DEP0011259DA - Kleinakkumulator - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Kleinakkumulatoren, insbesondere fuer die Verwendung in Taschenlampen nach dem Muster bekannter Akkumulatorenbauarten zu verwenden, und zwar sowohl Blei-Akkumulatoren als auch Stahlakkumulatoren, insbesondere des Edisontyps.

Der Aufbau eines Nickel-Cadmium-Akkumulators gestaltet sich im allgemeinen so, dass die Aktivmassen, die einerseits aus einer Nickelverbindung und andererseits aus einer Cadmiumverbindung bestehen, in Taschen oder Umhuellungen aus perforiertem Eisenblech untergebracht sind. Ein Akkumulator dieser Art besteht in der herkoemmlichen Bauart im allgemeinen aus einer grösseren Anzahl solcher Platten. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, dass die positiven und die negativen Platten miteinander abwechseln. Ein einfaches Schema dieser bekannten Bauarten ist in Fig. 1 dargestellt. Hierin bedeutet 1 ein Akkumulatorgefaess aus beliebigem Material, mit 2 sind die an den positiven Pol, mit 3 die an dem negativen Pol angeschlossenen Platten bezeichnet. Betrachtet man das elektrische Stroemungsfeld eines solchen Akkumulators, so erkennt man, dass jede Platte mit den benachbarten Platten anderer Polaritaet zusammenarbeitet, und somit jede Platte nach zwei Seiten hin ein Stroemungsfeld entwickelt. Dadurch ist eine weitgehende Ausnuetzung der in die taschenfoermigen Platten eingepraegten Aktivmasse gewährleistet. Dies gilt jedoch nur fuer die inneren Platten. Die aeusseren Platten, die dne Gefaesswandungen benachbart liegen, machen offenbar insofern eine Ausnahme, als sie nur nach der Innenseite hin in Wirksamkeit treten. Das bedeutet, dass die Aktivität der aeusseren Platten sich im Vergleich mit den inneren Platten nicht voll auswirken kann.

Bei grossen Akkumulatoren mit einer erheblichen Anzahl nebeneinander angeordneter Platten spielt diese Erscheinung keine wesentliche Rolle, da ja die Minderung der Aktivitaet der beiden aeusseren Platten im Verhaeltnis zur Gesamtaktivitaet aller Platten nur einen geringen Betrag ausmachen kann.

Anders und wesentlich unguenstiger aber gestalten sich die Verhaeltnisse, je geringer die Anzahl der Plattenpaare ist, und am unguenstigsten, wenn in einem Gefaess nur ein einziges Plattenpaar vorgesehen ist. Dieser Fall ist in dem Schema der Figur 2 der Zeichnung dargestellt. Hier muessen infolge der ueber den ganzen Plattenlaengsschnitt verhaeltnismaessig gleichmaessig verteilten Leitfaehigkeit hinsichtlich des Stroemungsfeldes sich Verhaeltnisse ausbilden, die etwa dem in der Fig. 2 eingezeichneten Linienschema entsprechen, d.h. das Stroemungsfeld wird sich im wesentlichen zwischen den einander zugekehrten Innenseiten der Platten ausbilden, so dass im Verlauf der Ladung die Massenteilchen im Kern und an den Aussenseiten der Platten nur langsam die beabsichtigte Reaktion eingehen werden.

Zur genaueren Beleuchtung der Verhaeltnisse sei noch kurz auf die elektrochemische Grundlage der Stromleitung durch einen Elektrolyten hingewiesen. Der Elektrolyt besteht in unserem Falle aus einer Loesung von KOH in H(sub)2O.

KOH ist bei einer Loesung in Wasser zu einem bestimmten Prozentsatz dissoziiert in positive Kalium-Ionen und negative Hydroxylgruppen OH. Bei Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden bildet sich ein stationaeres elektrisches Feld aus, welches die elektrischen Ladungstraeger (Ionen) in Bewegung setzt. Hierbei bewegen sich die Kalium-Ionen entlang der Kraftlinie zur negativen Elektrode, die OH-Gruppen zur positiven Elektrode. An den Elektroden erfolgt die Neutralisation der Ionen durch die Leitungs-Elektronen. Es entsteht z.B. an der negativen Elektrode Kalium in atomarer Form in statu nascendi. Die in diesem Zustand aeusserst reaktionsfaehigen Atome verbinden sich mit der vorhandenen aktiven Masse des Akkumulators. Es ist ersichtlich, dass das elektrische Feld so gestaltet sein muss, dass es die Ionen nach und nach an alle vorhandenen Masseteilchen heranfuehren muss. In alle Faellen, wo z.B. ein Kalium-Ion bei der Neutralisation keine aktive Masse zur chemischen Reaktion vorfindet, wird es sofort eine Verbindung mit dem Loesungswasser eingehen nach der Gleichung:

2 K + 2 H(sub)2O = 2 KOH + H(sub)2, d.h. es entsteht an der Kathode Wasserstoff. An der Anode ist der Vorgang in diesem Fall aehnlich, er vollzieht sich nach der Gleichung: 2 OH + 2 OH = 2 H(sub)2O + O(sub)2, d.h. es entsteht gasfoermiger Sauerstoff.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass waehrend der Ladung eine unvollkommene Ausbildung des elektrischen Stroemungsfeldes die Aktivierung der Massen hinauszoegert und gleichzeitig ein Teil der elektrischen Energie in Wasser-Zersetzung, d.h. Gaserzeugung umgewandelt wird.

Betrachtet man nun einen Akkumulator gemaess Fig. 2, so muss man zu folgender Feststellung kommen:

Die Leitfaehigkeit der aus perforiertem Blech bestehenden Umhuellung 2' und 3' der Platten 2 und 3 ist auf allen Seiten der Platten gleich. Da der Strom aber den Weg des geringsten Widerstandes waehlt, so kann sich die Feldausbildung nur so vollziehen, wie in Fig. 2 eingezeichnet ist, naemlich in der Hauptsache zwischen den einander zugekehrten inneren Flaechen der Elektroden, waehrend nur ein geringer Anteil des Stromes von den Aussenflaechen der perforierten Umhuellung durch die Masse hindurch zu den gegenueberliegenden Aussenflaechen der anderen Elektrode fuehren kann.

Hier setzt nur die Erfindung ein.

Sie geht von der Erkenntnis aus, dass eine Kleinstakkumulatorzelle wegen der raemlichen Beschraenkung des Konstruktionsraumes praktisch nur ein Elektrodenpaar aufweisen kann, woraus sich aber, wenn man an der herkoemmlichen Elektrodenanordnung festhalten wuerde, die in Fig. 2 erlaeuterten Aktivierungsverhaeltnisse ergeben muessen, die sich um so unguenstiger auswirken werden, je kleiner die Abmessungen des Akkumulators sind. Tatsache ist denn auch, dass in der ueblichen Plattenpaaranordnung gebaute Kleinakkumulatoren, insbesondere des Edisontyps, sowohl beim Laden als auch beim Entladen sehr unguenstige Ergebnisse zeitigen. Haeufig ist bei diesen Konstruktionen eine sehr lebhafte Gasentwicklung in Verbindung mit Austritt der Elektrolytfluessigkeit zu beobachten, was auf die oben dargelegte unvollkommene Aktivierung der Elektrodenmassen schliessen laesst.

Die Erfindung geht daher in erster Linie darauf aus, eine Ausbildung des Stroemungsfeldes zwischen den beiden Elektroden eines Kleinstakkumulators so zu leiten, dass eine moeglichst vollkommene Aktivierung der Elektrodenmassen gewaehrleistet ist.

Erreicht wird dieses Ziel dadurch, dass die mit den Elektrodenmassen bedeckten an die Pole angeschlossenen Traeger mit einer so hohen Leitfaehigkeit und mit Bezug auf die Elektrodenmassen so angeordnet werden, dass eine gleichmaessige Beaufschlagung der Elektrodenmassen durch den Lade- und Entladestrom gewaehrleistet ist.

Eine diesem Gedanken entsprechende Akkumulatorenanordnung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.

Die Elektrodenplatten bestehen hier aus zwei verhaeltnismaessig dicken Eisenblechen 4 und 5, die an die Pole angeschlossen sind. Nur auf den einander zugekehrten Innenseiten tragen diese Platten die perforierten Bleche 6 und 7, welche die Elektrodenmassenpackungen einschliessen.

Im Gegensatz zu den bekannten Ausfuehrungen enthalten also die Elektrodenplatten auf ihrer den Gefaesswandungen zugekehrten Aussenseite ueberhaupt keine Aktivmassen. Die sehr starken Blechplatten 4 und 5 haben eine so hohe Leitfaehigkeit, dass infolge des aeusserst geringen Widerstandes der Strom die mit diesen Platten 4 und 5 verbundenen Aktivmassen ueber die gesamte Flaeche praktisch gleichmaessig beaufschlagen wird, wie dies durch das in Fig. 3 eingezeichnete Stroemungsfeld angedeutet ist. Das bedeutet, dass bei einem solchen Akkumulator die Elektrodenmassen ueber ihre gesamte Ausdehnung praktisch gleichmaessig beaufschlagt werden und somit die schaedlichen Gasbildungen und unerwuenschten Reaktionen auf ein praktisch unbedeutsames Minimum herabgesetzt werden koennen.

Das an Hand der Fig. 3 erlaeuterte Prinzip kann nun in einfacher Weise in einer fuer den Bau eines Kleinakkumulators guenstigsten zylindrischen Form praktisch verwirklicht werden. Das Schema eines solchen Akkumulators ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Hierin bedeutet 8 ein eisernes, zylindrisches, oben offenes Akkumulatorgefaess. Im Inneren dieses Gefaesses ist ein perforierter Blechzylinder 9 angebracht und zwischen diesen beiden zylindrischen Wandungen ist die eine Elektrodenmasse eingepackt. Die andere Elektrode besteht aus einem zentralen Eisenkern 10, der eine zylindrische Blechumhuellung 11 traegt, welche die andere Elektrodenmasse auf dem zentralen Kern 10 haelt. Im Boden des Gefaesses 8 ist eine Platte 12 aus nicht leitendem Material angeordnet. Das Aussengefaess 8 ist der Pluspol, die zentrale Elektrode der Minuspol.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Querschnitt der Kernelektrode 10 ausserordentlich gross, wodurch der Leitungswiderstand sehr klein wird. Auch der Zylindermantel des Aussengefaesses hat einen sehr grossen Leitungsquerschnitt und bietet daher dem Strom nur einen geringen Widerstand. Die Folge davon ist ein Stroemungsfeld entsprechend den Fig. 4 und 5, d.h. eine ueber die gesamte Flaeche der Elektrodenmassen gleichmaessig verteilte Strombeaufschlagung. Dies Gesetzmaessigkeit dieses Stroemungsfeldes errechnet sich leicht durch die Voraussetzung zweier koaxial angeordneter Zylinder-Elektroden, welche durch ein Medium minderer Leichtfaehigkeit getrennt sind.

Eine vorteilhafte konstruktive Ausbildung des in den Fig. 4 und 5 schematisch gezeigten Kleinakkumulators ist in Fig. 6 dargestellt. Das Akumulatorgefaess besteht aus einem aus Eisen gezogenen zylindrischen Becher 14. Im Innern ist ein zylindrisches perforiertes Blech 15 angeordnet, das die Elektrodenmassenpackung 19 mit der Aussenwandung in Kontakt haelt. Im Boden liegt ein Plaettchen 12 aus Isoliermaterial. Oben ist das Gefaess abgeschlossen durch einen Deckel 16 aus Isoliermaterial, der das Gefaess nach aussen gas- und fuessigkeitsdicht abschliesst. In der Mitte des Deckels ist eine zentrale Schraube 21 eingesetzt, die eine durchgehende zentrale Bohrung 21' aufweist. Sie wird von oben abgeschlossen durch eine mit Schlitz 23 versehene Ventilkappe 22, die sich mit ihrer unteren Flasche fest auf den Deckel 16 aufsetzt und dadurch den Ventilraum hermetisch gegen Aussenluft abdichtet. Der Hohlraum 24 ist einerseits an die zentrale Bohrung 21' angeschlossen, und andererseits durch eine radiale Bohrung 25 mit den aeusseren Umfange der Schraube verbunden. Ueber den aeusseren Umfang der Ventilkappe 22 ist eine zylindrische Ringdichtung 26 aus elastischem Material, z.B. Gummi, unter Spannung aufgezogen, welche die Oeffnung 25 gegen Aussendruck zuverlaessig abdichtet, im Inneren des Akkumulators aber entstehende Gase bei auftretendem inneren Ueberdruck nach aussen entweichen laesst. An das untere freie Ende der Schraube 21, die auch als Fuellschraube bezeichnet werden kann, weil durch ihre zentrale Bohrung 21' die Akkumulatorfluessigkeit eingefuellt wird, ist mit Hilfe eines kraeftigen Buegels 27 aus Eisenblech ein starker Eisenkern 17 angeschlossen. Er traegt eine zylindrische Umhuellung 18 aus perforiertem Eisenblech, welche die Elektrodenmasse 20 um den zentralen Kern 17 gepackt haelt. Oben und unten sind Deckplatten 28 und 29 vorgesehen, welche die Masse und den Blechzylinder 18 in ihrer Stellung halten.

Die Hoehe des Elektrolytfluessigkeitsspiegels ist durch den Pfeil x angedeutet.

Die Darstellung zeigt, dass dieser Kleinstakkumulator der anhand der Fig. 4 und 5 dargelegten Gesetzmaessigkeit folgen muss, und deshalb ein guenstiges Stroemungsfeld und weitestgehende Aktivierung der Elektrodenmassen gewaehrleisten muss.

Sehr vorteilhaft ist die Benutzung des bei jedem Akkumulator unentbehrlichen Entgasungsventiles als Einfuelloeffnung, Traeger der Innenelektrode und Polanschluss. Die Herstellung ist sehr einfach: An die im Deckel 16 fest eingesetzte Schraube 21 wird die Innenelektrode 17 mittels des Buegels 27 auf der Deckelunterseite befestigt, und dann der Deckel, der entsprechend dimensioniert ist, in die obere Oeffnung des Eisenbechers 14 gas- und fluessigkeitsdicht aufgepresst. Die ringfoermige Unterseite 30 des Deckels bildet dabei den Abschluss der zwischen Becher 14 und Zylinderblech 15 vorher eingebrachten Packung 19. Durch die zentrale Oeffnung 21' wird die Elektrolytfluessigkeit in abgemessener Menge eingefuellt und dann das Ganze durch Aufschrauben der Ventilkappe 22 gas- und fluessigkeitsdicht verschlossen. Die Ringdichtung 26 wirkt wie ein Fahrradschlauchventil und laesst nur mit Innendruck auftretende Gase nach aussen entweichen. Der Deckel 16 wird vorzugsweise aus durchsichtigem Material hergestellt, damit insbesondere die Fuellung mit Elektrolytfluessigkeit jederzeit durch Augenschein geprueft werden kann.

Auf diese Weise ist ein Kleinstakkumulator einfachster Bauart bei hoechster Leistungsfaehigkeit entstanden. Die Benutzung erfolgt in gleicher Weise wie die der bekannten Trockenbatterien, indem das Akkumulatorgefaess 14 den einen Pol und die zentrale Kappe 22, also das Ventil, den anderen Pol darstellt.

Dieses Prinzip, den Ventilkoerper als Stromanschlusspol zu benutzen, ist natuerlich nicht nur bei zylindrischen, sondern auch bei viereckigen Akkumulatoren anzuwenden. Ebenso ist das Prinzip, diejenigen Teile von Akkumulatorelektroden, denen keine Aktivmasse anderer Polaritaet gebenuebersteht, mit hoher Leitfaehigkeit auszustatten, nicht auf seine Anwendung auf zylindrische Kleinakkumulatoren beschraenkt, denn Fig. 3 zeigt, dass auch in Akkumulatoren mit ebenen Platten dieses Prinzip vorteilhaft Anwendung finden kann. Ebenso ist klar, dass man das Stroemungsfeld in einem Akkumulator gemaess Fig. 1 wesentlich verbessern kann, wenn die den aeusseren Gefaesswandungen zugekehrten Elektroden die aus Fig. 3 ersichtliche Ausbildung erhalten.

Die Erfindung bringt auf dem Gebiete der Akkumulatoren, insbesondere der Kleinstakkumulatoren, vornehmlich aber der kleinsten Stahlakkumulatoren des Edisontyps, besondere Vorteile.

Claims (9)

1. Akkumulator, insbesondere Kleinakkumulator mit geringer Elektrodenzahl, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Teile bzw. Flaechen der Akkumulatorelektroden, denen keine Aktivmassen anderer Polaritaet gegenueberstehen, von Aktivmasse freigehalten und als nur einseitig mit Aktivmasse belegte Metallkoerper hoher Leitfaehigkeit ausgebildet sind.

2. Kleinakkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Akkumulatorgefaess aus einem Eisenbecher (14) besteht, auf dessen innerem Umfang die Elektrodenmasse (19) als Hohlzylinderkoerper angeordnet ist, waehrend die andere Elektrode aus einem zentralen Eisenkern (17) besteht, der von der anderen Elektrodenmasse eingehuellt ist, und einen so grossen Querschnitt besitzt, dass infolge seiner und des Eisenbechers (14) hohen Leitfaehigkeit die den Mantel des Elektrodenkerns (17) einhuellende Elektrodenmasse (20) ebenso wie die im Inneren des Elektrodenbechers (14) angeordnete Elektrodenmasse (19) vom Strom gleichmaessig beaufschlagt werden.

3. Kleinakkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Eisenbechers (14) mit einer Schicht (12) aus Isoliermaterial bedeckt ist, welche den Stromuebergang vom Boden des Bechers (14) zur Zentralelektrode (17) verhindert.

4. Akkumulator, insbesondere in Taschenlampen verwendbarer Kleinakkumulator, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Wandung (14) des Akkumulatorgefaesses den einen und der Gasventilkoerper (21, 22) der Akkumulatorzelle den anderen Stromanschlusspol bildet.

5. Kleinakkumulator nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasventil (21, 22) des Akkumulators zugleich die Fuelleinrichtung bildet.

6. Akkumulator nach Anspruch 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine im Akkumulatordeckel (16) eingesetzte mit zentraler Bohrung (21') versehenen Schraube (21), deren freies Ende aussen durch eine als Gasventil und Stromanschluss dienende Kappe (22) abgeschlossen wird.

7. Kleinakkumulator nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkappe (22) einen durch die zentrale Bohrung (21') der Fuellschraube (21) mit dem Akkumulatorinneren in freier Verbindung stehenden Hohlraum (24) aufweist, der seinerseits durch eine nach aussen gehende Oeffnung (25) eine Entgasung des Akkumulators in der Weise erlaubt, dass bei auftretendem Innendruck eine den aeusseren Umfang der Ventilkappe (22) umschliessende elastische Dichtung durch den Innendruck von der Oeffnung (25) abgehoben wird.

8. Kleinakkumulator nach Anspruch 1 bis 7, bestehend aus einem zylindrischen Eisenbecher (14), einer in seinem Boden eingelegten Platte (12) aus Isoliermaterial, einer die Innenflaeche des Bechers bedeckenden Elektrodenmasse (19), einem den Eisenbecher (14) oben gas- und fluessigkeitsdicht abschliessenden und die äussere Elektrodenmasse (19) haltenden Deckel (16) aus Isoliermaterial, einen darin befestigten eisernen Ventilkoerper (21, 22), der als Stromanschluss, Fuelleinrichtung und Entgasungsventil dient, und einen zentralen eisernen, auf der äusseren Mantelflaeche mit einer Elektrodenmasse (20) umhuellten, in die Elektrolytfluessigkeit eintauchenden Elektrodenkern (17) traegt.

9. Kleinakkumulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der das Akkumulatorengefaess (14) gas- und fluessigkeitsdicht abschliessende Deckel (16) aus durchsichtigen Isoliermaterial besteht.