-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode vom belegten Typ,
welche spiralförmig
vorgesehen ist, deren dreidimensionaler Träger vornehmlich ein leitender
Metallschaum ist. Sie betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, die
Akkumulatoren mit alkalischem Elektrolyt Nickel-Cadmium (Ni-Cd)
oder hydrurablem Nickel-Metall (Ni-MH) mit zylindrischer Form, welche
für mobile
Anwendungen verwendet werden.
-
Sie
erstreckt sich außerdem
auf das Herstellungsverfahren der Elektrode und auf ihre Verwendung
in einem elektrochemischen Generator.
-
Die
Elektrode vom belegten Typ ist zusammengesetzt aus einem leitenden
Träger,
der zweidimensional oder eben sein kann, wie ein ebenes oder perforiertes
Bandeisen, ein Streckmetall, ein Gitter oder ein Stoff, beziehungsweise
einen dreidimensionalen Träger
wie ein Schaum oder ein Filz. Der Träger ist umhüllt von einer Schicht aus Masse,
welche das elektrochemisch aktive Material und meistens ein Bindemittel
enthält.
-
Während der
Herstellung des elektrochemischen Generators muss die Elektrode
elektrisch mit der Klemme des Stromausgangs verbunden sein. Diese
Verbindung erfolgt üblicherweise über einen auf
einer Seite auf der Innenseite der Klemme und auf der anderen Seite
auf dem leitenden Träger
der Elektrode fixierten Anschluss. Der Anschluss ist bevorzugt auf
den Träger
gelötet,
um den elektrischen Kontakt zuverlässig zu machen.
-
In
dem Fall von Generatoren, deren Elektrodenbündel spiralförmig sind,
ist es vorteilhaft, den Anschluss direkt auf die Scheibe der Elektroden
löten zu
können.
Wenn der Träger
der Elektrode ein dreidimensionaler Träger großen, porösen Volumens ist, weist seine
Scheibe nicht die notwendige Festigkeit auf, um dort direkt einen
An schluss anzulöten.
Mehrere Dokumente schlagen also vor, die Trägerseite zu verstärken, bevor
der Anschluss dort befestigt wird.
-
Der
Träger
kann verstärkt
werden, indem entlang der Längsseite
ein Verstärkungsband
befestigt wird, welches ein Metallband ist.
-
Die
japanische Patentanmeldung JP-62 219 462 beschreibt eine Elektrode
mit fasrigem Träger, deren
Seite durch ein U-förmig
gebogenes Metallband verstärkt
ist, welches rittlings angeordnet ist und mittels Punkten auf den
Träger
gelötet
ist. Anschließend
wird ein Anschlusszünglein
auf dem Band befestigt.
-
Es
wurde vorgeschlagen, ein Verstärkungsband
mit eingeschnittener Seite zu verwenden. Das Band wird in der Weise
auf den Träger
gedrückt,
dass die Einschnitte in die Poren des Trägers eingebracht werden und
so das Band an dem Träger
aufhängen.
-
Die
japanische Patentanmeldung JP-62 237 665 schlägt vor; eine U-förmig gebogene
Metallplatte zu verwenden, deren Seite eingekerbt ist. Die Platte wird
in der Weise auf den Träger
aus Filz gedrückt, dass
die Reliefs sich am Träger
aufhängen.
-
Das
englische Patent GB-2 055 899 beschreibt eine Elektrode mit porösem Träger. Die
Verstärkung
ist eine leitende Platte, deren Seite zackig zugeschnitten und senkrecht
zur Platte geklappt ist. Druck wird auf die Zacken ausgeübt, so dass
sie in den Träger
eindringen. Eine metallische Ablagerung dient dem Verfestigen des
Zusammenbaus.
-
Ein
solches Verstärkungsband
ist aufwendig zu realisieren und schwierig in zuverlässiger Weise und
reproduktiv zusammenzusetzen.
-
Eine
andere Lösung
ist, ein Verstärkungsband
zu verwenden, welches aus einem sehr porösen Material besteht, das gleich
dem Trägermaterial sein
kann. Das Verstärkungsband
wird in der Weise auf den Träger
gedrückt,
dass sich die beiden Materialien gegenseitig durchdringen.
-
Das
europäische
Patent EP-0 658 946 beschreibt eine ebene Elektrode, deren Seite
durch das Aufdrücken
mehrerer ähnlicher
Schaummassen verstärkt
ist, die den Träger
bilden.
-
Gemäß der japanischen
Patentanmeldung JP-57 080 672 wird die Seite selbst ein oder mehrere Male
mit eine Filzträger
gefaltet und komprimiert.
-
Alle
vorhergehend beschriebenen Verstärkungsverfahren
haben die Wirkung, die Längsseite der
Elektrode zu versteifen, wodurch die Biegung schwierig wird, welche
durch die anschließende
Spiralformung der Elektrode auferlegt wird.
-
Die
europäische
Patentanmeldung EP-0 516 535 schlägt vor, auf einander gegenüberliegenden Seiten
der Seite der Elektrode einen Anschluß aus Streckmetall oder perforiertem
Bandeisen mit einem Freiraumanteil von größer als 40 % anzuordnen, der mittels
Kompression befestigt ist.
-
Diese
Lösung
ist aufgrund des erheblichen Risikos eines Kurzschlusses schwierig
einsetzbar. Die Kurzschlüsse
werden durch die freien Metallfäden
verursacht, welche sich auf der Seite des Anschlusses befinden und
welche den Separator perforieren und mit der Elektrode entgegengesetzter
Polarität
in Kontakt treten können.
-
Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe eine spiralförmige Elektrode
mit dreidimensionalem Träger
vorzuschlagen, bei der eine Längsseite
verstärkt
ist, um einen Anschluss aufzunehmen, der auf ihre Scheibe gelötet ist,
und die sich leichter in Spiralform bringen lässt und bei der das Risiko
eines Kurzschlusses geringer ist als bei den bekannten Elektroden.
-
Der
Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode, umfassend einen dreidimensionalen
porösen leitenden
Träger,
wobei mindestens ein metallisches Verstärkungsband entlang der Längsseite
des Trägers
befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Band einen Reißdehnungskoeffizienten
von mindestens 20 % in Richtung parallel zur Seite des Trägers besitzt,
und dass die zwei Längsseiten
des Bands zur gleichen Seite in Richtung auf eine der Seiten des Bands
geklappt sind, wobei diese Seite am Träger mit mindestens einem Teil
ihrer Oberfläche
angebracht ist.
-
Auf
diese Weise vermeidet man das Auftreten eines Kurzschlusses, welcher
bedingt ist durch das Vorhandensein metallischer Fäden, die
sich von der Seite des Bands wegstrecken, wenn die Fäden zwischen
dem Band und dem Träger
der Elektrode eingeschlossen werden.
-
Um
die für
die Spiralform erforderliche Längsflexibilität der Elektrode
beizubehalten, ist es notwendig, dass das Verstärkungsband selbst eine große Flexibilität besitzt,
die nur erhalten wird, wenn das Band in der Lage ist, eine ausreichende
Dehnung auszuhalten, ohne sich zu deformieren. Diese Fähigkeit
wird mit dem Reißdehnungskoeffizienten bewertet,
der durch die Abweichung zwischen der Reißlänge und der Ausgangslänge im Verhältnis zur Ausgangslänge des
Musters definiert ist, der in folgender Weise gemessen wird.
-
Ein
Muster des zu charakterisierenden Materials wird zwischen den Backen
einer Zugmaschine eingesetzt, die Länge L0 zwischen
den Backen beträgt
100 mm, die Länge
des Musters ist die des Bandes, welches zum Verstärken der
Seite der Elektrode verwendet werden wird. Die Zuggeschwindigkeit
beträgt
100 mm/min. Die Reißlänge Lr wird über
die Antwortkurve der Zugkraft als Funktion der Dehnung bestimmt.
-
Der
Reißdehnungskoeffizient
ausgedrückt in %,
wird gemäß dem Verhältnis berechnet:
-
-
Vorzugsweise
wird das Band ausgewählt zwischen
einem Streckmetall, einem Gitter und einem perforierten Bandeisen
mit einem Freiraumanteil von mindestens 40 %, bevorzugt von mindestens 50
%. Der Freiraumanteil wird definiert als das Verhältnis der
hohlen Fläche
zur Gesamtfläche
des Bands.
-
Es
ist möglich
das Band in U-Form in Richtung der Länge zu biegen, so dass es rittlings
auf der Seite der Elektrode angeordnet wird, wobei die zusammengeklappten
Seiten auf der Innenseite des U's
eingeschlossen sind. Zwei Bänder,
deren beide Seiten zusammengeklappt sind, können auch auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Trägers angeordnet
werden.
-
Das
Band ist vorzugsweise auf einer einzigen Seite des Trägers angeordnet.
Vorteilhafterweise ist das Band auf der Seite des Trägers angeordnet, welche
sich auf der Außenseite
im Verlauf der Spiralform befindet. Auf diese Weise befindet sich
das Band einem Zug ausgesetzt, der es bei dessen Dehnung begleitet
ohne es zu verformen. Ist es auf der Innenseite der Klemme angeordnet,
riskiert es sich zu verformen; diese Verformung kann Überdicken verursachen,
welche schädlich
für die
Spiralform sind.
-
Der
Träger
ist gewöhnlich
ein Nickelschaum. Das Band kann aus Nickel, vernickeltem Stahl oder aus
nicht oxidierbarem Stahl sein.
-
Das
Band ist vorteilhafterweise auf den Träger gelötet. Die Befestigung des Bands
auf dem Träger
ist stabiler und die elektrische Kontinuität ist in zuverlässiger Weise
sichergestellt. Das Löten
kann ein Löten
mittels Punkten, im Kreis mit verbundenen Punkten oder mittels Ultraschall
sein.
-
Auch
Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Generator, umfassend
eine solche spiralförmige
Elektrode, wobei die Elektrode spiralförmig ist, um eine Spule zu
formen, und die Elektrode elektrisch mit einer Klemme über ein
auf der einen Seite auf die Scheibe der Spule und auf der anderen Seite
auf die Klemme gelötetes
Verbindungsstück verbunden
ist.
-
Das
Material des Verbindungsstücks
kann Nickel, vernickelter Stahl oder nicht oxidierbarer Stahl sein.
Vorzugsweise besteht das Band aus dem gleichen Metall wie das Verbindungsstück. So werden
die Arbeitsgänge
des Lötens
vereinfacht.
-
Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Elektrode als aktiven elektrochemischen Stoff Hydroxid auf Basis
von Nickel.
-
Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
enthält
die Elektrode einen elektrochemisch aktiven Stoff auf Basis von
Cadmium.
-
Gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Elektrode als aktiven elektrochemischen Stoff eine Metalllegierung,
welche in der Lage ist, den Wasserstoff zu absorbieren, um eine Wasserstoffverbindung
zu bilden.
-
Gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Elektrode als aktiven elektrochemischen Stoff ein Kohlenstoffmaterial,
welches in der Lage ist, Lithium in seine Struktur einzufügen, wie beispielsweise
Graphit, Koks, Russ und vitrifizierten Kohlenstoff.
-
Gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Elektrode als aktiven elektrochemischen Stoff ein Oxyd eines Übergangmetalls, wie
zum Beispiel das Oxyd des Vanadiums, die Lithiumoxyde des Mangans,
Nickels und Cobalts, und die Lithiumoxyde, welche aus Nickel, Cobalt,
Mangan oder Aluminium bestehen.
-
Die
Erfindung wird besser verstanden werden und weitere Vorteile und
Eigenschaften werden bei der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung deutlich,
welche nicht einschränkend
ist und welche von den beigefügten
Zeichnungen begleitet wird, in denen:
-
1 eine
Vorderansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Elektrode ist;
-
2 eine
Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Elektrode ist;
-
3 eine
schematische Ansicht der Spule und des Verbindungsstücks ist;
und
-
4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt.
-
Es
ist selbstverständlich,
dass die Figuren und die entsprechenden Beschreibungsteile nur zur Darstellung
des Erfindungsgegenstands dienen und nicht im geringsten eine Einschränkung sind.
-
BEISPIEL 1
-
Es
wird eine erfindungsgemäße Elektrode 1 hergestellt,
welche in den 1 und 2 dargestellt
ist, umfassend einen Stromkollektorträger, der ein Schaumband aus
Nickel mit ungefähr
250 mm Länge
und 32 mm Breite ist. Eine Masse, welche das elektrochemisch aktive
Material enthält,
das ein Hydroxid auf Basis von Nickel ist, und ein Bindemittel werden
in die Porosität
der Masse eingebracht.
-
Es
wird ein Band 2 vorbereitet, welches ein Gitter aus nicht
oxidierbarem Stahl ist, mit ungefähr 6 mm Breite und der gleichen
Länge wie
die Elektrode 1, wobei das Band so vorgesehen ist, dass
seine Längsachse
parallel ist zur Diagonalen der Maschen des Gitters. Die Längsseiten 3 und 4 werden
auf die gleiche Seite gegen eine der Oberflächen des Gitters 2 geklappt,
indem sie sich teilweise bedecken, um so ein Band geringerer Länge zu bilden,
dessen Kanten keine freien Fäden
aufweisen.
-
Die
eine der Längsseiten 5 der
Elektrode 1 wird auf ungefähr 1 bis 2 mm von ihrer aktiven Schicht
mittels Druckluft und Ultraschallbehandlung befreit. Man verwendet
das Gitter 2 an der Seite 5 in der Weise, dass
die zusammengeklappten Seiten 3, 4 des Gitters 2 gegen
die Elektrode 1 angeordnet sind. Die freien Fäden des
Gitters befinden sich somit eingeschlossen gegen den Schaum.
-
Das
Gitter 2 ist auf der Elektrode 1 durch Elektrolöten mittels
Punkten befestigt, die 1 cm voneinander beabstandet sind. Die Elektrode 1 wird dann
mittels Kompression auf ihre definierte Dicke gebracht.
-
Man überlagert
die vorhergehend realisierte positive Elektrode 1, einen
Separator aus Polyamid und eine negative Elektrode, deren elektrochemisch aktives
Material auf Basis von Cadmium ist. Der Stapel wird in Spiralform
gebracht, um eine Spule 30 zu formen, wie sie in 3 dargestellt
ist, indem dafür gesorgt
wird, die Seite der Elektrode, welche das Band trägt, so anzuordnen,
dass sie sich in Richtung auf die Außenseite der Spule 30 befindet.
-
Auf
das Gitter 2, welches die Scheibe der positiven, gewickelten
Elektrode 1 verstärkt,
wird ein Verbindungsstück 31 gelötet, welches
eine Kreisscheibe aus vernickeltem Stahl ist, die Öffnungen 32 umfasst,
die umrahmt sind von zwei Lippen, die mit der Spule in Kontakt kommen.
-
Nach
dem Einführen
in einen Behälter
wird die Spule mit Elektrolyt imprägniert, indem vornehmlich die
zentrale Öffnung 33 des
Stücks 31 verwendet wird.
Das alkalische Elektrolyt umfasst eine Mischung aus Kaliumhydroxyd
(KOH), Natriumhydroxy (NaOH) und Lithiumhydroxyd (LiOH) in wässriger
Lösung.
-
Das
Verbindungsstück 31 trägt eine
Lasche 34, deren gegenüberliegendes
Ende auf der Innenseite einer Stromausgangsspule nach der Beifügung des
Elektrolyts befestigt wird. Der Generator wird verschlossen durch
Einfassen eines Deckels auf dem Behälter.
-
BEISPIEL 2
-
Man
stellt eine erfindungsgemäße Elektrode 41 her,
welche in 4 dargestellt ist, umfassend
einen Stromkollektorträger
und eine aktive Schicht, analog zu der des Beispiels 1.
-
Man
bereitet ein Band 42 vor, welches aus vernickeltem Streckstahl
ist, mit ungefähr
4 mm Breite und der gleichen Länge
wie die Elektrode 41. Die Längsseiten 43 und 44 sind
auf die eine der Oberflächen
auf der gleichen Seite des Streckmetalls 42 geklappt. Die
Falte jeder Kante 43, 44 besitzt eine Länge bis
ziemlich genau zur Hälfte
des Bands 42, so dass die Kanten 43, 44 sich
nicht überlappen.
Auf diese Weise erhält
man ein Band mit geringer Länge, dessen
Kanten keine freien Fäden
aufweisen.
-
Wie
in dem Beispiel 1 ist die eine der Längskanten 45 der Elektrode 41 von
ihrer aktiven Schicht befreit und man verwendet das Streckmetall 42 entlang
der Kante 45 in der Weise, dass die zusammengeklappten
Kanten 43, 44 des Streckmetalls 42 gegen
die Elektrode 41 angeordnet sind. Die freien Fäden des
Streckmetalls befinden sich so gegen den Schaum eingeschlossen.
-
Das
Streckmetall 42 wird auf der Elektrode 41 mittels
Löten in
Kreisen mit miteinander verbundenen Punkten befestigt. Die Elektrode 41 wird
dann mittels Kompression auf ihre endgültige Dicke gebracht.
-
Man überlagert
die positive Elektrode 41, welche vorhergehend realisiert
wurde, einen Separator aus Polyolefin und eine negative Elektrode,
deren elektrochemisch aktives Material eine Metalllegierung ist,
die den Wasserstoff absorbieren kann. Man bringt den Stapel in eine
Spiralform, um eine Spule zu bilden.
-
Auf
dem Streckmetall 42, welches die Scheibe der positiven,
gewickelten Elektrode 41 verstärkt, wird ein Verbindungsstück analog
zu dem der 3 aus vernickeltem Stahl gelötet, welches
eine Lasche trägt,
deren gegenüberliegendes
Ende auf der Innenseite einer Stromausgangsklemme befestigt wird.
-
Nach
dem Einführen
in einen Behälter
wird die Spule mit einem alkalischen Elektrolyt analog zu der des
Beispiels 1 imprägniert.
Der Generator wird durch Einfassen eines Deckels auf dem Behälter geschlossen.
-
BEISPIEL 3
-
Wie
in 5 dargestellt, wird eine Elektrode 51 gemäß der Erfindung
hergestellt. Man bereitet ein Band 52 vor, welches ein
Gitter analog zu dem des Beispiels 1 ist. Die Längskanten 53 und 54 sind
gegen die eine der Oberflächen
auf der gleichen Seite des Gitters 52 gefaltet, so dass
die Kanten 53, 54 sich nicht berühren. Das
Band 52 wird dann zusammengeklappt und nun rittlings auf
der Kante 55 der Elektrode angeordnet, welche zuvor von
ihrer aktiven Schicht befreit wurde. Das Band 52 wird schließlich auf
die Kante 55 gelötet.
