DE10117576A1 - Elektrischer Akkumulator - Google Patents

Abstract

Bei einem elektrischen Akkumulator mit in einem Kunststoffblockkasten angeordnetem Plattenblock aus positiven und negativen Elektroden, die durch Separatoren getrennt und mit einem Schwefelsäureelektrolyten leitend verbunden sind, der durch einen Deckel abgeschlossen ist, ist zumindest die batterieinnere Oberfläche, beginnend im Bereich des Dichtsitzes der gasdicht montierten Verschlussstopfen oder der Säurezustandsindikatoren, elektrisch leitfähig oder mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen und steht elektrisch leitend mit dem Elektrolyten in Verbindung. Der leitende Teil des Verschlussstopfens kann aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehen oder im Verschlussstopfen und/oder zwischen Verschlussstopfen und Deckel sind kapillar aktive Strukturen angeordnet, die einen leitfähigen Säurefilm aufrechterhalten.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Akkumulator mit in einem Kunststoffblockkasten angeordnetem Plattenblock aus positiven und negativen Elektroden, die durch Separatoren galvanisch getrennt und mit einem Schwefelsäureelektrolyten leitend verbunden sind, abge­ schlossen durch einen Kunststoff-Deckel, der gasdicht montierte Verschlussstopfen und/oder gasdicht montierte Säurestands- oder Säuredichteanzeiger besitzt. Weiterhin betrifft die Erfin­ dung für solche Akkumulatoren geeignete Verschlussstopfen und Säurestands- oder Säure­ dichteanzeiger.

Bei der Ladung von Bleiakkumulatoren entsteht ein sehr reaktionsfreudiges Gemisch aus Was­ serstoff und Sauerstoff. Die Zündung dieses Ladegasgemisches kommt bei Starterbatterien, gemessen an der großen Verbreitung und der zunehmenden Zahl dieser sich fast ausschließ­ lich in der Kfz-Anwendung befindlichen elektrischen Speicher zwar sehr selten vor, an Methoden zur Vermeidung wird jedoch ständig gearbeitet. Durch konstruktive Verbesserungen an derartigen Akkumulatoren wurde erreicht, dass die häufigsten Ursachen der Ladegaszün­ dung mit Verletzungsfolgen, wie das Nachladen mit fahrzeugexternen Geräten (31%), das An- bzw. Abklemmen der Batteriekabel (26%), der Starthilfevorgang (19%) sowie das Nachfüllen von destilliertem Wasser nur noch ein sehr geringes Explosionsrisiko in sich bergen.

Gemeinsam ist den oben genannten Explosionsursachen jeweils eine vorangegangene Fehl­ behandlung der Batterie, die zur Bildung eines Funkens mit ausreichendem Energieinhalt (< 0,2 mJ) führt, der dann das den Akkumulator verlassende Ladegas entzündet und in die Batterie zurückschlägt. Als Öffnungen für die Rückzündung kommen in erster Linie die zwecks Entga­ sung mit einem kleinen Loch versehenen Batteriezellstopfen infrage und bei speziellen Bauar­ ten mit dichten Stopfen der durch eine Sammelleitung im Batteriedeckel verbundene gemein­ same Gasabgang mehrerer Zellen. Fortschritte konnten erzielt werden durch die Einführung von antimonfreien Bleilegierungen für die stromleitenden Strukturmaterialien in Batterien für die Anwendung in Personenkraftwagen und die damit deutlich geringer gewordene Ladegasent­ wicklung in Verbindung mit dem Einsatz von Batteriedeckeln mit einem Gassammelkanal, vor dessen Öffnung nach außen sich ein mikroporöser Formkörper (Fritte) befindet, der den Rück­ schlag einer Ladegaszündung in die Batterie unterbindet. Parallel zu dieser Entwicklung werden heute in Akkumulatoren obiger Bauart entweder gasdichte Zellstopfen eingesetzt oder aber auf Stopfen und die damit verbundene Gelegenheit des Wassernachfüllens gänzlich verzichtet, soweit die bereits erwähnten antimonfreien Bleilegierungen verwendet werden.

Somit besteht im Wesentlichen nur noch das Risiko der Ladegaszündung aus dem Inneren des Akkumulators heraus; im Allgemeinen hervorgerufen durch den Bruch stromführender Strukturmaterialien, die nicht völlig mit Batteriesäure abgedeckt sind. Aber auch hier wurden insbe­ sondere hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit und der mechanischen Festigkeitssteigerung er­ hebliche Erfolge erzielt, die durch die geringere Ladegasentwicklung und den damit im Mittel deutlich höheren Füllstand an Säure noch verstärkt werden.

Dennoch kommt es sowohl bei PKW-Batterien als auch insbesondere bei NKW-Batterien, bei deren Herstellung noch weitestgehend antimonlegiertes Blei Verwendung findet, noch verein­ zelt zu Ladegaszündungen. Als Hauptursache wird in diesen Fällen das Vorhandensein stati­ scher Elektrizität, die in sehr starkem Maße durch Reibung auf der Oberfläche der Batterie­ kunststoffgehäuse entsteht, angesehen.

Auf dem Weg zum Elektrolyten oder zum leitenden Strukturmaterial des Akkumulators über­ springt die Ladung der statischen Elektrizität Bereiche im Inneren der Batterie und führt durch Funkenbildung zur Ladegaszündung, welches insbesondere bei den oben erwähnten Sicher­ heitskonstruktionen mit einem den Ladegasabfluss allerdings behindernden Frittenkörperver­ schluss häufiger in zündfähiger Konzentration vorliegt. Zur Vermeidung des Aufbaus statischer Oberflächenelektrizität ist es bekannt, den Oberflächenwiderstand des Blockkastendeckels durch elektrisch leitende Beschichtungen oder Etiketten oder durch elektrisch leitende Oberflä­ chengravuren zu senken (EP 841146 A1, EP 887870 A2) oder einen Faradayschen Käfig durch elektrisch leitende Umhüllung der Batterie mit Erdung zur Fahrzeugmasse (Batterieminuspol) vorzusehen

Es ist auch bekannt, durch das Ausstopfen der mit Gas gefüllten Hohlräume eine starke Dämpfung möglicher Explosionen bis hin zu deren gänzlicher Unterdrückung zu bewirken. (EP 574619 A1, DE 42 32 961 A1)

Es hat sich allerdings gezeigt, dass auch durch diese bekannten Maßnahmen Zündungen der Ladegase nicht immer vermieden werden können. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Akkumulator der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem durch statische Elektrizität bedingte Zündungen im Batterieinneren weitestgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Akkumulator der eingangs genannten Gattung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung und geeignete Verschlussstopfen angegeben.

Gemäß der Erfindung soll weder die Entstehung statischer Elektrizität verhindert werden, noch sollen die Folgen einer Ladegaszündung minimiert werden, sondern es wird dafür gesorgt, dass beim Abfluss der Ladung selbst durch eine gasdicht vorschlossene Öffnung in der Batterie vom Ort des Ladungseintritts bis zum Erreichen des Elektrolytspiegels bzw. der stromleitenden Strukturen ein Überspringen im Gasraum und die damit verbundene Funkenbildung vermieden wird. Erfindungsgemäß wird somit ein kurzer, ausreichend gut leitender Weg für statische Elekt­ rizität vom Ort des Eintritts in das Batterieinnere bis hin zum Elektrolytspiegel oder zu metalli­ schen Strukturen geschaffen bzw. ein innerer Blitzableiter für statische Oberflächenelektrizität zur Vermeidung der Entstehung von Zündfunken.

Kommt es nämlich zum Aufbau statischer Elektrizität auf der Batterieoberfläche mit typischen Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt, so hat sich gezeigt, dass auch die Möglichkeit des Durchtritts dieser Ladung durch den Sitz eines gasdichten Zellstopfens zum Inneren des Akku­ mulators und damit zur Ableitung über den elektrisch leitenden Elektrolyt oder zur Fahrzeug­ masse (Erdung) mit dem Risiko der Funkenbildung besteht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Haupteintrittsöffnung der säurenasse Dichtsitz von gas- und flüssigkeitsdichten Zellverschlussstopfen ist. Neben Verschlussstopfen sind im erfindungsgemäßen Zusammenhang auch Verschlussstopfen zu verstehen, die Säure­ indikatoren enthalten (Säurestand und/oder Säuredichte), sowie Säurezustandsindikatoren, die zusätzlich zu Verschlussstopfen in Deckelöffnungen des Akkumulators eingeschraubt oder ein­ gepresst sind. Diese Verschlussstopfen und/oder Säurezustandsindikatoren werden daher er­ findungsgemäß aus ausreichend leitenden Material (≦ 1.10⁵ Ω cm) hergestellt und/oder ihre Oberfläche wird so gestaltet, dass vom Dichtsitz beginnend über die gesamte Länge des Stop­ fens hinweg eine ausreichende Säurebenetzung durch Oberflächenrauhigkeit oder kapillare Strukturen oder durch Flächen mit geringer Oberflächenspannung gewährleistet ist. Darüber hinaus besitzen diese Stopfen entweder unmittelbaren elektrischen Kontakt zur Batteriesäure oder es wird über den leitenden Kontakt mit mindestens einem anderen Bauteil im Batterieinne­ ren eine elektrisch leitende Gesamtverbindung vom möglichen Eintrittsort der statischen La­ dung zum Elektrolyten gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist zumindest die batterieinnere Oberfläche beginnend im Bereich des Dicht­ sitzes des Verschlussstopfens elektrisch leitfähig oder mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen und steht elektrisch leitend mit dem Elektrolyten in Verbindung. Der Verschlussstopfen besteht beispielsweise aus elektrisch leitendem Material und er ist auf der Fläche, die zur Bat­ terieaußenfläche gehört, isoliert.

Ein erfindungsgemäßer Stopfen kann beispielsweise aus korrosionsfestem Metall, aus leiten­ dem Kunststoff, aus Kohlenstoff (Graphit, pyrolytischer Kohlenstoff), aus mit Kohlenstoffpulver oder mit Kohlenstofffasern dotiertem Kunststoff oder aus leitfähigem Keramikmaterial bestehen.

Es kann auch ein Verschlussstopfen aus Kunststoff verwendet werden, der mit Metalldampf beschichtet, mit leitendem Kunststoff beispielsweise in Spray-Form beschichtet oder dessen Oberfläche durch Lasergravur oder Beflämmung leitfähig gemacht wurde.

Weiterhin ist es möglich, die Leitfähigkeit durch die Anordnung von Kapillaren zwischen Stopfen und Deckel, die im Betrieb des Akkumulators mit Säure gefüllt sind, herzustellen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von den Stopfen zumindest teilweise umgebenden ka­ pillar aktiven Strukturmaterialien, wie beispielsweise Vliesmaterialien, die gegebenenfalls auch eine elektrische Leitfähigkeit besitzen können, insbesondere wenn sie mit Elektrolyt durchtränkt sind.

Die elektrische Verbindung zwischen Verschlussstopfen und Säure erfolgt durch Eintauchen des Stopfenunterteils in den Elektrolyten oder über Teile des Akkumulators, die eine elektrische Verbindung zur Säure vermitteln oder über einen kapillar aktiven Docht, der die Verbindung zum Elektrolyten bewirkt.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4, die jeweils einen Schnitt durch die Stopfenöffnung eines NKW-Batterie-Deckels zeigen, näher erläutert.

Gemäß den Figuren ist in den aus Oberdeckel 1 und Unterdeckel 2 bestehenden Deckel ein Verschlussstopfen 3 mit Dichtung 4 gasdicht eingesetzt. Der in Fig. 1 dargestellte Stopfen besitzt einen in die Zelle ragenden Schwappkorb 5, der das Eintreten von Säurespritzern in das Stopfeninnere behindert. Stopfen und Schwappkorb sind aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt. Das Unterteil des Verschlussstopfens ragt in den Elektrolyten des Akkumulators, dessen Säurespiegel mit 6 bezeichnet ist. Die Kontaktierung zwischen Oberdeckel 1 und Stopfen 3 erfolgt im Bereich A, die Kontaktierung zwischen Unterdeckel 2 und Schwappkorb 5 im Bereich B.

Gemäß Fig. 2 (Fig. 2a zeigt den Verschlussstopfen von unten) ist der Verschlussstopfen mit einem Kapillarspalt 7 versehen und gemäß Fig. 3 und Fig. 3a ist in den Verschlussstopfen ein Vliesmaterial 8 eingelassen, welches kapillar aktiv ist und so den elektrischen Kontakt zwischen Elektrolyt 6 und Akkumulatorendeckel 1, 2 vermittelt. Die Kontaktierung zwischen Oberdeckel 1 und Stopfen 3 erfolgt im Bereich A, die Kontaktierung zwischen Unterdeckel 2 und Stopfen 3 im Bereich B.

In Fig. 4 ist zwischen Unterdeckel 6 und Schwappkorb 5 ein kapillar aktiver Spalt 9 vorgesehen, der sich mit Elektrolyt füllt und eine elektrische Verbindung zwischen Elektrolyt 6 und Akkumulatorendeckel 1, 2 herstellt. Die Kontaktierung zwischen Oberdeckel 1 und Stopfen 3 erfolgt im Bereich A, die Kontaktierung zwischen Unterdeckel 2 und Schwappkorb 5 im Bereich B.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Verschlussstopfen wird eine Zündung von Ladegasen verursacht durch elektrostatische Aufladung auf der Deckeloberfläche sicher und ohne hohen Aufwand vermieden.

Claims (12)

1. Elektrischer Akkumulator mit in einem Kunststoffblockkasten angeordnetem Plattenblock aus positiven und negativen Elektroden, die durch Separatoren galvanisch getrennt und mit einem Schwefelsäureelektrolyten leitend verbun­ den sind, der durch einen Deckel abgeschlossen ist, der gasdicht montierte Verschlussstopfen und/oder Säurezustandsindikatoren besitzt, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zumindest die batterieinnere Oberfläche beginnend im Be­ reich des Dichtsitzes des Verschlussstopfens oder des Säurezustandsindika­ tors elektrisch leitfähig ist oder mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist und elektrisch leitend mit dem Elektrolyten in Verbindung steht.

2. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussstopfen aus elektrisch leitendem Kunststoff besteht.

3. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehende Verschlussstopfen auf der Flä­ che, die zur Batterieaußenfläche gehört, isoliert ist.

4. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verschlussstopfen und/oder zwischen Verschlussstopfen und Deckel kapillar aktive Strukturen und/oder Flächen mit geringer Oberflächenspannung ange­ ordnet sind, die einen leitfähigen Säurefilm aufrechterhalten.

5. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Verschlussstopfens zumindest teilweise mit einem Vliesmaterial mit kapillar aktiven Eigenschaften versehen ist

6. Elektrischer Akkumulator nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil des Verschlussstopfens in den Elektroly­ ten hineinragt

7. Elektrischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Verschlussstopfen über ein dochtartiges kapillar aktives Vliesmaterial mit dem Elektrolyten elektrisch verbunden ist.

8. Verschlussstopfen oder Säurezustandsindikator zur Verwendung in einem Ak­ kumulator mit in einem Kunststoffblockkasten angeordnetem Plattenblock aus positiven und negativen Elektroden, die durch Separatoren getrennt sind und mit einem Schwefelsäureelektrolyten dadurch gekennzeichnet, dass er zumin­ dest an seiner Oberfläche elektrisch leitfähig oder mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist.

9. Verschlussstopfen oder Säurezustandsindikator nach Anspruch 8 dadurch ge­ kennzeichnet, dass er aus elektrisch leitendem Kunststoff besteht.

10. Verschlussstopfen oder Säurezustandsindikator nach Anspruch 9 dadurch ge­ kennzeichnet, dass er auf der Fläche, die zur Batterieaußenfläche gehört, iso­ liert ist.

11. Verschlussstopfen oder Säurezustandsindikator nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass er mit einer kapillar aktiven Struktur versehen ist.

12. Verschlussstopfen oder Säurezustandsindikator nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass er mit einem den elektrischen Kontakt zum Elektrolyten vermittelnden kapillar aktiven Vlies versehen ist.