HUT57480A - Bipolar electrode for electric accumulators - Google Patents

Description

A találmány tárgya bipoláris elektróda, amely előnyösen villamos akkumulátorokban alkalmazható, és a kémiai energia közvetlen elektromos energiává történő átalakítására szolgál.

A találmány szerinti bipoláris elektróda elsősorban hermetikusan tokozott ólomakkumulátorokban, vagy megfelelő légtömitetten lezárt nikkel-kadmium-akkumulátorokban alkalmazható.

A különféle akkumulátoroknál a bipoláris elektódák olyan újszerű konstrukcióit próbálják manapság kialakítani, amellyel valamilyen formában az akkumulátorok illetőleg az elektródák élettartama megnövelhető.

Ismeretes egy olyan bipoláris elektróda, amely akkumulátorokban van alkalmazva, és amely egy polimerből készült perforált lapként kialakított hordozóréteget tartalmaz, valamint a hordozóréteg különböző oldalaira megfelelő módon felvitt negatív és pozitív aktív anyagot. A hordozórétegben nyílások vannak kiképezve, és ebbe vannak megfelelően zárt és rögzített formában az áramvezető elemek, célszerűen ólomból vagy ólomötvözetekből behelyezve. Ezeknek az áramvezető elemeknek a végei a megfelelő aktív anyaggal érintkeznek. Ezt a megoldást a 4 542 082 sz. USA szabadalmi leírás ismerteti.

A fent említett megoldásnak hátránya, hogy az áramvezető elemnek az aktív anyaggal érintkező felületei kicsik, ezért igen nagy számú áramvezető elemre van szükség. Az áramvezető elemek számának a növekedésével azonban növekszik annak a veszteségnek a veszélye is, ♦ · · ·

- 3 hogy a különféle, a nem megfelelő tömítések következtében fellépő áramveszteségek az elektróda élettartamát jelentősen csökkentik .

Az előbb említett megoldásnál hátrány még az is, hogy a hordozqjréteg felületéről az aktív anyag el tud folyni, mivel az aktív anyag a hordozó rétegen semmilyen formában nincs rögzítve. Ez a jelenség ismét csak az elektróda élettartamának csökken ését vonja maga után.

Egy további ismert bipoláris elektróda, amely szintén akkumulátoroknál alkalmazható, úgy van kiképezve, hogy tartalmaz egy villamosán nem vezető anyagból kialakított hordozóréteget, abban kialakított nyílásokat, és a pozitív és negatív aktív anyagok a hordozóréteg megfelelő oldalaira vannak felvive, és ugyancsak tartalmaz az elektróda áramvezető elemet is. Ennél a megoldásnál az áramvezető elem maga is lemezként van kiképezve, amely csapokkal van ellátva, és ezek a csapok illeszkednek a hordozóréteg nyílásaiba, megfelelően tömitetten természetesen. Ezt a megoldást a JP 60 207265 sz. leírásban találhatjuk meg. Ennél a megoldásnál az áramvezető lemez felülete érintkezik a hordozóréteg megfelelő oldalain elhelyezett aktív anyaggal, és a hordozóréteg nyílásaiban megfogott csapok végei a hordozóréteg másik oldalán lévő aktív anyaggal is érintkeznek.

Ennek a bipoláris elektródának a hátránya, hogy az áramvezető elem csapjainak végén lévő kis felületek érintkeznek csak az aktiv anyaggal, emiatt igen nagyszámú csapra van szükség. A csapok számának a növekedése egyrész a megfelelő rögzítést gyengíti adott esetben, másrészt pedig a tömítéseknél áramveszteséget is okozhat, ennek következtében ennél a bipoláris elektródánál nagyobb mérté• · · · · · · · • · · · · · • * ·· ·· ♦ · ·

- 4 kű önkisülés tapasztalható, és ez az elektróda élettartamát mindenképpen csökkenti.

A találmány feladatául tűzte ki olyan bipoláris elektróda kialakítását akkumulátorokhoz, ahol a hordozórétegben lévő nyílások úgy vannak kialakítva, hogy a tömítési hiányosságoknál fellépő áramveszteségek, amelyek az áramvezető elemnek a hordozórétegen való rögzítésénél lépnek fel, csökkenjenek, és ezáltal az elektróda élettartama növekedjen.

A találmány értelmében a kitűzött feladatot egy olyan bipoláris elektródával oldottuk meg, amely villamosán szigetelő anyagból kiképezett, nyílásokkal ellátott hordozóréteggel, a hordozóréteg különböző oldalaira felvitt pozitív és negatív aktív anyaggal, valamint a hordozóréteg· nyílásaiban tömítetten rögzített, egymással szemben lévő végeivel a megfelelő pozitív illetőleg negatív aktív anyaggal érintkező áramvezető elemmel ellátott villamos akkumulátorokhoz alkalmazható.

A találmány szerinti bipoláris elektróda lényege abban van, hogy a hordozórétegben lévő nyílások átmérőjének és a hordozóréteg kerületének aránya 0,01-0,1 tartományban , mig a nyílások átmérőjének és a nyílás tartományban a hordozóréteg vastagságának az aránya 1-10 arányban van megválasztva.

Az elvégzett kísérletek alapján egyértelműen tudtuk megállapítani azt, hogy azokban az esetekben, amikor a hordozórétegben kiképezett nyílások átmérőjének a hordozóréteg kerületéhez vett aránya a 0,01-0,1 tartományban van, mig a nyílások átmérőjének aránya a nyilástartományban lévő hordozóréteg vastagságához 1-10 tartományba esik, az áramvezető elem-hordozóréteg alkatrész csoportnál kialakító korrózió lényegesen lassúbb lesz, és ha az áramvezető ··* · » · · · · · · ···· ·· ·· ·· ···

- 5 elemeknek a hordozóréteg nyílásaiban történő rögzítésnél a tömítés megfelelő, akkor az áramvezető elem és a hordozóréteg között minimális áramszivárgás tapasztalható, ennek követkézéiben tehát a bipoláris elektróda élettartama jelentősen meghosszabbodik. Ha a hordozóréteg nyílásai átmérőjének a hordozóréteg kerületéhez viszonyított aránya 0,01 alatt van, úgy az áramvezető elemben, akkor ha rajta áram folyik át, nagyobbak lesznek a feszültségveszteségek, ez az áramvezető elemre nagyobb áramterhelést jelent, és ez mindenképpen a korróziós jelenség növekedését jelenti. Ugyancsak a korrózió növekedését tapasztaljuk akkor, ha a hordozóréteg nyílásaiba rögzített áramvezető elemek tömítettségében jelentkezik zavar, ekkor ugyanis az áramvezető elem és a hordozóréteg körül alakul ki áramvezetés, ami ismételten csak az elektróda élettartamát csökkenti.

Ha a hordozórétegben lévő nyílások átmérőjének a hordozóréteg kerületéhez viszonyított aránya 0,1 fölött van, az akkumulátornak, amelyben ilyen elektródok vannak, a paraméterei megváltoznak, más lesz a fajlagos energiája többek között,és az akkumulátor kapacitása lecsökken.

Ha a hordozórétegben lévő nyílások átmérőjének az aránya a hordozóréteg vastagságához képest a 10 értéket túllépi, az áramvezető elemekben az áram átáramlásakor nagy feszültségveszteség jön létre, és ez az áramvezető elemek fokozott korrózióját eredményezi. Ez természetesen a hordozórétegben csökkenti az áramvezető elemek rögzítettségét, és az egész elektródának valamint az akkumulátornak az élettartamát csökkenti.

A találmány szerinti bipoláris elektródát a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben, ahol az • ··· · · • · · · ·· ··

1. ábrán látható a találmány szerinti bipoláris elektróda egy olyan kiviteli alakja, amely hengeres akkumulátoroknál alkalmazható, és az 1. ábrán oldalmetszetben látható, a

2. ábrán az 1. ábra felülnézete látható aktív anyag nélkül, a

3. ábrán a bipoláris elektróda hordozórétegének egy példakénti kiviteli alakja látható oldalnézetben és metszetben, a

4. ábrán egy olyan kiviteli alak látható, amely négyszögletes keresztmetszetű akkumulátorokhoz alkalmazható, az

5. ábrán a 3. ábrán látható felülnézetben ismét csak az aktív anyag nélkül, a

6. ábrán egy olyan kiviteli alak látható, amely prizmatikus ak- kumulátor telep; a

7. ábrán az 5. ábra felülnézete látható aktív anyag nélkül.

Az 1., 4. és 6. ábrán látható bipoláris elektróda tartalmaz tehát egy 1 hordozóréteget, amely villamosán nem vezető anyagból, például polisztirolból van, amelybe a 3. ábrán jól megfigyelhető 2 nyílások vannak kialakítva. Az 1 hordozóréteg különböző, egymással szemben lévő oldalain 3 pozitív aktív anyag és 4 negatív aktív anyag van elhelyezve. Az 1 hordozóréteg 2 nyílásaiban tömítetten rögzítve vannak az 5 áramvezető elemek, amelynek két szemben lévő 6 és 7 oldala a 3 pozitív aktív, és a 4 negatív aktív anyaggal érintke zik.

A bipoláris elektróda 1 hordozórétegben lévő 2 nyílás úgy van kialakítva, hogy az 1 hordozórétegben lévő 2 nyílás átmérőjének az aránya a hordozóréteg kerületéhez képest 0,01-0,1 tartományba essen, mig az 1 hordozóréteg 2 nyílásának az átmérője a nyílástartományban lévő 1 hordozóréteg vastagságához viszonyítva 1-10 között • · · ··· · · · • · · · · · « •»·* ·♦ ·· ·· ···

- 7 legyen.

Az ilymódon megvalósított elektródáknál az áramvezető elem és hordozóréteg között a korrózió lelassul, és az áram hordozóréteg nyílásaiban elhelyezett áramvezető elemek rögzítésének a nem megfelelő, vagy csökkent tömítettsége az áramvezető elem és a hordozóréteg között csak minimális áramvezetést enged meg, aminek következtében a bipoláris elektróda élettartama megnő.

A továbbiakban néhány kiviteli példát mutatunk be részletesebben, amely különféle akkumulátoroknál lett megvalósítva és kipróbálva.

1. példa

Ennél a kiviteli alaknál a bipoláris elektróda úgy volt kialakítva, hogy az 1 hordozóréteg 2 nyílásának az átmérője 4 mm volt, az 1 hordozóréteg kerülete 40 mm, és a nyílástartományban az 1 hordozóréteg vastagsága kb. 15, mm volt. Ebben az esetben a 2 nyílás átmérőjének az 1 hordozóréteg kerületéhez viszonyított aránya 0,1 volt, mig a 2 nyílás átmérőjének és a nyílástartományban az 1 hordozóréteg vastagságának az aránya 3.

Ezzel a kiviteli alakkal megfelelően hermetikusan zárt kisméretű ólomakkumulátor alakítható ki. Az ilymódon kialakított telep három bipoláris és két monopoláris elektródát (peremelektródát) tartalmaz, a feszültsége 8 V, névleges kapacitása pedig 0,15 A.h. Az ilymódon kialakított telepet elsősorban miniatűr rádiókészülékeknél lehet alkalmazni, és a levegő-cink szárazelemekhez hasonlóan működik.

2. példa

Ez a bipoláris elektróda úgy volt kialakítva, hogy az 1 hordozórétegben lévő 2 nyílás átmérője 6 mm volt, az 1 hordozóréteg kerülete 120 mm, a nyíláatartományban az 1 horodzóréteg vastagsága pedig 0,6 mm • · · «

- 8 volt. Ennél a kiviteli alaknál az 1 hordozóréteg átmérőjének és kerületének az aránya 0,02, mig a 2 nyílás átmérőjének a nyílástartományban lévő hordozóréteg vastagsághoz viszonyított aránya 10.

Ez a bipoláris elektróda szintén kisméretű ólomakkumulátorként alakítható ki 3, 10, 12 V-os kivitelben. Egy ilyen telepnek a névleges kapacitása kb. 0,8 A.h. Ezek a telepek különféle játékokban, miniatűr berendezésekben vagy tárolóvédelemnél alkalmazhatók.

3. példa

Ez a bipoláris elektróda úgy volt kialakítva, hogy az 1 hordozórétegben lévő 2 nyílás átmérője 4 mm, a hordozóréteg kerülete 400 mm volt, és a nyílás tartományban az 1 hordozóréteg vastagsága 4 mm volt. Ekkor tehát a 2 nyílás átmérőjének és az 1 hordozóréteg kerületének az aránya 0,01 volt, mig a 2 nyílás átmérőjének a nyílástartományban lévő hordozóréteg vastagsághoz viszonyított -aránya 1.

Ez a bipoláris elektróda szintén hermetikusan zárt ólomakkumulátoroknál alkalmazható. Az igy kialakított telep névleges kapacitása kb. 7 A.h.

A 2. példában említett alkalmazási területeken kívül ezek a telepek indító áramforrásként is alkalmazhatók.

A következőkben egy táblázat segítségével megadjuk, hogy a találmány szerinti elektródával kialakított telepek paraméterei és az ismert elektródokkal kialakított telepek paraméterei hogyan viszonyulnak egymáshoz.

··· ♦ ·«« · ··

Paraméter	Mér-	Ismert	A találmány szerinti
	ték-	bipoláris	elektróda
	egység	elektróda	1 2	3

Nyílásszám az 1 hor-
dozórétegben	óra	25	1	1	1	1
Az 1 hordozórétegben lévő 2 nyílások átmérője	mm	2,0	4,0	6,0	4,0	4,0
Az 1 hordozóréteg kerülete	mm	200	40	120	400	36
Az 1 hordozóréteg vastagsága	mm	2,0	1,5	0,6		0,36
A 2 nyílás átmérőjének és a hordozóréteg kerületének az aránya			0,1	0,02	0,01	0,11
A 2 nyílás átmérőjének és a hordozóréteg vastagságának aránya a nyílástartományban			3	10	1	11
Az elektróda élettartama	ciklus	52	170	120	210	30

A táblázatból látható, hogy abban az esetben, hogyha a bipoláris elektródában a találmány szerint van a hordozóréteg nyílása kialakítva, az elektróda élettartama az ismert elektródokkal összehasonlítva jelentősen megnő. Ha azonban a találmány szerint megadott paraméterek határértékeit mindkét irányban túllépjük, ahogy ez a 4. példán látható, az élettartam erősen csökkenni fog.

A találmány szerinti bipoláris elektródával kialakított akkumulátort a következőképpen kell összeszerelni:

Az elektródot a közöttük lévő elválasztó elemekkel valamint a két monopoláris peremelektróddal összeragasztjuk, például összehegeszt··«· • · ··· · · ♦ e · · · · · ·· «· *» ··«

-10jük, és a polimer hordozóréteg kerülete mentén helyezzük el. Ezt követően az elektródákat és az elválasztó elemeket az elektrolittel leöntjük.

Ez az akkumulátor úgy működik, hogy töltéskor a 3 pozitív aktiv anyag az ólomoxidban, mig a 4 negatív aktiv anyag a fém ólomfürdőbe megy át. Az akkumulátor kisütésekor a pozitív aktiv anyag őlomoxid részcskéi és a negatív aktiv ólomiszapja ólomszulfáttá alakul át.

A találmány szerinti bipoláris elektróda előnyösen ólom és légtömitetten zárt nikkel-kadmium akkumulátorokban alkalmazható.

Claims (1)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Bipoláris elektróda villamosán szigetelő anyagból kiképezett, nyílásokkal ellátott hordozóréteggel, a hordozóréteg különböző oldalaira felvitt pozitív és negatív aktiv anyaggal, a hordozóréteg nyílásaiban tömitetíen rögzített, egymással szemben lévő végeivel a megfelelő pozitív illetőleg negatív aktiv anyaggal érintkezett áramvezető elemekkel ellátott villamos akkumulátorokhoz, azzal jellemezve, hogy a hordozórétegben (1) lévő nyílások (2) átmérőjének az aránya a hordozóréteg Cl) kerületéhez 0,01-0,1, mig a nyílások (2) átmérőjének és a hordozóréteg (1) vastagságának a nyílástartományban az aránya 1-10.