DE2152619A1 - Verfahren zur Herstellung von poroesen Metallplatten - Google Patents

Description

12 kl 3 20/bü

Sherritt Gordon Mines Limited, Toronto/Kanada

Verfahren zur Herstellung von porösen Metallplatten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Metallplatten, insbesondere Elektrodenplatten, aus Metallpulver und richtet sich insbesondere auf die Herstellung poröser Nickelelektroden für elektrochemische Anlagen.

Poröse Platten für Batterieelektroden bestehen gewöhnlich aus mindestens einer porösen Metallschicht. Normalerweise liegt das poröse Metall in Form teilweise verdichteter Metallteilchen vor, da bei einigen Metallen ein Sintern solcher Teilchen zu sich selbst tragenden Platten ausführbar ist. Bei in herkömmlicher Weise gesinterten Platten ist es Jedoch in der Regel zusätzlich erforderlich, ein Trag-, gerüst oder Gitter in Form fester Metallstreifen, Stäbe oder Drähte vorzusehen, um die Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Platten zu verbessern. Ein solches Gitter trägt jedoch wesentlich zu den durch Rohmaterial und Herstellungskosten entstehenden Gesamtkosten der Platten

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bei, ohne dabei in merklicher Weise an der elektrochemischen Reaktion teilzunehmen. Zusätzlich wird dadurch die Dicke der Platten größer und auch die Flexibilität dieser Platten ist geringer als die von Platten, bei denen kein Traggitter vorhanden ist. Daraus ergibt sich, daß solche Platten sperriger sind und sich bei Anwendung in Batterien unterschiedlicher Formen weniger leicht anpassen lassen, als dies bei gitterlosen Platten möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Vorschlag zur Herstellung selbsttragender Metallplatten für elektrochemische Anlagen unter Vermeidung der vorstehenden Nachteile zu machen, und zu diesem Zweck ein Verfahren zu schaffen, das eine Massenproduktion erlaubt sowie ein rasches Anlaufen und auch schnelle Änderungen ermöglicht. Insbesondere sollen durch das Verfahren längliche Streifen selbsttragender poröser Nickelplatten hergestellt werden können. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ψ eine Schicht einer aus Metallpulver, leicht verdampfbarer Flüssigkeit und Bindemittel bestehenden Aufschlämmung auf ein flexibles Trägerelernent, das sich bei Sintertemperatur des Metallpulvers zersetzt, aufgebracht wird, dass durch Verdampfen der Flüssigkeit eine trockene Schicht aus Metallpulver und Bindemittel auf dem Trägerelement erzeugt wird, daß daraufhin längs der Schicht durch Prägung eine Anzahl von Gittermustern mit hoher Metalldichte erzeugt wird und schließlich die geprägte Schicht bei einer Temperatur gesintert wird, bei der eich Bindemittel und Träger verflüchtigen«

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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen*

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung poröser Metallplatten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Streifen von dicht nebeneinanderliegenden porösen Platten, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind»

Die Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Herstellung einer Reihe von porösen Platten gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Trägerelement 10 in Form eines langen Streifens wird von einer Trommel 11 über Walzen 12 und 1Λ abgezogen und in enge Berührung mit einem flexiblen, jedoch festen und wärmebeständigen Tragriemen 16 gebracht, der über die Walze 14 und eine weitere Walze 17 läuft. Eine mit Bezugszeichen 18 versehene Schicht einer Metallpulveraufsch^ämmung wird auf die Oberseite des Trägerelementes 10 durch eine Auftrag» vorrichtung 19 aufgebracht, die aus einem Behälter 20 für die Metallpulveraufechlämmung 21, einem Rührwerk 22 und einem Zumeßschieber 23 besteht. Der Riemen 16 ist vorzugsweise mit scharfen, nicht gezeigten Vorsprüngen versehen, die zur Befestigung des Trägerelementes 10 daran dienen,

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so daß das Trägerelement sich nicht kräuselt, wenn die Aufschi ämmungs schicht 18 beim Trocknen darauf schrumpft.

Die Aufschlämmungsschicht 18 auf dem Trägerelement 10 durchläuft einen Trockner 2k, in dem der flüssige Anteil der Aufschlämmung durch Verdampfung entfernt wird. Das Trägerelement 10 und die nunmehr trockene Schicht 18 passieren dann träge Walzen 26 und gelangen in einen Sinterofen 28, in dem das Trägerelement 10 ausgebrannt oder zersetzt wird. Schließlich wird nach dem Austritt aus dem Sinterofen 28 die nunmehr selbsttragende Schicht 20 auf eine Speicherwalze 32 aufgerollt.

Das Trägerelement 10 ist ein dünner langgestreckter flexibler Streifen aus einem Werkstoff, der mit der Aufschlämmung 21 nicht reagiert und bei der Sintertemperatur des Metallpulvere zersetzbar ist. Folien, die aus Holzpulpe im Viskose-Verfahren hergestellt sind, z.B. Cellophan, sind besonders geeignet.

Die Aufschlämmung 21 besteht aus einem Metallpulver, z.B. Nickelpulver, einer leicht flüchtigen Flüssigkeit und einem organischen Bindemittel. Die Viskosität der Aufschlämmung muß gesteuert werden, um zu gewährleisten, daß das Metallpulver in Suspension verbleibt. In den meisten Fällen ist die geeigneteste und billigste, zur Herstellung der Aufschlämmung herangezogene Flüssigkeit Wasser.

Es ist hinlänglich bekannt, daß für Batterieelektroden ge-

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eignete Platten eine hohe Porosität aufweisen sollten. Metallpulver mit unregelmäßiger Teilchenform, niedriger Schüttdichte und geringer Schrumpfung beim Sintern führt in der Regel zu hoch porös gesinterten Platten. Zahlreiche Arten von Metallpulvern, die die erwünschten Eigenschaften besitzen, sind zu diesem Zweck bekannt und im Handel erhältlich. Besonders geeignete Nickelpulver lassen sich nach dem in dem kanadischen Patent T7k O36 beschriebenen Verfahren herstellen.

Um der Aufschlämmung eine ausreichende Viskosität zu geben, ist darin eine kleine Menge einer organischen Substanz aus der Gruppe halogenierte. Gelatine, Stärke, lösliche Zellulosederivate, wie z.B. alkalische oder Ammoniumsalze der Carboxy-Methylzellulose, der Hydroxyalkylzellulosen, Hydroxyäthylzellulose und Hydroxypropylzellulose, aufgelöst. Insbesondere die Zellulosederivate, in sehr kleinen Mengen angewendet, machen die Aufschlämmung hochviskos. Zusätzlich wirken die Derivate als Bindemittel für die Aufschlämmung· Die benötigte Menge an organischem Bindemittel hängt von der jeweils verwendeten Art sowie von der gewünschten Viskosität ab. Diese Menge schwankt im allgemeinen zwischen 1 und 5 Gew.-^, bezogen auf das Gewicht der Flüssigkeit, obwohl diesbezüglich keine kritische Grenze hinsichtlich der Menge besteht. Zur Herstellung poröser Nickelplatten sollte die Viskosität der Aufschlämmung in der Größenordnung von 25 000 bis 75 cps (gemessen auf einem Brookfield Viscosometer) betragen. Eine Suspension mit einer Viskosität von unter 25 000 cps

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erlaubt keine Ausbildung eines Streifens mit der erwünschten Dicke, Porosität und homogener Dispersion der Metallteilchen, während eine Suspension mit einer über 75 0OO cps liegenden Viskosität zum Sintern nicht geeignet ist.

Die Menge an in der Aufschlämmung vorgesehenem Metallpulver hängt in großem Ausmaß von der Dichte des Pulvers ab. Jm allgemeinen sollte die Aufschlämmung etwa 25 bis etwa 75 Ί° des Gewichtes an Metallpulver enthalten. Venn der Metallpulvergehalt unter 25 $ liegt, besteht kein ausreichender Kontakt zwischen den einzelnen Teilchen, um einen selbsttragenden Metallstreifen zu bilden, während bei Vorhandensein von Metallteilchen in einer Menge von mehr als 75 % im allgemeinen nicht genügend Bindemittel zur Ausbildung des selbsttragenden Streifens aufgenommen werden kann.

Wie bereits erwähnt, läuft das Trägerelement 10, das mit der Schicht 18 beschichtet ist, über die Walze 1^ und unter der Aufschlämmungsauftragsvorrichtung 19 hindurch zum Trockner 2k. Der ZumeSSschieber 23 steuert die Dicke der Aufschlämmung und verteilt diese gleichmäßig über das Trägerelement 10. Es sei ."· darauf hingewiesen, daß die Dicke der Aufschlämmung u.a. auch durch die Geschwindigkeit verändert werden kann, mit der das Trägerelement 10 unter der Auftragsvorrichtung 19 hindurchläuft.

Der Trockner Zk verdampft den flüchtigen Flüssigkeitsanteil der Aufschlämmungsschicht 18 und bereitet diese für den

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Prägevorgang vor. Als Trockner 2k kann einer von einer ganzen Anzahl bekannter und gewöhnlich verwendeter Anlagen zur Verdampfung flüchtiger Flüssigkeiten bei relativ niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. Beispielsweise ist eine von überhitztem Dampf gespeiste Heizschlange, ein Infrarotstrahler, Heizlampen oder elektrische Heizwiderstände geeignet. Die Verwendung von Infrarotstrahlung ist vorzusehen, da sie eine gleichförmigere Trocknungswirkung entfaltet und auf wirksamere Weise die Ausbildung von Rissen in der
Aufschlämmungsschicht 18 unterbindet.

Xn der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird die Aufschlämmungsschicht 18 geprägt, wenn sie zwischen den Prägewalzen 26 hindurchläuft. Dadurch wird ein Gittermuster hoher Dichte und mit plattenförmigen! Umriß (Fig. 2) erhalten. Durch die Prägung eines Gittermusters werden die Platten verfestigt und ihre elektrische Leitfähigkeit wird verbessert. Die metallische Schicht 18 auf dem Trägerelement 10 läuft dann in den Sinterofen 28, der auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten wird, die ein Sintern der Pulverpartikel erlaubt. Diese Temperatur liegt für
Nickelpulver beispielsweise zwischen 800 und 1050 C. Die Atmosphäre in dem Ofen sollte neutral oder leicht reduzierend sein, um eine Oxidation des Metallpulvers während des Sintervorganges der Metallpulverpartikel und der Verflüchtigung des Trägerelementes 10 zu verhindern.

Die Porosität und Festigkeit der gesinterten Schicht 18 kann durch Veränderung der Slnterteraperatur variiert

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werden. Je niedriger die Temperatur liegt, desto höher wird die Porosität, jedoch um so weicher auch die metallische Schicht. Hingegen ist die Porosität um so geringer und die Festigkeit um so größer, je höher die Temperatur gehalten wird, weil die Metallteilchen intensiver zusammensintern.

Der geprägte gesinterte Streifen kann auf der Spule 32 gespeichert oder unmittelbar einer weiteren Stelle zugeführt werden, in der er einer nachfolgenden Behandlung oder der Weiterverarbeitung unterzogen wird. Er kann auch einer Schneideinrichtung zugeführt werden, die jeweils längs des geprägten Plattenumrisses eine Anzahl einzelner poröser Platten ausschneidet.

Als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise kann der Prägevorgang auf dem Streifen nach dem Sintervorgang ausgeführt werden. In diesem Fall kann dieser Vorgang gleichzeitig mit dem Ausschneiden der Platten kombiniert werden.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von porösen Metallplatten, insbesondere Elektrodenplatten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht einer aus Metallpulver, leicht verdampfbarer Flüssigkeit und Bindemittel bestehenden Aufschlämmung auf ein flexibles Trägerelement, das sich bei Sxntertemperatur des Metallpulvers zersetzt, aufgebracht wird, daß durch Verdampfen der Flüssigkeit eine trockene Schicht aus Metallpulver und Bindemittel auf dem Trägerelement erzeugt wird, daß daraufhin längs der Schicht durch Prägung eine Anzahl von Gittermustern mit hoher Metalldichte erzeugt wird und schließlich die geprägte Schicht bei einer Temperatur gesintert wird, bei der sich Bindemittel und Träger verflüchtigen.

2. Verfahren nach Anspinnt h i, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägevorgang der Schicht nach der Sinterung des Metalipulvers durchgeführt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägerelement (io) Cellophan verwendet wird.

h. Verfahren nach einem odor mehreren der Ansprüche 1 bia 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver Nickelpulver ist.

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