DE7221448U

DE7221448U - Luftelektrode

Info

Publication number: DE7221448U
Application number: DE7221448U
Authority: DE
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1971-06-09
Publication date: 1974-12-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftelektrode.

Eine Luftelektrode gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine poröse leitende Lage aus einem gesinterten Gemisch aus Graphitflocken und einem Kunstharzbindemittel und eine poröse Katalysatorlage, die auf der leitenden Lage angeordnet ist und aus einem gesinterten Gemisch aus Aktivkohle und einem Kunstharzbinder besteht.

Vorzugsweise enthält das Gemisch, das gesintert wird, um die Katalysatorlage zu bilden, auch bis zu 50 Gew.-% Graphitflocken.

Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Katalysatorlage zwischen 1 zu 1 und 3,5 zu 1.

Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis von Graphit zu Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage zwischen 5 zu 1 und 20 zu 1.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kunstharzbinder der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage um ein hydrophobes Material.

Vorzugsweise hat das Kunstharzbindemittel, das in dem Gemisch verwendet wird, welches zur Bildung der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage gesintert wird, eine Partikelgröße von weniger als oder von gleich 5 Mikron.

Vorzugsweise ist die leitende Lage mit einem Stromkollektor versehen, mittels dessen elektrische Verbindungen mit der Elektrode herstellbar sind.

Die Erfindung ist im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung einer Luftelektrode als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Luftelektrode ist zur Verwendung in einer Primär-Metall/Luft-Batterie vorgesehen und weist eine poröse leitende Lage 11 und eine poröse Katalysatorlage 12 auf, die von der Lage 11 getragen ist. Die Lage 11, die im Betrieb mit Luft unter atmosphärischem Druck versorgt wird, ist aus einem Gemisch gebildet, das aus 87 Gew.-% Graphitflocken, erhältlich unter der Bezeichnung Felise 1371 von der Firma Resal Limited, und 15 Gew.-% Polyäthylenpulver besteht, erhältlich von der Firma British Drug Houses Limited for the chromatographische Analyse. Die mittleren Partikelgrößen der Graphitflocken und des Polyäthylenpulvers im Gemisch sind so eingerichtet, dass sie 76 Mikron bzw. 5 Mikron betragen, und nach dem Mischen wird das Gemisch über eine flache Wanne auf eine Dicke von zwischen 0,5 und 1,5 mm verteilt. Das Gemisch wird dann bei einer Temperatur zwischen 110 und 160°C gesintert, vorzugsweise bei 130°C, um eine selbsttragende poröse Platte zu bilden.

Die Katalysatorlage 12 der Elektrode, die im Gebrauch auf den Elektrolyten der Batterie zugerichtet ist, wird aus einem Gemisch gebildet, das aus 58 Gew.-% Aktivkohle, erhältlich von der Firma Hopkin & Williams unter der Bezeichnung H.F.C., 17 Gew.-% Polyäthylenpulver, wie es in der Lage 11 verwendet wird, und 25 Gew.-% der Graphitflocken besteht, die in der Lage 11 verwendet werden. Die mittlere Partikelgröße der Aktivkohle im Gemisch beträgt 53 Mikron, während die Partikelabmessungen des Polyäthylenpulvers und der Graphitflocken die gleichen sind wie jene, die in der Herstellung der Lage 11 verwendet werden. Nach dem Mischen des Katalysatorgemisches entsteht eine poröse selbsttragende Platte aus dem Gemisch in der gleichen Weise, wie das vorstehend für die Lage 11 beschrieben worden ist, und die porösen Platten werden dann gepresst und zusammengesintert, um die erforderliche Luftelektrode herzustellen. Ein Druck von 87
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/m hoch2 wird auf die Platten ausgeübt, um sie zu verbinden, und es wird mit einer Temperatur zwischen 110°C und 160°C und vorzugsweise 130°C gearbeitet, um das Sintern zu bewirken. Das Pressen der Platten zur Erzeugung von Luftelektroden verringert die Dicke der Platten derart, dass die leitende Lage 11 und die Katalysatorlage 12 jeweils zwischen 0,5 und 1 mm dick sind. Die entstehende Luftelektrode hat bei der Verwendung in einer Zelle mit einer Zinkanode und mit einer Spannung von 1 Volt eine Stromdichte von 30 m/cm hoch2.

Um die Herstellung elektrischer Verbindungen mit der Luftelektrode zu ermöglichen, wird ein Stahl-Stromkollektorgitter 13 in die Oberfläche der leitenden Lage 11 gepresst, die der Lage 12 gegenüberliegt. Alternativ kann ein Metallanschluss (nicht dargestellt) an der leitenden Lage 11 befestigt werden, indem ein Teil der Oberfläche derselben beschichtet wird, die von der Lage 12 entfernt liegt, und zwar mit heißer Lötmasse, und indem der Anschluss in Kontakt mit der Lötmasse gedrückt wird. Die Lötmasse haftet an der Lage 11 durch das Polyäthylen und sichert damit dem Anschluss an die Luftelektrode. Die Verwendung des Stromkollektorgitters, das zuvor erwähnt worden ist, wird jedoch bevorzugt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Luftelektrode dadurch hergestellt, dass zunächst in eine leitende Lage das Gemisch aus Graphitflocken und Polyäthylenpulver gesintert wird, das für die Herstellung der Lage 11 aus dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Auf diese leitende Lage wird dann bis zu einer Dicke von 1,5 mm ein Pulvergemisch verteilt, bestehend aus 25 Gew.-% des zuvor verwendeten Polyäthylenpulvers und 77 Gew.-% der Aktivkohle, vorzugsweise mit einer Partikelgröße im Bereich von 30 Mikron, wobei es sich um das Material handelt, das von der Firma Hopkin und Williams für die Gaschromatographie geliefert wird. Das Pulvergemisch wird dann gesintert, um eine Katalysatorlage zu bilden, die an der leitenden Lage anhaftet, indem der Verband bei 130°C 15 Minuten lang erhitzt wird. Ein
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wird dann auf die leitende Lage gelegt, um die Elektrode zu vervollständigen, und anschließend erfolgt ein Drücken bei 87
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/m hoch2. Schließlich wird die Elektrode zwischen Metallplatten bei 130°C zehn Minuten lang gesintert.

In der Elektrode im zweiten Ausführungsbeispiel ist kein Graphit in der Katalysatorlage enthalten. Der Zweck für die Aufnahme von Graphit in der Katalysatorlage, was natürlich der Fall bei der Elektrode im ersten Ausführungsbeispiel ist, besteht darin, deren Leitfähigkeit und damit deren Leistung bei hohen Stromdichten zu verbessern. Die Elektrode aus dem zweiten Ausführungsbeispiel muss jedoch nur bei niedrigen Stromdichten arbeiten, d.h. unter 100 A/m hoch2, und folglich ist es möglich, das Graphit aus der Katalysatorlage wegzulassen. Darüber hinaus ist festgestellt worden, dass das Weglassen von Graphit aus der Katalysatorlage die effektive Lebensdauer der Elektrode verlängert, obgleich die Leitfähigkeit wie gesagt in der Katalysatorlage verringert wird.

In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels wird der Drahtanschluss durch ein gewebtes und
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Stahldrahtsieb mit einer Maschenzahl von 10 (britische Norm) und mit einer Drahtdichte von 38
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ersetzt, wie es von der Firma Grooninge Limited erhältlich ist. Das gewebte Sieb wird auf die leitende Lage gelegt, und während des Pressvorgangs mit 87
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/m hoch2 wird es in die Oberfläche der leitenden Lage gepresst.

In einem dritten Ausführungsbeispiel muss eine Luftelektrode für eine Metall/Luft-Zelle hergestellt werden, bei der mit einem nicht umlaufenden alkalischen Elektrolyten oder mit einem gelierten alkalischen Elektrolyten gearbeitet wird. Während des Betriebs einer solchen Zelle entstehen Peroxidionen an der Luftelektrode, und diese können unerwünschte Effekte auf die Zellenbestandteile haben. Es hat sich demnach als wünschenswert erwiesen, um eine Elektrode für einen solchen Einsatzbereich herzustellen, in der Katalysatorlage einen Peroxid zersetzenden Katalysator aufzunehmen. Der Peroxid zersetzende Katalysator muss natürlich in dem alkalischen Elektrolyten stabil sein. Beispiele für geeignete Katalysatoren sind die Platinmetalle, Silber, Spinell und Mischoxide aus den Metallen der VIII-Gruppe
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bestimmte Übergangsmetalloxide wie jene von Mangan und Vanadium. Allgemein handelt es sich bei dem bevorzugten Katalysator um Mangandioxid, und zweckmäßigerweise beträgt die Menge an Mangandioxid, das in der Katalysatorlage aufgenommen wird, 10 Gew.-% der Aktivkohle. In einem besonderen Beispiel wird eine Elektrode nach dem dritten Ausführungsbeispiel dadurch hergestellt, dass zunächst das Gemisch aus Graphitflocken und Polyäthylenpulver, wie das auch schon bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen verwendet worden ist, in eine leitende Lage gesintert wird. Auf die leitende Lage wird dann auf eine Dicke von 1,5 mm ein Pulvergemisch verteilt, bestehend aus 7 Gew.-% Manganoxid in technischer Qualität, wie es von der Firma B.D.H. geliefert wird, wobei eine Partikelgröße von 100 Mikron vorgesehen wird, 71 Gew.-% der Aktivkohle, die im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet worden ist, und 22 Gew.-% des Polyäthylens, das im zweiten Ausführungsbeispiel verwendet worden ist. Ein Sintern des Pulvergemisches in eine Katalysatorlage und ein anschließendes Weiterverarbeiten der Elektrode geht dann in der gleichen Weise wie im zweiten Ausführungsbeispiel weiter.

Es versteht sich, dass das Polyäthylen in der leitenden und in der Katalysatorlage jeder der vorstehend beschriebenen Elektroden den Kunstharzbinder der Lagen bildet, obgleich natürlich andere Kunstharze wie Polytetrafluoräthylen als das Bindemittel für die eine oder die andere oder beide Lagen verwendet werden können. Ferner ist zu beachten, dass das Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage und/oder in der Katalysatorlage jeder Luftelektrode gemäß der Erfindung vorzugsweise in der Form eines hydrophoben Materials vorgesehen ist, wobei sowohl Polyäthylen als auch Polytetrafluoräthylen beispielsweise geeignete hydrophobe Materialien angeben.

Ferner versteht es sich, dass die vorstehend genannten Zusammensetzungen für die Katalysatorlagen und die leitenden Lagen nur beispielsweise angegeben worden sind und dass andere Zusammensetzungen für die Lagen erfolgreich verwendet werden können. Allgemein wird jedoch bevorzugt, dafür zu sorgen, dass die Zusammensetzung der leitenden Lage einer Elektrode gemäß der Erfindung derart ist, dass das Gewichtsverhältnis des Graphits zum Kunstharzbindemittel in der Lage zwischen 5 zu 1 und 20 zu 1 beträgt. Ferner wird vorzugsweise dafür gesorgt, dass die Zusammensetzung der Katalysatorlage einer Elektrode gemäß der Erfindung derart ist, dass das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Lage zwischen 1 zu 1 und 3,5 zu 1 beträgt und dass die Katalysatorlage bis zu 50 Gew.-% Graphit enthält. Ferner versteht es sich, dass für den Fall, dass ein Peroxid zersetzender Katalysator in der Katalysatorlage aufgenommen wird, Graphit auch in dieser Lage enthalten sein kann, obgleich in der Elektrode nach dem dritten Ausführungsbeispiel natürlich kein Graphit in der Katalysatorlage vorhanden ist.

Claims

1. Luftelektrode, gekennzeichnet durch eine poröse leitende Lage (11) aus einem gesinterten Gemisch aus Graphitflocken und einem Kunstharzbindemittel und eine poröse Katalysatorlage (12), die auf der leitenden Lage (11) angeordnet ist und aus einem gesinterten Gemisch aus Aktivkohle und einem Kunstharzbindemittel besteht.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch für die Sinterung zur Herstellung der Katalysatorlage (12) auch bis zu 50 Gew.-% Graphitflocken enthält.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Aktivkohle zu Kunstharzbindemittel in der Katalysatorlage zwischen 1 zu 1 und 3,5 zu 1 beträgt.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Graphit zu Kunstharzbindemittel in der leitenden Lage zwischen 5 zu 1 und 20 zu 1 beträgt.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunstharzbindemittel der leitenden Lage und/oder der Katalysatorlage ein hydrophobes Material ist.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Gemisch für die Sinterung zur Herstellung der leitenden Lage (11) und/oder der Katalysatorlage (12) verwendete Kunstharzbindemittel eine Partikelgröße von weniger als oder gleich 5 Mikron hat.

7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Peroxid zersetzender Katalysator in der Katalysatorlage aufgenommen ist.

8. Elektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Peroxid zersetzende Katalysator Mangandioxid ist.

9. Elektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Mangandioxid in der Katalysatorlage im Bereich von 10 Gew.-% der Aktivkohle liegt.

10. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leitende Lage (11) mit einem Stromkollektor versehen ist, mittels dessen elektrische Verbindungen zur Elektrode herstellbar sind.