vertikalrichtung problemlos positioniert werden.
- Das Zusammenstellungselement, das erhalten wird durch Übereinanderverlegen der negativen Elektrodenplatten 2, die in dem beutelartigen Trennelement 1 aufgenommen sind, und der positiven Elektrodenplatten 4, wird in ein Akkumulatorgehäuse eingesetzt. Ein Bleiakkumulator wird durch ein bekanntes Verfahren durch folgende Prozesse fertiggestellt: Erstellen einer Verbindung zwischen Zellen, Schweißen eines Deckels auf das Akkumulatorgehäuse, Anschweißen von Anschlüssen und Bilden einer Ladung.
- Das Zusammenstellungselement befriedigt die Ungleichung m ≤ n, wobei m und n jeweils die Anzahl an negativen Elektroden und die Anzahl an positiven Elektroden bezeichnen, die in dem Zusammenstellungselement enthalten sind. Diese Anordnung verringert die erforderliche Anzahl an Trennelementen und verringert vorteilhafterweise die Herstellungskosten des Akkumulators.
- Fig. 5 zeigt ein beutelartiges Trennelement 11 gemäß einer weiteren Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Trennelement 11 weist eine linke Seite 11a und eine rechte Seite 11b auf, die mit einer mechanischen Dichtung verbunden sind. Die negative Elektrodenplatte 2 ist in dem beutelartigen Trennelement 11 aufgenommen. Mehrere Vertikalrippen 13 sind auf einem zentralen Abschnitt einer Außenseite des beutelartigen Trennelements 11 angeordnet. Kleine Rippenbereiche bzw. Bereiche mit kleinen Rippen 15, die sich entlang der Längserstreckung des Trennelements 11 erstrecken und eine große Anzahl von kleinen Rippen 15a umfassen, sind auf den linken und rechten Seiten des Trennelements 11 gebildet. Bei dem Beispiel von Fig. 1 verlaufen die kleinen Rippen 5a geneigt und bilden keine Fortsetzungen der anschließenden Vertikalrippen. In dem Beispiel von Fig. 5 verlaufen die kleinen Rippen 15a andererseits senkrecht zu sowie als Fortsetzung der sich anschließenden Vertikalrippen 13a und 15b.
- Ein aufgeweitetes Gitter, bestehend aus Pb 0,08 Gew.-% Ca-1,25 Gew.-% Sn-Legierung und ein aufgeweitetes Gitter, bestehend aus einer Pb-0,08 Gew.-% -Ca-0,25 Gew.-% Sn-Legierung wurden jeweils für eine positive Elektrodenplatte und eine negative Elektrodenplatte verwendet. Jedes aufgeweitete Gitter wurde hergestellt durch Schneiden von Schlitzen in Zick-Zack- Anordnung auf einem bzw. in ein Blech, das hergestellt wurde durch Kaltwalzen einer Walzplatte aus der Legierung in mehreren Stufen in der Walzrichtung und Aufweiten des Blechs in einer Richtung senkrecht zu den Schlitzen. Eine Paste aus Aktivmaterial wurde zubereitet durch Zusetzen von Wasser und verdünnter Schwefelsäure zu einer Mischung aus metallischem Bleipulver und Bleioxidpulver und Kneten der Mischung. Das aufgeweitete Gitter wurde mit der Paste aus Aktivmaterial befüllt, gehärtet und getrocknet, um die positive Elektrodenplatte und die negative Elektrodenplatte zu erzeugen. Ligninsulfonatnatriumsalz und Bariumsulfat als schrumpfbeständige Reagenzien sowie Kohlenstoffpulver als weiteres Additiv wurden mit der Paste aus Aktivmaterial für die negative Elektrodenplatte gemischt. Die Breite p und die Länge d des Gitters in dem aufgeweiteten Gitter betrugen 11 mm bzw. 8 mm.
- Ein in Fig. 1 gezeigtes beutelartiges Trennelement wurde bereitgestellt durch Falten einer feinporösen Polyethylenfolie einer Dicke von 0,2 mm mit Vertikalrippen und kleinen Rippen in zwei mechanisch abgedichteten linken und rechten Seiten mit einer Breite von 2,5 mm unter Pressung zwischen einem Paar von im Eingriff miteinander stehenden Zahnrädern. Das beutelartige Trennelement hatte eine Länge von 121 mm und eine Breite von 152 mm. Die Vertikalrippen 3 hatten Trapezform mit einer Oberseite von 0,3 mm, einer Unterseite von 0,8 mm und einer Höhe von 0,9 mm, und sie waren mit einem Abstand von 9,8 mm angeordnet. Die kleinen Rippen 5a hatten Halbkreisform mit einem Radius von 0,2 mm und sie waren mit einem Abstand von 1 mm angeordnet. Die Breite w des kleinen Rippenbereichs 5 bzw. des Bereichs aus kleinen Rippen betrug 12 mm. Die kleinen Rippen 5a waren ungefähr 45º zur Horizontalen geneigt.
- Sechs negative Elektrodenplatten, jeweils aufgenommen in den beutelartigen Trennelementen und fünf positive Elektrodenplatten wurden abwechselnd übereinander verlegt, um ein Zusammenstellelement zu bilden. Das Zusammenstellelement wurde in ein Ein-Block-Akkumulatorgehäuse eingesetzt, in welchem sechs Zellen in Reihe geschaltet sind, und ein Bleiakkumulator mit einer Spannung von 12 V und einer Nominalkapazität von 48 Ah wurde hergestellt durch das bekannte Verfahren. Die Elektrodenplatten hatten eine Länge von 114,5 mm und eine Breite von 137,5 mm.
- Ein Akkumulator A wurde als Beispiel gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gewonnen.
- Akkumulatoren B, C, D und E wurden als Vergleichsbeispiel hergestellt.
- Ein beutelartiges Trennelement 21 wurde zubereitet durch Falten einer Trennelementfolie in zwei Teile und Verbinden der rechten und linken Seiten 21a und 21b mit einer mechanischen Dichtung, wie in Fig. 9 und 10 gezeigt. Vertikalrippen 23 mit denselben Abmessungen wie die vorstehend genannten Vertikalrippen 3 wurden mit einem Abstand von 9,8 mm auf der Innenseite des beutelartigen Trennelements 21 gebildet. Ein Gussgitter, bestehend aus einer Pb-0,08 Gew.-% Ca-0,25 Gew.-% Sn- Legierung wurde für die positive Elektrodenplatte 4 aufgetragen, die in dem beutelartigen Trennelement 21 aufgenommen war. Die positiven Elektrodenplatten, die in den beutelartigen Trennelementen jeweils aufgenommen sind, und die negativen Elektrodenplatten wurden abwechselnd übereinander verlegt, um ein Zusammenstellelement zu bilden. Der übrige Aufbau des Akkumulators B entspricht demjenigen des Akkumulators A.
- Der Akkumulator C wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator B, mit der Ausnahme, dass das Gussgitter ersetzt war durch ein aufgeweitetes Gitter, bestehend aus derselben Legierung.
- LO Der Akkumulator D wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator B, mit der Ausnahme, dass das Gussgitter ersetzt war durch ein aufgeweitetes Gitter, bestehend aus einer Pb-0,08 Gew.-% Ca-1,25 Gew.-% Sn-Legierung.
- Der Akkumulator E wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator A, mit der Ausnahme, dass das beutelartige Trennelement Vertikalrippen auf seiner Außenseite, jedoch keine kleine Rippen aufweist.
- Ein Zykluslebensdauertest in Übereinstimmung mit JIS D5301 wurde ausgeführt unter Vibrationsbedingungen bei 75ºC in Bezug auf die Akkumulatoren A, B, C, D und E. Die Vibrationsbedingungen waren die folgenden: Mehrfach-Amplituden von 2, 3 bis 2,5 mm, Beschleunigung von 9,8 m/s² und wiederholte Vibrationen für 1 Stunde in Aufwärts- und Abwärtsrichtung, für 1 Stunde in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung und für 1 Stunde in Links- und Rechtsrichtung. Zu Vergleichszwecken wurde der Zykluslebensdauertest ohne jegliche Vibrationen ausgeführt.
- Im folgenden ist der Zykluslebensdauertest in Übereinstimmung mit JIS D5301 erläutert. Ein Zyklus umfasst ein Entladen des Akkumulators mit einem Entladestrom von 25 A für 4 Minuten und ein darauffolgendes Laden des Akkumulators mit einer Ladespannung von 14,8 V (maximaler Strom: 25 A) für 10 Minuten. Der Akkumulator wurde für 56 Stunden nach 480 Zyklen ruhen gelassen und kontinuierlich mit einem Referenzstrom von 356 A für 30 Sekunden entladen. Die Spannung wurde nach der 30- Sekunden-Entladung gemessen. Nach der Messung wurde der Akkumulator unter denselben Bedingungen wie vorstehend genannt geladen. Diese Prozedur wird wiederholt und die Zykluslebensdauer des Akkumulators wird festgelegt als die Anzahl von Zyklen, wenn die nach der 30-Minuten-Entladung gemessene Spannung 7,2 V einnimmt. Gereinigtes Wasser wurde dem Elektrolyten in Übereinstimmung mit den Vorgaben zugesetzt, da das Volumen des Elektrolyten während des Tests abgenommen hatte.
- Die Kurve von Fig. 6 zeigt die Ergebnisse des Zykluslebensdauertests ohne jegliche Vibrationen. Der Akkumulator A gemäß der vorliegenden Erfindung und der Akkumulator E gemäß dem Vergleichsbeispiel hatte bessere Zykluslebensdauereigenschaften als die Akkumulatoren B, C und D gemäß den Vergleichsbeispielen. In dem Akkumulator B gemäß dem Vergleichsbeispiel mit der schlechtesten Zykluslebensdauer korridierte das Gitter der positiven Elektrodenplatte in extremem Ausmaß und besaß nicht mehr die ursprüngliche Form. In dem Akkumulator C gemäß dem Vergleichsbeispiel korridierte die positive Elektrodenplatte ebenfalls um ein signifikantes Ausmaß. In dem Akkumulator D gemäß dem Vergleichsbeispiel erfuhr das aufgeweitete Gitter der positiven Elektrodenplatte eine Aufweitung in der Aufweitungsrichtung (entsprechend der Länge der positiven Elektrodenplatte), wodurch ein Loch im Boden des beutelartigen Trennelements hervorgerufen wurde. Die positive Elektrode befand sich demnach in Kontakt mit der negativen Elektrode und verursachte Kurzschluss. Wie deutlich aus der Veränderung der Spannung des Akkumulators D hervorgeht, trat der Kurzschluss schlagartig auf. Dies bedeutet, dass der Akkumulator schlagartig beim tatsächlichen Einsatz in einem nicht gebrauchsfähigen Zustand verfällt. Wenn dieses Problem in einem Akkumulator auftritt, der in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, stoppt dieses schlagartig. Dies ist extrem unangenehm für den Fahrer des Kraftfahrzeugs. Der Akkumulator C zeigte im wesentlichen keine Beschädigung im Boden des Trennelements im Gegensatz zu dem Akkumulator D. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Korrosion um ein signifikantes Ausmaß deutlich die Festigkeit des Gitters verringert, bevor das Gitter aufweitet und das Trennelement beschädigt, und es wird demnach keine zu Beschädigung des Trennelements führende große Spannung erzeugt.
- Eine Erhöhung der Zinnkonzentration in der Legierung, die für das Gitter der positiven Elektrodenplatte verwendet wird, die in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, erhöht die Festigkeit des Gitters und verbessert die Zykluslebensdauer des Akkumulators. Die erhöhte Zinnkonzentration erhöht andererseits die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Bodens des Trennelements und ruft eine schlagartige Störung des Akkumulators hervor.
- Die Kurve von Fig. 7 zeigt die Ergebnisse des Zykluslebensdauertests unter den vorstehend angesprochenen Vibrationsbedingungen. Die Ergebnisse von Fig. 7 zeigen, dass die Zykluslebensdauer in Bezug auf die Batterien B, C und D im Vergleich zu dem Fall geringfügig beeinträchtigt war, dass keinerlei Vibrationen vorliegen. Der Akkumulator E des Vergleichsbeispiels war deutlicher beeinträchtigt durch die Vibrationen als die Akkumulatoren B bis D, und sie zeigten eine deutliche Verringerung der Zykluslebensdauer. Der Akkumulator E wurde zerlegt, um die Ursache für diese deutlich beeinträchtigte Zykluslebensdauer zu ermitteln. Das Aktivmaterial war von den speziellen Bereichen heruntergefallen, welche nicht durch den Gitterdraht umgeben waren, auf den linken und rechten Seitenenden der positiven Elektrodenplatte. Der Akkumulator A gemäß der vorliegenden Erfindung zeigte hervorragende Zykluslebensdauereigenschaften im Vergleich zu den Akkumulatoren gemäß den Vergleichsbeispielen. Der Akkumulator A wurde ebenfalls zerlegt. Der Hauptfaktor für die beeinträchtigte Zykluslebensdauer dieses Akkumulators war das übliche Erweichen des Aktivmaterials der positiven Elektrode. Es lag im wesentlichen kein Herunterfallen des Aktivmaterials vor, das bei dem Akkumulator E beobachtet wurde. Es wird davon ausgegangen, dass die kleinen Rippen, die auf den linken und rechten Seiten der Außenseite des beutelartigen Trennelements gebildet waren, verhindern, dass das Aktivmaterial herunterfällt.
- Der Akkumulator A gemäß dem Beispiel 1 und die Akkumulatoren B bis E der Vergleichsbeispiele wurden einem Hochlast- Zyklusklebensdauertest unter den in Beispiel 1 angesprochenen Vibrationsbedingungen unterworfen, während der Zinngehalt in der Legierung variiert wurde, die für das Gitter der positiven Elektrodenplatte verwendet wurde. Die Kurvendarstellung von Fig. 8 zeigt die Ergebnisse des Tests. Der Akkumulator A gemäß der vorliegenden Erfindung zeigte eine deutliche Verbesserung der Zykluslebensdauer, wenn der Zinngehalt in der Legierung, die für das Gitter der positiven Elektrodenplatte verwendet wurde, nicht mehr als 0,7 Gew.-% betrug, im Vergleich zu den Akkumulatoren gemäß den Vergleichsbeispielen. Insbesondere dann, wenn der Zinngehalt der Legierung 0,9 Gew.-% betrug, war die Zykluslebensdauer des Akkumulators A auf 3100 Zyklen verlängert, und die Zykluslebensdauer des Akkumulators E war auf 2400 Zyklen verlängert. Es ist deshalb bevorzugt, dass der Zinngehalt in der Legierung nicht weniger als 0,9 Gew.-% beträgt. Wenn der Zinngehalt in der Legierung für das Gitter der positiven Elektrodenplatte weniger als 0,7 Gew.-% betrug, war die Zykluslebensdauer des Akkumulators A nicht deutlich unterschiedlich von der Zykluslebensdauer des Akkumulators D des Vergleichsbeispiels (in welchem die positive Elektrodenplatte in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen war). In diesem Bereich der Zinnkonzentration besitzt das Gitter der positiven Elektrodenplatte geringe Festigkeit und beschädigt nicht den Boden des beutelartigen Trennelements, in welchem die positive Elektrodenplatte aufgenommen ist. Der Aufweitungsvorgang erfordert, dass der Zinngehalt in der Legierung, die für das Gitter der positiven Elektrodenplatte verwendet wird, nicht größer als 2,2 Gew.-% ist. Wenn der Zinngehalt in der Legierung 2,2 Gew.-% übersteigt, können an den Verbindungsstellen des Gitterdrahts beim Aufweitungsvorgang Risse auftreten. Dies kann die Wahrscheinlichkeit zur Beeinträchtigung der Zykluslebensdauer des Akkumulators erhöhen.
- Wie in Fig. 5 gezeigt, wurde ein beutelartiges Trennelement hergestellt durch Falten einer feinen porösen Polyethylenfolie in zwei Teile und Verbinden der linken und rechten Seiten mit einer mechanischen Dichtung. Vertikalrippen mit trapezförmigem Querschnitt und denselben Abmessungen wie in Fig. 1 wurden auf der Außenseite dieses Trennelements angeordnet. Eine große Anzahl von kleinen Rippen mit einem halbkreisförmigen Querschnitt von 0,2 mm Radius und einer Länge von 8 mm (d. h., die Breite des kleinen Rippenbereichs betrug ebenfalls 8 mm) waren mit einem Abstand von 1 mm auf den linken und rechten Seiten des Trennelements angeordnet. Die jeweiligen Enden der kleinen Rippe auf der zentralen Seite des Trennelements bildeten Fortsetzungen mit einer anschließenden Vertikalrippe.
- Eine negative Elektrodenplatte, die in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen war (nachfolgend ist dieses als Trennelement "d" bezeichnet), wurde gewonnen durch Füllen einer Paste aus Aktivmaterial in ein aufgeweitetes Gitter, das aus einem aufgerollten Blech aus einer Pb-0,07 Gew.-% Ca-0,2 Gew.-% Sn-Legierung bestand.
- Die positive Elektrodenplatte wurde zubereitet durch Füllen einer Paste aus Aktivmaterial in ein Gussgitter, das aus einer Pb-0,07 Gew.-% Ca-1,2 Gew.-% Sn-Legierung bestand.
- Sechs negative Elektrodenplatten wurden jeweils in den beutelartigen Trennelementen aufgenommen und fünf positive Elektrodenplatten wurden abwechselnd übereinander verlegt, um ein Zusammenstellelement zu bilden. Ein Bleiakkumulator für ein Kraftfahrzeug wurde daraufhin in derselben Weise erstellt wie in Beispiel 1.
- Der Akkumulator gemäß Beispiel 3-2 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-1, mit der Ausnahme, dass das verwendete Trennelement kleine Rippen einer Länge von 5,0 mm (nachfolgend als das Trennelement "c" bezeichnet) aufwies, und dass das aufgeweitete Gitter für die positive Elektrodenplatte verwendet wurde.
- Der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-3 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-1, mit der Ausnahme, dass für die positive Elektrodenplatte ein aufgeweitetes Gitter verwendet wurde.
- Der Akkumulator gemäß Beispiel 3-4 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-2, mit der Ausnahme, dass das verwendete Trennelement kleine Rippen einer Länge von 5,0 mm aufwies, die von der sich anschließenden Vertikalrippe ungefähr 3,0 mm beabstandet war (im folgenden wird dieses als Trennelement "e" bezeichnet).
- Die Akkumulatoren gemäß den Vergleichsbeispielen wurden wie folgt hergestellt:
- Der Akkumulator gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-1, mit der Ausnahme, dass das verwendete Trennelement keinerlei Vertikalrippen oder kleine Rippen aufwies (nachfolgend wird dieses als Trennelement "a" bezeichnet).
- Der Akkumulator gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Beispiel 3-1, mit der Ausnahme, dass das verwendete Trennelement Vertikalrippen, jedoch keine kleinen Rippen aufwies (nachfolgend wird dieses als Trennelement "b" bezeichnet).
- Der Akkumulator gemäß dem Vergleichsbeispiel 3 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Vergleichsbeispiel 1, mit der Ausnahme, dass für die positive Elektrodenplatte ein aufgeweitetes Gitter verwendet wurde.
- Der Akkumulator gemäß dem Vergleichsbeispiel 4 wurde in derselben Weise hergestellt wie der Akkumulator gemäß dem Vergleichspiel 2, mit der Ausnahme, dass ein aufgeweitetes Gitter für die positive Elektrodenplatte verwendet wurde.
- Die Tabelle 1 zeigt die Konstruktionen der jeweiligen Akkumulatoren. Tabelle 1
- Der Zykluslebensdauertest wurde unter den im Beispiel 1 unter Bezug auf die Akkumulatoren "a" bis "h" in Tabelle 1 angesprochenen Bedingungen ausgeführt. Die Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Zykluslebensdauertests. Die Zykluslebensdauer in Tabelle 2 ist spezifiziert als Index relativ zur Zykluslebensdauer des Akkumulators "a", der mit 100 gewählt ist. Tabelle 2
- Wie Tabelle 2 gezeigt, zeigten die Akkumulatoren "c", "f", "g" und "h" gemäß der vorliegenden Erfindung verbesserte Zykluslebensdauereigenschaften im Vergleich zu den Akkumulatoren "a", "b" und "d" der Vergleichsbeispiele. Diese Akkumulatoren wurden nach dem Zykluslebensdauertest zerlegt. In den Akkumulatoren "a" und "d" erzeugte Oxidation Löcher auf der gesamten Oberfläche des Trennelements und das Aktivmaterial der positiven Elektrodenplatte, die nicht in dem Trennelement aufgenommen war, fiel mit signifikantem Ausmaß herunter. In den Akkumulatoren "b" und "e" beschädigten die linken und rechten Seitenenden der positiven Elektrodenplatte die linken und rechten Seiten des Trennelements und erzeugten Löcher, und die positive Elektrodenplatte gelangte in Kontakt mit der negativen Elektrodenplatte unter Erzeugung von Kurzschluss. In diesen Akkumulatoren "b" und "e" fiel das Aktivmaterial insbesondere auf den linken und rechten Seitenenden der Elektrodenplatte herunter, die nicht in dem Trennelement aufgenommen war. Dieses Herunterfallphänomen war besonders deutlich in dem Akkumulator "e", für welchen das aufgeweitete Gitter verwendet wurde.
- In den Akkumulatoren "c", "f", "g" und "h" gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten andererseits die linken und rechten Seiten der Elektrodenplatte, die nicht in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen war, keine Löcher in dem Trennelement. In dem Akkumulator "h", bei welchem die kleinen Rippen keine Fortsetzung in der anschließenden Vertikalrippe bildeten, traten kleine Risse entlang den diskontinuierlichen Teilen zwischen den kleinen Rippen und der anschließenden Vertikalrippe auf. In den Akkumulatoren "c", "f" und "g" gemäß der vorliegenden Erfindung traten keine derartigen Risse sowie keinerlei Beschädigung des Trennelements auf. Der Hauptfaktor der beeinträchtigten Zykluslebensdauer bildete das Herunterfallen des Aktivmaterials. Zwischen den Akkumulatoren "f" und "g" gemäß der vorliegenden Erfindung lag eine Differenz der Zykluslebensdauer vor. Dies ist der Differenz des Haftungszustands des Aktivmaterials an dem Gitter auf den linken und rechten Seitenenden der Elektrodenplatte zuzuschreiben, die nicht in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen war. In dem Akkumulator "f", in welchem die Rate der Gitterbreite p zur Breite des kleinen Rippenbereichs 2,2 betrug, wurde das Aktivmaterial teilweise von dem Gitter auf den linken und rechten Seitenenden der Elektrodenplatte abgezogen. In dem Akkumulator "g", in welchem die Rate der Gitterbreite p zur Breite des kleinen Rippenbereichs 1,4 betrug, trat andererseits kein Abziehen bzw. Ablösen des Aktivmaterials auf.
- Wie vorstehend erläutert, ist in dem Bleiakkumulator gemäß der vorliegenden Erfindung die negative Elektrodenplatte in einem beutelartigen Trennelement aufgenommen, das aus einer feinen porösen Kunstharzfolie besteht. Die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert, dass das Aktivmaterial von der positiven Elektrodenplatte herunterfällt, die nicht in dem beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, und zwar aufgrund von Vibrationen der Elektrodenplatte, und sie schützt das Trennelement vor Beschädigungen. Dies verhindert wirksam eine Verringerung der Zykluslebensdauer des Akkumulators unter Vibrationsbedingungen.
- Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich der aktuell bevorzugten Ausführungsformen erläutert wurde, versteht es sich, dass diese Offenbarung nicht als beschränkend zu interpretieren ist. Zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen erschließen sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, an den sich die vorliegende Erfindung richtet, nach einem Studium der vorstehend angeführten Offenbarung. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die anliegenden Ansprüche als sämtliche Abwandlungen und Modifikationen abdeckend zu interpretieren ist.
Claims (10)
1. Bleiakkumulator, aufweisend ein Zusammenstellelement, das
mehrere positive Elektrodenplatten und negative
Elektrodenplatten umfasst, die abwechselnd übereinander angeordnet
sind, wobei jede negative Elektrodenplatte in einem
beutelartigen Trennelement aufgenommen ist, wobei das
Trennelement bereitgestellt ist durch Falten einer feinen porösen
Kunstharzfolie und durch Abdichten linker und rechter
Überlappungsseiten der gefalteten Folie zur Erstellung einer
beutelartigen Form, wobei das Trennelement mehrere
Vertikalrippen aufweist, die parallel zueinander auf einer
Außenseite des Trennelements gebildet sind, und die in
einem zentralen Abschnitt des Trennelements angeordnet
sind, der den größten Teil seiner Breite einnimmt, wobei
das Trennelement außerdem Bereiche mit kleinen Rippen
aufweist, die sich entlang der Längserstreckung des
beutelartigen Trennelements erstrecken, und die auf linken und
rechten Seiten von ihm angeordnet sind, wobei jeder der
Bereiche kleiner Rippen eine große Anzahl von kleinen Rippen
umfasst, welche ein linkes und ein rechtes Seitenende der
positiven Elektrodenplatte schneiden.
2. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, wobei die positive
Elektrodenplatte ein Gitter umfasst, welches im
wesentlichen frei von einem vertikalen Rahmen ist, und eine Paste
aus Aktivmaterial, die in das Gitter gefüllt ist.
3. Bleiakkumulator nach Anspruch 2, wobei die Gitterbreite des
Gitters nicht größer als die 1,4-fache Breite von jedem
Rippenbereich ist.
4. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, wobei einige oder
sämtliche Enden der kleinen Rippen (5) auf einer zentralen Seite
des Trennelements ununterbrochen in eine anschließende
Vertikalrippe übergehen.
5. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, wobei die positive
Elektrodenplatte (4) ein aufgeweitetes Gitter aus einer
Blei-Calcium-Zinn-Legierung und eine Paste aus
Aktivmaterial umfasst, die in das aufgeweitete Gitter gefüllt ist.
6. Bleiakkumulator nach Anspruch 5, wobei der Gehalt an Zinn
in der Blei-Calcium-Zinn-Legierung von 0,7 bis 2,2 Gew.-%
reicht.
7. Bleiakkumulator nach Anspruch 6, wobei der Gehalt an
Calcium in der Blei-Calcium-Zinn-Legierung von 0,05 bis 0,09
Gew.-% reicht.
8. Bleiakkumulator nach Anspruch 5, wobei die Breite von jedem
kleinen Rippenbereich (5) dazu ausgelegt ist, einen
Überlappungsbereich aufzuweisen, der ein Ende der positiven
Elektrodenplatte überlappt, und der zumindest der Hälfte
der Gitterbreite des aufgeweiteten Gitters entspricht.
9. Bleiakkumulator nach Anspruch 5, wobei die Anzahl der
negativen Elektrodenplatten identisch zu oder kleiner als
die Anzahl der positiven Elektrodenplatten ist.
10. Bleiakkumulator nach Anspruch 1, wobei jede der kleinen
Rippen so angeordnet ist, dass ihre Längsachse geneigt zur
Horizontalen verläuft.
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