DE2018974C3 - Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren - Google Patents
Akkumulatorplatte für alkalische AkkumulatorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren aus einem Stapel
elektrisch miteinander verbundener, durch aktive Masse i j voneinander getrennter und gelochter Folien aus
inertem Metall.
Akkumulatorplatten aus gelochten Nickelfolien als Träger für die aktive Masse aus NiO(OH) sind bekannt.
So wird in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 19 18 273 eine Akkumulatorplatte aus einer Lochfolie
beschrieben, in deren Löchern sich die aktive Masse befindet. Des weiteren ist es aus der britischen
Patentschrift 2 14 799 bekannt, ein mit aktiver Masse versehenes, gelochtes Band aufzuwickeln oder zu falten,
um auf diese Weise eine Elektrode herzustellen, deren aktive Masse sich zwischen den einzelnen Wicklungen
oder Lagen des Bandes befindet. Da die gewickelte oder gefaltete Elektrode mit starkem Druck gepreßt wird,
gelangt die aktive Masse in die Löcher, die zudem mindestens beim Wickeln nicht miteinander fluchtend
übereinanderliegen.
Aus der französischen Patentschrift 13 45 090 ist es auch bereits bekannt, Akkumulatorplatten aus mehreren
gelochten Leiterzuschnitten herzustellen. Dabei « fluchten zwar die Löct.er der einzelnen Zuschnitte
miteinander; die aktive Masse befindet sich jedoch jeweils in einem die Löcher in den Leiterzuschnitten
überdeckenden Faservlies und gelangt je nach dem Druck beim Zusammenfügen der einzelnen Schichten
auch in die Löcher. Eine aus einem Stapel gelochter Zuschnitte bestehende Akkumulatorplatte wird auch in
der französischen Patentschrift 10 52 636 beschrieben, ohne daß über den geometrischen Aufbau dieser Platte
irgend etwas bekannt ist. Eine in der französischen hi
Patentschrift 3 59 732 beschriebene Elektrode besteht hingegen aus einem Kasten aus perforiertem und
Dlissiertem Blech. Der Kasten und damit der Raum zwischen den Löchern der einander gegenüberliegenden
Elektrodenseiten wird mit aktiver Masse gefüllt. Ähnliches gilt für eine aus der französischen Zusatzpatentschrift
13 981 zu dem französischen Patent 4 27 415
bekannten Elektrode, die aus Kostengründen aus einem mit Löchern versehenen Lochband, beispielsweise einer
Dicke von 0,05 mm besteht Der sich beim Falten ergebende Stapel wird in Richtung der Flächennormalen
zusammengepreßt, so daß die poröse Masse infolge ihrer im Vergleich zum Blech höhere Plastizität beim
Pressen zwangsläufig in die Löcher des Blechs hineingepreßt wird. Mithin sind die Löcher je nach dem
Druck und der Verformbarkeit der aktiven Masse beim Pressen des Stapels aus dem gefalteten Band mehr oder
minder gefüllt Außerdem erstrecken sich bei dieser Elektrode die Löcher parallel zur Plattenebene. Die
eigentliche Plattenfläche wird bei dieser Elektrode aus den nebeneinanderliegenden Biegekanten gebildet
Aus der britischen Patentschrift 2 97 996 ist eine Elektrode aus einem gelochten Rohr bekannt, in dem
sich abwechselnd mit aktiver Masse perforierte Scheiben befinden. Der Scheibendurchmesser ist dabei
größer als der Innendurchmesser des Rohrs, so daß sich der Scheibenrand beim Einpressen hochbiegt und sich
eine innige Berührung mit der Rohrinnenwand ergibt. Auch bei dieser Elektrode kommt es während des
Einpressens der Scheiben zu einem Eindringen der relativ plastischen aktiven Masse in die Öffnungen der
einzelnen Scheiben, so daß auch bei dieser Elektrode die Löcher wie bei allen vergleichbaren Elektroden mehr
oder minder mit aktiver Masse gefüllt sind Durchgehend offene Löcher sind lediglich bei einer in der
US-Patentschrift 32 01 279 beschriebenen Batterie aus einem Stapel mehrerer mit fluchtenden Löchern
versehener Platten wechselnder Polarität mit jeweils dazwischen befindlichen Separatoren bekannt Die
einzelnen Platten sind einschichtig bzw. homogen aufgebaut und ds her nicht mit aus Lochfolien bestehenden
Platten vergleichbar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Akkumulatorplatte zu schaffen, die sich durch einen
verbesserten Zutritt des Elektrolyten zu der aktiven Masse auszeichnet. Die Lösung dieser Aufgabe besteht
darin, daß bei einer Akkumulatorplatte der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die Folien eine Dicke
von nur 0,005 bis 0,05 mm besitzen und mit Flächenberührung so zu einer Platte gestapelt sind, daß die Löcher
miteinander fluchten und kontinuierliche Durchlässe durch die Platte bilden. Auf diese Weise ergibt sich eine
Stapelelektrode mit extrem niedrigem innerem Widerstand, hervorragender Zugänglichkeit des Elektrolyten
zu der aktiven Masse zwischen den einzelnen Folien bzw. Schichten sowie höherer Kapazität und längerer
Entladezeit. Bedingt ist dies durch die von Plattenseite zu Plattenseite durchgehenden, in Richtung des
Stromflusses verlaufenden Durchlässe, die die zwischen den einzelnen Folien befindliche aktive Masse in ihrer
Gesamtheit zugänglich machen. Hinzu kommt daß sich bei der erfindungsgemäßen Akkumulatorplatte die
Gesamtfläche der einzelnen durchgehenden Durchlässe je Flächeneinheit im Hinblick auf den vorgesehenen
Verwendungszweck, d. h. im Hinblick auf die gewünschte Leistung und Energiedichte optimal einstellen läßt.
Um auf einfache Weise sicherzustellen, daß die Löcher in den Folienstapeln miteinander fluchten,
können in jeder FoIw zusätzliche Löcher vorgesehen werden, die gleichfalls miteinander fluchten und zur
Aufnahme zentrierender Zapfen dienen. Bestehen diese
Zapfen aus Metall, so bilden sie elektrische Verbindungen zwischen den Folien des Stapels. Ein anderer Weg
zur Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen allen Folien eines Stapels besteht darin, eine Schweißung an einer oder mehreren Kanten vorzusehen.
Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil bei alkalischen Batterien anwendbar. Sowohl die positiven
als auch die negativen Platten der meisten Formen alkalischer Batterien sehen als Träger einen solchen aus
Nickel vor. Dementsprechend bestehen die Platten zur Verwendung in derartigen Batterien, wenn sie der
Erfindung entsprechen, aus Nickelfolie. Allgemein gesprochen kann jedoch die Folie aus jedem geeigneten
inerten Metall bestehen, auf dem die aktive Masse geformt oder auf das sie niedergeschlagen werden kann.
Nickelfolie mit Löchern darin kann mit Vorteil galvanoplastisch hergestellt werden, ein wohlbekanntes
Verfahren, das beispielsweise in einer Arbeit beschrieben ist, die unter dem Titel »Electroforming of Nickel
Screens« von J. van der Waals gelegentlich eines
Symposiums veröffentlicht worden ist, das am 10. Oktober 1963 unter dem allgemeinen Thema »Nickel
Deposition in the. Engineering Industries« abgehalten worden ist
Die Folie kann außerordentlich dünn sein. Im Falle
von Nickel verdienen Folien einer Dicke von 0,005 bis 0,5 mm den Vorzug, und zwar insbesondere solche, die
nahe der unteren Grenze dieses Bereiches liegen. Was die aktive Masse betrifft, die auf einer Folie dieser Dicke
erzeugt wird, so hat sie normalerweise eine Dicke zwischen 0,005 und 0,09 mm. Die aktive Masse kann sich
auf einer oder auf beiden Seiten jeder Folie befinden. Vorzugsweise wird sie jedoch auf beiden Seiten jeder
Folie gebildet oder aufgebracht, worauf eine hinreichende Anzahl von Folien mit Flächenberührung gestapelt
wird, um eine fertige Platte von etwa 1 mm Dicke zu bilden. Die Dicke kann von diesem Wert nach unten
oder oben abweichen. Dies hängt von dem Zweck ab, für den die Batterie bestimmt ist. Hohe Entladungsgeschwindigkeiten erfordern relativ dünne Platten. Dicke-
re Platten sind in bezug auf die Trennstücke (Separatoren) billiger, die natürlich in jedem Falle
vorgesehen werden, um die Platten entgegengesetzter Polarität außer Berührung miteinander zu halten.
Der Anteil der gesamten Fläche jeder Folie, der von den Löchern in Anspruch genommen wird, braucht nicht
groß zu sein. Dies ist von Vorteil, da natürlich in diesem Anteil der Fläche keine aktive Masse vorhanden sein
kann. Der Anteil kann 50% oder mehr betragen, beträgt
aber vorzugsweise 5 bis 15%. Für optimale Ergebnisse sollte der Anteil der Fläche, der von den Löchern in
Anspruch genommen wird, in geeigneter Weise in Beziehung zur Plattendicke gesetzt werden, und zwar
derart daß je dicker die Platte ist, auch die gesamte von den Löchern in Anspruch genommene Fläche größer
gewählt wird, um sicherzustellen, daß der innere Widerstand nicht zu hoch wird. Es ist wünschenswert,
daß die Löcher selbst so klein wie möglich gemacht werden, aber natürlich so, daß man immer noch fähig ist,
die Löcher miteinander in Flucht zu bringen, wenn die to Folien gestapelt werden. Somit kann die Anzahl der
Löcher pro Flächeneinheit so groß gemacht werden, wie die Grenze, die in bezug auf die gesamte Lochfläche
gezogen ist, erlaubt. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen benachbarten Löchern so klein wie möglich, t,·;
Im allgemeinen können die Löcher eine Querschnittsfläehe von 0,01 bis 1 mm2 erhalten, und es sollten
mindestens vier, vorzugsweise jedoch mehr Löcher pro
cm2 vorgesehen werden.
Die Löcher sind mit Vorteil kreisnind, und die Abstände zwischen dem Mittelpunkt jedes Loches und
den Mittelpunkten aller benachbarter Löcher ist vorzugsweise der gleiche. Die Löcher können jedoch
auch länglich gestaltet werden. In diesem Falle wird der gesamte Lochumfang für eine gegebene Gesamtlochfläche vergrößert
Die Trennstücke (Separatoren) müssen natürlich in der Lage sein, in dem Elektrolyten anwesende Ionen
durchzulassen. In einer bevorzugten Ausführungsform von erfindiragsgemä3 gestalteten Batterien sind die
Trennstücke mit Löchern ähnlich denen versehen, die in den Platten vorhanden sind, und sie werden so montiert,
daß die Durchlässe durch die Platten und die Löcher in den Trennstücken miteinander fluchten, um eine
schnelle Bewegung der Ionen im Elektrolyten zu erleichtern.
Beispielsweise wurden zwei Platten A und B hergestellt und zwar beide 25,4 mm im Quadrat und
0,178 mm dick. Sie wurden aus 10 Nickelfolien einer Dicke von 0,005 mm gebildet, die galvanoplastisch
erzeugt waren und auf jeder Seite eine aktive Masse von 0,007 mm trugen. Bei der Platte A hatte die Nickelfolie
11 Löcher pro cm2, bei der Platte β dagegen 174 Löcher
pro cm2. Bei der Platte A betrug der Radius der Löcher 0,526 mm und der Abstand zwischen den Mittelpunkten
benachbarter Löcher 3,22 mm. Die entsprechenden Werte bei der Platte B waren 0,121 mm und 0,79 mm.
Der maximale innere Widerstand nach vollständiger Entladung betrug bei Platte A 0,984 Ohm und bei Platte
B 0,105 Ohm.
Die Platten wurden mehrere Male in einer Kaliumhydroxidlösung geladen und entladen, und ihre Kapazitäten bei verschiedenen Entladungsgeschwindigkeiten
wurden bestimmt, nachdem die Platte auf 0 Volt gegenüber einer genormten Hg/HgO-Elektrode gesunken war. Die erhaltenen Werte sind in der folgenden
Tafel angegeben.
Tafel 1
Platte Entlaaungsgeschwindigkeit
Entladungszeit
(see)
Kapazität (mAh)
130
1300
117
1170
382
12,8
420
30,8
13,8
4,6
13,7
10,0
Die Überlegenheit der Platte B bei der größeren Entladungsgeschwindigkeit ist deutlich erkennbar und
macht die Wirkung des niedrigeren inneren Widerstandes der Platte B zufolge des engen Lochabstandes
deutlich.
Die gesamte Energie, die eine Batterieplatte speichern kann, hängt von der Menge der aktiven Masse ab.
Die praktisch erzielbare Energie, gemessen in mAh pro cm2, hängt natürlich ebenfalls von der Menge an aktiver
Masse ab, die dem Strom leichten Zutritt gewährt, und man sollte glauben, daß beim Stapeln von beispielsweise
10 Folien in flächenhafter Berührung die praktisch erzielbare Kapazität wesentlich kleiner ist als der
zehnfache Wert der Kapazität einer einzigen Folie. Höchst überraschenderweise ist dies bei Anwendung
der Erfindung nicht der Fall, wie anhand eines weiteren Beispiels nachstehend gezeigt wird.
In diesem Beispiel wurden zwei Platten aus quadratischen Nickelfolien hergestellt, und zwar mit
einer Kantenlänge von 50 mm und einer Dicke von 0,0064 mm. Jede Folie hatte Löcher von der gleichen
Größe und Form wie Platte A und trug aktive Masse auf jeder Seite von je 0,04 mm Dicke. Die erste dieser
beiden Platten, hier als Platte Cbozeichnet, bestand aus
Tafel 2
10 derartigen Folien, die /weite Platte, hier als Platte D
bezeichnet, aus einer einzigen Folie. Diese Platten wurden wie im ersten Beispiel in einer Kaliumhydroxidlösung
geladen und entladen und ihre Kapazitäten bei verschiedenen Entladungsgeschwindigkeiten bestimmt.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tafel 2 angegeben.
Platte
Folienzahl | Entladungsgeschwindigkeit | mA/cm2 |
mA | 0,21 | |
10 | 106 | 1,63 |
816 | 0,20 | |
1 | 10,1 | 1.68 |
84 |
Entladczeit
in Stunden
Kapazität mAh
mAh/cni2
4,27
0,455
0,455
4,66
0,50
0,50
452
371
47,1
41,8
41,8
0,904 0,742
0,943 0,836
Hieraus ist ersichtlich, daß die aus 10 Schichten bestehende Platte, also Platte C (0,904 mAh/cm2), nahe dem idealen
Wert liegt, der mit einer einschichtigen Platte, also einer einzigen Folie erzielt wurde, nämlich 0,943 mAh/cm2.
Claims (6)
1. Akkumulatorplatte für alkalische Akkumulatoren aus einem Stapel elektrisch miteinander
verbundener, durch aktive Masse voneinander getrennter und gelochter folien aus inertem Metall,
dadurch gekennzeichnet, daß die Folien eine Dicke von 0,005 bis 0,05 mm besitzen und mit
Flächenberührung so zu einer Platte gestapelt sind, iu
daß die Löcher miteinander fluchten und kontinuierliche Durchlässe durch die Platte bilden.
2. Akkumulatorplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch miteinander fluchtende Löcher zur Aufnahme von Zentrierzapfen. 1ö
3. Akkumulatorplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus Nickel
bestehen.
4. Akkumulatorplatte nach den Ansprüchen 1 bis
3, gekennzeichnet durch einen Lochflächenanteil von 5 bis 15%.
5. Akkumulatorplatte nach den Ansprüchen 1 bis
4, gekennzeichnet durch kreisrunde Löcher und einen gleichmäßigen Lochabstand.
6. Verwendung einer Akkumulatorplatte nach den 2~>
Ansprüchen 1 bis 5 in einem alkalischen Akkumulator zusammen mit gelochten Separatoren, deren
Locher mit den Plattendurchlässen fluchten.
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