SE454828B - Sluten blyackumulator med elektrolytreservoar - Google Patents

Description

454 828 Livslängden hos en blyackumulator beror på flera faktorer.

En av dessa är tjockleken på gallret i den positiva plattan. Ju tjockare varje blysträng är och ju tjockare den positiva plattan är, desto längre är plattans livslängd generellt. Celler för låga strömstyrkor har därför positiva plattor med en tjocklek av 4-10 mm. Om en cell enligt US Pat.: 3.862.861 skulle konstrueras för låga strömstyrkor, skulle man behöva 12-30 mm syraskikt, dvs 6-15 mm på varje sida av den positiva elektroden.

I öppna celler, där elektrolyten inte är avsedd att vara helt absorberad i separatorerna, är det vanligt att ha en avse- värd mängd syra över plattsatsen.

Det finns tvâ anledningar till att elektrolytlagret skall vara tunt, dvs att avståndet mellan elektroderna skall vara li- tet. Den första är att det elektriska motståndet är relativt högt i elektrolyten jämfört med andra delar av elektrodpaketet. En cell med ett elektrodavstànd av t.ex. 6 mm kommer att ha en lägre urladdningsspänning' än en cell med 't.ex. 1 nmu avstånd. Denna minskade spänning eller effektförlust är särskilt märkbar vid höga urladdningar; Den andra anledningen att ha ett litet elektrodavstánd i en cell med oxygenrekombination är att graden av rekombination stàr i omvänd relation till avståndet mellan positiva och negativa elektroder. I celler av denna typ utvecklas oxygen vid den positiva plattan innan denna är fullständigt lad- dad och passerar genom separatorn till den negativa plattan, som oxideras. Oxygenet fortsätter att utvecklas vid den positiva plattan så länge celler är på laddning, och fortsätter att oxi- dera den negativa plattan i samma takt, som denna laddas. På detta sätt kan en oxygen-rekombination-cell arbeta under hela sin livslängd utan att förlora vatten. Graden av rekombination bestäm- mer den strömstyrka cellen kan laddas med under fulladdningen och av flera anledningar skall den vara så hög som möjligt. Elektroder- na skall därför vara så nära varandra som möjligt med ett tunt .lager av elektrolyt. Avståndet kan variera från 0,1-3 mm. Över 3 mm är rekombinationen mycket låg.

Man har observerat tvâ sätt pà vilka transporten av syrgas från den positiva till negativa elektroden kan äga rum. I den första löses oxygenet i elektrolyten och transporteras till den negativa plattan genom vanlig syradiffusion, som äger rum i en cell. En annan mekanism är att oxygen i gasform passerar från den G3) 454 828 positiva till den negativa plattan, där den reagerar med och oxiderar denna. I detta fall är det nödvändigt att ha öppningar i separatorn utan elektrolyt för att möjliggöra gasens flöde. Detta görs genom att cellen inte är helt fylld med elektrolyt, varigenom separatorn inte blir helt mättad med vätska. Även i den senare mekanismen är det nödvändigt att ha elektrolyt mellan plattorna för att få en väg för jontransport. Separatorn måste därför vara mycket absorberande och tjänstgöra som veke och inte fullt mättad med vätska, både ha tillräckligt med vätska för jontransport och samtidigt ha en porstruktur med öppningar för gastransport mellan elektroderna. Vid normala tryck, då lösligheten av oxygen i syra är liten, dominerar den senare formen av oxygentransport helt, men båda mekanismerna är helt beroende av avståndet mellan elektro- derna. Det är emellertid möjligt att med kort avstånd och mycket kontrollerad laddning få gasrekombination, men kombinationsgraden är mindre och laddningstiden längre. Öppna blyackumulatorer är kända, där man har två tunnare positiva elektroder placerade mot varandra för att tillsammans verka som en enkel tjockare elektrod. Men dessa konstruktioner har haft överskott av syra över elektroderna och full syramättnad i hela cellen. Ingen konstruktion är känd, där man har ett bra utnyttjande av det aktiva blymaterialet vid låga urladdningar och samtidigt oxygenrekombination vid fulladdning.

Sammandrag av uppfinningen I korthet innefattar den elektrokemiska cellen enligt upp- finningen en gas- och elektrolytbeständig tät behållare, minst ett poröst positivt plattpaket, flera porösa negativa plattor och en elektrolyt, med det positiva plattpaketet uppdelat i två delar, en del nära den första negativa plattan och den andra delen nära den andra negativa plattan. Mellan de två delarna av det positiva plattpaketet finns en reservoar för elektrolyt uppsugen i ett poröst material. Erforderlig elektrolyt är absorberad i de posi- tiva och negativa elektrodernas porer, i separatorns porer och i det absorberande materialet i det positiva platt- eller elektrod- paketet. Den totala mängden elektrolyt är mer än tillräcklig för djupurladdningar med låg strömstyrka, och den totala porvolymen i 454 828 elektroder, separatorer och absorberande material i plattpaketet är större än volymen av den totala elektrolytmängden.

Genom denna konstruktion har man fått en ny celluppbyggnad med tillräcklig elektrolytmängd även vid urladdningar med mycket låg strömstyrka för hög kapacitet, samt vidare utmärkt kapacitet vid höga urladdningar genom det låga inre motståndet, bra livs- längd och genom öppningar i separatorns porer och kort avstånd mellan positiva och negativa elektroder en utmärkt gasrekombina- tion. Samtidigt är cellen helt sluten utan läckage och kan arbeta i alla lägen.

Kort beskrivning av skisser Fig. I visar en typisk cell enligt uppfinningen.

Fig. II visar en horisontal tvärsektion vid A-A i en typ av celler enligt Fig. I med flata smorda elektroder. ' Fig. III visar en horisontal tvärsektion vid A-A i en typ av celler enligt Fig. I med positiva rörplattor.

Fig. IV visar en tvärsektion, där även en viss syrareserv finns i en negativ elektrod genom att denna gjorts dubbel likt den positiva elektroden.

Detaljbeskrivning av celler enligt uppfinningen Fig. I visar en prismatisk blycell med ett kärl 2 och ett lock 4 hermetiskt förenat med kärlet. Dessa två formar en behål- lare ogenomsläpplig för syra och gas. Positiva polen 6, negativa 'polen 8 och en säkerhetsventil 10 är placerade pà kärlets "över- sida". (Eftersom cellen kan arbeta i alla lägen, är det en över- sida endast under monteringen.) Anledningen till säkerhetsventi- len är att om cellen skulle överladdas med för hög strömstyrka eller att rekombinationen av annan anledning inte skulle fungera, måste denna öppna sig för att förhindra att kärlet sprängs.

Fig. II visar ett horisontalt tvärsnitt av en cell enligt Fig. I längs en linje A-A och har tre elektroder.

I fig. II är 2a ett tvärsnitt av kärlväggen 2 i fig. I, 12 är den första negativa plattan. Denna är en normal smord platta med ett metalliskt blygaller som bär upp den aktiva blymassan. 14 är en separator gjord av absorberande material, som kommer att beskrivas längre- fram. 16 är första delen av den positiva “Ik 5 454 aza elektroden. Även denna är av konventionell typ med galler och positiv massa (Pb02). Yttre sidan av den positiva plattan, som inte vetter mot den negativa elektroden utgör en sidan av en elektrolytreservoar 18.

Nästa positiva plattas 16 innersida utgör nästa vägg i syrareservoaren 'tillsammans med kärl och lockväggar. Reservoa- ren 18 med positiva plattor på varje sida formar den totala posi- tiva elektroden. Utanför denna finns nästa separator 14a och den andra negativa elektroden 12a är lika som 14 respektive 12. Reser- voaren är lämpligen fylld med ett absorberande material 20, som även kan finnas över och under elektroderna. Det absorberande materialet kan vara liknande det som separatorerna består av eller till och med identiskt. Oxidationspotentialen är högst vid separatorerna och mindre i reservoaren och kraven på oxidations- beständighet är därför störst för separatorerna.

Det finns ett antal mer eller mindre lämpliga material för separatorer och reservoarer. Materialet måste vara mikroporöst i separatorerna och absorbera med största möjliga vekverkan för att få jämn densitet i cellen. Det mäste vara inert mot oxygen i "statu nascendi" och mot svavelsyran och inte ha några skadliga föroreningar.

Det mest lämpliga materialet är glasfiber, tillgängligt pà marknaden som 100% glasfiber med fiberdiametrar under 2u, i vissa fall under lu. Det liknar bomull och har en porositet även vid hård sammantryckning över 95%. Det vätes lätt av svavelsyra och med god vekverkan. I reservoaren kan emellertid även vissa be- ständiga organiska fibrer användas.

Det absorberande materialet mellan de två positiva enkel- plattorna har till uppgift att hålla elektrolyten i reservoa- ren 18 på plats vid olika lägen av cellen, även när den är i upp- och nedvänt läge. Men kapillärkrafterna i separatorerna 14 och 14a som balanseras av motsvarande kapillärkrafter i det absorbe- rande materialet i reservoaren, gör det xnöjligt att ha dessa separatorer icke mättade med elektrolyt för att ge gasen fràn den positiva elektroden möjlighet att i gasform nå den negativa elektroden, samtidigt som det finns tillräcklig elektrolyt för jontransport. För att inte elektrolyt från reservoaren skall vandra till separatorerna och mätta dessa med elektrolyt, mäste det absorberande materialet i reservoaren ha ungefär samma 454 sas a 6 omättningsgrad. Å andra sidan kan. reservoarens tjocklek göras tillräcklig för att förse cellen med all syra erforderlig för mycket långa urladdningar. Lämpligaste sättet att ástadkoma separatorer och absorberande material med en mättningsgrad som ger öppningar för gasen, kan vara att inte fylla cellen med elektrolyt upp till plattornas överkant. Ett annat sätt är att ladda cellerna i upp- och nedvänt läge med en hög strömstyrka.

Den bildade vät- och syragasen tränger undan elektrolyten som rinner ut. Den mättningsgrad man önskar kan bero på cellens ar- betssätt och. separatorernas 'och det absorberande materialets porositet. Det kan variera från 98% till 80% med 90-95% som bästa värden av den fulla mängden vid mättat material.

Fig. III visar ett annat tvärsnitt A-A av fig. I med ett annat utförande av uppfinningen med rörplattor. Rörplattan, väl- känd inom batteriindustrin, består av ett antal vertikala bly- spröjsar, där varje spröjs är omgiven av en cylinder med bly- superoxid. Denna i sin tur hålls på plats av ett kemiskt bestån- digt poröst rör. Utmärkta rör görs av flätat glasfiber.

I fig. III är 2a kärlväggen. 22 och 22a är de två negativa elektroderna, motsvarande 12 och 12a i fig. II. 26 och 26a visar i tvärsnitt de tvâ delarna av den positiva rörelektroden och 24 _ och 24a är de tvâ separatorerna mellan de positiva och negativa elektroderna. Materialet är av samma typ som nämnts ovan, och framförallt skall de expandera och fylla utrymmet som formas om runda rör användes i de positiva rörelektroderna. Sammanpressade mikroglas-separatorer har denna egenskap. På detta sätt undviks makrohálrum i vilka gasbubblor kan samlas. Det absorberande ma- terialet i reservoaren 28 mellan de positiva halvplattorna är av liknande fibermaterial.- Fig. IV visar i tvärsnitt en cell där ett mindre syraför~ ràd 32 även placerats inne i den negativa elektroden, genom att e denna gjorts av tvá halvplattor 30 och 30a. Vid normala urladd- ningar hinner S04-jonerna transporteras till den negativa elektro- den fràn reservoaren mellan de positiva enkelelektroderna. Men vid mycket höga urladdningsströmstyrkor kan det bli en S04-jon- brist vid den negativa elektroden och en reservoar kan därför ibland vara lämplig. Vid extremt höga urladdningar användes så litet.av det aktiva materialet att syran i separatorerna och de negativa elektrodernas porer är tillräcklig. (lä H (J. 454 'B28 För att ge en mer fullständig bild av uppfinningen kan det vara lämpligt med några kalkyler, som ger en bild av hur uppfin- ningen verkar vid nâgra olika tillämpningar.

Exempel 1. Ett batteri önskas för en skyddsalarmanordning. Kra- ven är: 1. Långa perioder av underhållsladdning (normalt tillstånd). 2. Kraftig urladdning (alarmtillstånd). 3. Långtidsurladdning med låg strömstyrka (skydd under strömav- brott på nätet). 4. Laddningsanordningen är ofta inte av bästa kvalitet och kan ge ojämna varierande strömstyrkor vid laddning med såväl hög som låg strömstyrka. Batteriet skall vara underhållsfritt utan vatten- páfyllning och vara gastätt.

Batterier för dessa krav måste ha god livslängd för kraftig överladdning och har därför tjocka positiva plattor. Vidare skall de ha lågt inre motstånd för de höga urladdningarna vid alarm- tillstånd och därför tunna separatorer och litet elektrodavstånd.

Lågt inre motstånd ger också snabbare laddning vid låg laddnings- spänning hos laddningsdonet. Slutligen skall batteriet ha maximal mängd aktivt material bly, blysuperoxid och svavelsyra för längsta möjliga skydd under strömavbrott på nätet.

En lämplig positiv platta kan bestå av två halvor, vardera med en tjocklek av 4 mm eller sammanlagt 8 mm. Separatorerna skall vara så tunna som möjligt och vi antar 0,5 mm. Vidare antar vi att den syramängd som behövs för en långtidsurladdning motsva- rar en tjocklek, som är 3 ggr den positiva plattans tjocklek.

(Detta varierar naturligtvis med syrans densitet, elektrodernas porositet och urladdningens längd.) Kalkylen blir: Total tjocklek av syrabehovet 3 x 8 mm = 24 mm Minus separatortjockleken 2 X 0,5 = 1 mm Syrareservoarens tjocklek 23 mm Två korrigeringar måste göras av detta värde. Materialet i sepa- ratorer och reservoar tar viss volym, men vi kan räkna med 95% porositet. Värdet måste därför ökas med 5%. Vidare skall separa- torn inte vara fullt mättad för att möjliggöra gastransport. Ett W 454 szs bra värde är 90% mättnad. Värdet 23 mm mäste därför multipliceras med 1,15. Detta ger en reservoar av 26,5 mm.

Exempel 2. Gruvlampsbatteri.

Kraven är här en konstant urladdning med l4h-ström, följd av en kontrollerad. urladdning, en cykel som upprepas varje dag.

Batteriet mäste kunna arbeta i alla lägen och vara absolut tätt.

Det skall helst vara underhållsfritt utan vattenpàfyllning. Ett lämpligt batteri kan använda rörplattor och en ganska tjock sepa- rator, eftersom inga höga urladdningar förekommer och laddningen är väl kontrollerad. En standardrörplatta kan ha en aktiv mate- rialcylinder av 7,8 mm diameter. Detta motsvarar i materialmängd ungefär en flat platta av 5 mm tjocklek. Separatorn kan ha en tjocklek av 2,5 mm. Om vi använder samma värde för syrabehovet, 3 ggr den positiva plattjockleken, får vi följande ekvation: Total syratjocklek 3 x (5 + 5) = 30 mm Minus separatorer 2 x 2,5 =: 5 Reservoar före korrigering 25 mm Korrigerat värde för syrareservoar 25 x 1,15 = 28,8 mm j Dessa tvâ grova kalkyler har gjorts endast för att demonstre- ra principen hos uppfinningen. Mera exakta kalkyler är självfall- na för den som är insatt i batterikonstruktion. Även om dessa exempel beskriver en cell med endast tre elek- troder gäller uppfinningen naturligtvis celler med stort antal elektroder. Modifikationer och variationer kan naturligtvis göras inom själva uppfinningens idé.

Claims (1)

454 828 PATENTKRAV l. Blyackumulator med en elektrolyt- och gastät behållare (2) minst en positiv, porös elektrod (16), minst två porösa negativa elektrodplattor (12), porösa absorberande separatorer (14) mellan de positiva och negativa elektroderna och en elektrolyt, varvid den positiva elektroden består av en första del nära den första negativa elektroden (12) och en andra del, nära den andra ne- gativa elektroden mellan vilka delar en elektrolytreservoar (l8; 28) är anordnad, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den positiva elektrodens (16) delar var för sig är anordnade längs var sin av de negativa elektroderna (12) och att innanför sagda delar sett i riktning fràn den respektive negativa elektroden och således mellan delarna är elektrolytreservoaren (18; 28) anord- nade med en tjocklek mellan delarna, som är avsevärt mycket större än tjockleken hos separatorerna (14) mellan sagda delar och respek- tive negativa elektroder (12) och utgöres av en ytterligare separa- tor av ett poröst, absorberande material, så att huvuddelen av den i separatorernas porer inrymda elektrolyten inrymmes i den mellan den positiva elektrodens delar placerade separatorn bil- dade sagda elektrolytreservoar, varvid totalvolymen av porerna i elektroderna och separatorerna inklusive elektrolytreservoaren är större än volymen av elektrolyten, vilken uppgår till en mängd, som är tillräcklig för den urladdningsgrad, som avses. 2. Blyackumulator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att det porösa, absorberande materialet åtminstone delvis utgöres av glasfiber med en porositet av över 95%. 3. Blyackumulator enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v, att volymen av elektrolyten är 80-90% av den totala porvolymen i elektroderna och i separatorerna inklusive den, som bildar sagda elektrolytreservoar. 4. Blyackumulator enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v, att volymen av elektrolyten är 90-95% av den totala porvolymen i elektroder och i separatorer inklusive den, som bildar sagda syrareservoar. 454 828 É ,° 5. Blyackumulator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ytterligare poröst absorberande material är pla- cerat i kärlet (2) kring enheten av elektroderna och separate- rerna. 6. Blyackumulator enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att separatortjockleken är mellan 0,1-3 mm.

1. Blyackumulator enligt något av patentkrav 1-5, k ä n n e - *t e c k n a d, av en separatortjocklek mellan 0,5-2 mm. 'a 1/:9