DE2152619A1 - Verfahren zur Herstellung von poroesen Metallplatten - Google Patents
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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.
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.
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)
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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