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Elektrodenpaar für galvanische Elemente Die Erfindung betrifft die
geometrische Form von Elektroden für galvanische Elemente, insbesondere für Akkumulatoren,
Primärelemente und Brennstoffzellen; In jedem galvanischen Element wird mindestens
ein Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden benötigt, an deren Oberfläche und gegebenenfalls
auch in deren Innern sich die sogenannte aktive Masse mit dem Elektrolyten unter
Abgabe bzw. Verzehr elektrischer Energie umsetzt.
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Die elektrische Belastbarkeit und die Größe des inneren Widerstandes
Ri eines galvanischen Elements sind, außer von der Leitfähigkeit des Elektrolyten,
in hohem Maße abhängig von dem Abstand d und von der Oberfläche F der einander zugekehrten
Elektrodenflächen entgegengesetzter Polarität. Zwischen diesen Größen besteht folgende
Bezieheng:
ist hierin der spezifische Widerstand des Elektrolyten zwischen
zwei entgegengesetzt gepolten Elektroden gegebeher Zusammensetzung. Diese Größe
enthält für die vorliegende Betrachtung auch die spezifischen Übergangswiderstände
zwischen der festen Phase der Elektroden und dem Elektrolyten.
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Aus der, vorstehenden Beziehung ist ersichtlich, daß eine Verkleinerung
des Elektrodenabstünds zu einer Erniedrigung des inneren Widerstandes führt. Diese
Erkenntnis wird insbesondere in Akkumulatoren genutzt, deren Elektroden nur durch
einen dünnen Separator voneinander getrennt sind. Eine Vergößerung der elektrisch
wirksamen Oberfläche F wurde bereits durch die sogenannten Sintergerüst-Elektroden
erzielt. Infolge Ausbildung einer großen inneren Oberfläche haben Akkumulatoren
mit Sintergeräst-Elektroden leinen kleineren Innenwiderstand und sind mit höheren
Stromstärken belastbar als solche der älteren Bauart mit Taschen- oder Röhrchen-Elektroden.
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Die'vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Oberfläche
der Elektroden noch weiter zu vergrößern, um den inneren Widerstand solcher galvanischer
Elemente zu verringern und ihre Belastbarkeit zu erhöhen.
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, daB die Elektroden zur Erreichung einer möglichst großen
geometrischen Oberfläche-bei möglichst kleinem Abstand voneinander mit einer solchen
Struktur ausgebildet sind, daß sich die eine Elektrode als geometrischer Ergänzungskörper
in die entgegengesetzt gepolte Elektrode einfügt und daß der verbleibende Abstand
zwischen beiden Elektroden mindestens teilweise zur Aufnahme des Elektrolyten bzw.
eines elektrolytgetränkten Separators dient.
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Die eine Elektrode soll in ihrer Profil-Struktur auf die .Struktur
der entgegengesetzt gepolten Elektrode derart abgestimmt sein, daß beide Elektroden,
ähnlich wie ein Schlüssel in das dazugehörige Schlüsselloch, mit einem Spiel: ineinandergesetzt
werden können.
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Außer der angestrebten Oberflächen-Vergrößerung ist hierdurch eine
zuverlässige örtliche Fixierung beider Elektroden erreicht bei annähernd gleichem
Abstand der beiden Elektroden voneinander an allen elektrisch wirksamen Stellen.
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Der Zwischenraum zwischen den entgegengesetzt gepolten -Elektroden
kann mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten oder mit einem elektrolytgetränkten
Separator ausgefüllt sein. Je kleiner der Abstand zwischen den Elektroden ist, desto
kleiner wird der innere Widerstand des galvanischen Elements.
Wenn
der Zwischenraum zwischen beiden Elektroden nicht vollständig mit Elektrolyt ausgefüllt
ist, können sich . die insbesondere beim Überladen und Umpolen eines Akkumulators
entstehenden Gase sehr leicht an der benachbarten Oberfläche der entgegengesetzt
gepolten Elektrode umsetzen und sich dabei in ihre flüssigen oder festen Ausgangsstoffe
zurückverwandeln. Das gleiche gilt für einen Separator, der gasdurchlässige Öffnungen
oder Poren besitzt.
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Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele .möglicher Elektrodenstrukturen.
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Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Elektrodenpaar im Schnitt ohne nennenswertes
Profil, wobei in bekannter Weise die positive Elektrode 1 der negativen Elektrode
2 bei annähernd gleicher Oberfläche planparallel gegenübersteht. Der Zwischenraum
3 ist mit Elektrolyt oder mit einem elektrolytgetränkten Separator ausgefüllt. 4
und 5 sind die Stromzuführungen bzw. Stromableitungen des galvanisehen Elements,
dessen Gehäuse nicht eingezeichnet ist. Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine der
einander gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen; sie: läi3t nur eine glatte Fläche
erkennen, ohne jede nennenswerte-geometrische Struktur,
Vertiefung.oder
Erhöhung. Die bekannten Elektroden, in Akkumulatoren insbesondere von Taschen-,
Röhrchen- oder Sintertyp, entsprechen zumindest annähernd diesem Schema: Zum Beispiel
ergeben planparallel aneinandergereihte und mit aktiver Masse gefüllte Metallröhrchen
keine Elektroden gemäß vorliegender Erfindung.
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In Fig. -zeigt das Elektrodenpaar im Schnitt eine ineinander verzahnte
Struktur gemäß vorliegender Erfindung; die dazugehörige Fib. _4 gibt in Aufsicht
eine. der einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen wieder, die Eine kasterstruktur
mit gleichförmigen quadratischen Vertiefungen und Erhöhungen aufweist.
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Bei gleichen äußeren Abmessungen des Elektrodenpaketes ist `die einander
zugekehrte Oberfläche des Elektrodenpaares in diesem Falle annähernd doppelt so
groß wie in Fig. 1 und 2.
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Mit dieser Formgebung ist der innere Widerstand eines galvL@nischen
Elements zumindestcns. annähernd auf die Hälfte zu senken.
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In Fig. 5 und Er ist ein analoges Elektrodenpaar mit größerer räumlicher-Tiefe
dargestellt, worin die Erhöhungen
und Vertiefungen eine erheblich
größere Länge u.uiweisen. Mit einer solchen Elek-trodenanordnung läßt sich der innere
Widerstand eines galvanischen Elementes auf weniger als i/20 seines Wertes gegenüber
einer Elektrodenanordnung nach Fig. i und 2 senken, da sich die wirksame Elektrodenoberfläche
gegenüber einem ebenen Elektrodenpaar auf mehr als das 20-fache erhöht.
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Bei dieser Lösung ist insbesondere die Tatsache interessant, daß auch
ein Elektrodenpaar mit großer. räumlicher Tiefe - in Beispiel Fig. 5 und 6 würde
es einen Würfel bilden - durch die@innige Verzahnung in seiner ganzen räumlichen:Tiefe
elektrochemisch wirksam'aufgeschlossen wird.
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Bei einem ebenen Plattenpaar gleicher äußerer Abmessungen würde sich
nur die in einer Randzone von höchstens einigen Zentimetern Tiefe einander gegenüberliegende
aktive Masse elektrochemisch leicht-umsetzen lassen, während die aktive Masse in
der Mitte nd im äußeren Teil des Elektrodengerüsts nur unvollständig reagiert.
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Zugleich ist zwischen zwei tief ineinander verzahnten
Platten
eine entsprechend größere Blektrolytmenge unter-zubringen als zwischen zwei entsprechenden
ebenen platten
r ..
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ohne Profil.
In Fig.. 7 ist eine ähnliche Elektrode
mit entgegengesetzt gepoltem Ergänzungskörper dargestellt, worin die Erhöhungen
und Vertiefungen den Querschnitt eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.
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Die Elektroden nach Fig: 3 bis 7 weisen den Vorteil auf, daß sie sich
beißinnigster Verzahnung ohne Ausbildung unerwünschter Hohlräume ineinanderfügen
und so zu einem Minimum des inneren Widerstands führen. In der beschriebenen Weise
lassen sich insbesondere Profil-Strukturelemente mit niedriger geometrischer Symmetrie,
z. B. mit dreieckigem, viereckigem, sechseckigem Querschnitt annähernd lückenlos
ineinanderfügen; In anderen Fällen kann die Bildung kleiner Hohlräume zwischen den
Elektroden erwünscht sein. Werden die Profil-Strukturelemente beider Elektroden
beispielsweise kreisrund, elliptisch oder mit höherer Symmetrie ausgebildet, so
ergeben sich zwischen ihnen kleine, regelmäßige Hohlräume, die für eine innere Elektrolytanreicherung
vorteilhaft sind. 3n diesem Falle, wenn beide Elektroden sieh nur annähernd wie
Körper und Ergänzungskörper zueinander verhalten, vergrößert das galvanische Element
in geringem Maße seinen inneren Widerstand, aber es wird zugleich unempfindlicher
gegen eine Eintrocknung oder Zersetzung seines Elektrolyten, da die Hohlräume zwischen
dem
Elektrodenpaar eine mehr oder weniger große Elektrolytreserve.
enthalten.
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Für die Herstellung solcher profilierter Elektroden können verschiedene
Verfahren angewendet werden.
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A .
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Beispielsweise läßt sich ein Paar ebener kompakter Sinterelektroden
nach Fig. i und 2 durch Ausfräsen in eine Form nach Fig. 3 bis 7 überführen.
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Eine der Fig. 3 ähnliche Profil-Struktur läßt sich auch unmittelbar
durch Sintern eines entsprechend geformten Presskörpers, beispielsweise aus feinem
Nickelpulver mit einem Bindemittelzusatz, herstellen.
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Im Falle schwierigerer Profil-Strukturen und tieferer _. Verzahnungen
ist es zweckmäßig, die einzelnen Profil-Strukturelemente für sich zu sintern, mit
aktiver Masse zu füllen und dann in ebene Sinterplatten, die passende Aussparungen
aufweisen, einzusetzen und festhaftend, z. B. durch Schweißen, Stauchen, Verschrauben
o. ä. darin zu verankern, so daß eine den Fig. 3 bis 7 ähnliche Elektrodenstruktur
zustande kommt.
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Die profilierten Elektroden können, auch als Hohlkörper aus dünnem,
perforiertem Blech ausgebildet sein, z. B. Nickelblech, das durch Tiefziehen, Strangfließprensen
oder ähnliche Fertigungsschritte..die gewünschte Form
erhält und
danach mit aktiver Masse gefüllt wird. Ebenso Können perforierte-, mit aktiver Masse
gefüllte Metallröhren des gewünschten Querschnitte .n entsprechende Aussparungen
einer ebenen, hohlen und gleichfalls mit aktiver Masse gefüllten Platte eingesetzt
werden, um ein Elektrodenprofil-in dem vorgeschlagenen Sinne zu erhalten.
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Wenn zwischen dem Körper der einen Elektrode und dem Ergänzungskörper
der entgegengesetzt gepolten Elektrode ein hinreichend großer Abstand besteht, beispielsweise
von mehr als cä: 1 mm, so kann der Zwischenraum vollständig mit Elektrolyt gefüllt-werden.
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Bei: kleinerem Abständen ist die Einfügung eines elektrolytgetränkten
Separators zweckmäßig, um Kurzschlüsse zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden
zu verhindern..
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Der Separater kann dabei als Einheit dem Elektrodenprofil angepaßt
sein. Er kann aber auch aus mehreren Teilen in ein-'fescher Weise zusammengesetzt
werden: Z. B. lässt sich ein ebenes, den Hoden der Vertiefungen annähernd vollständig
ausfüllendes Gitter oder Netz mit Röhrchen kombinieren,. die jede einzelne Vertiefung
oder Erhöhung als möglichst eng anliegönder äußerer bzw: innerer Mantel umgeben.