Opublikowano: 25.111.1969 57073 KI. 21 b, 12/02 MKP H 01 m UKD J3I0M Twórca wynalazku: dr Jerzy Wojcieszek Wlasciciel patentu: Instytut Nawozów Sztucznych, Pulawy (Polska) Sposób wytwarzania plytkowych ogniw i baterii oswietleniowych Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarza¬ nia plytkowych ogniw i baterii oswietleniowych poprzez zmiany receptur i przygotowania elektro¬ litów miedzyelektrodowyeh oraz mieszanek depo- laryzacyjnych jak równiez przez zmiane dotych¬ czasowego procesu technologicznego.Znane i powszechnie produkowane ogniwa i ba¬ terie z depolaryzatorem braunsztynowym typu plytkowego znajduja zastosowanie przede wszyst¬ kim jako wysokonapieciowe zródla zasilania ob¬ wodów elektronowych, które wymagaja pradów rzedu maksimum 10—20 miliamperów. Ze wzgledu na wysoka opornosc wewnetrzna nie mozna po¬ bierac z nich pradów o natezeniach np. 150—300 miliamperów, które z kolei sa konieczne w przy¬ padku stosowania tych ogniw i baterii jako ele¬ mentów energetycznych dla celów oswietleniowych przy jednoczesnie niskich napieciach rzedu 3— 4,5 V. Dalsza wada tych baterii, to brak zabezpie¬ czen przed wysychaniem w zestawach po 2 lub 3 ogniwa, oraz brak konstrukcyjnych, dobrych roz¬ wiazan zapewniajacych odpowiedni kontakt w po¬ laczeniach szeregowych dla uzyskania napiec 3— 4,5 V i pradów 150^300 mA.Wedlug danych literaturowych — dotychczaso¬ we znane próby stosowania braunsztynowych ogniw plytkowych do celów oswietleniowych ograniczaly sie do konstruowania pojedynczych ogniw w obu¬ dowie metalowej, które umieszczano w latarkach elektrycznych po dwa wzglednie trzy ogniwa w 10 15 20 25 30 polaczeniu szeregowym. Poza bardzo droga kon¬ strukcja i niska pojemnoscia elektryczna, wyno¬ szaca srednio 0,1—0,15 Ah, ogniwa te szybko wy¬ sychaly i nie przedstawialy po krótkim stosunko¬ wo czasie uzytkowania czy magazynowania zad¬ nej wartosci praktycznej. Z tych powodów nie przyjely sie one w masowym uzyciu.Celem wynalazku jest wytwarzanie poprzez zmiane dotychczasowej technologii pelnowartoscio¬ wych, plytkowych baterii oswietleniowych, gwa¬ rantujacych efektywna prace w granicach 0,75— 0,9 Ah przy poborze pradów o natezeniach 150— 300 miliamperów, a wiec zwiekszona od 150% do 250% w stosunku nawet do baterii typii kubkowe¬ go o tych samych wymiarach objetosciowych, oraz dobre magazynowanie bez strat wynikajacych z wysychania czy samorozladowania.Istota wynalazku jest sposób wytwarzania po¬ legajacy na tym, ze zmniejsza sie w mieszankach depolaryzacyjnych ilosci braunsztynu o 15—25% a zwieksza sie jednoczesnie ilosci zawartosci sal- miaku oraz grafitu i sadzy, nastepnie mieszanki te uplastycznia sie i wytlacza z nich aglomeraty do¬ datnie o zwiekszonych powierzchniowo i wyso- kosciowo uwypukleniach stykowych, a do prze¬ strzeni miedzyelektrodowych ogniw wprowadza sie przy uzyciu gazu jako nosnika elektrolit samo¬ czynnie zelatynizujacy i ochrania sie aglomeraty dodatnie przed rozkruszeniem w ogniwach cien¬ kimi przekladkami z papieru drzewnego, oraz ze 5707357073 po zlozeniu elementów czynnych w ogniwie i ob¬ ciagnieciu ich np. pierscieniem igielitowym, we¬ dlug znanych technologii, skleja, sie obrzeza tego pierscienia lakierem bitumicznym z elektroda ujemna, podobnie jak i obrzeza oslony plastykowej obejmujacej pelne baterie 3- lub 4,5 V z zewnetrz¬ nymi elektrodami: dodatnia i ujemna, które to elektrody stanowia jednoczesnie bieguny wyjscio¬ we baterii.Przedmiotem wynalazku jest ogniwo plytkowe uwidocznione w przykladach wykonania na rysun¬ ku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój po¬ przeczny i widok z góry tego ogniwa plytkowego, fig. 2 widok aksonometryczny i przekrój baterii plytkowej o napieciu 4,5 V, a fig. 3 widok aksono- metryczny oraz przekrój poprzeczny baterii plyt¬ kowej o napieciu 3 V.Cechami oryginalnymi nowej technologii — zgodnie z kolejnoscia poszczególnych operacji wy¬ twarzania ogniw i baterii oswietleniowych typu plytkowego — sa najpierw zmiany dokonywane w skladzie ilosciowym mieszanek depolaryzacyjnych, w których obniza sie zawartosci braunsztynu do 45—52%, zwiekszajac jednoczesnie ilosci soli do¬ brze przewodzacych jonowo, przede wszystkim sal- miaku do 12—15%, oraz wegla o przewodnictwie elektronowym — sadzy i grafitu nawet do 19%.Zmienia sie równiez sposób przygotowania tych mieszanek, wprowadzajac ich uplastycznianie przed wytlaczaniem aglomeratów dodatnich z prostokat¬ nym uwypukleniem stykowym, podwyzszonym o ca 0,5—1,0 mm w stosunku do obecnie produkowa¬ nych i zajmujacym do 70% powierzchni aglome¬ ratu 1 i 2, fig. 1. Wykonany wedlug wynalazku dodatni aglomerat gwarantuje duza pojemnosc elektryczna, prawidlowy przebieg reakcji elektro¬ chemicznych i niski opór na styku ogniw w pola¬ czeniu szeregowym.Z kolei do przestrzeni miedzyelektrodowej ogni¬ wa — pomiedzy elektrode ujemna 6, a aglomerat dodatni 1 i 2, fig. 1, wprowadza sie elektrolit o recepturze np. 10—15% NH4C1, 4^8% ZnCl2, 10— 15% CaCl2, o;i—0,2% HgCl2, 10—20% maki pszen¬ nej i 50—55% H20. Elektrolit ten samorzutnie ze¬ stala sie w temperaturach otoczenia, np. w 15— 25°C, bez jakiegokolwiek podgrzewania i odparo¬ wywania zawartej w nim wody, koniecznej dla efektywnej pracy — w przeciwienstwie do obec¬ nej produkcji ogniw plytkowych. Elektrolit ten przygotowuje sie i przechowuje w temperaturach bliskich lub nawet nieco ponizej 0°C.Jako mechanicznego nosnika elektrolitu uzywa sie usztywnionej, grubowlóknistej gazy 5, fig. 1, skutecznie zabezpieczajacej samorzutnie zestalony w jej oczkach elektrolit przed wylewem czy wy¬ ciskaniem podczas montazu ogniwa czy baterii, oraz jego ilosc konieczna dla efektywnej wymiany elektronotwórczej. Gaza gwarantuje równiez swo¬ bodna dyfuzje roztworów czynnych w trakcie po¬ boru wysokich pradów oraz nie przyczynia, sie do krystalizacji elektrolitu podczas magazynowa¬ nia baterii.Dla zabezpieczenia aglomeratu dodatniego przed rozkruszeniem i mechanicznym zwarciem w ogni¬ wie stosuje sie cienka, o grubosci max. 0,05—0,1 mm przekladke 4 z papieru drzewnego bez apretury, fig. 1. Warstwa zestalonego w gazie elektrolitu o grubosci min. 1 mm, oraz wspomniana przeklad¬ ka z papieru drzewnego, zapobiegaja skutecznie 5 mechanicznemu przenikaniu pojedynczych ziaren aglomeratu dodatniego w kierunku elektrody ujemnej a jednoczesnie stanowia niskooporowy i wysoce sprzyjajacy wymianie jonowej osrodek w ogniwie. io Ogniwa plytkowe zabezpiecza sie dodatkowo przed ewentualnym zwarciem miedzyogniowym w ten sposób, ze na obrzeze 3 pierscienia igelitowego przylegajacego do elektrody cynkowej 6 i 7 na¬ nosi sie warstewke lakieru bitumicznego 8, fig. 1, 15 np. 50% asfaltu + 50% benzenu. Dzieki wytwo¬ rzonej przestrzeni kapilarnej, pomiedzy masa ele- ktroprzewodzaca 7, a pierscieniem igelitowym 3, fig. 1, lakier przemieszcza sie szybko pod ten pier¬ scien, rozpuszcza czesciowo powierzchnie masy i 20 wiaze scisle elektrode ujemna z pierscieniem.Z ogniw wykonanych sposobem wedlug wyna¬ lazku sklada sie baterie 3 — lub 4,5 V, przedsta¬ wione na rysunku fig. 2 i 3, obejmuje odpowied¬ nio przygotowana oslone plastykowa 1, i zapobie- 25 ga ich wysychaniu przez nalozenie na obrzeza oslony, tak od strony • elektrody dodatniej, jak i ujemnej, warstewek lakieru bitumicznego 4. Spo¬ sób ten, zupelnie prosty w wykonawstwie, sku¬ tecznie chroni baterie przed utrata koniecznej do 30 wydajnej pracy wilgotnosci.Baterie zbudowane wedlug wynalazku, fig. 2 i , 3, nie maja zadnych opakowan zewnetrznych, po¬ niewaz oslona plastykowa 1, utrzymujaca ogniwa w bezposrednim styku, jest jednoczesnie dobra 35 zapora przed samorzutnym odparowywaniem wo¬ dy z ogniw, jak równiez estetyczna, izolacyjna obudowa zewnetrzna baterii. Ten sposób wykan¬ czania konstrukcyjnego baterii - oswietleniowych typu plytkowego jest równiez nowy i zastepuje z 40 powodzeniem stosowane zanurzanie w roztopionej parafinie lub innej kompozycji izolacyjnej, oraz zewnetrzne opakowania papierowe.Bieguny zewnetrzne baterii stanowia nie zakryte oslona plastykowa powierzchnie elektrody dodat- 45 niej i ujemnej, fig. 2 i 3 — (+) i (—), przez co eli¬ minuje sie wszelkie operacje lutowania, zwiaza¬ ne z tym szkodliwe, miejscowe przegrzewania ele¬ ktrod, zaoszczedza duze ilosci metali kolorowych, a ponadto nie dopuszcza sie do powstawania przy- 50 padkowych zwarc kontaktów wyprowadzanych na zewnatrz baterii.Szczególowy opis montazu ogniw i baterii oswie¬ tleniowych typu plytkowego podaje sie na pod¬ stawie nizej podanego przykladu wykonania. 55 Przyklad. Skladniki aglomeratu dodatniego w ilosciowym zestawie: 50 kg braunsztynu roz¬ drobnionego do ziaren o srednicy ponizej 0,1 mm; 10,1 kg sadzy wysokochlonnej; 6,4 kg grafitu; 14,1 kg salmiaku; 6,9 kg chlorku cynku; oraz c0 12,5 kg wo4y, miesza sie dokladnie az do otrzyma¬ nia jednorodnej masy, nastepnie przegniata celem uplastycznienia np. na walcach kamiennych i prze¬ siewa przez sito o srednicy oczek np. 4—5 mm. Z otrzymanej w ten sposób mieszanki depolaryzacyj- 35 nej wytlacza sie aglomeraty dodatnie z uwypukle-57 6 niami stykowymi 1 i 2, fig. 1. Aglomeraty te, je¬ zeli nie sa bezposrednio stosowane do montazu ogniw, nalezy przechowywac w pomieszczeniach zamknietych o wilgotnosci wzglednej powyzej 95%.Elektrolit miedzyelektrodowy o skladzie: 10,2% salmiaku; 5,0°/o chlorku cynku, 11,0% chlorku wap¬ nia; 0,1% chlorku rteci; 19,5% maki pszennej oraz 54,l°/o wody, przygotowuje sie przez dokladnie wy¬ mieszanie i przechowuje w naczyniach oblozonych lodem w pomieszczeniach o temperaturze bliskiej 0°C. Celowym jest przygotowanie elektrolitu ^raT czej w niniejszych ilosciach, poniewaz przy nie¬ przestrzeganiu temperatur nastepuje jego samo¬ rzutna zelatynizacja i zestalanie sie w naczyniu, a w tej postaci stanowi on wylacznie nieodwra¬ calny odpad.Przygotowanie dalszych poszczególnych elemen¬ tów do montazu odbywa sie nastepujaco: z cien¬ kiego papieru drzewnego o grubosci 0,05 mm bez apretury wycina sie przekladki oslaniajace 4, (fig. 1), o wymiarach liniowych zwiekszanych w stosun¬ ku do aglomeratów o 8—12 mm.Przekladki te zabezpieczaja aglomeraty dodat¬ nie 1 i 2, w ogniwach przed rozkruszeniem, a przed samym montazem nawilza sie je w 25% roztworze salmiaku. Elektrody ujemne 6, tzw. bi¬ polarne, wycina sie z blachy cynkowej o grubosci 0,7—1,0 mm i pokrywa jednostronnie masa ele- ktroprzewodzaca 7, chemicznie bierna. Z gazy usztywnionej 5 przygotowuje sie prostokatne wy¬ cinki odpowiadajace wymiarowo elektrodom ujem¬ nym. Gaza stosowana jako nosnik mechaniczny elektrolitu, powina posiadac wlókna o grubosci ca 0,4—0,5 mm przeplatane w odstepach 2—3 mm.Oslone igielitowa 3, do obciagania pojedynczych ogniw, przycina sie z wezy igielitowych o dobra¬ nych srednicach przekroju i grubosciach scianek.Budowa ogniwa przebiega zgodnie ze schematem i kolejnoscia nakladania poszczególnych elemen¬ tów wedlug fig. 1. Tak wiec na metaliczna po¬ wierzchnie elektrody ujemnej, bipolarnej 6 i 7, naklada sie: wycinek gazy 5 zanurzony uprzednio w przygotowanym elektrolicie miedzyelektrodo- wym, przekladke papierowa 4 nawilzona w 25°/o-owym roztworze salmiaku oraz aglomerat do¬ datni 2 uwypukleniem stykowym 1 do góry.Ulozone w takiej kolejnoci elementy ogniwa obejmuje sie oslona igielitowa 3, nagrzana do tem¬ peratury ca 90°C, w ten sposób, by przekladka pa¬ pierowa 4, zawinela sie wokól scianek bocznych aglomeratu dodatniego 2 a sama oslona igielitowa zachodzila i przylegala do elektrody bipolarnej 6— 7, oraz do aglomeratu dodatniego 1—2 zgodnie z fig. 1.Na obrzeza oslony igielitowej 3, przylegajace do elektrody ujemnej bipolarnej, nanosi sie np. pedzlem warstewke lakieru bitumicznego 8, który skleja ujemna elektrode z oslona i skutecznie za¬ pobiega ewentualnym zwarciom wewnetrznym.Z przygotowanych ogniw montuje sie baterie oswietleniowe typu plytkowego o napieciach: 3 V i 4,5 V, wedlug fig. 2 i 3. Dla baterii 3-voltowej laczy sie dwa ogniwa szeregowo fig. 3 przy czym na uwypuklenia stykowe ogniwa koncowego na¬ klada sie elektrode bipolarna 3, masa elektro-prze- wodzaca w kierunku do uwypuklenia i obciaga ca¬ losc oslona plastykowa 1.Obrzeza oslony zachodzace i przylegajace do ele¬ ktrody ujemnej, oraz dodatniej skleja sie z tymi 5 elektrodami warstewka 4 lakieru bitumicznego, zabezpieczajac ostatecznie baterie przed wysycha¬ niem. W analogiczny sposób przebiega montaz ba¬ terii 4,5-voltowej, (fig. 2), w tym jednak przypad¬ ku laczy sie szeregowo trzy ogniwa plytkowe wy- io konane wedlug opisu.Mozna w odniesieniu do przygotowania mieszan¬ ki depolaryzacyjnej i elektrolitu miedzyelektrodo- wego stosowac nieco odmienne procesy, które w przypadku braku odpowiedniej aparatury, np. do- 15 brego mieszalnika lub urzadzen chlodniczych, sta¬ nowia zastepcze i dosc dobre rozwiazanie tych problemów technicznych.Skladniki stale i niehydroskopijne mieszanki de¬ polaryzacyjnej: braunsztyn, sadza, grafit i sal- 20 miak, w ilosciach przedstawionych w opisie, moz¬ na poczatkowo mieszac na sucho a nastepnie na¬ wilzyc równomiernie roztworem chlorku, cynku, przygotowanym w ilosciach podanych wyzej i w koncu uplastycznic przez przegniecenie na walcach 25 oraz przesiac przez sito.Równiez elektrolit miedzyelektrodowy mozna spreparowac w warunkach normalnych, np. w temperaturze + 20°C, w ten sposób, ze oddzielnie przygotowuje sie roztwór wszystkich podanych 30 soli oraz wodna mieszanine maki pszennej, k#tóra bezposrednio przed montazem ogniw zlewa sie ra¬ zem w malych ilosciach, ale przy zachowaniu od¬ powiednich propozycji, miesza i stosuje do nawil¬ zania prostokatnych wycinków gazy, jako mecha¬ nicznych nosników.Oczywiscie, w tym wypadku nalezy sie liczyc ze znacznymi stratami elektrolitu, poniewaz w ciagu 10—15 min. nastepuje jego samorzutna zelatyni- zacja i zestalanie.Z szeregu dokonanych doswiadczen wynika, ze plytkowe baterie oswietleniowe, zbudowane we¬ dlug wynalazku, wykazuja sie praca zwiekszona 1,5—2,5 razy w porównaniu z kubkowymi o tych samych wymiarach objetosciowych. Doswiadczenia porównawcze przeprowadzono przy zastosowaniu obu typów baterii — plytkowych i kubkowych — pobierajac z nich prady rzedu 150—300 miliampe- rów w sposób ciagly, jak równiez periodyczny w ciagu dluzszego okresu czasu. 35 40 50 55 60 65 PL