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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines porösen Schaumprodukts
und einer aus dem porösen
Schaumprodukt gefertigten Elektrode. Das poröse Schaumprodukt ist brauchbar
als Batterieelektrode, wenn es mit einem geeigneten aktiven Material
gefüllt
wird.
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Technischer
Hintergrund
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Netzartige
poröse
Produkte, wie netzartiger Polyurethanschaum, werden allgemein in
kontinuierlicher Weise in einer Block- oder Stammform hergestellt.
In US-A-5 512 222 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung
eines kontinuierlichen Slabs aus Polymerschaum offenbart, bei dem
eine Mischung flüssiger
Schaumreaktanten in den unteren inneren Bereich einer Wanne eingebracht
wird, die oben offen ist. Die Schaummischung expandiert dann in
der Wanne nach oben.
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Die
Blöcke,
die oft irgendwie wie ein Laib Brot geformt sind, werden dann um
einen Kern herum "abgeschält", der entlang einer
Hauptachse des Schaums orientiert ist, in der Regel der x-Achse,
d. h. der Breite des Blocks, oder um die y-Achse, d. h. die Länge des
Blocks. Dieses Verfahren ermöglicht
die größte Flexibilität beim Abschälen langer
kontinuierlicher Streifen mit maximaler Breite, während der
Abfall minimiert wird. Das Abschälen
in dieser Weise erzeugt einen Schaum mit Poren, deren Höhen-Breiten-Verhältnis (Aspektverhältnis) in
periodischer Weise von rund nach oval variiert.
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Dies
erzeugt ein Produkt mit physikalischen Eigenschaften, die in der
Längsrichtung,
d. h. y-Achsen-Richtung, variieren.
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JP-A-03
226 969 lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen
netzartigen Bahn aus Polymerschaum, bei dem das Abschälen des
Substrats in einer Richtung parallel zu der Richtung von evakuierender
Luft bewirkt werden kann, die während
der Bildung des schäumenden
Polymers erzeugt wird. Das Substrat kann als Elektrode in einer
Batterie verwendet werden.
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Es
besteht noch ein Bedarf an kontinuierlichem und effizientem Produzieren
eines schwammartigen porösen
Artikels in Streifenform, der beispielsweise zur Herstellung von
Batterieelektroden mit hoher Dichte und hoher Kapazität verwendet
werden kann. Es wäre
erwünscht,
derartige Artikel herzustellen, die nicht nur die gewünschten
elektrischen Eigenschaften haben, sondern auch maßgeschneidert
sind, um verbesserte mechanische Eigenschaften zu erreichen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Herstellen poröser Produkte
einschließlich
Metallschäumen,
die als Matrixmaterial für
Batterieelektroden mit den Charakteristika hoher Stromdichte und
hoher Kapazität
dienen können.
Die porösen
Produkte, in der Regel in Form von Metallschaumbahnen, können ferner
verbesserte Zugfestigkeit und Dehnung und niedrigeren spezifischen
Widerstand haben. Sie zeigen zudem niedrigere Gewichtsvariation
in Längsrichtung.
Wenn sie gefüllt
sind und als Batterieelektroden dienen, können die Artikel höhere Batteriekapazität, herabgesetzte
Schwankung der Zellkapazität
und höhere
Spannungen während
hoher Entladungsraten zeigen.
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In
einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Produzieren
einer dreidimensional netzartigen Bahn aus Polymerschaum aus einer
vorbereiteten ersten länglichen
Masse von Polymerschaum, wobei die vorbereitete erste Masse Polymer schaum
eine y-Achsen-Länge,
eine x-Achsen-Breite und eine z-Achsen-Höhe hat,
wobei die y-Achse eine größere Achse
ist, wobei das Verfahren zum Produzieren polymerer Schaumbahnen
die Schritte umfasst:
Bilden einer zweiten Masse von Schaum
aus der vorbereiteten ersten Masse Polymerschaum, indem die erste Schaummasse
entlang der z-Achse der vorbereiteten ersten Masse ausgehöhlt (entkernt)
wird, wobei die zweite Masse Polymerschaum kleiner als die vorbereitete
erste Schaummasse ist und eine im Wesentlichen zylindrische Form
hat, deren Zylindermittelachse in der z-Achsen-Richtung verläuft, wobei
die z-Achse eine größere Achse
der zweiten Schaummasse ist, und
Abschälen einer Bahn aus Polymerschaum
aus der zweiten Schaummasse in einer Ebene im Wesentlichen parallel
zur z-Achse.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Batterieelektrode,
bei dem ein Streifen einer Schaumbahn wie oben beschrieben hergestellt
wird, der Schaum mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet
wird, um ein Elektrodenträgerteil
vorzubereiten, und eine aktive Materialfüllung in das Elektrodenträgerteil
eingebracht wird, wobei die aktive Füllung in das Schaumträgerteil
durch eine oder mehrere Sprühanwendungen,
Rollbeschichtung oder Druck- oder Unterdruckanwendung eingeführt wird.
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In
einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
Herstellen einer dreidimensionalen netzartigen Bahn aus Polymerschaum
aus einer vorbereiteten ersten Masse aus Polymerschaum, wobei die
vorbereitete erste Masse aus Polymerschaum eine y-Achsen-Länge, eine
x-Achsen-Breite und eine z-Achsen-Höhe hat, wobei die y-Achse eine
größere Achse
ist, wobei die Polymerschaumbahn aus der vorbereiteten ersten Masse nach
dem obigen Verfahren hergestellt ist, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine
Erzeugungseinrichtung für
eine Schaumzufuhr, die eine Polymerschaummasse mit der y-Achse in
Längsrichtung
erzeugt,
eine Einrichtung zum Bilden einer zweiten Masse aus
Schaum aus der vorbereiteten ersten Polymerschaummasse, indem die
erste Masse entlang der z-Achse der vorbereiteten ersten Masse ausgehöhlt wird,
wobei die zweite Masse eine im Wesentlichen zylindrische Form hat
und eine größere Achse
entlang der z-Achse
hat, und
Schneidmittel zum Abschälen einer Bahn aus Polymerschaum
von der zweiten Schaummasse in einer Ebene im Wesentlichen parallel
zu der z-Achse.
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In
einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen porösen Schaumartikel,
der die zweite Schaummasse bildet, die in dem obigen Verfahren produziert
wird, wobei der Artikel ein dreidimensional netzartiger Schaumartikel
mit einer im Wesentlichen zylindrischen äußeren Oberfläche ist
und einen x-Achsen-Radius,
einen y-Achsen-Radius und eine z-Achsen-Höhe hat, wobei die z-Achse eine
größere Achse
des Artikels ist und die äußere Oberfläche zylindrisch
um die z-Achse ist, wobei der Artikel eine Vielzahl von Poren aufweist,
wobei der Artikel ein gleichmäßiges Poren-Höhen-Breiten-Verhältnis in
der Längsrichtung
der Schaumbahn ergibt, die von dem Artikel in einer Ebene im Wesentlichen
parallel zu der z-Achse abgeschält
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich Fachleuten, an
die sich die vorliegende Erfindung richtet, nach Lesen der folgenden
Beschreibung in Bezug auf die angefügten Zeichnungen von selbst,
wobei:
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1A eine
perspektivische Ansicht einer maschinell produzierten Schaummasse
in Blockform mit x-, y- und z-Achsen ist und die vorliegende Praxis
einer als Phantom gezeigten Schaumbahn zeigt, die von der Schaummasse
um die y-Achse abgeschält
ist. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer vorbereiteten Schaummasse
mit im Wesentlichen zylindrischen Form.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer vorbereiteten Schaummasse, die
durch Aushöhlen
der maschinell produzierten Schaummasse erhalten wird, die eine
Masse wie in 1A gezeigt sein kann.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht der vorbereiteten Schaummasse von 2,
die für
die vorliegende Erfindung repräsentativ
ist und im Phantom eine Schaumbahn zeigt, die von der Masse um die
z-Achse abgeschält
ist.
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Bester Modus
zur Durchführung
der Erfindung
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Der
allgemein als Streifen aus leitfähigem,
netzartigem Schaum produzierte Polymerschaum kann beliebige aus
einer Vielfalt reckbarer Schäume
umfassen, einschließlich
organischer oder anorganischer offenzelliger Materialien. Synthetische
oder natürliche
Faserschäume
einschließlich
flexibler Papier- oder Holzprodukte können auch brauchbar sein. Das
Substratmaterial ist vorzugsweise eines mit offenen, miteinander
verbundenen Zellen. Der Begriff "netzartiger
Schaum" soll hier
alle derartigen Substratmaterialien einschließen.
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Brauchbare
netzartige Polymerschäume,
die sich verwenden lassen, sind beliebige jener Polymersubstrate,
die konventionell zur Herstellung von Polymerschäumen verwendet werden, wie
Polyurethane einschließlich
Polyetter-Polyurethan-Schaum oder Polyester-Polyurethan-Schaum;
Polyester; Polyolefinpolymere wie Polypropylen oder Polyethylen;
Vinyl- und Styrolpolymere und Polyamide. Zu Beispielen für kommerziell erhältliche
be vorzugte organische Polymersubstrate gehören Polyurethanschäume, die
von Foamex International, Inc., vermarktet werden, einschließlich Polyether-Polyurethan-Schäumen und
Polyester-Polyurethan-Schäumen.
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Der
erfindungsgemäß produzierte
Artikel kann als poröser
Artikel bezeichnet werden, mitunter als "poröses
Produkt" oder der
Bequemlichkeit halber einfach als "Schaum" bezeichnet. Das poröse Produkt ist vorzugsweise
ein offenzelliges dreidimensionales Produkt mit kontinuierlich verbundenen
Strängen.
Dies kann hier als Produkt mit "offenen,
miteinander verbundenen Zellen" bezeichnet
werden. Das poröse
Produkt ist üblicherweise
in Bahnform, d. h. mit einer Dickendimension, die unter ihrer Breite
oder Länge
liegt. Das produzierte Produkt liegt insbesondere üblicherweise
in Streifenform vor, mit einer Dicke, die unter der Produktbreite liegt,
und einer Breite, die unter der Produktlänge liegt.
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Das
Ausgangsschaummaterial, hier üblicherweise
als "maschinell
produzierte" Schaummasse
oder "vorbereitete
erste Masse" von
Schaum bezeichnet, kann eine Länge
in der Längsrichtung
aufweisen. Die Masse hat überdies
eine Breite, die hier als Breite in der Querrichtung bezeichnet
werden kann. Das aus der ersten Masse bereitgestellte poröse Produkt
in Streifenform liegt in einer planaren, z. B. plattenartigen oder Bahnform,
mit breiten vorderen und rückseitigen
größeren Seiten
(Hauptfläche)
vor, die üblicherweise
flach sind. Maschinell produzierte Polymerschäume können beispielsweise Breiten
in der Querrichtung in der Größenordnung
von 15,2 bis 203,3 cm (6 bis 80 inch) haben und kontinuierlich produziert
werden, die bis zu der Größenordnung
von 304,8 m (1000 ft) oder mehr Lauflänge haben können.
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In
den Figuren und insbesondere in 1A wird
der Polymerschaum zuerst in der Regel dann als Schaummasse 1 in
Form eines Stamms, einer Rolle oder eines Laibs produziert, d. h.
der "maschinell
produzierte Schaum" oder
die "vorbereitete
erste Schaummasse".
Eine auf diese Weise hergestellte erste Schaummasse hat drei Achsen,
x, y und z, die Breite, Länge
beziehungsweise Höhe
entsprechen, wie in der Figur gezeigt ist. Wir gehen davon aus,
dass die y-, y- und z-Achsen in Winkeln von 90° zueinander liegen, wenn hier nicht
anders angegeben wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe "x", "y" und "z" in Bezug auf die Achsen hier der Bequemlichkeit
halber verwendet werden, um ein Verständnis der Orientierung des
Schaumausgangsmaterials zu geben, üblicherweise in Bezug auf die
Zeichnungen. Diese Begriffe sollten nicht als die Erfindung einschränkend angesehen
werden, wenn es nicht hier ausdrücklich
angegeben ist. Die Schaummasse 1 enthält Poren 5, die auf
den Oberflächen
der Schaummasse 1 sichtbar sein können.
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Diese
maschinell produzierte erste Schaummasse 1 wird dann zu
einer Bahn oder zu Streifen abgeschält, was gemäß dem Verfahren des Standes
der Technik allgemein erfolgt, während
sich die vorbereitete, maschinell produzierte Schaummasse 1 um
die längsgerichtete
y-Achse dreht, wie durch den Richtungspfeil in 1A dargestellt
wird. Vor dem Abschälen
kann Beschneiden der Schaummasse 1 verwendet werden, um jegliche
rauen Kanten zu entfernen und die Schaummasse 1 zu einer
zylindrischen Form zu formen. Auf diese Weise kann Schaummasse 1 leichter
gedreht werden, indem ein Trägerkernteil
(nicht gezeigt) in einer Öffnung 3 angeordnet
wird, die die Mitte der vorbereiteten, maschinell produzierten Schaummasse 1 in
der Richtung der längsgerichteten
y-Achse durchläuft.
Die Öffnung 3 geht
somit durch die y-Achsen-Mittellinie des Schaums 1. Die Öffnung 3 kann
durch die erste Masse 1 geschnitten und entlang derselben
Achse angeordnet sein, um die die maschinell produzierte erste Masse 1 gedreht
wird. Die maschinell produzierte Schaummasse 1 kann, wenn
sie in Kontakt mit einem (nicht gezeigten) Schneidmittel kommt,
wie durch Drehen um das Kernelement, das Abschälen der maschinell produzierten
Schaummasse 1 liefern, was zum Austreten eines "Streifens" oder einer "Bahn" aus Schaum 10 durch
diese Anwendung führt.
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Beim
Abschälen
des Schaums hat der resultierende Streifen 10 eine Länge in Längs- oder
x-Achsen-Richtung und eine Breite in Quer- oder y-Achsen-Richtung.
Die Produktion von Schaumstreifen oder -bahn 10 ergibt
auf diese Weise Poren 5 in der Bahn 10, von denen
einige rund und einige oval sind, wobei die ovalen Poren eine Längsachse
in der Maschinenproduktions- oder x-Achsen-Richtung der Masse 1 haben.
Die Rotation des Stamms im Uhrzeigersinn, wie in 1A gezeigt
ist, ergibt Porenformen 5 von runder, ovaler und wieder
runder Form über
die Breite oder y-Achse des Streifens 10. Diese Variation
der maschinell produzierten oder x-Achsenrichtung führt zur
Veränderlichkeit
der Eigenschaften der Schaumbahn 10, wie insbesondere nachfolgend
im Zusammenhang mit den Beispielen erörtert wird.
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In
Bezug auf eine repräsentative
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist dann in 1 eine vorbereitete
zweite Schaummasse 6 mit "x"-,
einer "y"- und "z"-Achsen gezeigt, die in der gleichen
Weise wie der Schaum 1 von 1A orientiert
sind. Die x-, y- und z-Achsen entsprechen Breite, Länge beziehungsweise Höhe. Die
x-, y- und z-Achsen sind in 90°-Winkeln zueinander
angeordnet. Die vorbereitete zweite Schaummasse 6 kann
durch Wegschneiden an der Außenseite
des maschinell produzierten Schaums 1 (1)
produziert werden, um so eine im Wesentlichen zylindrisch geformte
zweite Schaummasse 6 zu bilden. Eine solche im Wesentlichen
zylindrisch geformte Schaummasse 6 soll hier als "zweite Schaummasse" oder "vorbereitete Schaummasse" bezeichnet werden.
Nach dem Formen behält die
zweite Schaummasse 6 den dreidimensionalen Charakter des
maschinell produzierten Schaums 1 mit x-, y- und z-Achsen
bei, hat jedoch eine Zylindermittellinie in der z-Achsenrichtung.
Die zweite Schaummasse 6 ist kleiner als die maschinell
produzierte Schaummasse 1. Eine Öffnung 7 kann dann
in und durch die Mitte der vorbereiteten Schaummasse 6 in einer
solchen Weise eingeführt
werden, dass die Öffnung
mindestens im Wesentlichen parallel zu der z-Achse der vorbereiteten
Schaummasse 6 ist.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Anordnung
abgebildet, nach der die vorbereitete Schaummasse 6 erhalten
wird, wobei die maschinell produzierte Schaummasse 1 durch
Aushöhlen
(Kernbildung) geschnitten wird. Das Entfernen der zweiten Masse 6 von
der ersten Masse 1 hinterlässt eine Öffnung 11 in der ersten
Masse 1. Ein derartiges Aushöhlen erfolgt in einer Weise,
die im Wesentlichen parallel zu der z-Achse des maschinell produzierten
Schaums 1 ist. Nach einem solchen Verfahren wird ein Teil
der maschinell produzierten Schaummasse 1 als im Wesentlichen
zylindrische, vorbereitete Schaummasse 6 hergestellt. Wie
in 1 kann eine Öffnung 7 in
und durch die Mitte der vorbereiteten Schaummasse 6 in
einer Weise eingeführt
werden, die mindestens im Wesentlichen parallel zu der z-Achse der
vorbereiteten Schaummasse 6 verläuft.
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In 3 wird
die vorbereitete Schaummasse 6 in zylindrischer Form durch
Befestigungsmittel (nicht gezeigt) positioniert, so dass die Zylindermittellinie
mindestens wesentlich entlang der z-Achse verläuft. Die vorbereitete Schaummasse 6 wird
dann in einer Richtung um die z-Achse gedreht. Gleichzeitig mit
dem Drehen werden Mittel (nicht gezeigt) zum Abschälen einer
Bahn 4 aus Schaum aus der Schaummasse 6 in Anlage an
die vorbereitete Schaummasse 6 gebracht. Das Abschälmittel
wird so eingerichtet, dass es mindestens im Wesentlichen parallel
und vorzugsweise vollständig
parallel zu der z-Achse ist.
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Durch
diese Dreh- und Schneidwirkung wird eine dünne kontinuierliche Schicht
der Schaumbahn 4 von der vorbereiteten Schaummasse 6 abgeschält. Dieses
Abschälen
erfolgt in einer Ebene, die mindestens im Wesentlichen parallel
zu der z-Achse ist. Die Produktion der Schaumbahn 4 in
dieser Weise ergibt in der Bahn 4 gleichförmige Poren 5 von
mindestens im Wesentlichen kreisförmiger Form. Es sei jedoch
darauf hingewiesen, dass die Porenform in 3 der Klarheit
halber übertrieben
gezeigt ist.
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Es
ist vorgesehen, dass (nicht gezeigte) Befestigungsmittel für die vorbereitete
Schaummasse 6 verwendet werden können, um das Drehen der vorbereiteten
Schaummasse 6 um die z-Achse
zu erleichtern. Solche Befestigungsmittel können durch einen durch die Öffnung 7 der
vorbereiteten Schaummasse 6 angeordneten Dorn gebildet
sein. Wenn die Mittelöffnung 7 in
der vorbereiteten Schaummasse 6 fehlt, ist es ferner vorgesehen,
dass solche Befestigungsmittel durch Klemmen gebildet sein können, die
oben 8 und unten 9 an der vorbereiteten Schaummasse 6 so
positioniert sein können,
dass die vorbereitete Schaummasse 6 in Drehrichtung um
die z-Achse frei beweglich ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass die Begriffe "oben" und "unten" hier der Bequemlichkeit
halber verwendet werden, um die Positionierung des Befestigungsmittels
leichter verständlich
zu machen. Solche Begriffe sollten nicht als die Erfindung einschränkend angesehen
werden, wenn es hier nicht ausdrücklich
angegeben ist.
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Das
Mittel zum Abschälen
einer Schaummasse zu einer Bahn 4 kann jedes Mittel, z.
B. ein Schneidmittel, sein, wie es in der Industrie konventionell
ist. Das Mittel kann eine Klinge, ein Messer oder einen Heizdraht
einschließen.
Es ist vorgese hen, dass das Abschälen durch Bewegen der Schaummasse 6 in
das Schneidmittel erfolgen kann. Es ist auch vorgesehen, dass die
Schaummasse 6 stationär
bleiben kann und das Schneidmittel in die Schaummasse bewegt wird.
Es liegt alternativ innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden
Erfindung, dass die Schaummasse 6 um die z-Achse gedreht
werden kann, die Schaummasse 6 ansonsten jedoch in stationärer Position
gehalten werden kann, z. B. nicht vorwärts bewegt wird, so dass ein in
spiraliger Weise durch die Schaummasse 6 bewegter Heizdraht
eine Schaumbahn 4 produzieren kann.
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Unabhängig von
der Weise, nach der die Schaumbahn 4 produziert wird, ist
eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
produzierte repräsentative
Polymerschaumbahn dann eine offenzellige Schaumbahn 4 mit
einer Dicke im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm. In Abhängigkeit
von dem Batteriezelltyp und der Anwendung variiert diese Dicke jedoch.
Die Schaumbahn 4 kann eine durchschnittliche Anzahl von
Poren pro cm/inch innerhalb eines weiten Bereichs haben, in der
Regel innerhalb eines Bereichs von 25,4 bis 381 p/cm (10 bis 150
Poren pro inch, ppi). Die durchschnittliche Anzahl der Poren pro
cm/inch wird durch die Anwendung diktiert. Es kann bei einer Elektrode,
die für
eine Nickel-Cadmium-Batterie geeignet ist, beispielsweise erwünscht sein,
einen Polymerschaum mit 101,6 bis 279,4 p/cm (40 bis 110 ppi) zu
verwenden. Erfindungsgemäß zeigt
die Porenform des Polymerschaumprodukts zudem eine Einheitlichkeit
des Poren-Höhen-Breiten-Verhältnisses
in der Längsrichtung.
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Eine
Anwendung der bevorzugten porösen
Schaumbahn 4 kann sein, wenn sie zur Herstellung einer Batterieelektrode
verwendet wird. In dieser Verwendung kann das Vorläufermaterial
eine gewisse elektrische Leitfähigkeit
haben. Dies kann bei einem Polymerschaum erreicht werden, indem
jegliches aus einer An zahl wohl bekannter Verfahren verwendet wird,
wie Beschichten mit Latexgraphit; Beschichten mit Metallpulver,
wie in US-A-3 926
671 beschrieben ist; stromloses Plattieren mit Metall wie Kupfer
oder Nickel; Sensibilisieren durch Aufbringung von Metall wie Silber,
Nickel, Aluminium, Palladium oder ihren Legierungen, wie in US-A-4 370
214 beschrieben wird; Aufbringung eines Anstrichs, der Kohlenstoffpulver
oder Metallpulver wie Silberpulver oder Kupferpulver enthält; Beschichten
mit einem Porenbildner, wie in US-A-4 517 069 beschrieben ist; und
Vakuumabscheidung von Metall durch Kathodenzerstäubung mit einem Metall oder
einer Legierung, wie in US-A-4 882 232 offenbart ist. Ein geeignetes
stromloses Plattierverfahren ist in der Veröffentlichung EP-A-0 071 119
offenbart. Polyurethanschäume,
die durch Beschichten mit Latexgraphit leitfähig gemacht worden sind, sind
im Handel erhältlich
und werden von Foamex International, Inc., vermarktet.
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Ein
kontinuierliches Produktionsverfahren zur Herstellung eines bevorzugten
Metallschaumträgerteils in
Bahnform, das eine offenzellige Schaumkunststoffbahn als Ausgangsmaterial
verwendet, und Elektroplattieren verwendet, wird in US-A-4 978 431 gelehrt.
US-A-5 300 165 schlägt
zusätzlich
ein ähnliches
Verfahren zur Herstellung von metallischen porösen Bahnen aus Maschenbahnen
und Vliestextilbahnen vor, die zusammengeschichtet werden können. Wenn
ein bevorzugtes poröses
Metallträgerteil
hergestellt wird und Elektroplattieren eines offenzelligen Schaums
beteiligt ist, ist das Plattieren oft Nickelplattieren, und die
resultierende poröse
Nickelbahn hat im Allgemeinen ein Gewicht im Bereich von etwa 200
Gramm pro Quadratmeter, bis zu etwa 5000 Gramm pro Quadratmeter,
Basisquadratmeter, wie sie auf einer Hauptseite des resultierenden
Metallschaumträgerteils
gemessen werden. Dies ist in der Regel ein Bahngewicht im Bereich
von etwa 400 bis etwa 700 Gramm pro Quadratmeter.
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Wenn
Elektroplattieren verwendet wird, kann der resultierende metallisierte
Artikel im Allgemeinen nach Abschluss des Plattierens gewaschen,
getrocknet und wärmebehandelt
werden, z. B. zur Zersetzung einer Polymerkernsubstanz. Der Artikel
kann in einigen Fällen
geglüht
werden, wie in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre. US-A-4
678 553 schlägt
hinsichtlich der thermischen Zersetzung ein mehrstufiges Wärmezersetzungsverfahren
vor. Gemäß dem Patent
wird thermische Zersetzung, wenn Nickel plattiert wird, bei einer
Temperatur im Bereich von etwa 500°C bis 800°C für bis zu drei Stunden durchgeführt, was
von dem verwendeten Kunststoffschaum (der Polymerkernsubstanz) abhängt, und
anschließend
wird in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im
Bereich von etwa 800°C
bis 1100°C
geglüht.
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Das
Schaumsubstrat kann danach mit einem aktiven Material gefüllt werden.
Zur Herstellung einer Elektrode kann das aktive Material für eine negative
Batterieelektrode ein Wasserstoffspeicherungsmaterial sein, im Allgemeinen
die Wasserstoffspeicherungslegierung vom AB2-Typ,
oder eine Wasserstoffspeicherungslegierung vom AB5-Typ.
Bei dem AB2-Typ kann A ein Element mit einer
großen
Affinität
zu Wasserstoff sein, wie Zr oder Ti, und B ist ein Übergangsmetall
wie Ni, Mn oder Cr. Mitglieder der AB2-Klasse
der Wasserstoff absorbierenden Materialien können auch die binären ZrCr2, ZrV2 und ZrMo2 einschließen, obwohl alle aus dieser
Klasse von Wasserstoff absorbierenden Materialien als erfindungsgemäß brauchbar
angesehen werden. Die AB5-Klasse der Legierungen
kann als Seltenerdlegierungen (Mischmetall) auf Basis von Lanthan-Nickel
bezeichnet werden. A kann somit durch Lanthan wiedergegeben werden,
während
B wie oben definiert sein kann. Die negativen Ma terialien vom AB5-Typ für
negative Batterieelektroden sind wohl bekannt, und viele Materialien
sind im Stand der Technik beschrieben. Alle derartigen Wasserstoffspeicherungslegierungen
werden als brauchbar zur Herstellung einer erfindungsgemäßen negativen
Elektrode angesehen. Bei einer Nickel-Cadmium-Batterie umfasst das
aktive Cadmiummaterial der negativen Elektrode Cadmiummetall.
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Wenn
das Metallschaumträgerteil 1 zur
Verwendung als positive Elektrode-gefertigt werden soll, sind beliebige
der positiven Elektroden erfindungsgemäß brauchbar, wie sie konventionell
sind oder zur Verwendung in einer Batterie in Frage kommen. Solche
positive Elektrode enthält
in der Regel ein positives aktives Material, das üblicherweise
aus Metalloxid in einem Träger
zusammengesetzt ist. Ein repräsentatives
aktives Material umfasst Nickeloxyhydroxid. Für das positive aktive Material
kann außerdem
eine lithiierte Übergangsmetall-Einlageverbindung
verwendet werden.
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Unabhängig von
dem verwendeten aktiven Material wird solches Material im Allgemeinen
zu einer Paste oder Aufschlämmung
verarbeitet, in der Regel unter Verwendung von Wasser oder organischem
Lösungsmittel,
obwohl auch die Verwendung von trockenem, feinteiligem aktivem Material
in Frage kommt. Die Paste oder Aufschlämmung wird danach in das Metallschaumträgerteil 1 eingeführt, wie
nach einem beliebigen Verfahren zum Einführen eines Pasten- oder Aufschlämmungsmaterials
in ein Substrat vom Schaumtyp, z. B. Rollbeschichtung, Sprühanwendung
oder Druck- oder
Unterdruckanwendung.
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Elektroden
in der Batterie können
mit einem üblichen
synthetischen, in der Regel Vliesmaterial getrennt werden. Der Separator
kann als Isolator zwischen Elektroden dienen, sowie als Medium zum
Absorbieren eines Elektrolyten, z. B. eines Alkalielektrolyten.
Ein repräsentatives
Separatormaterial ist ein Nylon- oder Polypropylenvliestextil. Das
Polypropylentextil kann aus sulfoniertem Polypropylen sein. Der
Separator kann beispielsweise in der Größenordnung von 60 % bis 70
Porosität
liegen. Eine brauchbare Elektrolytlösung für eine Nickel-Metallhydrid-Batterie
kann eine wässrige
Kaliumhydroxidlösung
sein. Eine Lösung
kann Lithiumhydroxid enthalten, z. B. 35 Gew.-% Elektrolytlösung mit
1 % LiOH.
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Die
folgenden Beispiele zeigen Weisen, nach denen die Erfindung durchgeführt worden
ist, sollten jedoch nicht als die Erfindung einschränkend angesehen
werden.
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Beispiel 1
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Ein
kommerziell erhältlicher,
offenzelliger Schaum in Langstammform mit einer γ-Achsenlänge von mehr als 150 Metern
(m) wurde hergestellt, der Polyurethan der Sorte Z-110 war, erhältlich von
Foamex International, Inc. Aus dem Langstamm wurden mehrere kurze
Laibe geschnitten, und einige dieser Laibe wurden um die y-Achse
des Laibs abgeschält.
Diese Bahnen wurden in Rollenform aufgewickelt. Mehrere andere der kurzen
Laibe wurden um die z-Achse der Laibe herum abgeschält, um Bahnen
herzustellen, die auch in Rollenform bereitgestellt wurden. Für die Zwecke
dieses Beispiels wird Testmaterial aus den in y-Achse abgeschälten Laiben
als das Vergleichsprodukt bezeichnet. Das Testmaterial von den in
z-Achse abgeschälten
Laiben sind das erfindungsgemäße Produkt.
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Rollen
von jedem abgeschälten
Schaum wurden dann durch Beschichten mit Anstrich auf Kohlenstoffbasis
leitfähig
gemacht. Der resultierende Schaum mit Anfangsleitfähigkeit
wurde danach in der kontinuierlichen Plattiervorrichtung von US-A-5
098 544 elektroplattiert. Das Elektroplattierbad war ein Nickelsulfamatbad,
das auf einem pH-Wert von etwa 3,7 und einer Temperatur von etwa
55°C gehalten
wurde. Der nickelplattierte Schaum wurde dann bei einer Temperatur
von 950°C
für eine
Zeit von etwa 7 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre geglüht.
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Probestücke wurden
aus jeder der in y-Achse abgeschälten
und in z-Achse abgeschälten
Bahnen geschnitten, und jedes Probestück war etwa 20 mm in der Breite
mal 150 mm in der Länge.
Plattierte Probestücke aus
90 Rollen aus in y-Achse abgeschältem
Schaum wurden gewogen, und es wurde ein durchschnittliches Gewicht
von 498 Gramm pro Quadratmeter (g/m2) gefunden,
wobei die Einheit in g/m2 für diesen
Schaum in Bahnform in der Industrie konventionell ist. Plattierte
Probestücke
von 10 Rollen des in z-Achse abgeschälten Schaums wurden gewogen,
und es wurde ein durchschnittliches Gewicht von 505 g/m2 gefunden.
Es wurden auch Proben gemessen, und es wurde eine Dicke von 1,67
mm beziehungsweise 1,65 mm gefunden.
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Plattierte
Probestücke
des in z-Achse abgeschälten
Schaums wurden zur Zugfestigkeitsprüfung in ein Instron Modell
4411 Zugprüfgerät eingebracht.
Die Ergebnisse des Testens von 24 Proben zeigten eine Zugfestigkeit
in Längsrichtung,
ausgedrückt
in Kilogramm pro zwei Zentimeter (kg/2 cm), von 5,93, wobei die
Einheit kg/2 cm in der Industrie konventionell ist. Ähnliche
getestete 20 mm × 150
mm Proben zeigten eine durchschnittliche Zugfestigkeit in Querrichtung
bei den plattierten Probestücken
von 4,89 kg/2 cm. Dies ist zu vergleichen mit einer Zugfestigkeit
in Längsrichtung
von 5,65 kg/2 cm und Zugfestigkeit in Querrichtung von 3,38 kg/2
cm für
plattierte Probestücke
des in y-Achse abgeschälten
Produkts, das in derselben Weise getestet wurde. Dies ist ein Anstieg
der Festigkeit in Längsrichtung
von 5 % und ein Anstieg der Festigkeit in Querrichtung von 45 %
für das
in z-Achse geschälte
Produkt.
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Während der
Zugprüfung
wurde auch die Dehnung der Proben bewertet. Zur Dehnung wurden die Proben
mit dem Zuggerät
gereckt, und die Dehnung ist der zurückgelegte Weg, ausgedrückt in Prozent,
bei der Peakzugfestigkeit. Bei der in z-Achse abgeschälten Proben
war die Dehnung in Längsrichtung
8,02 %, und die Dehnung in Querrichtung war 11,9 %. Dies ist zu
vergleichen mit einer Dehnung in Längsrichtung von 6,5 % und Dehnung
in Querrichtung von 12,4 % für
den in y-Achse abgeschälten
Schaum, oder ein Dehnungsanstieg in Längsrichtung von 23 %, mit nur
4 % Abnahme der Dehnung in Querrichtung.
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Zwanzig
Millimeter (mm) × 150
mm Proben des in z-Achse abgeschälten
Materials und des in y-Achse abgeschälten Materials wurden in einer
nach Maß gefertigten
Vierpunktsonden-Widerstandsmessungsvorrichtung
mit einem Abstand von 100 mm zwischen einem Paar von Abfühlsonden
angeordnet. Der Widerstand wurde als der Potentialabfall in Millivolt
aufgezeichnet, der zum Durchgang von 1 Ampere erforderlich ist.
Der spezifische Widerstand in Ohm pro Zentimeter (Ω/cm) wurde
bestimmt, indem der Potentialabfall durch den Strom und die Länge geteilt
wurde. Die spezifischen Widerstände
in Längsrichtung
des in y-Achse abgeschälten
Vergleichsschaums und des erfindungsgemäßen, in z-Achse abgeschälten Schaums
waren 0,00157 Ω/cm beziehungsweise
0,00155 Ω/cm.
Der spezifische Widerstand in Querrichtung für das in y-Achse geschälte Vergleichsprodukt
war 0,00234 Ω/cm.
Dies ist zu vergleichen mit einem spezifischen Widerstand von 0,00175 Ω/cm für das in
z-Achse abgeschälte erfindungsgemäße Produkt,
oder eine Verbesserung des spezifischen Widerstands von 25 %. Die
Ergebnisse des spezifischen Widerstands sind in Tabelle 1 als Widerstandsverhältnis von
spezifischem Widerstand in Querrichtung zu spezifischem Widerstand
in Längsrichtung
angegeben. Bei dem Vergleichsschaum war das Widerstandsverhältnis 1,49.
Bei dem in z-Achse abgeschälten
Schaum war das Widerstandsverhältnis
1,13. Ein Widerstandsverhältnis
von 1,0 ist ein Anzeichen für
perfekt runde Poren. Die Daten zeigen daher, dass das in z- Achse abgeschälte erfindungsgemäße Produkt
in Längsrichtung nur
sehr leicht verlängerte
Poren aufweist.
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Die
Ergebnisse aller Tests für
das Vergleichsprodukt sowie für
das erfindungsgemäße Material
sind in der folgenden Tabelle 1 wiedergegeben.
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Wie
aus Tabelle 1 hervorgeht, liefert Abschälen in z-Achse des Polymerschaums
ein plattiertes Schaumprodukt mit einer wesentlich vergrößerten Dehnung
in Längsrichtung,
ohne Dehnung in Querrichtung in nachteiliger Weise zu opfern. Verbesserte
Dehnung in Längsrichtung
ermöglicht
eine erhöhte
Beladung mit aktivem Material, was höhere Batteriekapazitäten ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Produkt
hat auch die hocherwünschte
erhöhte
Zugfestigkeit in Längs-
und Querrichtung. Der niedrigere Widerstand des erfindungsgemäßen Produkts
ermöglicht
außerdem
vorteilhafte Batterieleistung bei höheren Entladungsraten.
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Beispiel 2
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Es
wurde wieder ein kommerziell erhältlicher,
offenzelliger Schaum verwendet, die in Laibform hergestellt wurde,
das Polyurethanschaum der Sorte Z-110 war, erhältlich von Foamex, Inc. Der
Laib wurde vorbereitet, und danach wurden drei Teile des Laibs geschält. Eine
einzelne, 300 (Millimeter) mm breite Rolle wurde um die x-Achse
eines Teils, die y-Achse eines zweiten Teils und die z-Achse des
dritten Teils abgeschält.
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Dann
wurde jede Rolle nickelplattiert und wie in Beispiel 1 geglüht.
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Aus
jeder Rolle wurden Proben von 20 mm langen mal 300 mm breiten Streifen
geschnitten und danach gewogen. Das Gewicht jeder Probe wurde wie
in Beispiel 1 in g/m2 bestimmt. Die Standardabweichung des
Gewichts von 140 Streifen des um die y-Achse abgeschälten Laibteils, 140 Streifen
des um die x-Achse abgeschälten
Laibteils und 140 Streifen des um die z-Achse herum abgeschälten Laibteils
wurden wie in Beispiel 1 ermittelt. Die Standardabweichung der in
y-Achse und x-Achse abgeschälten
Vergleichsprodukte sowie des in z-Achse abgeschälten erfindungsgemäßen Materials
sind in der folgenden Tabelle 2 wiedergegeben.
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Wie
aus Tabelle 2 hervorgeht, wurde bei dem erfindungsgemäßen, in
z-Achse abgeschälten
Produkt eine gleichförmigere
Gewichtsverteilung erreicht.
