SE460443B - Elektrisk ackumulator, saerskild blyackumulator med positiv elektrod som bestaar av minst tvaa delar, vardera utformade som roerplattor - Google Patents

Description

460 443 Livslängden hos en blyackumulator beror på flera faktorer. En av dessa är tjockleken på gallret i 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-patentet 3.862.861 skulle konstrueras för' låga ström- styrkor skulle man behöva 12-30 mm syraskikt, dvs 6-15 mm på varje sida av den positiva elektroden. I I öppna celler, där elektrolyten inte är avsedd att vara helt absorberad i separatorerna, är det vanligt att ha en avsevärd mängd syra över plattsatsen.

Det finns två anledningar varför elektrolytlagret skall vara tunt, dvs avståndet mellan elektroderna skall vara litet. Den första är att det elektriska motståndet är relativt högt i elektrolyten jämfört med andra delar av elektrodpaketet. En cell med ett elektrodavstånd av t.ex. 6 mm kommer att ha en lägre urladdnings- spänning än en cell med t.ex. 1 mm avstånd. Dennapminskade spänning eller effektförlust är särskilt märkbar vid högaurladdningar. Den andra anledningen att ha ett litet elektrodavstånd i en cell med oxygenrekombination är att graden av rekombination står i omvänd relation till avståndet mellan positiva och nega- tiva elektroder. I celler av denna typ utvecklas oxygen vid positiva plattan innan denna är fullständigt laddadåoch passerar genom separatorn till den ne- gativa plattan, som -oxideras Oxygenet fortsätter att utvecklas vid den positiva plattan så länge-cellen är på laddning och fortsätter att oxidera den negativa plattan i samma takt som den laddas. På detta sätt kan en oxygen-rekomination- cell arbeta under hela sin livslängd utan att förlora vatten. Graden av rekom- bination bestämmer den strömstyrka cellen kan laddas med under fulladdningen och av flera anledningar skall den vara så hög som möjligt. Elektroderna skall därför vara så nära varandra som möjligt med ett tunt lager av elektrolyt. Av- ståndet kan variera från 0,l-3 mm. Över 3 mm är rekombinationen mycket låg.

Man har observerat två sätt på vilka transporten av syrgas från positiva till negativa elektroden kan äga rum. Vid det första löses oxygenet i elektro- lyten 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 positiva till den negativa plattan, där den reagerar och oxiderar den- na. 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 jontrans- port. Separatorn måste därför vara mycket absorberande och tjänstgöra som veke och inte fullt mättad med vätska både ha tillräckligt med vätska för jon- asawft., .i .___ 460 443 transport och samtidigt ha en porstruktur med öppningar för gastransport mel- lan 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 elektroderna. Det är emellertid möjligt att med kort avstånd och mycket kontrollerad laddning få gasrekombination, men kombinationsgraden är mindre och laddningstiden längre. Öppna blyackumulatorerer är kända, där man har två tunnare positiva elektroder placerade mot varandra för att tillsammans verka som en enkel tjoc- kare elektrod. Men dessa konstruktioner har haft överskott av syra över elekt- roderna ochfull syrgasmättnad i hela cellen. Ingen konstruktion är känd, där man har ett bra utnyttjande av detåaktiva blymaterialet vid låga urladdningar och samtidigt oxygenrekombination vid fulladdning. ' Föreliggande uppfinningbhar till ändamål att åstadkomma en elektrisk .ackumulator med en celluppbyggnad, som lnöjliggör tillräcklig elektrolytmängd även vid urladdningen med mycket låg strömstyrka för hög kapacitet, samt med utniärkt kapacitet vid höga urladdningar genom det låga inre motståndet, vid stor livslängd och god gasrekombination. i Uppfinningens ändamål uppnås genom att utföra 'ackumulatorcellen med de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

Två utföringsformer av uppfinningen visas på bifogade ritningar och be- skrives i det följande. På ritningarna visas i fig. 1 i vy en typisk cell enligt uppfinning, fig. 2 visar en sektion längs linjen Il-II i fig. 1, där två delar av den positiva plattan har en gemensam överram och har tillverkats av triangel- formade rör, fig. 3 visar på samma sätt som ifig. 2 ett liknande utförande en- ligt exempel två med den skillnaden att cellen även har separatorer, fig. 4 visar en sektion längs linjen IV-IV i fig. 2 vid typen av cell enligt fig. 2 med positiva rörplattor.

Enligt en föredragen form av uppfinningen är de två delarna av den posi- tiva plattan sammanbundna med en gemensam överram och fana genom att använda en' s.k. rörplatta med vartannat rör liggande nära den ena negativa elektroden och vartannat rör nära den andra negativa elektroden. För att få så stor yta som möjligt av den positiva elektroden att ligga nära den negativa elektroden är rören triangelformade, där vartannat rör har en sida av triangeln nära den ena negativa elektroden och vartannat rör nära den andra negativa elektroden. To- talt sett kan t.ex. åtta rör ligga nära den ena negativa elektroden och åtta rör nära den andra negativa elektroden. Rörplattan har liksom många andra rörplat- tor särskilda ytterrör, som är ungenför hälften så stora som de övriga rören. 460 443 Fig. 1 visar en prismatisk blycell med ett kärl 2 och ett lock 4 hermetískt förenat med kärlet. Dessa två delar formar en behållare ogenomsläpplig för syra och gas. En positiv pol 6, en negativa pol8 och en säkerhetsventil 10 är place- rade på kärlets "översida". (Eftersom cellen kan arbeta i alla lägen, är det en översida endast under monteringen.) Anledningen till säkerhetsventilen, är att om cellen skulle överladdas med för hög strömstyrka eller att rekombinationen av annan anledning inte skulle fungera, denna måste öppna sig för att förhind- ra att .kärlet sprängs.

I fig. 2-4 visas ett tvärsnitt av kärlväggen 2. .En första negativ platta anges med 12. Denna är en normal, smord platta med ett metalliskt blygaller som bär upp den aktiva blymassan. En separator 14 (se fig. 3) är gjord av absorbe-j rande material, som kommer att beskrivas längre fram. En första del av den posi- tiva elektroden anges med 16. Även denna är delvis av konventionell typ med galler och positiv massa (PbOQ). Yttre sidan av den positiva plattan, som inte vetter mot den negativa elektroden utgör en sida av en elektrolytreservoar' 18.

Innersidan till den positiva elektrodens nästa del 26 utgör nästa vägg i syrareser- voaren tillsammans med kärl och lockväggar. Reservoaren 18 med positiva plattor på varje sida formar den totala positiva elektroden. Utanför denna finns nästa separator 24 och den andra negativa elektroden 22, vilka är lika som 14 respek- tive 12. Reservoaren 18 är lämpligen fylld med ett absorberande material, som även kan finnas över och under elektroderna. Det absorberande materialet kan vara liknande det som separatorerna lll, 24 består av eller till och med identiskt.

Oxidationspotentialen är högst vid separatorerna och mindre i reservoaren och kraven på oxidationsbeständighet är därför störst för separatorerna.

Rören har en syrareserv i de tjocka filtade rörväggarna, som kommer att ligga dels mellan rören, dels mellan den positiva och den negativa elektroden.

Rörväggarnas tjocklek 'anpassas för den syramängd imai. önskar med hänsyn till att de absorberande rörväggarna på grund av oxygentransporten inte skall vara helt mättad med elektrolyt.

Det finns ett antal mer eller mindre lämpliga material för separator-er och reservoarer. Materialet måste vara niikroporöst i separatoren och absorbera med största möjliga verkan för att få jämn densitet i cellen. Det måste vara inert mot oxygen i "statu nascendi" och svavelsyran-och inte ha några skadliga förore- ningar. Det mest lämpliga materialet är glasfiber, tillgängligt på marknaden som 100% glasfiber med fiberdiametrar under 2p, i vissa fall Ip. Det liknar bomull och har en porositet även vid hård sammantryckning över 95%. Det vätes lätt av svavelsyra och med god verkan. l reservoaren kan emellertid även vissa bestån- diga organiska filtmaterial användas. . tillräcklig för att förse cellen med all syra erforderlig för mycket långalurladd- 460 443" Det absorberande materialet mellan de två positiva enkelplattorna har till uppgift att hålla elektrolyten i reservoaren 18 på plats vid olika lägen av cellen, även när den är i upp och nedvänt läge. Men kapillärkrafterna i separatorerna 14 och 24 som balanseras motsvarande kapillärkrafter i det absorberande materia- let i reservoaren, gör det möjligt .att ha dessa separatorer icke mättade med elektrolyt för att ge gasen från den positiva elektroden möjlighet att i gasform nå den negativa elektroden, samtidigt som det finns tillräcklig elektrolyt för jon- transport. För att inte elektrolyt från reservoaren skall vandra till separatorerna och mätta dessa med elektrolyt, måste det absorberande materialet i reservoaren ha ungefär samma omättnadsgrad. Å andra sidan kan reservoarens tjocklek göras ningar. Lämpligaste sättet att åstadkomma separatorer av absorberande material med en mättningsgrad som ger öppningar för gasen kan' vara att inte fylla cellen med elektrolyt upp till plattornas kant. Ett annat sätt' är att ladda cellerna iupp och nedvänt läge med en hög strömstyrka. Den bildade vät- och syrgasen tränger undan elektrolyten som rinner ut. _ Den niättniiigsgrad man önskar kan bero på cellens arbetssätt och separa- torernas och det absorberande materialets porositet. Den kan 'variera från 98% till 80% med 90-95% som bästa värden av den fulla mängden vid mättat material. l fig. 2 är 2- såsom förut angivits kärlet, 12 och 22 de negativa elektro- derna, 16 rörväggar i de positiva elektrodernas delar 25 och 26 samt 28 och 29 den positiva massan i rören, 32 och 34 är strömledande blyspröjsar och 36 är en isolerande plastfolie på baksidan av strömledaxen för att strömmen skall gå genom den positiva massan och inte direkt genom rörväggarna till den negativa elektroden.

Fig. 3 visarett liknande utförande med något tunnare rörväggar och där sagda mikroporösa separator 14 och 24 lagts in mellan positiva och negativa elektroden. Inte heller denna är helt mättad med elektrolyt, 90-95% mättnad bru- kar vara lämpligt.

Fig. 4 visar ett snitt längs linjen IV-IV i fig. 2 av en cell med triangelfor- made rör och gemensam överram. Rörplattan, välkänd inom batteriindustrin, består av ett antal vertikala blyspröjsar, där varje spröjs är omgiven av en cylin- der med blysuperoxid. Denna i sin tur hålls på plats av ett kemiskt beständigt poröst rör. Utmärkta rör görs av flätad glasfiber. Vid sammanpressade mikroglas- separatorer undviks makrohålrum i vilka gasbubblor kan samlas. Det absorberan- de materialet i reservoaren 18 mellan de positiva halvplattorna kan vara av lik- nande fibermaterial.

Då det är viktigt ur livslängdssynpunkt att den positiva massan stöds från alla håll för att volymen inte skall öka, tillverkas rören lämpligen av filtade 460 443 mikrofibrer av glas såsom angivits med en väggtjocklek så 'att rören stöder va- randra och så att totala syrabehovet utöver det som finns inne i de porösa elektroderna är lagrat i rör-väggarna, som trots detta naturligtvis inte för vara mättade med' vätska för att möjliggöra oxygentransport.

Istället för homogena tjocka rörväggar kan man ha tunna, filtade vävda eller flätade rör med inlägg mellan rören. Dessainlägg och inläggen mellan rören och negativa elektroden är gjorda av filtat fibermaterial, lämpligen glas med mikrofiber, för att på så sätt öka väggtjockleken och stödja upp rören. Rörfor- miga elektroder kan även byggas upp av 'veckade plattor av filtade mikrofiber kombinerade med separatorer av samma material.

En cell kan även ha ett mindre syraförråd placerat inne i den negativa elektroden, genom att denna gjorts av två halvplattor. Vid normala urladdningar hinner SO4~jonerna transporteras till den negativa elektroden från reservoaren mellan de positiva enkelektroderna. Men vid. mycket höga urladdningströmstyrkor kan det blir en SO4-jonbrist vid den negativa elektroden och en reservoar kan därförlibland vara lämplig. Vid extremt höga urladdningar användes så litet av det aktiva materialet att syran i separatorerna och de negativa elektrodernas porer är tillräckliga.

För att ge en mer fullständig bild av uppfinningen kan det vara lämpligt med några kalkyler, -som ger en bild av hur uppfinningen verkar vid några olika tillämpningar.

Claims (7)

1. Pamsmmxgêy Elektrisk ackumulator, särskilt blyackumulator innefattande 1. en cell med en elektrolyt- och gastät behàllaren(2, 4), minst en porös positiv elektrod (16), minst tvà porösa negativa elektroder (12, 22) samt elektrolyt till en mängd tillräcklig för den ur~ laddningsgrad som önskas, vilken positiva elektrod (16) består av minst tvà, som en rad placerade delar (25, 26), vardera utformade som rörplattor med gemensam överram, fràn vilken strömledare (32, 34) sträcker sig ned i. elektroderna, med vardera elektrodelen försedd med en bredare, plan ände och en smalare, spetsig ände med varannan elektrodel vänd med sin bredare ände àt det ena hållet och varannan med sin bredare ände åt det andra hållet, så att två plan bildas, med en sida av en av de respektive negativa elektroderna (lf, 22) sträckande sig längs vart och ett av sagda plan och med separatorer av ett mikroporöst material placerat mellan vardera planet och en motstàende sida till respektive k ä n n e t e c k n a d att den positiva elektrodens (16) delar vardera utgöres av triangelfor- made rör (25, 26) med flata sidor, av vilka en sida pá varannan elektroddel ingår i ett av sagda plan, medan de övriga sidorna är motställda motsvarande ytor pà närliggande elektroddelar i raden, (18) anordnat mellan dessa ytor, med det förut nämnda mikroporösa negativ elektrod, d ä r a v, med ett mikroporöst material vilket material tillsammans materialet i separatorerna utgör en syrareservoar, nad att uppta en förutbestämd mängd elektrolyt, som tillsammans med elektrolyten i de porösa elektroderna och i förekommande' övriga utrymmen för upptagande av elektrolyt, utgör en tillräck- lig mängd för den urladdningsgrad som avses, att det mikroporösa materialet (18) är utformat att bilda ett stöd för rören (25, 26) och att mellan rören och respektive strömledare (32, 34) är anord- nat ett isolerande material såsom en plastfolie (36). som är anord- ”460 445 _.,._š, 41:14. ._.'>. ._;_-'; :yyj x. ja* « - ' ' 8

2. Eletrisk ackumulator enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att cellen har en total inre porvolym i elektroderna, rörens väggar och det mikroporösa materialet, som är större än volymen av elektrolyten. _

3. Elektrisk ackumulator_enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n- n e t e c k n a d a v en separatortjocklek mellan 0,1-3 mm.

4. Elektrisk ackumulator enligt patentkrav 3, k ä n n e - t e c k n a d a v en separatortjocklek mellan 0,5-2 mm.

5. Elektrisk ackumulator enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att rören, som bildar den positiva elektrodens delar (16, 26), uppvisar dels väggar av ett företrädesvis tunt, poröst material,\sàsom glasfiber, och dels av ett tjockare, absorberande mattliknande material såsom filt ut- görande sagda mikroporösa material, som är placerat mellan elektro-_ dens delar.

6. Eletrisk ackumulator enligt något föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att volymen av elektrolyten är 80-98% av den totala porvolymen i elektroderna (12, 22, 16, 26), i sagda separatorer (14, 24) och i det absorberande materia- let mellan den positiva elektrodens delar.

7. Elektrisk ackumulator enligt patentkrav 6, 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, i sagda separatorer och i det absorberande materialet mellan den positiva elektrodens delar.