-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Generator,
welcher mindestens eine Elektrode umfasst, bei der eine der Kanten
mit einem Anbaustreifen verstärkt
wird.
-
Ein
elektrochemischer Generator umfasst eine elektrochemische Anordnung,
welche aus mindestens einer positiven Elektrode und mindestens einer
negativen Elektrode besteht, die einander zugewandt auf gegenüberliegenden
Seiten eines Separators angeordnet sind, der elektrisch isolierend
ist. Der Separator ist in der Regel eine Membran oder ein Filz aus
Polymermaterial, der mit Elektrolyt imprägniert wird.
-
Beim
Zusammenbau des elektrochemischen Generators muss die Elektrode
jeder Polarität
jeweils mit der Ausgangsklemme des entsprechenden Stroms elektrisch
verbunden werden. Diese Verbindung erfolgt meist über eine
Zwischenverbindung, welche auf einer Seite auf dem Innenabschnitt
der Klemme und auf der anderen Seite auf die leitfähige Halterung
der Elektrode fixiert ist. Die Verbindung hat in der Regel die Form eines
dünnen
Metallbands, welches möglicherweise
zugeschnitten ist, um ihm die gewünschte Kontur zu verleihen.
-
Damit
die Fixierung der Verbindung ausreichend zuverlässig ist, wird die Kante der
Elektrode zumindest im Bereich der Fixierung verstärkt, aber
sicherheitshalber über
ihre gesamte Länge.
Die Verbindung kann an der Verstärkung
angeschweißt
sein oder ein Teil der Verstärkung
sein, wie es im Französischen
Patent FR-2 705 834 beschrieben ist.
-
Die
Verstärkung
der Elektrode ist vorteilhafterweise ein dünnes Metallband, welches an
der Kante der Elektrode auf einer Seite oder auf beiden Seiten parallel
angebracht ist. Sie ist zum Verschweißen angeordnet.
-
Am
Ende des Bandes existiert immer ein zuverlässiger Abstand zwischen der
Kante des Bandes und der letzten Schweißstelle. Dies erlaubt dem einen
der rechten Winkel, welcher am Rand des Bandes gelegen ist, sich
unter Einwirkung eines mechanischen Stoßes bei Manipulationen zu biegen,
beispielsweise durch Reibung auf der Arbeitsfläche, beim Stapeln der Elektroden
beziehungsweise beim Zusammenbau der Anordnung. Der Separator, der
eine zuverlässige
mechanische Festigkeit besitzt, reißt durch diese Unebenheit leicht und
ein Kurzschluss ist unvermeidbar.
-
Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen elektrochemischen Generator
vorzuschlagen, in dem das Risiko eines Kurzschlusses unter den später beschriebenen
Bedingungen minimiert wird.
-
Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektrochemischer
Generator, umfassend mindestens zwei Elektroden unterschiedlicher
Polarität,
welche einander zugewandt auf gegenüberliegenden Seiten eines Separators
angeordnet sind, wobei ein Metallstreifen entlang einer Kante der
ersten der Elektroden befestigt ist und sich zumindest bis zu einem
der Enden der Kante erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass auf der
zweiten der Elektroden der Teil, welcher an der Stelle dieses Endes
dem Streifen gegenüberliegt,
teilweise ausgespart ist.
-
Diese
Aussparung betrifft den Bereich des Streifens der zweiten Elektrode,
dessen Winkel gegenüber des
Winkels der ersten Elektrode am Ursprung der Kurzschlüsse ist.
Aus Gründen
der Zuverlässigkeit
ragt die Aussparung teilweise in den Bereich der Elektrode hinein,
der mit aktivem Material belegt ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Aussparung eine erste Seite und eine zweite Seite, welche über eine
Rundung zusammenlaufen, wobei die Seiten jeweils über eine
Rundung mit der oberen Kante des Streifens und der seitlichen Kante
der zweiten Elektrode zusammenlaufen.
-
Die
erste Seite der Aussparung ist ein geradliniges Segment, welches
eine untere Kante des Streifens mit einem Winkel größer 90° schneidet.
So wird vermieden, in der Höhe
der Schnittstelle einen spitzen Winkel zu schaffen, welcher bei
mechanischen Stößen empfindlicher
ist.
-
Die
zweite Seite der Aussparung schneidet die seitliche Kante der zweiten
Elektrode mit einem Winkel größer 90° aus dem
gleichen, vorhergehend beschriebenen Grund.
-
Vorteilhafterweise
besitzt die Aussparung eines der Enden des Streifens unterschiedliche
Aussparungsabmessungen zu denen anderer Enden. Diese leichte Asymmetrie
berücksichtigt
die Verlagerungsrichtung des Zuschneidwerkzeugs der Plattenköpfe in dem
Metallstreifen. Dadurch wird das Zuschneiden vereinfacht und die
Materialverluste auf der Länge
des Elektrodenstreifens entfallen.
-
Es
kann ein einziger Streifen an einer der Elektrodenseiten angebracht
werden, beispielsweise mit 0,2 mm Dicke. Es können auch zwei Streifen auf
gegenüberliegenden
Seiten der Elektrode angeordnet werden, beispielsweise jeder mit
einer Dicke von 0,1 mm, wobei diese aus dem gleichen Streifen gebildet
sein können, der
halbiert gefaltet ist, und beidseitig auf der Kante der Elektrode
platziert werden kann.
-
Vorzugsweise
ist der Streifen mittels Punkten, gerändelt oder mittels Ultraschall
auf die erste Elektrode geschweißt. Die Verschweißung erlaubt
die elektrische Kontinuität
zwischen dem Stromkollektor der Elektrode und dem Streifen zuverlässig zu
machen.
-
Die
Elektroden können
gesintert oder nicht gesintert sein. Eine nicht gesinterte Elektrode
umfasst eine leitende Halterung und eine Paste, welche den aktiven
elektrochemischen Stoff und ein Bindemittel enthält.
-
Die
Halterung der Elektrode kann eine zweidimensionale Halterung sein,
wie ein gefüllter
oder perforierter Streifen, ein Streckmetall, ein Gitter oder Gewebe,
beziehungsweise eine dreidimensionale Halterung sein, wie ein Schaumstoff
oder ein Filz.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Generatoren
aus alkalischem Elektrolyt, wie die Generatoren aus Nickel, oder
aus organischem Elektrolyt, wie die Generatoren aus Lithium. Die
Elektroden können
eben oder spiralförmig
sein.
-
Bei
der Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung, welche nicht beschränkend ist,
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen wird die Erfindung besser verstanden werden und weitere
Vorteile und Besonderheiten werden erscheinen. In den Zeichnungen
ist:
-
1 eine
Teilansicht einer positiven Elektrode eines Generators gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
2 eine
Teilansicht einer ersten Ausführungform
einer negativen Elektrode eines Generators gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
3,
analog zu 2, eine Teilansicht einer zweiten
Ausführungsform
einer negativen Elektrode gemäß der Erfindung;
und
-
4 zeigt
einen elektrochemischen Streifen, umfassend eine positive und eine
negative Elektrode, welche einen Separator (in der Figur nicht sichtbar)
umrahmen.
-
Es
muss allerdings verstanden werden, dass diese Gestaltung und die
entsprechenden Bechreibungsteile nur als Darstellung des Gegenstands
der Erfindung gegeben sind, und niemals eine Beschränkung darstellen.
Insbesondere die diversen, beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen
und die diversen, zahlreichen angegebenen Anwendungen sind lediglich
nicht beschränkende
Beispiele.
-
Der
elektrochemische Generator gemäß der Erfindung
umfasst eine Elektrodenanordnung, welche aus mindestens einer positiven
und mindestens einer negativen Elektrode zusammengesetzt ist, welche
einen Separator umrahmen. Es wird beispielhaft ein Nickel-Cadmium
Generator aus alkalischem Elektrolyt beschrieben, dessen Elektroden
eben sind.
-
Die
positive Elektrode 1 ist in der Form einer ebenen Platte
und ungefähr
rechteckförmig
dargestellt, deren Dimensionen ungefähr wie folgt sind: Höhe 143mm,
Länge 98mm
und Dicke 0,9mm. Die Elektrode ist aus einer Halterung aus Nickelschaum
gebildet, in dem eine Paste eingeführt ist, welche das elektrochemisch aktive
Material enthält,
hier ein Nickel-Hydroxid.
-
Entlang
der oberen Kante der Elektrode 1 ist ein Streifen 2 von
ungefähr
5mm nicht mit aktivem Material bedeckt. Wie in 1 dargestellt,
wird ein großes
Bandeisen-Band 3 aus Bandeisen aus vernickeltem Stahl in
einer Weise angeordnet, um den Streifen 2 abzudecken und
um den Abschnitt 4, der mit aktivem Material bedeckt ist,
leicht zu überlappen.
Das Band 3 wird entlang der Kante der Elektrode 1 durch
Schweißpunkte 5 gehalten,
welche gleichmäßig beabstandet
sind.
-
Das
Band 3 wird dann in eine Form eines Plattenkopfs 6 für den elektrischen
Anschluss der Elektrode 1 an die Ausgangsklemme des Stroms
des Generators zugeschnitten. Eine Kompression oder Walzen nach dem
Zuschneiden erlaubt die Zusatzdicke zu reduzieren, welche durch
das Band 3 in der Zone der Überlappung verursacht wird.
Der Anschluss zwischen den Plattenkopf 6 und der Klemme
wird beispielsweise durch Anschrauben quer durch eine Perforation 7 des
Plattenkopfs 6 oder durch Anschweißen gesichert, insbesondere
durch Widerstand, Ultraschall oder Laser.
-
Das
Ende des Bands 3 fällt
mit dem seitlichen Ende der Elektrode 1 zusammen. Nach
dem Zuschneiden wird der obere Bereich des Bands 3 abgerundet
mit einem Radius R1 = 4mm an dem nächstgelegenen Ende 8 des
Plattenkopfs 6 und einem Radius R2 = 2mm am gegenüberliegenden
Ende 9. Der Winkel 10 zwischen dem Innenbereich 11 des
Bandes 3 und seinem Ende 8 überdeckt das aktive Material.
Bei der Manipulation der Elektrode (Stapeln, Reibung, etc.) tendiert
der Winkel 10 dazu, sich unter dem Effekt einer mechanischen
Beanspruchung anzuheben. Es verbessert sich das Risiko den Separator
zu durchbrechen und einen Kurzschluss mit der angrenzenden negativen
Elektrode herzustellen. In symmetrischer Weise kann sich der Winkel 12 am
gegenüberliegenden
Ende 9 genauso anheben.
-
Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung ist die negative Elektrode 21 in
Form einer ebenen Platte und ungefähr rechteckig dargestellt,
deren Länge
der gleichen Größenordnung
wie die der positiven Elektrode 1 entspricht. Im vorliegenden
Fall ist die Elektrode durch eine Halterung gebildet, welchee ein
perforiertes vernickeltes Bandeisen ist, auf das eine Paste umfassend
Kadmium-Hydroxid gestrichen wird.
-
Wie
in 2 gezeigt wird an der positiven Elektrode 1 in
analoger Weise entlang der oberen Kante der negativen Elektrode 21 ohne
aktivem Material ein Band 22 aus metallischem Bandeisen
fixiert. Um zu verhindern, dass der Winkel 10 des Bandes 3 der
positiven Elektrode 1 mit dem gegenüberliegend angeordneten Bereich
des Bandes 22 in Kontakt kommt, wird eine Aussparung 23 in
diesem Bereich des Bandes 22 realisiert, welche am Ende
der Kante der negativen Elektrode 21 angeordnet ist. Die
Seite 24 dieser Ausnehmung 23 verbindet die obere
Kante 25 des Bandes 22 über eine Rundung mit einem
Radius R3 = 3mm. Die Seite 24 ist ein gerades Segment von
ungefähr
2mm Länge.
Auf der Höhe
der Schnittstelle 26 mit dem Innenbereich 27 des
Bandes 22, schneidet es den Bereich 27 mit einem
Winkel α von
100°. Der
Boden der Aussparung 23 hat ungefähr die Form eines Halbkreises
mit einem Radius R4 = 2mm.
-
Die
andere Seite 28 dieser Aussparung 23 verbindet
die Seitenkante 29 der Elektrode 21 über eine Rundung
mit einem Radius R5 = 4mm.
-
An
dem anderen Ende des Bandes 22 befindet sich eine Aussparung 23' analog zur
Aussparung 23, mit der Ausnahme, dass die Seite 28' die Seitenkante 29' der Elektrode 21 über eine
Rundung mit einem Radius R6 =2mm verbindet. Diese Asymmetrie wird
eingeführt,
um die Verlagerungsrichtung des Zuschneidwerkzeugs des Plattenkopfs 26 im
Vergleich zur Elektrode 21 zu berücksichtigen.
-
Gemäß einer
zweiten Variante der Erfindung wird die negative Elektrode 31 in
Form einer ebenen Platte und ungefähr rechteckig dargestellt,
deren Länge
in der gleichen Größenordnung
wie die der positiven Elektrode 1 ist. Im vorliegenden
Fall ist die Elektrode durch eine Halterung gebildet, welche ein
perforiertes vernickeltes Bandeisen ist, auf das eine Paste umfassend
eine hydrierbare metallische Legierung gestrichen wird.
-
Wie
in 3 dargestellt, in analoger Weise zur positiven
Elektrode 1, wird entlang der oberen Kante ohne aktivem
Material ein Band 32 aus metallischem Bandeisen fixiert.
Um zu vermeiden, dass der Winkel 10 der positiven Elektrode 1 mit
dem gegenüberliegend
angeordneten Bereich in Kontakt kommt, wird eine Aussparung 33 in
dem Bereich des Bandes 32 realisiert, der am Ende der Kante
der negativen Elektrode 31 angeordnet ist.
-
Die
Seite 34 dieser Aussparung 33 verbindet die obere
Kante 35 der Elektrode 31 über eine Rundung mit einem
Radius R7 = 3mm. Die Seite 34 ist eine gerades Segment
mit ungefähr
2mm Länge.
Auf der Höhe der
Schnittstelle 36 mit dem Innenbereich 37 des Bandes 32,
schneidet das Segment 34 den Bereich 37 mit einem
Winkel α von
100°. Der
Boden der Aussparung 33 hat ungefähr die Form eines Halbkreises
mit einem Radius R8 = 2mm.
-
Die
andere Seite 38 dieser Aussparung 33 verbindet
die Seitenkante 39 der Elektrode 31 über eine Rundung
mit einem Radius R9 = 10mm.
-
An
dem anderen Ende des Bandes 32 befindet sich eine Aussparung 33' analog zur
Aussparung 33, mit der Ausnahme, dass die Seite 38' die Seitenkante 39' der Elektrode 31 über eine
Rundung mit dem Radius R10 = 8mm verbindet.
-
Diese
Variante weist den Vorteil auf, dass die negative Elektrode 31 besser
gegen Stöße während einer
Manipulation geschützt
ist.
-
In 4 sind
die positive Elektrode 1 und die negative Elektrode 31 in
der Weise gegenüberliegend angeordnet,
dass die Plattenköpfe 6 und 36 entgegengesetzter
Polarität
gegeneinander verschoben sind. Der Winkel 10 des Bandes 3 der
positiven Elektrode 1 befindet sich gegenüber der
Aussparung 33 der negativen Elektrode 31. Wenn
schlecht kontrollierte Manipulationen den Winkel 10 veranlassen
sich anzuheben, kann trotz des Risses des Separators kein Kurzschluss
erzeugt werden, denn, dank der Aussparung 33, kann der Winkel 10 nicht
mehr mit der negativen Elektrode 31 gemäß der Erfindung in Kontakt
treten.
-
Es
werden Generatoren des Typs A, umfassend mindestens ein Paar positiver
Elektroden 1 und negativer Elektroden gemäß der herkömmlichen
Bauart, Generatoren des Typs B, umfassend mindestens ein Paar positiver
Elektroden 1 und negativer Elektroden 21 gemäß der Erfindung,
und Generatoren des Typs C, umfassend mindestens ein Paar positiver
Elektroden 1 und negativer Elektroden 31 gemäß der Erfindung,
zusammengebaut.
-
Während der
Strombildung der Generatoren A, B und C wird die Anzahl der sich
bildenden Kurzschlüsse
festgestellt. Die Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Die Kurzschluss-Rate wird durch die Anzahl beobachteter Kurzschlüsse für 1.000.000
Elemente definiert.
-
