NO770354L - Elektrisk akkumulator med positive nikkeloksydelektroder og negative jernelektroder. - Google Patents

Description

Elektrisk akkumulator med positive nikkeloksydelektroder og negative jernelektroder.

Oppfinnelsen vedrører en elektrisk akkumulator med positive nikkeloksydelektroder og negative jernelektroder.

På bakgrunn av begrensningen i de naturlige energi-resurser og i miljøvernets interesse er de stadige anstrengelser når det gjelder fullt ut å nyttiggjøre seg i og for seg kjente elektrokjemiske strømkilder på nye anvendelsesområder spesielt rettet på elektrotraksjon. Et lovende elektrokjemisk system for kjøretøyakkumul-atorer representeres ved det allerede av Edison utviklede oppladbare system med positiv nikkeloksydelektrode og negativ jernelektrode i vandig kaliumhydroksydoppløsning. Selv om det er det eldste blant de alkaliske lagringssystemer, har det i tidens løp kun undergått uvesentlige forbedringer når det gjelder den tekniske utførelse av den praktiske celle samt de aktive massers preparasjon og elektrokjemisk utnyttbarhet.

Blant ulempene ved systemet nikkeloksyd/jern regnes dets termodynamiske instabilitet, som er gitt ved at de potensi-aler som er nødvendige for ladning av nikkel(II)oksydelektroden, henholdsvis av Fe(OH)2-elektroden ligger utenfor grensene for vannets termodynamiske stabilitetsområde, noe som ytrer seg ved en parasitær gassutvikling under ladningen, fremfor alt på jern-elektrodens side, og tvinger til et uforholdsvis høyt ladnings-oppbud. At ladningen av elektroden likevel er mulig beror på kinetisk hemning.

Mot en teoretisk effekttetthet på 260 Wh/kg, som en åpen cellespenning på 1,33 V ligger til grunn for, har man med praktiske nikkeloksyd/jernceller ved 5-timers utladning kun opp-nådd verdier mellom 20 og 25 Wh/kg.

Kjent er nikkeloksyd/jern-akkumulatorens klassiske elekrodeutførelser, nemlig den positive rørelektrode og den plateformede negative elektrode, hvor jernmassen som består av metallisk jern, jernoksyd eller blandinger, er presset inn i en metallisk holder. Vanligvis er jernmassen for heving av hydro-genoverspenningen dessuten tilsatt en viss mengde kvikksølvoksyd.

Tiltak -for øking av nikkeloksyd/jern-akkumulatorens effekt har for det meste hatt den negative jernelektrode som gjenstand, hvis utnyttbarhet med kun 28 % av den teoretiske verdi fremdeles lover en stor margin for forbedringsmuligheter.

Således kombineres ifølge DT-AS 1.696.570 i en akkumulator en positiv sinterelektrode med en negativ jernsinter-elektrode, som er dotert med små mengder av svovelforbindelser, hvis tilstedeværelse skal forhindre at jernet blir passivt.

Ifølge DT-OS 2.261.997 fremstilles en jernelektrode ved katodisk utskillelse av jern fra en jern(II)nitratoppløsning på en elektrisk ledende bærer og bringes derved samtidig i konk-takt med svovelsalt.

I U.S. patent nr. 3.507.696 frembringes på kornene i et jernoksydpulver et tynt dekksjikt av de smeltede elementer fra svovelgruppen, og en metallfiberplate som bærer impregneres så med dette materiale oppslemmet i vann.

Disse og andre tiltak er imidlertid ikke tilstrekke-lige for å øke effektiviteten til de celler som nå befinner seg i handelen utover den angitte verdi. Som vesentlig hemmende må derved tas i betraktning de høye vektandeler av de cellekomponen-ter som ikke direkte er delaktige i strømleveringen og belaster effekttettheten tilsvarende. Spesielt faller 20 - 35 % av cellens samlede vekt på vanlige elektroders inaktive holder (støtte-skjelett, armering, ramme).

Den oppgave som ligger til grunn for oppfinnelsen er å tilveiebringe en nikkeloksyd/jerncelle, som ved siden av et godt spenningsleie, særlig ved utladning, fremfor alt ved innsparing av dødvekter, imøtekommer elektrotraksjonens høye effektkrav.

Denne oppgave blir løst ifølge oppfinnelsen ved at de positive elektroder er pulverpresselektroder og de negative jernelektroder består av sintret jernpulver og at det mellom to positive elektroder hver gang er anordnet en negativ elektrode.

En slik elektrodekombinasjon tillater at jernelektro-dens høye flåtekapasitet oppfanges med en motelektrode av tilsvarende kapasitet.

Dette krav kan ikke oppfylles med de vanlige positive lomme- eller rørelektroder, fordi den frie åpning i perforerin- gen i disse elektrodearmeringer kun utgjør 15 % av den geomet-" riske elektrodeflate og en vesentlig del av den aktive masse er mer eller mindre tildekket. Den blir av elektrisitetstranspor-tens ladningsbærere kun nådd ad omveier, dvs. under spennings-fall.

Særdeles fordelaktig er det derfor i henhold til oppfinnelsen å anordne en metallvevnadsarmering som omslutter den positive masse, som under høyt trykk er presset inn i den. Ved denne armering som særlig er en nikkelvevnad, er den åpne flate-andel med 36 % omtrent 2,4 ganger så stor og enkeltåpningen med 1,44*10 -2 mm 2kun 1/3 så stor som når det gjelder vanlige lom-mer, og filtereffekten, dvs. tilbakeholdelsen av den aktive masse, er derved vesentlig forbedret.

Armeringens andel av elektrodens samlede vekt utgjør nå kun omtrent 20 % mot 50 % når det gjelder den konvensjonelle lommeelektrode. Flåtekapasiteten hos en slik elektrode ligger ved omtrent 6,5 Ah/dm 2.

Den negative motelektrode er ifølge oppfinnelsen en elektrode som består av sintret jernpulver og som inneholder et støtteskjelett, eksempelvis av jernstrekkmetall. Den fremstilles særlig ved påføring på jernstrekkmetall av jernpulver som med en alkohol-vann-metyllcelluloseblanding er gjort pasterings-dyktig, og etterfølgende sintring.

Den bruksferdige pasta inneholder ved siden av eksempelvis spor fra et antiskummiddel

Det anvendte rene jernpulver har en BET-overflate på 0,1 - 0,3 m 2/g. Den overveiende del, eksempelvis over 80 %, av pulveret har en kornstørrelse på mindre en 30 ym.

Etter pasteringen sintres elektroden i omtrent \ h ved 600 - 800°C, fortrinnsvis ved 700°C, i en beskyttelsesgass-atmosfære.

Også hos denne elektrode utgjør dødmaterialandelen

(strekkmétall og avleder) kun 20 % av elektrodens hele vekt og flåtekapasiteten omtrent 15 - 16 Ah/dm 2. Det gjenstår derved et mindre kapasitetsoverskudd i forhold til de flankerende positive elektroder. Disse begrenser som følge derav cellekapasi-teten..

Bemerkelsesverdig er ladekarakteristikken hos jern-elektrodene ifølge oppfinnelsen, som adskiller seg fra den hos en konvensjonell lommeelektrode ved et mer positivt spenningsleie og et tydelig kadmiumlignende spenningstrinn ved full ladning. Det betyr at jernelektroden forholder seg mer lik kadmium med hensyn til hydrogenutviklingen, dvs. at gassingskvoten holder seg relativt liten inntil spenningstrinnet er nådd. For full lading av elektroden er det tilstrekkelig med en ladefaktor på 1,4.

Dette faktiske forhold kan også erkjennes ut fra den typiske lade- og utladekarakteristikk til en celle ifølge oppfinnelsen i fig. 1.

Denne figur viser i kurve, 1 ladespenningen og i kurve 2 utladespenningen som funksjon av tiden når det gjelder en celle i henhold til op<p>finnelsen. Belastningen under utladingen utgjør 0,2 C A.

Den negative elektrode er adskilt fra den positive elektrode ved hjelp av separatorer av plast som fortrinnsvis har form av en rist, hvorved avstanden mellom de vertikalt an-ordnede staver er på omtrent 8 mm, og stavdiameteren ligger ved omtrent 2 mm.

Den ved stavtykkelsen gitte elektrodeavstand er fordelaktig med hensyn til cellens elektrolyttmengde og varmekapa-sitet. Ved den forholdsvis tranqe stavavstand kan elektrodenes deformasjon under svellingstrykkets innvirkning imøtegås bedre, slik at stavseparatoren forhindrer kontakt mellom den positive og den negative elektrode og derved etablering av kort-slutningsbroer.

Med henblikk på i en batterikasse å forminske celle-huséts andel i den samlede vekt, særlig når det gjelder akkumu-latorer med flere celler, utgjøres hver enkeltcelles, henholdsvis hvert enkelt elektrodesettes omhylling av en plastslange som har tilstrekkelig kjemisk, termisk og mekanisk stabilitet og som kan sveises under samtidig anvendelse av en kompakt bunnplate og et kompakt deksel som garanterer en polanordning som er vridningssikker. Egnet som materiale er eksempelvis polyetylen.

Med plastomhyllingen som cellehus er de forskjellige bestanddelers andel i den samlede vekt for cellen ifølge oppfinnelsen fordelt som .følger: 51,5 % på de aktive masser 13,5 % på massearmering, faner

23,0 % på elektrolytten

12,0 % på cellehuset, separatorer, poler

Derved viser det seg tydelig at anordningen ifølge oppfinnelsen særlig inneholder en meget høy vektandel av aktive materialer. Tilsvarende kan ved hjelp av tiltakene i henhold til oppfinnelsen nikkeloksyd/jerncellens energitetthet økes fra omtrent 24 Wh/kg ifølge teknikkens stand med faktor 2, nemlig til omtrent 50 Wh/kg ved 5-timers utladestrøm.

Fig. 2 viser en celle ifølge oppfinnelsen som her består av fire positive og tre negative elektroder, idet de tre forreste elektroder er vist i riss og hvor anordningsprinsippet kan utleses: Mellom to positive elektroder 1 med metallvednadsar-mering 4- og adskilt fra disse ved ristformede separatorer 3 befinner seg hver gang en negativ elektrode 2.

Den positive elektrodes avlederfaner 5 som ved punkt-sveising er festet til metallvednadsarmeringen 4, er klinket tii den positive polsko 6 og de negative elektroders avlederfaner 7 er klinket til den negative polsko 8.

De på stavseparatorens ramme sittende nupper 9 som griper over elektrodenes kanter, forhindrer at platene glir ut i forhold til hverandre.

Det kompakte deksel 10 som eksempelvis består av polyetylen, er unde mellomlegg av foliematerialet som tjener som cellehus 11 påsveiset de to polgjennomføringer 12 og påfyllings-stussen 13, hvilke deler samtlige består av det samme plastma-teriale.

Polskoene er etter gjennomstikking av den negative

og den positive polbolt 14 og 15 gjennom polgjennomføringene 12 mellom ribbene 16 fiksert således på dekselets underside at de ikke kan vris ved tilstramming av sekskantmutrene 17.

En fast bunnplate 18 av eksempelvis polyetylen gir elektrodepakken på nedsiden en ekstra mekanisk beskyttelse.

Claims (7)

1. Elektrisk akkumulator med positive nikkeloksydelektroder og negative jernelektroder, karakterisert ved at de positive'elektroder (1) er pulverpresselektroder og de negative jernelektroder (2) -består av sintret jernpulver og at det mellom to positive elektroder (1) hver gang er anordnet en negativ elektrode (2).

2. Elektrisk akkumulator ifølge krav 1, karakterisert ved at de positive pulverpresselektroder (1) har en metallvevnadsomhylling (4).

3. Elektrisk akkumulator ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at de negative elektroder (2) inneholder et innsintret støtteskjelett, særlig av jernstrekkmetall.

4. Elektrisk akkumulator ifølge krav 1 - 3, karakterisert ved at det mellom elektrodene som separator er anordnet en plastrist (3).

5. Elektrisk akkumulator ifølge krav 1-4, karakterisert vedat celleblokken er anordnet i en omhylling som består av sammensveiset plastslange (11).

6. Fremgangsmåte til fremstilling av en jernelektrode for en akkumulator ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at det i et jernstrekkmetall-skjelett inn <p> asteres en vandig dispersjon av jernpulver, vann-opppøselig fyllmateriale og et organisk fortykningsmiddel, særlig metylcellulose, at det sintres ved temperaturer fra 600 800°C og' at deretter fyllmaterialet utløses.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at jernpulveret har en BET-overflate på 0,15 - 0,25 m 2/g og at den overveiende del av jernpartiklene har en kornstørrelse på mindre enn 30 ym.