HUT63513A - Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells - Google Patents

Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells Download PDF

Info

Publication number
HUT63513A
HUT63513A HU912104A HU210491A HUT63513A HU T63513 A HUT63513 A HU T63513A HU 912104 A HU912104 A HU 912104A HU 210491 A HU210491 A HU 210491A HU T63513 A HUT63513 A HU T63513A
Authority
HU
Hungary
Prior art keywords
fibers
anode
zinc
alkaline
zinc anode
Prior art date
Application number
HU912104A
Other languages
Hungarian (hu)
Other versions
HU912104D0 (en
Inventor
Karl Kordesch
Leo Binder
Waltraud Taucher
Original Assignee
Battery Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Battery Technologies Inc filed Critical Battery Technologies Inc
Priority to HU912104A priority Critical patent/HUT63513A/en
Publication of HU912104D0 publication Critical patent/HU912104D0/en
Priority to JP5501279A priority patent/JPH06508716A/en
Priority to AU21816/92A priority patent/AU2181692A/en
Priority to CA002112384A priority patent/CA2112384A1/en
Priority to EP92913716A priority patent/EP0591358A1/en
Priority to PCT/CA1992/000270 priority patent/WO1993000716A1/en
Publication of HUT63513A publication Critical patent/HUT63513A/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/24Electrodes for alkaline accumulators
    • H01M4/244Zinc electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Immobilized alkaline zinc anode for rechargeable cells which comprises zinc particles, zinc oxide, alkaline electrolyte, gelling agent. These components are mixed together and they are formed to an anode mass with predetermined shape. A conductive fiber structure is admixed to the anode mass in an amount of at least 0.15 % weight consisting of fibers in the micron range with a length to diameter ratio between 1:100 and 1:1000 and a diameter of about 5 microns to about 20 microns. The fibers are made preferably of a non-conductive material such as polyimide and a conductive coating of copper, silver, gold or nickel is provided thereon. The fibers interconnect zinc particles and their capillary structure acts as an additional electrolyte reservoir. The increased conductivity decreases the drop in discharge capacity at higher cycle numbers. The alkaline zinc anode can be used at the first place in rechargeable alkaline manganese dioxide-zinc cells.

Description

A találmány tárgya javított vezetőképességű és kumulatív kapacitású immobilizált alkáli cink anód újratölthető elemekhez .The present invention relates to immobilized alkaline zinc anodes for rechargeable cells with improved conductivity and cumulative capacity.

Az újratölthető alkáli mangán-dioxid-cink elemekben a hasznosítható cellakapacitás kimerül, amint az anód gélben a fém cink tartalom mintegy 30 súly%-ra csökken [lsd. P. G. Cheesman és M. G. Stock, Power Sources 10, L. J. Pearce ed., Int. Power Sources Symp. Comm., 1985, pp. 217, és A. Haynes, L. Binder és K. Kordesch, Progress in Batteries & Solar Cells, Vol. 8 (1989), 39.].In rechargeable alkaline manganese dioxide zinc cells, the usable cell capacity is depleted as the metal zinc content in the anode gel decreases to about 30% by weight. P. G. Cheesman and M. G. Stock, Power Sources 10, L. J. Pearce Ed., Int. Power Sources Symp. Comm., 1985, p. 217, and A. Haynes, L. Binder and K. Kordesch, Progress in Batteries & Solar Cells, Vol. 8 (1989), 39].

Ha figyelembe vesszük, hogy az eredeti anód gél 60 súly% cinket tartalmaz, a rendelkezésre álló cinkmennyiségnek csupán az egyik felét tudjuk aktív elektród anyagként felhasználni. A cinkpor megmaradt felét eldobjuk vagy pedig a kimerült elemek összegyűjtése és újrafeldolgozása révén hasznosítjuk.Considering that the original anode gel contains 60% by weight of zinc, only one half of the available amount of zinc can be used as active electrode material. The remaining half of the zinc powder is discarded or recycled.

Primer elemeknél ez a veszteség nem jelent különösebb problémát. A cinkpor nem drága, az elhasznált rész az anód anyagának elektromos vezetőképességű összetevőjeként már ellátta feladatát.For primary batteries, this loss is not a particular problem. Zinc powder is not expensive, and the used part has already served its purpose as the electrically conductive component of the anode material.

A cink/mangán-dioxid rendszer újratölthető változatánál azonban kapacitást korlátozó cink anódra van szükség, ezért az anódban felhasználható cink mennyiségét a katód aktív tömege határozza meg, tehát egy adott töltési-kisütési ciklusszám felett a szükséges cink tömegeink túladagolással nem biztosítható.However, a refillable version of the zinc / manganese dioxide system requires a capacity-limiting zinc anode, so the amount of zinc that can be used in the anode is determined by the active weight of the cathode, so that the required zinc weights over a given charge-discharge cycle cannot be provided.

A cinkhasznosítási hatásfok növelése már régóta tárgya kutatási tevékenységeknek. Az US 4.091 178 lsz. szabadalomban két javaslatot találhatunk az újratölthető alkáli mangánIncreasing zinc recovery efficiency has long been the subject of research activities. U.S. Pat. No. 4,091,178. There are two proposals in the patent for rechargeable alkaline manganese

-3dioxid eleinek teljes hasznos ciklus élettartamon belül értelmezett kisütési kapacitása egyöntetűségének növelésére, azaz:To increase the homogeneity of discharge capacity of all-carbon dioxide elements over the lifecycle, ie:

- a cink anód közelében töltést tartalékoló tömeget kell létesíteni, ésa charge reserve mass must be established near the zinc anode, and

- egy perforált fémhordozót kell létesíteni egy az anód amalgámozott cink részecskéivel bevont nem korrodáló, elektromosan vezető anyagból, mint például amalgámozott réz, ezüst, ólom stb.- a perforated metal support should be made of a non-corrosive, electrically conductive material, such as amalgamated copper, silver, lead, etc., coated with anode amalgamated zinc particles.

A perforált fémhordozó alkalmazásának azonban korlátái vannak. Az anód tömegének jelentős részét (mintegy 30%-át) a hordozó teszi ki csökkentve a rendelkezésre álló anódtér hasznosíthatóságát. Ennél a megoldásnál további hátrányt jelent az amalgámozott cink részecskék alkalmazása. Higany használatakor az elem környezetszennyezővé válik, ezért napjainkban az elemgyártásnál a higanytartalom menynyiségét csökkentik vagy teljesen elhagyják.However, there are limitations to the use of a perforated metal support. A substantial part (about 30%) of the weight of the anode is made by the carrier, reducing the usability of the available anode space. A further disadvantage of this solution is the use of amalgamated zinc particles. When mercury is used, the battery becomes pollutant, and today the amount of mercury in battery production is reduced or completely eliminated.

A használat során az anódban lévő cink részecskék oxi— dációja és redukciója a normál elektród folyamatnak részét képezi. Egy adott cink részecske csak akkor vehető az anód folyamat aktív részeként figyelembe, ha elektromos kapcsolatban marad a többi szomszédos cink részecskével és az áram kollektorral. Az oxidációs és redukciós folyamatok mellékhatásának eredményeként a cink részecskék közti kapcsolat megszűnik és így az egymástól elszigetelt cink részecskék már nem tudnak részt venni az elektrokémiai folyamatban, melynek hatására a kisütési kapacitás ciklusonként csökkenni kezd. A higany mennyiségének csökkentése rontja az anód részecskék közötti kapcsolatok minőségét, azaz az anódDuring use, the oxidation and reduction of zinc particles in the anode are part of the normal electrode process. A given zinc particle can only be considered as an active part of the anode process if it remains electrically in contact with other adjacent zinc particles and the current collector. As a result of the side effects of oxidation and reduction processes, the bond between the zinc particles is broken and the zinc particles, which are isolated from one another, can no longer participate in the electrochemical process, which causes the discharge capacity to start to decrease per cycle. Reducing the amount of mercury impairs the quality of the anode particle bond, that is, the anode

-4vezetőképessége is csökken.-4 also decreases its conductivity.

A találmány elsődleges célja olyan újratölthető elemekben alkalmazható immobilizált alkáli cink anód létrehozása, amely cinktartalmának elhasználódása az alkalmazás során az elem ciklus élettartama alatt az eddig ismerteknél lassabb.It is a primary object of the present invention to provide an immobilized alkaline zinc anode for use in rechargeable batteries which has a slower utilization of its zinc content during use over the life of the battery than previously known.

Ez az elsődleges cél közvetve magába foglalja az anód vezetőképessége növelésének szükségességét.This primary objective implicitly involves the need to increase the conductivity of the anode.

A találmány további célja az anód vezetőképességének megtartása, még olyan esetben is, amikor a higany mennyisége lecsökken vagy az anód higanymentes.Another object of the present invention is to maintain the conductivity of the anode, even when the amount of mercury is reduced or the anode is mercury-free.

A találmány egy még további célja, olyan anód szerkezet kialakítása, melyben a rendelkezésre álló tér hasznosíthatósága kedvezőbb a perforált fém hordozókat alkalmazó megoldásokhoz viszonyítva.Yet another object of the present invention is to provide an anode structure in which the utilization of available space is more advantageous compared to solutions using perforated metal substrates.

A találmány szerint felismertük, hogy vezető szálrendszernek az anód anyagához legalább 0,15 súly% mennyiségben történő hozzáadásával a vezetőképesség megnövekszik és ciklusonként! csökkenése lelassul. A 2-5súly%-nál nagyobb mennyiségben hozzáadott szálrendszer már nem javítja tovább az anód működését, sőt még nagyobb mennyiségek esetén a térfogatveszteség miatt cinkveszteség keletkezik, ezért a szálak adagolásának gazdaságossági határa van. Higanymentes elemeknél különösen fontos, hogy a vezető szálrendszer meggátolja az elem kisütési ciklusában az olyan izolált cink szemcsék kialakulását, melyek nincsenek kapcsolatban az áram kollektorral. A töltési ciklusban ezzel szemben a vezető szálrendszer a cinklerakódás háromdimenziójú szubsztrátumaként hat.In accordance with the present invention, it has been found that the addition of a conductive fiber system to the anode material in an amount of at least 0.15% by weight increases the conductivity per cycle! slowing down. The addition of more than 2-5% by weight of the fiber system no longer improves the function of the anode, and even with larger volumes, there is a loss of zinc due to volume loss, so there is an economic limit to the addition of fibers. For mercury-free batteries, it is particularly important that the conductive fiber system prevents the formation of isolated zinc particles that are unrelated to the current collector during the battery discharge cycle. In contrast, in the charge cycle, the leading fiber system acts as a three-dimensional substrate for zinc deposition.

A szálak maguk nem készülnek szükségszerűen elektromosan vezető anyagból, így alapanyagként üveg, polimerek stb.The fibers themselves are not necessarily made of electrically conductive material such as glass, polymers, etc.

-5használhatók, majd ezek vezető anyaggal vonhatók be árammentes fémbevonással vagy vákuumos fémleválasztással, pl. a katód porlasztással.-5 can be used and then coated with conductive material by electrodeposition or vacuum deposition, e.g. by cathode atomization.

A szál hosszának és átmérőjének optimális aránya a 100:1 és 1000:1 határok közé esik, ahol a szál átmérője a mikron, jellemzően az 5-20 mikron tartományban van. A szál anyaga előnyösen poliimid, poliészter és polivinil-alkohol lehet.The optimum ratio of fiber length to diameter is in the range of 100: 1 to 1000: 1, where the diameter of the fiber is in the range of microns, typically 5-20 microns. Preferably, the fiber material is polyimide, polyester and polyvinyl alcohol.

A bevonat alapanyaga réz, ezüst, arany, nikkel és hasonló fémek vagy ezek ötvözetei lehetnek. Higanymentes elemek esetén a réz alkalmazása elkerülendő, mivel az elősegíti a nem amalgámozott cink korródálódását.The coating may be based on copper, silver, gold, nickel and the like or on their alloys. For mercury-free batteries, the use of copper should be avoided as it promotes corrosion of non-amalgamated zinc.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon azThe invention will now be described in more detail with reference to the drawings, in which: In the drawing it is

1. ábra mérési összeállítás vezetés mérésére, aFigure 1: Measuring assembly for conducting measurement, a

2. ábra az egyedi kisütési kapacitás és a kumulatív ciklus kapacitás görbéi a ciklusszám függvényében, töltet: 0,3% ezüsttel befuttatott poliimid szál, aFigure 2 is a graph of the individual discharge capacity and the cumulative cycle capacity versus cycle number, charge: 0.3% silver-plated polyimide fiber,

3. ábra a 2. ábra szerinti görbék, töltet: 0,3% rézzel be- futtatott poliimid szál, aFig. 3 is a graph of Fig. 2, filling: 0.3% copper-filled polyimide fiber,

4. ábra a 2. ábra szerinti görbék, töltet: 0,3% ezüsttel befuttatott poliimid szál, nincs réz árnyékolás; azFigure 4 is a graph of Figure 2, filling: 0.3% silver-plated polyimide fiber, no copper shielding; the

5. ábra a 2. ábra szerinti görbék, töltet: 0,6% rézzel be- futtatott poliimid szál, nincs réz árnyékolás; aFig. 5 is a graph of Fig. 2, filling: 0.6% copper-plated polyimide fiber, no copper shielding; the

6. ábra a 2. ábra szerinti görbék, töltet: 0,6% ezüsttel befuttatott poliimid szál, nincs réz árnyékolás;Figure 6 is a graph of Figure 2, filling: 0.6% silver-plated polyimide fiber, no copper shielding;

A bevont szálszerkezet árammentes fémbevonással készül.The coated fiber structure is made of a non-current metal coating.

A nemvezető, szubsztrátumként szolgáló szál anyagát káliumhidroxid oldattal zsírtalanítjuk, vízzel leöblítjük, majdThe non-conductive substrate fiber is degreased with potassium hydroxide solution, rinsed with water and

-6ón(II)-klorid víz/sósav elegyes oldatában aktiváljuk. A leggyakrabban használt katalizátor a palládium(II)-klorid ez esetben nem alkalmazható, mivel ez a nemes fém szennyeződésként jelenhet meg az anód keverékben. A szubsztrátumok kataliziálására ily módon ezüst ionok komplex oldata alkalmazható. Ezután a lépés után az anyagokat egy a burkoló fém sóját, egy komplexképző anyagot, formaldehidet és vizet tartalmazó oldatba merítjük. Ezeket a műveleteket egy lapátkeverővei ellátott forró kamrában végezzük.-6 I (II) chloride in water / hydrochloric acid. The most commonly used catalyst, palladium (II) chloride, is not applicable in this case as this noble metal may be present as an impurity in the anode mixture. Thus, a complex solution of silver ions can be used to catalyze the substrates. Subsequently, the materials are immersed in a solution containing a metal salt of the casing, a complexing agent, formaldehyde and water. These operations are performed in a hot chamber equipped with a paddle stirrer.

Először az anyagokra felvitt réteg egyenletességét és fényességét vizsgáltuk meg egy 63:1 nagyítású sztereo mikroszkóppal. A fémbevonat szubsztrátumhoz való tapadását is ellenőriztük.First, the uniformity and luminosity of the layer applied to the materials were examined with a 63: 1 stereo microscope. Adherence of the metal coating to the substrate was also tested.

A végtermék fémtartalmának meghatározása céljából, a befuttatott szál egy részét salétromsavval kezeltük, hogy így kioldjuk a fém komponenst. Elegendő hígítás után megmértük a fém koncentrációját. Az alacsony polimer sűrűségek eredményeképp legfeljebb 81% fémtartalmat találtunk.To determine the metal content of the final product, a portion of the run-through fiber was treated with nitric acid to dissolve the metal component. After sufficient dilution, the metal concentration was measured. As a result of the low polymer densities, up to 81% metal content was found.

Poliimid szálak esetében nagyon jó minőségű fém bevonatot figyeltünk meg, míg poliészter és polivinil-alkohol szálaknál ez csupán jó minőségű volt.In the case of polyimide fibers a very high quality metal coating was observed, whereas in the case of polyester and polyvinyl alcohol fibers it was only of good quality.

A közönséges anód keverékhez 0,1-2% mennyiségben adunk befuttatott szálakat. A kiindulási anód keverék összetétele: cink (Hoboken-Overpelt L 305 F/64, 3% Hg) + adalék = 74%, cink-oxid = 4%, mangán-oxid = 0,7%, Karbopol = 1,3%, kálium-hidroxid (cink-oxiddal telített) = 20%. Az így nyert pép vezetőképességét az 1. ábrán látható mérési összetétel segítségével mértük meg.The common anode mixture is added with 0.1-2% run-in fibers. The composition of the starting anode mixture was: Zinc (Hoboken-Overpelt L 305 F / 64, 3% Hg) + Additive = 74%, Zinc Oxide = 4%, Manganese Oxide = 0.7%, Carbopol = 1.3%, potassium hydroxide (saturated with zinc oxide) = 20%. The conductivity of the resulting slurry was measured using the measurement composition shown in Figure 1.

Az 1 anód keveréket egy előre meghatározott hosszúságúThe anode mixture 1 has a predetermined length

-Ίés keresztmetszetű, üvegből készült 2 csőbe préseltük, majd a 2 csőben lévő 1 keverék két szabad végéhez egy-egy darab dugattyú típusú 3, 4 érintkező elektródot kapcsoltunk. A két 3, 4 elektródot egy 5 mérőhídra (RLC meter) kötöttük. A vezetőképes töltetet tartalmazó pép vezetőképességét összehasonlítottuk a normál keverékével. A mérések egyik részét kisülés előtt a másik részét kisülés után végeztük. A méréseket kevésbé kedvező esetben végeztük, azaz minimális szál hozzáadás után, hogy így érzékeltessük a lényeges javulást, mely a befuttatott szálak jelenlétének köszönhető.Pressed into a glass tube 2 with a cross-section and a single piston-type contact electrode 3, 4 is connected to the two free ends of the mixture 1 in the tube 2. The two electrodes 3, 4 are connected to a measuring bridge 5 (RLC meter). The conductivity of the paste containing the conductive fill was compared to that of the normal mixture. One part of the measurements was made before discharge and the other part after discharge. Measurements were made in a less favorable manner, that is, after the addition of minimal fiber, to detect the significant improvement due to the presence of run-in fibers.

Az 1. táblázaton ezen mérések eredményei láthatók, melyek során a csupán 0,16% töltésmentes rézzel befuttatott poliimid szálakat tartalmazó anód keverék vezetőképességét mértük 35 ciklus után, minthogy a töltésmentes ezüst bevonat esetén elvégzendő méréseknek magasabb értékeket kell eredményezniük.Table 1 shows the results of these measurements, where the conductivity of the anode mixture containing only 0.16% copper-free polyimide fibers was measured after 35 cycles, since measurements on an anhydrous silver plating should result in higher values.

-81. táblázat-81. spreadsheet

Anód keverék vezetőképességeConductivity of anode mixture

Vezetés Management (10“20hm_1cm-1)(10 " 2 0hm _1 cm -1 ) Keverék Mix Kezdeti értékek Initial values Anódra vonatkozó adatok 35 ciklus után Anode data after 35 cycles Töltött Kisütött Stuffed Dried Normál Normal 4,3 4.3 2,9 0,6 2.9 0.6

0,16% 0.16% TÖE Toe szálak threads 15,1 15.1 8,9 8.9 4,2 4.2 0,16% 0.16% TÖR BREAK szálak threads 13,6 13.6 8,9 8.9 4,2 4.2

TÖE: töltésmentes ezüst bevonatú poliimid szálakFEATURES: uncharged silver-plated polyimide fibers

TÖR: töltésmentes réz bevonatú poliimid szálakBROWN: non-charged copper-plated polyimide fibers

Egy vezető komponens keeverékhez való hozzáadásának hatása legszembeötlőbben a kisütött anódnál jelentkezik, aholis a cink részecskék általi vezetés jelentősen (4,3-rólThe effect of adding a conductive component to the mixture is most pronounced at the discharged anode, where the conductivity by the zinc particles is significantly (from 4.3

-90,6-ra) lecsökken. 0,16% befuttatott szál hozzáadásával a kisülési periódusban a vezetés hét esetben megnőtt és így a kapott érték nagyjából egyenlővé vált a normál keverék vezetésének kezdeti értékével.Down to -90.6). With the addition of 0.16% run-in fiber during the discharge period, the conductivity increased in seven cases and thus the value obtained was approximately equal to the initial conductivity of the normal mixture.

A vezetőképesség javulásának két fő oka van. Az első ok a szálak és a cink szemcsék közti közvetlen kapcsolat, a második a szálszerkezet kapilláris hatása, ami által az elektrolit sokkal egyenletesebben oszlik meg az anód keverékben.There are two main reasons for improving conductivity. The first reason is the direct contact between the fibers and the zinc particles, the second is the capillary action of the fiber structure, whereby the electrolyte is distributed more evenly within the anode mixture.

A mérések elvégzése előtt azt vártuk, hogy a cink részecskék közti vezetés javításával az elem ciklus élettartama alatt a cinknek egy kedvezőbb hasznosítását érjük el, azaz a normál elemhez képest a ciklus kapacitás magasabb ciklusszámnál drasztikusan megnő.Before performing the measurements, it was expected that by improving the conductivity of the zinc particles, a more favorable utilization of zinc would be achieved over the life of the battery, i.e., the capacity of the cycle would be drastically increased over a higher number of cycles.

Az elem hosszabb távú viselkedésének megismerése céljából a vezetőszálas anód keverékkel ciklus méréssorozatokat végeztünk a következő körülmények között.To understand the longer term behavior of the element, cyclic measurements of the conductive fiber anode mixture were performed under the following conditions.

Henger alakú LR-14 (C-méretű) alkáli mangán-dioxid elemeket alkalmaztunk, melyeket Y. Sharma, A. Haynes, L. Binder és K. Kordesch: J. Power Sources 27 (1989) 145. old. írásában találtak szerint képeztünk ki.Cylindrical LR-14 (size C) alkaline manganese dioxide cells used by Y. Sharma, A. Haynes, L. Binder, and K. Kordesch, J. Power Sources 27 (1989) 145, p. we were trained as found in his writing.

A ciklus méréseket egy 40 napos időtartamra korlátoztuk.Cycle measurements were limited to a period of 40 days.

A teljes mérési programot számítógépes vezérléssel végeztük, ami lehetővé tette 48 elem egyidejű üzemeltetését. A ciklusméréseknél a konstans ellenállású kisütés módszerét alkalmaztuk. Minden cellát egy 3,9 ohmos ellenállás töltött fel, míg a kikapcsolási feszültség el nem érte a 0,9 V-ot. A töltés 20 órán keresztül egy 1,72 V konstans feszültséget előállító csepptöltővel történt.The complete measurement program was carried out with computer control, which allowed the simultaneous operation of 48 elements. The constant resistance discharge method was used for the cycle measurements. Each cell was charged with a 3.9 ohm resistor until the cut-off voltage reached 0.9 V. Charging was carried out for a period of 20 hours with a 1.72 V constant voltage dropper.

A töltési és kisülési áramokat és az elem feszültségeit — 10 — minden percben megmértük, majd ezt követően kiszámoltuk a kimeneti/bemeneti töltést. A töltésre/kisütésre vonatkozó adatokat akkor nyomtattuk ki, amikor az elemet töltésről kisütésre vagy kisütésről töltésre kapcsoltuk.Charging and discharging currents and battery voltages - 10 - were measured every minute, and then the output / input charge was calculated. The charge / discharge data was printed when the battery was switched from charge to discharge or discharge to charge.

A 2-6. ábrákon ezen mérések eredményei, azaz az individuális és kumulatív kisülési kapacitás görbéi a ciklusszám függvényében láthatók. Ezeken az ábrákon feltüntettük a vezető töltetet nem tartalmazó, hasonló kialakítású hagyományos elemek görbéit is.2-6. Figures 3A and 4B show the results of these measurements, i.e., the individual and cumulative discharge capacitance curves as a function of the number of cycles. These figures also show the curves of conventional elements without a conductive charge having similar design.

A 2. és 3. táblázatok a ciklus kapacitások és a kumulatív kapacitás adatainak százalékos növekedéseinek adatait tartalmazzák, ezek külön-külön még világosabban tükrözik a szálat tartalmazó anód előnyösebb tulajdonságait a hagyományos kialakítású elem anódjához képest.Tables 2 and 3 contain data for percentage increases in cycle capacities and cumulative capacities, each of which illustrates more clearly the advantageous properties of the fiber-containing anode over the anode of the conventional design element.

Kedvező eredményeket először a 0,16% ezüsttel vagy rézzel befuttatott poliimid szálak hozzáadásakor kaptunk. A polimer bevonásához alkalmazott fémek láthatóan nem számítanak befolyásoló tényezőnek.First results were obtained with the addition of 0.16% silver or copper polyimide fibers. The metals used to coat the polymer do not appear to be influencing factors.

A vezető töltetet tartalmazó ezüst bevonatú szálak mennyiségének megduplázása, azaz 0,3%, jelentéktelen mértékű javuláshoz vezetett a 0,16%-os mennyiségnél kapott értékekhez képest.Doubling the amount of silver-coated fibers containing the conductive charge, i.e. 0.3%, resulted in a slight improvement over the values obtained at 0.16%.

A 0,3% rézbevonatú szálak alkalmazása határozottabb javulást mutatott. A 0,3% rézbevonatú szálakat tartalmazó elem görbéi a 2. ábrán, a 0,3% ezüstbevonatú szálakat tartalmazó elem görbéi pedig a 3. ábrán láthatók.The use of 0.3% copper-plated fibers showed a more pronounced improvement. The curves for the element containing 0.3% copper-plated fibers are shown in Figure 2 and for the element containing 0.3% silver-plated fibers are shown in Figure 3.

Ezen megfigyeléseken felbátorodva megkíséreltünk az áram kollektorhoz hasonlóan egy szokásos rézárnyékolás mentes elemet, azaz egy központi érintkezővel kapcsolt hagyományosEncouraged by these observations, we have tried, like a current collector, a conventional copper-shielded element, a conventional contactor connected to a central contact.

-11anódot kialakítani. Meg kell jegyeznünk, hogy a rézárnyékolás alkalmazásakor úgy tűnt, javult az anód vezetőképessége és növekedő ciklus szám mellett kiegyenlítődött a kisütési kapacitás rendkívül nagy növekedése. Az elem anódtere rézárnyékolás nélkül mintegy 20%-kal nagyobb, mivel az árnyékolás jelenléte nem okozott térfogatveszteséget·-11anode. It should be noted that when copper shielding was applied, the conductivity of the anode appeared to have improved and, with increasing number of cycles, the extremely large increase in discharge capacity was offset. The anode space of the element without copper shading is about 20% larger as the presence of shielding did not cause volume loss ·

Rézárnyékolásmentes és 0,3% ezüsttel befuttatott poliimid szálakat tartalmazó anóddal rendelkező elem viselkedése a 4. ábrán látható. Bár az ilyen elemek lényegesen jobbak, mint az összehasonlításhoz használt normál elemek, a 0,3% mennyiségű vezető szál mégsem képes tökéletesen kompenzálni az anódárnyékolás hiányát.The behavior of the element having an anode without copper shading and having an anode containing 0.3% silver in polyimide fibers is shown in Figure 4. Although such elements are significantly better than the standard elements used for comparison, the 0.3% conductive fiber does not fully compensate for the lack of anode shading.

Akkor kaptuk a legjobb eredményeket, amikor a fémmel befuttatott polimer (poliimid) szálak mennyiségét 0,6%-ra növeltük és a bonyolult rézárnyékolt kollektor elavulté vált. Az 5. és 6. ábrákon ilyen elemek kisülési görbéi láthatók, azaz olyan elemeké, melyek anódjai 0,6% rézzel vagy ezüsttel befuttatott szálakat és nem egy réz árnyékoló ernyőt tartalmaznak. Meg kell jegyeznünk, hogy az összehasonlításhoz használt normál elemek azonosak voltak a mért elemekkel, az egyetlen különbség abból állt, hogy a normál elemek anód gélje nem tartalmazott vezető töltetet.The best results were obtained when the amount of metal-filled polymer (polyimide) fibers was increased to 0.6% and the complex copper-shielded collector became obsolete. Figures 5 and 6 show the discharge curves of such elements, i.e., those having anodes containing 0.6% copper or silver-wound fibers and not a copper shield. It should be noted that the normal cells used for comparison were the same as the measured cells, the only difference being that the anode gel of the normal cells did not contain conductive charge.

Vezető szálak nagyobb koncentrációban való alkalmazásakor nem mutatkozott jelentős javulás az elem működésében.When using higher concentrations of conductive fibers, there was no significant improvement in battery performance.

2. táblázat ···:Table 2 ···:

Ciklus kapacitás százalékos növekedése (Delta Ah/Ah)Percentage increase in cycle capacity (Delta Ah / Ah)

Ezüsttel vagy rézzel befuttatott poliimid szálakPolyimide fibers wound with silver or copper

Ezüst Silver Réz Copper Ezüst Silver Ezüst Silver Réz Copper 0,3% 0.3% 0,3% 0.3% 0,3% 0.3% 0,6% 0.6% 0,6% 0.6% árnyéko shadows árnyéko shadows árnyéko shadows árnyéko shadows árnyé- -shielded Ciklusok cycles lássál look to lássál look to lás nélkül lás nélkül kolás No Seeing No Seeing Noise nélkül without % % % % % % % % % %

1 1 -13 -13 -12 -12 -22 -22 -8 -8 -13 -13 5 5 - 4 - 4 - 5 - 5 -15 -15 0 0 0 0 10 10 20 20 25 25 10 10 10 10 5 5 20 20 25 25 35 35 23 23 23 23 30 30 30 30 28 28 35 35 25 25 45 45 50 50 40 40 10 10 30 30 30 30 53 53 66 66

3. táblázat.Table 3.

::......x r « · 4 · · · « - · · · ·:: ...... x r «· 4 · · ·« - · · · ·

Kumulatív kapacitás (Ah)Cumulative capacity (Ah)

Ezüsttel vagy rézzel befuttatott Running in silver or copper Változás Change százalékban percent poliimid polyimide szálak threads A normál Normal B Cu-szálak 0,6% B Cu-fibers 0.6% C Ag-szálak 0,6% C Ag-fibers 0.6% B/A B / A C/A C / A Ciklusok cycles 5 5 14,8 14.8 15,2 15.2 14,6 14.6 3,0 3.0 -1,4 -1.4 10 10 23,6 23.6 25,0 25.0 24,2 24.2 6,0 6.0 2,4 2.4 15 15 30,9 30.9 35,1 35.1 32,1 32.1 13,3 13.3 3,8 3.8 20 20 37,3 37.3 40,6 40.6 39,8 39.8 8,7 8.7 6,6 6.6 25 25 43,0 43.0 47,6 47.6 47,0 47.0 10,8 10.8 9,3 9.3 30 30 48,2 48.2 54,9 54.9 54,6 54.6 13,8 13.8 13,1 13.1 35 35 53,3 53.3 62,1 62.1 62,0 62.0 16,4 16.4 16,3 16.3 40 40 57,8 57.8 68,8 68.8 67,0 67.0 19,1 19.1 16,0 16.0

Meg kell jegyeznünk, hogy a kapacitás értékek csökkenése az első néhány ciklusban a befuttatott szálak által elfoglalt térfogat eredménye (elmozdulva a kezdeti kapacitás értékről) , amely azonban a későbbi ciklusban javítja a megma•·*ί:......: :··* • ··4 · ··· • · · · · • « ··· · ··«It should be noted that the decrease in capacity values is the result of the volume occupied by the threads in the first few cycles (moving away from the initial capacity value), which, however, improves the power in the subsequent cycle. · * • ·· 4 · ··· • · · · · «··· · ··«

-14radt cink hatékonyságát, vezető hidakat kialakítva a részleges kisülés után megmaradt cink részecskék között. Ezt a tényt támasztják alá a vezetőképességre vonatkozó adatok.-14radt zinc efficiency, forming conductive bridges between the zinc particles remaining after partial discharge. This fact is supported by the conductivity data.

A kapacitás kezdeti vesztesége, azaz a ciklus görbe ereszkedésének változása egy velejáró sajátosság, amit a ciklus élettartamot javító kezdeti mangán-dioxid kisülések szerényebb kapacitás csökkenése eredményez. Más szavakkal megfogalmazva eltolódik a kisülés intenzitása, amely különösen mangán-dioxidnál jelentős.The initial loss of capacity, that is, the change in the slope of the cycle curve, is an inherent feature that results from a more modest reduction in capacity of the initial manganese dioxide discharges which improve the cycle life. In other words, the intensity of the discharge is shifted, which is particularly significant for manganese dioxide.

Cink részecskék közötti vezető hidak alkalmazása a higanymentes elemek készítésénél igen jelentős. Az amalgámozott cink részecskék vezetőképessége alacsonyabb, ezért ezekhez vezető szálak hozzáadása kívánatos. Vezető szálak alkalmazása egyedül nem oldja meg a higanymentes újratölthető elemek komplex problémáit, azonban jelentősen hozzájárul ezek teljes megoldásához. Az ilyen problémák megoldására vonatkozó kiadványok kívülesnek a jelen találmány körén.The use of conductive bridges between zinc particles in the manufacture of mercury-free elements is very significant. The conductivity of the amalgamated zinc particles is lower, so it is desirable to add conductive fibers to them. The use of conductive fibers alone does not solve the complex problem of mercury-free rechargeable batteries, but it contributes significantly to their complete solution. Publications to solve such problems are outside the scope of the present invention.

Claims (9)

Szabadalmi igénypontokClaims 1. Javított vezetőképességű és kumulatív kapacitású immobilizált alkáli cink anód újratölthető elemekhez, amely előre meghatározott alakú anódtömeggé formált cink részecskéket, cink-oxidot, alkáli elektrolitot, gélképző szert tartalmazó keverékből áll és áram kollektorral elektromosan kapcsolódik, azzal jellemezve, hogy a keverék legalább 0,15 súly% mennyiségben elektromosan vezető szálrendszert tartalmaz, ahol a szálátmérő a mikronos mérettartományban van.An immobilized alkaline zinc anode for rechargeable elements having improved conductivity and cumulative capacity, comprising a mixture of zinc particles, zinc oxide, alkaline electrolyte, gelling agent formed into a predetermined anode mass and electrically coupled to a current collector, wherein the mixture is at least 0, Contains 15% by weight of an electrically conductive fiber system having a fiber diameter in the micron size range. 2. Az 1. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálrendszerben a szálak nemvezető anyagból állnak, amelyek felülete vezető fémmel van befuttatva .2. An alkaline zinc anode according to claim 1, characterized in that the fibers in the fiber system consist of a non-conductive material, the surface of which is coated with conductive metal. 3. Az 1. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálak hosszának és átmérőjének aránya a 100:1 és 1000:1 határok közé esik.The alkaline zinc anode of claim 1, wherein the filament has a length to diameter ratio of between 100: 1 and 1000: 1. 4. Az 1. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálak felülete rézből, ezüstből, aranyból, nikkelből vagy ezen fémek ötvözetéből van kialakítva.An alkaline zinc anode according to claim 1, characterized in that the fibers have a surface made of copper, silver, gold, nickel or an alloy of these metals. 5. A 2. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálakon árammentes fémbevonással kialakított fémbevonat van.5. An alkaline zinc anode according to claim 2, characterized in that the fibers have a metal plating formed by a current-free metal coating. 6. A 2. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálakon vákuumos fémleválasztással kialakított bevonat van.6. An alkaline zinc anode according to claim 2, characterized in that the fibers have a coating formed by vacuum metal deposition. 7. Az 1. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal • · · · • ··· · ··· » · · ·7. An alkaline zinc anode according to claim 1, wherein: 4· ··· · ···4 · ··· · ··· -16jellemezve, hogy a szálak az anód anyagának legalább-16 characterized in that the fibers are at least of the anode material 0,5tömeg%-át teszik ki és az áram kollektort egy központi fémérintkező képezi, amely a szálrendszerhez kapcsolódik.0.5% by weight, and the current collector is formed by a central metal contact connected to the fiber system. 8. A 2. igénypont szerinti alkáli cink anód, azzal jellemezve, hogy a szálak poliimidből, poliészterből vagy polivinil-alkoholból készülnek.8. An alkaline zinc anode according to claim 2, characterized in that the fibers are made of polyimide, polyester or polyvinyl alcohol. 9. Az 1. igénypont szerinti alkáli cink anód újratölthető, higanymentes alkáli-mangán-dioxid/cink elemekhez, azzal jellemezve, hogy a szálak vezető felülete ezüstből, aranyból, nikkelből vagy ezen fémek ötvözetéből van kialakítva.The alkaline zinc anode for rechargeable, mercury-free alkaline manganese dioxide / zinc according to claim 1, characterized in that the conductive surface of the fibers is made of silver, gold, nickel or an alloy of these metals.
HU912104A 1991-06-24 1991-06-24 Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells HUT63513A (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HU912104A HUT63513A (en) 1991-06-24 1991-06-24 Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells
JP5501279A JPH06508716A (en) 1991-06-24 1992-06-18 Fixed alkaline zinc anode for storage batteries with improved electrical conductivity and storage capacity
AU21816/92A AU2181692A (en) 1991-06-24 1992-06-18 Immobilized alkaline zinc anode for rechargeable cells with improved conductivity and cumulative capacity
CA002112384A CA2112384A1 (en) 1991-06-24 1992-06-18 Immobilized alkaline zinc anode for rechargeable cells with improved conductivity and cumulative capacity
EP92913716A EP0591358A1 (en) 1991-06-24 1992-06-18 Immobilized alkaline zinc anode for rechargeable cells with improved conductivity and cumulative capacity
PCT/CA1992/000270 WO1993000716A1 (en) 1991-06-24 1992-06-18 Immobilized alkaline zinc anode for rechargeable cells with improved conductivity and cumulative capacity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
HU912104A HUT63513A (en) 1991-06-24 1991-06-24 Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells

Publications (2)

Publication Number Publication Date
HU912104D0 HU912104D0 (en) 1991-12-30
HUT63513A true HUT63513A (en) 1993-08-30

Family

ID=10957779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
HU912104A HUT63513A (en) 1991-06-24 1991-06-24 Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP0591358A1 (en)
JP (1) JPH06508716A (en)
AU (1) AU2181692A (en)
CA (1) CA2112384A1 (en)
HU (1) HUT63513A (en)
WO (1) WO1993000716A1 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU8908498A (en) * 1997-08-22 1999-03-16 Eveready Battery Company Inc. Alkaline cells resistant to voltage pulse drops
US6602629B1 (en) 2000-05-24 2003-08-05 Eveready Battery Company, Inc. Zero mercury air cell
US6919142B2 (en) 2001-12-13 2005-07-19 Rovcal, Inc. Conducting polymer additives for alkaline electrochemical cell having zinc anode
US7481851B2 (en) * 2003-07-03 2009-01-27 The Gillette Company Alkaline cell with improved anode
EP2462643B1 (en) 2009-08-07 2019-02-20 ZincFive Power, Inc. Carbon fiber zinc negative electrode
US20130209839A1 (en) 2010-02-09 2013-08-15 Bae Systems Plc Component including a rechargeable battery
JP6347971B2 (en) * 2014-03-20 2018-06-27 株式会社日本触媒 Zinc negative electrode mixture, zinc negative electrode and battery
JP6456138B2 (en) * 2014-12-26 2019-01-23 株式会社日本触媒 Electrode and battery constructed using the same
CN111600025A (en) * 2020-04-23 2020-08-28 同济大学 Zinc cathode material with elastic protective layer and preparation and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
EP0591358A1 (en) 1994-04-13
AU2181692A (en) 1993-01-25
CA2112384A1 (en) 1993-01-07
JPH06508716A (en) 1994-09-29
HU912104D0 (en) 1991-12-30
WO1993000716A1 (en) 1993-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1087244A (en) Alloy-coated cathode for lead-acid batteries
EP0127301A1 (en) Improved positive battery plate
US3642539A (en) Secondary battery with indate ion in the electrolyte
JPH11512869A (en) Electric energy device using conductive ceramic fiber
JP2001501019A (en) Lead-acid battery paste containing tin compound and method for producing and using the same
US5667917A (en) Electrode with conductive fillers
US4415636A (en) Secondary batteries having a zinc negative electrode
HUT63513A (en) Immobilized alkali-zinc anode of improved conductivity and cumulative capacity for rechargeable cells
US20120282520A1 (en) Electrically rechargeable battery with zn electrode, and method for manufacturing said battery
US4022953A (en) Zinc electrodes for secondary batteries
US3873367A (en) Zinc-container electrode
CN1230795A (en) Electrode for alkaline storage batteries and process for producing the same
US3796607A (en) Process for making electrode having an internal electrodeposited metal matrix
JP2589150B2 (en) Alkaline zinc storage battery
US11955627B2 (en) Zn powder/Sn coated Cu current collector as anode for Zn battery
JP2002519820A (en) Collector plate for bipolar electrode of lead battery
TW472407B (en) A process for producing in an alkaline cell an in situ silver layer on a cathode container
JP5557227B2 (en) Nickel positive electrode for fiber batteries
JP2833148B2 (en) Lead battery manufacturing method
JPH0837001A (en) Positive electrode plate for lead-acid battery and manufacture of the electrode plate
JP3196234B2 (en) Cadmium negative electrode plate for alkaline storage battery and method of manufacturing the same
JP2529308B2 (en) Manufacturing method of cadmium negative electrode for alkaline storage battery
JPH0234434B2 (en)
JPH0745282A (en) Nickel electrode for alkaline storage battery
JPS6148220B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
DFA9 Temporary prot. cancelled due to abandonment