SE510853C2 - Bipolärt batteri - Google Patents

Description

20 25 30 510 853 lägre. I båda konstruktionerna åtskiljes de positiva och nega- tiva elektroderna av separatorer.

Principerna för det monopolära fig 1A och bipolära batteriet fig 1B är oberoende av vilket elektrokemiskt system som väl- jes. I föreliggande uppfinning beskrivs en bipolär blybatteri- konstruktion avsedd i första hand för laddning och urladdning med extremt höga effekter under kort tid, företrädesvis under delar av minuter ner till några sekunder, även om i vissa fall urladdning under flera minuter är möjlig. Konstruktionen kan givetvis även tillämpas på urladdningar och laddningar med lägre strömmar(effekter).

Uppfinningen avser speciellt en mellanvägg med tunna skikt av aktivt material 6,7 och ett batteri med elektroder uppbyggda på sådana väggar, fig 5. Särskilt har enligt en aspekt av upp- finningen beaktats sätt att kyla sådana batterier, vilket är nödvändigt vid sagda höga effekter. Batterier uppbyggda på sy- stem med vattenbaserade elektrolyter har i regel en maximal drifttemperatur under lO0°C. Så t. ex. bör ett blybatteri inte utsättas för högre temperatur än 50°C under längre perioder.

Detta skulle leda till blysulfat i de aktiva materialen. Med de urladdningar, som här i första hand avses, liknar batteriet i sin funktion mycket en kondensator; man får en "ackumulator- kondensator".

Svårigheterna med en bipolära konstruktion har visat sig bl a vara följande: Vid blyceller måste den positiva aktiva massan (PAM) 6, som utgöres av porös blydioxid, vara i direkt kontakt med ledande vägg av t ex metalliskt bly, som sedan i sin tur skall vara i kontakt med negativa aktiva massan (NAM) 7, som består av poröst bly. Denna vägg av t ex bly kommer, om inte särskilda 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 åtgärder företages, vid upprepade laddningar och urladdningar att korrodera. Elektrolyt i en cell kan då komma i kontakt med elektrolyt i nästa cell och en kortslutning (strömläckage) uppstår.

Ett väsentligt problem för alla blybatterier är volymföränd- ringarna av de aktiva massorna under laddning och urladdning.

Vid urladdningar bildas ur såväl bly (NAM) och PbO2 (PAM) bly- sulfat (PbSO4), som har en större volym än de föreningar ur vilka det bildas. Vidare uppstår volymförändringar, när bly- väggens positiva sida korroderar: icke poröst Pb övergår till PbO2. Om den ledande väggen inte har tillräcklig mekanisk hållfasthet att ta upp krafterna vid blyets och blydioxidens volymökning under urladdning eller vid volymökning på grund av blyets eller blyskiktets korrosion, kommer väggen att bukta och spricka med genombrott och kortslutning som följd. Det blir därvid också svårt att bibehålla tätningen mot andra cel- ler i stapeln. Enligt föreliggande uppfinning har dessa svå- righeter eliminerats och den vid tidigare bipolära blybatte- rier korta livslängden, som t ex uppgått till endast ett par hundra urladdningar eller mindre, ökar. Som ovan nämnts mins- kar med bipolära konstruktioner vikten av cellförbindningar, fanor etc. då dessa ersattes av mellanväggar. Likaså minskar det elektriska motståndet i cellerna. I monopolära batterier med strömuttag i kanten eller hörnet av elektroden blir belastningen högst närmast detta strömuttag och ojämnt förde- lat över elektrodens yta, speciellt vid höga strömmar. Genom att strömmen i bipolära batterier passerar elektroderna lik- formigt blir också det aktiva materialet bättre utnyttjat. En bipolär konstruktion är därför speciellt ägnad för höga ström- styrkor per ytenhet elektrod. Mängden ledande bly måste stå i proportion till uttagen strömstyrka för ett givet inre mot- 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 stånd. Det monopolära batteriet med sina långa strömvägar blir därmed extremt tungt.

Vid mycket höga strömstyrkor kan skikten av de aktiva materia- len, 6, 7, göras tunna för att batteriet skall nå ett högt energiinnehåll per vikt och volym, vilket är önskvärt spe- ciellt om batteriet skall användas i t. ex. fordon. Av det sagda följer också att mellanväggen bör göras tunn men med tillräcklig mängd elektronledande material, företrädesvis bly.

Vid en tunn vägg har man fördelen av kort väg för strömmen lika med lågt motstånd, men också nackdelen av en lägre meka- niskt styrka med risk för sprickbildning och genomkorrosion.

På grund av korrosion är det icke möjligt att göra en funge- rande mellanvägg enbart av en tunn blyskiva.

Föreliggande uppfinning avser en mellanvägg 5, som trots att den har en tjocklek mellan 0,5 - 5 mm ger bipolära batterier med högt energiinnehåll vid höga strömstyrkor och dessutom med en avsevärd livslängd. Den porösa delen av mellanväggen 5, enligt uppfinningen tillverkad av ett dimensionsstabilt, icke el. ledande poröst, företrädesvis keramiskt material 10, fig 2 och 4. Med dimensionsstabilt material avses här material, som inte förändras mekaniskt eller kemiskt under de betingelser som råder vid batteridriften och som således är syra- och oxi- dationsbeständigt. Ett sådant material, som företrädesvis har ett porskikt mellan 5 - 40% förses enligt uppfinningen med bly, som helt fyller porerna 8a När blyet i porerna genom oxi- dation börjar omvandlas till PbO2 eller PbO4, föreningar som båda har större volym än blyet, blir resultatet att vidare omvandling icke kan ske eftersom elektrolyt inte kan tränga genom de fyllda porerna. Porerna i ett icke dimensionsstabilt material, t ex termoplast kommer vid de temperaturer som upp- kommer i batteriet att växa i volym, när det utsättes för de 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 volymökande krafterna vid omvandlingen av bly till PbO2 och PbO4. Dessa föreningar expanderar då mer eller mindre okon- trollerat och bildar porösa skikt. Därmed ges möjlighet för elektrolyt och ström att tränga ännu längre in i porerna, vilket medför snabb genomkorrosion och kortslutning.

Fig 2 visar hur korrosionsangreppet inledes och sedan försvå- ras genom volymökningen i de slingrande porerna i ett dimen- sionsstabilt material, fig 2.

Enligt uppfinningen föredras som dimensionsstabilt icke ledande material för mellanväggen exempelvis porösa keramer vartill även räknas glas, andra oorganiska material eller dimensionsstabila polymerer. Skivorna av det valda materialet kan ha en porositet mellan 5 - 50% och pordiametrar 10 - 500 um och ha en tjocklek från några tiondels mm upp till flera mm beroende på elektrodens storlek. Mellanväggen behöver i och för sig inte byggas upp av ett från början poröst material utan kan utgöras av en blymatris, som förstärkts med icke ledande oorganiskt material eller dimensionsstabil plast.

Av vikt är att flertalet porer 8 är genomgående, dvs öppna i båda ändar och helst slingrande d.v.s. inte raka, speciellt vid tunna mellanväggar, och att pordiametrarna varierar ut- efter porlängden för att förhindra korrosion längs porväg- garna. Genom varierande porstorlek bryts de strömlinjer, som normalt är riktade vinkelrätt mot mellanväggens huvudplan. Se fig 2 - 4. Vid 9 sker dels en mer allmän korrosion, dels ett angrepp efter porens väggar pá grund av stark strömkoncentra- tion. Det korroderade blyet, som övergått till blysulfat, bly- dioxid, pressas utåt ur poren. När korrosionen nått 9' avstan- nar överraskande korrosionen dels genom att volymen vid 9' ligger skyddad från strömangrepp, dels genom att korrosions- 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 ass 6 produkterna sammanpressas mot den oeftergivliga väggen. Det är därför väsentligt att materialet är dimensionsstabilt, dvs har porer med oförändrad volym även då porväggarna utsättes för det mekaniska tryck som uppkommer vid blyets expansion eller kemiska omvandling.

För att göra den blyimpregnerade väggen så stark som möjligt kan väggen armeras med fibrer av t ex bornitrider, aluminium- oxid och det är då möjligt att, beroende på cellväggens yt- storlek, komma ner till väggtjocklekar under l mm.

Keramiskt material och glas har fördelen att väggen kan ta upp spänningar, som uppstår vid laddningar och urladdningar och som vill kröka mellanväggen och att porernas storlek är abso- lut oförändrad även vid de höga tryck, som kan uppstå på grund av bildade korrosionsprodukter. Keramiskt material eller glas är exempel på material som föredrages för uppfinningen, som emellertid inte är begränsad i detta avseende. En porös plast kan naturligtvis även användas om den är dimensionsstabil vid de temperaturer, som kan uppkomma i ett blybatteri och är del av denna uppfinning. Det kan vara fördelaktigt eller nödvän- digt att armera sådan plast liksom i vissa fall även keramer med t ex höghàllfasta fibrer, t ex glas- eller kevlar- eller bornitridfibrer. Man kan även tänka sig att den elektriskt oledande delen av väggen formas kring trådar av ledande mate- rial, t ex bly. Det är viktigt att det dimensionsstabila mate- rialet även är beständigt mot svavelsyran och mot anodisk oxi- dation. För att få större mekanisk hållfasthet vid tunna väg- gar, kan andelen bly i den ledande väggen vara lågt, men trots detta ändå ge väggen god el. ledningsförmåga genom att sträckan är kort. För större säkerhet mot genomoxidation kan man lägga två eller flera ledande skikt på varandra. 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 Varje ledande vägg kan för att säkrare förhindra genomoxida- tion och ge bättre kontakt mellan de aktiva massorna, förblyas på båda sidor med ett skikt med 5 - 150 um tjocklek 9.

Porerna i det dimensionsstabila materialet kan fyllas med bly på olika sätt, Här angivna metoder tjänar endast som exempel.

Det porösa materialet kan exempelvis upphettas i vacuum till en temperatur över blyets smältpunkt och sedan fortfarande under vacuum doppas i smält bly. Det kan vara fördelaktigt att pressa det smälta blyet under tryck in i porerna (som kan vara under vacuum), pressgjutning. Blyet kan då stà under tryck under stelningen och därmed utfylla det utrymme som annars skulle kunna uppstå mellan bly och porväggar vid blyets volym- minskning vid stelning.

Det är väsentligt att få god anslutning mellan porväggarna och blyet. Av den anledningen impregneras den porösa kroppen om den består av glas eller keramiskt material före blyfyllningen med t ex kiselgel, som vid torkning bildar en s k ”washcoat” av fina S102 partiklar. Porväggarna får härigenom en porös yta i vilket blyet kan fästa både fysikaliskt och genom kemisk förening med SiO2. Impregneringen med kiselsol är bäst lämplig på porösa glas och keramer.

En säker metod att förhindra tomrum i mellanväggen är att blanda in krossad glas, företrädesvis blandad med glasfibrer eller bornitridfibrer i en blysmälta och sedan forma ledande mellanväggar av denna blandning. Med halter upp till 60% eller mer av dessa material går det icke alltid att gjuta dessa plattor, utan de får formas genom pressning under stelnings- tiden. Dessa plattor kan möjligen ha lägre mekanisk styrka än porösa keramer, vars porer fyllts med bly. Men eftersom batte- riet (elektrodstapeln) är sammanpressad under stort tryck blir 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 skivan ändå dimensionsstabil. För att öka hâllfastheten kan man upphetta skivorna med bly och glas under tryck i slutna rum till en temperatur, där glasmaterial smältes samman och med glasfibrer, om sådana användes och dessutom kemiskt reage- rar med blyet. Glaset kan ersättas med keramik med samma egen- skaper som glaset. En annan metod är att elektrolytiskt fälla ut bly i porerna 11. Därvid låter man bly växa ut i mellanväg- gens porer från en katod 12 av bly eller koppar som ligger an tätt mot materialets baksida. Denna blykatod kan t ex vara en tunn, plan folie av bly, företrädesvis 100 - 500 um. Blykatoden kan också vara en folie av bly, som först genom s k Planté- formering gjorts porös och som efter nyssnämnda elektrolytiska förankring i den porösa mellanväggen kan tjäna som aktivt material. Antingen utgör den porösa elektroden NAM utan vidare behandling (förutom sköljning och torkning) eller omvandlas den till PbO2 genom elektrolytisk oxidation i utspädd svavel- syra, varvid den kan tjäna som positiv elektrod PAM.

Man kan vid förblyingen använda en mer eller mindre koncentre- rad elektrolyt av ett blysalt och göra den elektrolytiska ut- fällningen med pulserad ström på sätt, som är känt av fackman- nen. Blyjoner diffunderar in i porerna under pauserna och fäl- les ut under strömstötarna. För att påbörja utfällningen på porväggarna kan man först täcka dessa med ett tunt skikt av bly genom behandling med bly i gasform i vacuum på samma sätt som plastfilmer belägges med blyskikt med tjocklekar under l um. Bly i gasform kan alltid tränga in i porerna.

För att täta eventuellt utrymme mellan porväggarna och det elektrolytiskt utfällda blyet kan detta fyllas med t ex teflon 13, vilket också försvårar svavelsyrans inträngning genom teflonets hydrofobitet. 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 Ett annat exempel på sätt att tillverka en mellanvägg enligt uppfinningen är att omsluta ett stort antal i stort sett parallella blytrádar med ett oorganiskt material eller dimen- sionsstabil polymer. Efter en viss rektionstid, där materialet härdar på sätt, som beror av typen av material, sågas eller på annat sätt skivas materialet så att blyytor förlägges på ömse sidor av väggen. Exempel på material kan vara Na-silikat, som förenar sig med Pb på ytan av blytrådarna till ett olösligt, oledande material. Ett annat exempel är ett organiskt material i form av två eller flera komponenter, som blandas och får härda till ett dimensionsstabilt material, som omger blytrá- darna. Ännu ett exempel kan vara ett plastmaterial som uppvär- mes till en smälta, vilken anbringas runt blytràdarna och bringas att stelna under krympning.

Det är lämpligast att tillverka de bipolära elektroderna i torrladdat skick, dvs där PAM och NAM överförts till PbO2 respektive poröst Pb före monteringen och torkats i speciella processer, olika för PAM och NAM. Dessa processer är i och för sig väl kända av fackmannen. Det är därvid lämpligt att den s k formeringen (första laddningen) sker i skilda processer.

Detta är möjligt genom att den bipolära elektroden utföres i två delar. Ur säkerhetssynpunkt, för att förhindra genomoxide- ring, kan det dessutom vara lämpligt med en delad ledande mel- lanvägg.

För att åstadkomma delade bipolära elektroder kan man exempel- vis pà ovan beskrivet sätt genom elektrolytisk utfällning förankra en blyfolie på ena sidan av den dimensionsstabila väggen och, sedan blyet har fyllt i huvudsak alla porerna så att blyet kan ses på ytan av den motsatta sidan, applicera en blymassa (smörjmassa) på i och för sig känt sätt. Innan detta sker kan man genom smältning, lödning eller påsmältning av 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 10 mera bly utforma sagda motsatta sida, så den är helt täckt med ett jämnt skikt av bly 27. När denna elektrodhalva 28 lägges samman med en liknande elektrodhalva försedd med elektrodmassa av motsatt polaritet, bildas en bipolär elektrod enligt upp- finningen, fig 7A, 7B. I ett alternativt utförande, speciellt när, som beskrivits ovan, tunna porösa blyfolier 28 använts som katoder, förstärks motsatta sidan med bly genom smältning, lödning eller försmältning och lägges dessa sidor samman så att en bipolär elektrod enligt uppfinningen erhålles, fig 8A, 88.

Av särskild vikt är att batterikonstruktionen för höga effekt- uttag kyles effektivt. Enligt en aspekt av uppfinningen kan detta låta sig göras genom inläggning av metallskivor exempel- vis förblyad koppar 0,1 - 1 mm mellan eller vid de bipolära elektroderna 22. Ett föredraget sätt är att lägga en metall- skiva mellan en positiv och en negativ elektrodhalva fram- ställda på så sätt som beskrivits ovan och genom sammansmält- ning av blyet hos de tre komponenterna försäkra sig om en god termisk och elektrisk kontakt. Dessa metallskivor anbringas så att de delvis kommer att ligga utanför batteristapeln, fig 5 och 6 och kan kylas med luft eller vätska 23. I och för sig är det icke nödvändigt att dessa utstickande delar av metallplat- torna har anordnats pà utsidan. Genom att t ex elektroderna och mellanväggarna utformas med ett centralt hål, kan kyl- ningen utföras genom att kylmediet passerar centralt genom stapeln under förutsättning att avtätningen 17 anordnas så att läckage inte uppstår.

För att få god livslängd är det emellertid inte tillräckligt att förhindra genomkorrosion på ovan angivet sätt med dimen- sionsstabilt material i mellanväggen. Om upprepade urladd- ningar drives för långt, dvs för djupt, riskerar man att blyet 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 11 510 ass i porerna åtminstone punktvis kommer att omvandlas till icke el. ledande blysulfat och att kontakten genom cellväggen upp- hör. I och med att ett antal porer blir icke ledande ökar belastningen i andra porer och även om motståndet ökar kommer belastningen per por och därigenom sulfatbildningen att öka genom seriekopplingen från hela batteriet.

För att förhindra att kontakten genom väggen brytes vid mycket små porer i väggen kan man sammankoppla två väggar, en med låg porositet och hög mekanisk hållfasthet och en mellanvägg med stor porositet och därför lägre mekanisk styrka. Den làgporösa väggen kommer då att mekaniskt stöda den högporösa.

För att ”ackumulator-kondensatorn” skall fungera ska djupa ur- laddningar undvikas. Eftersom man inte kan vänta sig att användaren begränsar urladdningsdjupet måste denna begränsning byggas in i batteriets funktion. Enligt uppfinningen har detta skett genom att volymen av PAM hàlles konstant (icke tillátes att expandera) genom att hålla elektroderna under högt meka- niskt tryck, minst 1 kg/cm? men företrädesvis högre, upp till 10 kg/cmz. Expansion av de aktiva materialen blir därmed ytter- ligt liten, endast så stor som de sammanpressade separatorerna tillåter och när porerna eller poröppningarna i de aktiva skikten är fyllda med blysulfat avstannar urladdningen och någon genomgående korrosion av det ledande blyet i mellanväg- gen kan inte ske.

För att upprätthålla detta höga tryck (och dessutom högt vätske- resp. gastryck, se nedan) består batteristapelns ytterväggar av stål eller motsvarande starkt material, före- trädesvis ett stålrör. Genom det höga trycket på elektrodernas yta behöver pos. aktiva massan inte ha högre densitet än som krävs för att inte krossa PAM vid det höga mekaniska trycket. 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 12 Vid tunna skikt av PAM behöver emellertid inte porositeten vara speciell hög för god utnyttjning av PAM. Porositeten kan uttryckas som 1/D, där D är den skenbara densiteten hos PAM.

Ett vanligt värde på D kan ligga mellan 3,6 - 4,5 g/cm3. Med ”hög porositet” avses i regel densiteter inom området 3,2 - 3,8 g/cm3 och med ”låg porositet” avses D=4,2 - 4,8 g/cm3.

Genom det höga trycket under laddning och urladdning bibehål- les i huvudsak den ursprungliga densiteten hos PAM utan risk för avslamning och kortslutning. Någon verklig djupurladdning kan som ovan sagts inte göras om trycket är tillräckligt högt eftersom porerna i PAM snabbt fylles med PbSO4 och spänningen sjunker. Porositeten och porstorleken kan med känd teknik anpassas så att urladdningen stoppas efter ett givet Ah-uttag.

En mycket liten ökning av PAM:s volym kan man tillåta genom starkt sammanpressade fjädrande glasullseparatorer. Dessa 4 kan sammanpressas till mycket täta enheter om de utsättes för högt tryck. Sådana separatorer monteras i sammanpressat skick och arbetar sedan som fjädrande material och sammanpressas ytterligare vid urladdning och ger därmed ett mottryck mot PAM under den vid laddningen uppkommande volymminskningen. Detta fjädrande tryck är väsentligt för alla blybatterier för att få god livslängd och är särskilt viktigt för ”ackumulatorkondensatorer” enligt uppfinningen. Stapeln av elektroder kan anbringas i ett yttre kärl 24, som dels tar upp det nödvändiga trycket på stapeln, dels fungerar som behållare för kylmediet 23. Ändstyckena 26, som stöder hela elektroderna vid änduttagen måste ha en styvhet så anpassad att ett jämnt tryck kan upprätthàllas på hela ytan av elektroderna.

Som nämnts tidigare är en förutsättning för lång livslängd hos bipolära celler att mellanväggen inte kan böjas eller ändra form. För att få stor styvhet i konstruktionen kan elektro- derna göras små med en yta av några cm? med flata, styva ändut- 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 13 tag (ex av koppar) täckande hela ytan. Elektroderna monteras under tryck, varvid man kan helt kontrollera och behålla oförändrad form även med ledande mellanväggar under 0,5 mm.

För högre effektuttag behöver man dock betydligt större ytor upp till flera dmz. Den mekaniska påverkan på cellväggen blir stor och man kan behöva göra den ledande väggen tjockare för att motstå krafterna. Minsta rörelse eller spricka i väggen ger som tidigare nämnts risk för kortslutningar.

Ett annat sätt är naturligtvis att parallellkoppla ett stort antal bipolära batterier med liten yta. I stället för celler med en yta av kanske 700 cmz, väljer man 10 parallellkopplade cirkulära staplar med vardera en diameter av 10 cm för samma batterikapacitet.

Ovan har vid flera tillfällen nämnts att porerna i det dimen- sionsstabila materialets fyllts med bly. Härmed avses inte endast rent bly utan även blylegeringar. Även om legeringar har något lägre ledningsförmåga än bly, har man i gengäld i vissa fall större korrosionsbeständighet. För att förhindra dålig kontakt mellan PAM och blyet i mellanväggens porer eller intilliggande blyskikt, orsakad av passiverande sulfat- eller oxidskikt, kan blyet innehålla små mängder tenn eller även antimon.

Vid urladdningsströmmar anpassade till omkring en minut eller kortare urladdningstider för fullt kapacitetsuttag, utnyttjas PAM sämre om Pam-skiktet är 0,5 mm eller högre. Men vill man ha kapaciteter för längre urladdningstider ger även tjocklekar på PAM upp till 1 mm med motsvarande tjocka hoppressade sepa- ratorer, dvs mera elektrolyt, god utnyttjning. 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 14 Det bipolära batteriet enligt uppfinningen kan när dess kon- struktion anpassas till mycket höga strömstyrkor användas för t. ex. vissa tändkretsar eller som effektkällor vid fordons- drift. Turbiner och Stirlingmotorer har mycket lågt vridmoment vid start och låga varvtal och variationer i effektuttag går långsamt. Genom sammankoppling av en motor med en el. genera- tor av dessa typer kombinerad med elektriska drivmotorer kan man ta ut hög effekt vid acceleration, samtidigt som huvudpar- ten av bromsenergin kan återvinnas genom laddning av det bipo- lära batteriet (svensk patentansökan nr 8903987-Hydridfordon). Även Otto- och dieselmotorer har låga vridmoment och dålig verkningsgrad vid låga varvtal och kan kombineras med el. motorer för framdrivning och med batterier enligt uppfin- ningen. Batterier enligt uppfinningen kan också användas som startbatterier för bilar och man uppnår betydligt lägre start- batterivikter än för konventionella startbatterier. I vissa fall kan kravet på laddnings- och urladdningsströmmen vara så högt att batterier måste kompletteras med kondensatorer. Dessa parallellkopplas då med fördel med det bipolära batteriet, som genom sammanläggning av ett stort antal elektroder kan ges en valfri hög spänning (över 100V), vilket också karakteriserar en kondensator. Genom parallellkopplingen kommer kondensatorn 29 att kunna lämna en mycket kort men hög strömstyrka, varef- ter den fortsatta urladdningsströmmen levereras av batteriet 30.

Det kan också vara lämpligt att på motsvarande sätt utnyttja kombinationen bipolärt batteri 30 med monopolärt batteri 31, där således det bipolära batteriet svarar för det omedelbara höga effektbehovet och det monopolära för långtidskapaciteten, fig 9. Detta arrangemang kan vara fördelaktigt i de fall s.k. ”coup de fouet” inträffar. Monopolära blybatterier med rela- 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 15 510 ass tivt tjocka elektroder utsätts ofta vid höga strömstyrkor för en kraftig spänningssänkning under de första sekunderna upp till en halv minut av en urladdning.

Eftersom det vid dess höga strömbelastningar är nödvändigt med effektiv kylning, är som tidigare antytts de ledande mellan- väggarna sammanbyggda med metallfolier eller metallskivor, företrädesvis av förblyad kopparfolie, som sticker ut via teflontätningarna i cellens ytterkant, (periferin vid cirku- lärt tvärsnitt på den bipolära stapeln). Kopparfolien kan vikas 90 vid kanten. Kylningen sker med luft eller kylvätska 23, avjoniserat vatten eller företrädesvis en icke ledande kylvätska, som sedan utanför batteriet på känt sätt kyls medelst en värmeväxlare med vatten. Naturligtvis kan man i stället ha en liknande kylanordning vid centrum och vid större celldiametrar till och med kylning både vid periferin och centrum. När ett yttre kärl 24 kommer till användning, är detta försett med lämpliga utlopp 25 för vätskekylning.

Ett sätt att klara böjning och buktning av väggen är att icke göra cellernas yta större än t ex cirkulära celler med 100 cmz yta. Den förblyade kopparfolien kan då vid periferin böjas 90 över separatorn. Med en keramisk vägg som är 2 mm tjock, kan man utan risk ha 2,5 mm bredd pà den böjda kylfolien. Med en celldiameter av 10 cm får man en kylyta av 8 cmz eller 10% av cellytan. Vill man ytterligare öka kyleffekten kan koppar- folierna vikas tillbaka 90 och gå fram till batteriets yttre mantel 24. Kylvätskan kan då ledas in i manteln och passera runt kylflänsarna, fig 6. Storleken på de upphöjda flänsarna beror pà den kyleffekt, som önskas. Denna möjlighet att arran- gera kylytorna utanför cellen är nämnda enbart som exempel och utgör ingen begränsning av uppfinningen. Bäst är givetvis att 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 16 inte göra batteriets diameter större än att yttre kylning av ytterväggen (stålröret) är tillräcklig.

Dessa bipolära celler enligt uppfinningen görs företrädesvis helt slutna. De kan till och med göras gastäta utan ventiler.

Cellerna har god s k syrgasrekombination. Vid laddning av bly- celler börjar syrgas utvecklas vid pos. elektroden före vät- gasbildning vid negativa elektroden. Denna syrgas kan fås att oxidera NAM, som därigenom aldrig uppnår den potential, som krävs för vätgasutveckling. För att oxygenet skall kunna nå neg. elektrod brukar man i slutna celler ha separatorer icke fullt mättade med elektrolyt, som gör att oxygenet i gasform kan nå neg. elektroden. Ett annat effektivt sätt är att kraf- tigt öka oxygenets löslighet i elektrolyten genom kraftigt ökat vätsketryck till 5 - 10 atm. eller mera. Man får då god rekombination även med vätskemättade separatorer. Eftersom batteriet enligt uppfinningen kan byggas in i en stark behål- lare är det lätt att upprätthålla detta höga vätske- och gastryck.

Eftersom det vid en bipolär konstruktion med cellängder ner till några millimeter är mycket värdefullt med oxygenrekombi- nation bör man ur säkerhetssynpunkt använda såväl högt tryck som vätskeomättade separatorer, dvs ha separatorer inte helt mättade med elektrolyt. Även om man använder rent bly utan legeringstillsatser kan små mängder vätgas bildas och måste ha möjlighet att via batte- riets periferitätningar diffundera ut ur cellen. Vätgas dif- funderar snabbt genom de flesta plastmaterial och man kan för- bättra diffusionen genom att lägga in vissa partier i cellväg- garna, som är extra genomsläppliga för vätgas. 22032; 99-02-22 10 15 510 853 17 För att inte riskera dàlig syrgasrekombination genom laddning med alltför höga strömmar, särskilt när batteriet ligger nära fulladdat tillstànd med stor värmeutveckling, bör man ha spän- ningsövervakning. Denna, som kan göras automatiskt, skall för- hindra att cellspänningen överstiger t ex 2,35V eller annat lämpligt gränsvärde beroende på batteriets arbetstemperatur.

Exempel: Cellerna tätas vis periferin t ex av en teflonring 3.

Kopparfolien har en diameter, som är 5 mm större än batte- ristapelns ytterdiameter. Den böjes 90 vid periferin för att passa in i röret. Varje elektrod får på så sätt en kylfläns med en yta av ca 9 cmz eller cirka 10% av elektrodytan. Om kyl- flänsarna ligger an direkt mot batteriets ytterrör kan stapeln kylas med vatten. För att få bättre kylning med kylvätska direkt mot kylflänsarna kan ett utrymme anordnas genom uttag i teflontätningarna för strömmande, icke ledande kylvätska mel- lan batteristapeln och ytterröret. 22032; 99-02-22

Claims (12)

10 15 20 25 30 510 ass 18 Patentkrav

1. Bipolärt bly eller en blylegering innehållande batte- ri bestående av minst två cellenheter åtskilda av en elekt- riskt ledande, icke elektrolytgenomsläpplig vägg (3, 5) mellan den bipolära elektrodens positiva (2) och negativa (1) sida, k ä n n e t e c k n a t a v att sagda vägg (3) utgöres av ett dimensionsstabilt, i sig icke elektriskt ledande material (10) jämte däri anbringade elektriskt ledande strängar av bly eller en blylegering, utgörande de elektronledande förbindel- serna mellan sagda positiva och negativa sida och att sagda dimensionsstabila material (10) är ett poröst oorganiskt material, vars porer (8) är genomgående samt fyllda med bly eller en blylegering, varvid sagda cellenheter är sammanhållna under tryck.

2. Bipolärt batteri enligt.krav l, k ä n n e t e c k - n a t a v att sagda porösa material är ett keramiskt material eller glas.

3. Bipolärt batteri enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a t a v att sagda dimensionsstabila material (10) utgöres av ett oorganiskt eller organiskt material, som bringats att kemiskt stelna i nära kontakt med bly och därigenom fàtt strängar av bly.

4. Bipolärt batteri enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t a v att sagda strängar erhållits genom att smält bly eller blylegering har fyllts i ett poröst material, varefter sagda smälta bringats att stelna.

5. Bipolärt batteri enligt krav l, k ä n n e t e c k - 22032; 99-02-22 10 15 20 25 30 510 853 19 n a t a v att sagda dimensionsstabila material (10) är ett poröst material vars porer fyllts med bly eller en blylegering genom elektrolytisk utfällning pà en intill sagda vägg appli- cerad platta av bly eller blylegering, vilken därigenom för- ankrats vid sagda vägg och utgör del av denna.

6. Bipolärt batteri enligt krav 5, k ä n n e t e c k - n a t a v att sagda platta i sig själv efter formering helt eller delvis utgör det negativa eller positiva elektrodmateri- alet vid sagda vägg.

7. Bipolärt batteri enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att det dimensionsstabila mate- rialet (10) är armerat med höghållfasta fibrer, såsom t.ex. glas-, kevlar- eller bornitridfibrer.

8. Bipolärt batteri enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att porositeten i det dimensionsstabila materialet är mellan 5 och 50 % och företrädesvis mellan 5 och 25 %.

9. 0 Bipolärt batteri enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v metallskivor (22) av t.ex. för- blyad koppar med en tjocklek av 0,1 till l mm mellan eller vid de bipolära elektroderna, vilka metallskivor anbringas så att de delvis kommer att ligga utanför en stapel av cellenheter och därmed kan kylas med luft eller vätska (23).

10. Bipolärt batteri enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att cellenheterna är samman- hållna under ett tryck av 1 till 10 kP/cmz så att urladdningen avstannar när porerna eller poröppningarna i de aktiva skikten 22032; 99-02-22 510 ass 20 är fyllda med blysulfat varvid genomgående korrosion av det ledande blyet i mellanväggen inte kan ske.

11. ll. Bipolärt batteri enligt kravet 1, k ä n n e t e c k - n a t a v att det dimensionsstabila materialet omfattar ett plastmaterial.

12. Bipolärt batteri enligt kravet 11, k ä n n e t e c k- n a t a v att det dimensionsstabila materialet är armerat med höghållfasta fibrer, såsom t.ex. glas-, kevlar- eller bornitridfibrer. 22032: 99-02-22