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Bleiakkumulator Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Batterien
und insbesondere auf Bleiakkumulatoren.
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Die Bleiakkumulatortechnologie ist durchaus etabliert und die derzeitige
Akkumulatortechnologie scheint ihr Entwicklungsplateau erreicht zu haben. Die herkömmlichen
Bleiakkumulatoren werden durch eine Serie von Zellen mit Jeweils negativer und positiver
Elektrode gebildet. Die Elektroden werden aus Blei geformt und Serien von Platten
sind abwechselnd in den Zellen angeordnet und jeweils von den benachbarten Platten
durch Separatoren getrennt. Die Platten haben auf ihren Oberflächen eine negative
oder positive Paste oder Masse, welche die aktive Komponente der Zelle bzw. des
Akkumulators bildet. Da die Paste oder Masse nur schlecht an den Bleiplatten
haftet,
wird sie normalerweise in den Zwischenräumen eines Bleigitters gehalten, was bedeutet,
daß eine große Plattenfläche notwendig ist, um eine vernünftige Kapazität oder Lebensdauer
der Zelle in Amperestunden zu erhalten.
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Durch die Ladungs- und Entladungszyklen besteht eine Tendenz zur Schwächung
der Haftung der Masse oder Paste an der Platte, so daß etwas Masse von der Platte
zum Boden des Akkumulators herabfällt. Um zu verhindern, daß sich das von den Platten
herabfallende Material im Boden des Akkumulators derart ansammelt, daß die Platten
berührt und die Zellen kurzgeschlossen werden, wird am Boden der Zellen ein ~Schacht"
oder Auffangraum vorgesehen.
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Blei wird üblicherweise wegen seiner recht guten Korrosionsresistenz
gegenüber dem Elektrolyten verwendet, jedoch hat es den Hauptnachteil, sehr schwer
zu sein. Blei ist auch mechanisch schwach und die Ausbildung von bipolaren Zellen
mit Bleielektroden hat sich als nicht praktikabel erwiesen. Bei einer bipolaren
Zelle bildet eine einzelne Elektrode die Wand zwischen benachbarten Zellen, wobei
eine Fläche der Wand als negative Elektrode für die eine Zelle und die andere Fläche
als positive Elektrode für die andere Zelle dient. Eine solche Anordnung führt zu
einer Verringerund des Gewichts, da die Zellwände entfallen, zu einer Abnahme des
Volumens wegen der fehlenden Zellwände und zu einer verbesserten elektrischen Wirksamkeit
durch Abgleichung des Potentials über.die Oberfläche der Elektroden und Ver-
.kürzung
der elektrischen Verbindungswege von einer. Zelle zur nächsten.
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In der US-PS 3 795 543 wird ein Blei sammler beschrieben, der vom
bipolaren Typ sein soll. Tatsächlich handelt es sich jedoch um "monopolare Batterien",
da wirklich bipolare Anordnungen eine einzelne Elektrode haben, die auf einer Seite
positiv und auf der anderen negativ ist. Bei der genannten US-PS sind die Elektroden
tatsächlich nur positive oder nur negative Elektroden, obgleich sie sehr eng beieinander
sind. Die vorliegende Erfindung betrifft nun Bleiakkumulatoren vom wirklich bipolaren
Typ, bei dem die Elektroden zwischen den Zellen auf einer Seite negativ und auf
der anderen Seite positiv sind.
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Der erfindungsgemäße Bleiakku#mulator umfaßt zumindest zwei Zellen
mit einem Schwefelsäure-Elektrolyten und einer bipolaren Elektrode, die eine elektrisch
leitende undurchlässige Metallplatte umfaßt, die auf einer Seite eine erste Fläche
von Titan oder einer Titanlegierung und auf der anderen Seite eine zweite Fläche
von Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besitzt, wobei die Platte eine Trennwand
zwischen zwei benachbarten Zellen, die erste Fläche eine StUtzstruktur-fUr die aktive
Bleidioxid-Masse der positiven Elektrode der einen Zelle und die zweite Fläche die
Stütz struktur für die aktive Blei-Masse der negativen Elektrode der benachbarten
Zelle bilden.
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Die erste Fläche kann mit der zweiten Fläche direkt verbunden sein
beispielsweise durch eine metallurgische Verbindung, die vorzugsweise durch Warmwalzen
oder Explosionsplattieren erzeugt wird. Alternativ kann zwischen den beiden Flächen
ein weiteres Metall vorhanden sein. Vorzugsweise hat das weitere Metall eine höhere
elektrische Leitfähigkeit als das Titan bzw. die Titanlegierung oder das Zirkonium
bzw. die Zirkoniumlegierung. Das weitere Metall kann aus der Gruppe Kupfer, Aluminium
und Eisen ausgewählt sein.
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Zwischen der ersten Fläche und der aktiven Bleidioxid-Masse kann
eine Bleischicht vorgesehen sein. Zwischen der zweiten Fläche und der aktiven Blei-Masse
kann ebenfalls eine Bleischicht vorgesehen. sein. Es kann auf den ersten und zweiten
Flächen. eine perforierte oder vielporige Struktur zur Zurückhaltung von Blei-bzw.
Bleidioxid-Masse vorhanden sein. Die perforierte Struktur kann in Form von Draht
mit einer äußeren Oberfläche aus demselben Metall wie die Fläche, an der sie fixiert
ist,vorgesehen und mit der Fläche beispielsweise durch Punktschweißen fest verbunden
sein.
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Die aktive Blei-Masse kann mechanisch durch Vorspannmittel gegenüber
der zweiten Fläche vorgespannt sein und die aktive Bleidioxid-Masse kann gleichfalls
gegenüber der
ersten Fläche durch Vorspannmittel vorgespannt sein.
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Zwischen dem positiven Bleidioxid und den Vorspannmitteln kann ein
Separator existieren und zwischen dem negativen Blei und den Vorspannmitteln kann
ebenfalls ein Separator vorgesehen sein. Die Vorspannmittel können federnde Vorspannmittel
sein. Diese können sowohl die negative als auch die positive aktive Masse einspannen.
Die federnden Vorspannmittel können durch einen offenzelligen Schaum oder eine Faserstruktur
mit offenem Netzwerk gebildet werden.
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Die Faserstruktur kann in sich gebunden sein. Die Vorspannmittel können
aus Polypropylen, Polyvinylchlorid oder einem Polyester gebildet werden.
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Es kann eine äußere säurezurückhaltende Wand bei jeder Zelle vorgesehen
sein, die an jedem Ende durch eine bipolare Elektrode oder bei der abschließenden
oder End-Zelle einer Mehrzahl von Zellen durch eine negative bzw. positive Elektrode
abgeschlossen wird.
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Die Elektrodenflächen können flach bzw. eben sein und das Fasermaterial
kann durch nverschmolzene Fasern gebildet werden, wie nachfolgend angegeben ist.
Das Fasermaterial kann einen zusammenhängenden Block bilden.
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Die erste und zweite Fläche können innig mit Blei abgedeckt und dann
mit positiver bzw. negativer Masse oder Paste ausgekleidet sein.
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Gemäß der Erfindung wird ferner ein Bleiakkumulator vorgesehentder
zumindest zwei Zellen aufweist, die einen Schwefelsäure-Elektrolyten enthalten und
zwischen denen eine bipolare Elektrode vorgesehen ist, die eine positive Elektrode
für eine Zelle auf einer Seite und eine negative Elektrode für die zweite Zelle
auf der anderen Seite bildet, wobei die positive Elektrode eine positive aktive
Bleidioxid-Masse auf einer Bleiunterlage und die negative Elektrode eine negative
aktive Blei-Masse auf einer Bleiunterlage aufweisen; ferner sind ein wirksamer Separator
zumindest gegenüber der positiven aktiven Masse und Vorspannmittel zur (mechanischen)
Vorspannung der positiven aktiven Masse gegenüber der positiven Elektrode und zur
Vorspannung der negativen aktiven Masse gegenüber der negativen Elektrode vorgesehen.
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Zwischen dem Separator und der aktiven Masse kann ein offenzelliger
Abstandshalter vorhanden sein, um bei Betrieb das Entweichen von Gasen von der aktiven
Masse während des Ladens zu unterstützen. Die negative Elektrode kann eine Zirkoniumschicht
unter dem Blei und die positive Elektrode eine Titanschicht unter dem Blei aufweisen.
Alternativ könen sowohl die negative als auch die positive Elektrode eine Zirkoniumschicht
unter dem Blei haben. Zwischen den negativen und positiven Zirkonium- und/oder Titanschichten
kann ein Metallkern bestehen. Die Batterie bzw. der Akkumulator kann einen Stapel
bzw. Zusammenschluß von einer Mehrzahl
von Zellen aufweisen, wobei
die Elektrode zwischen je einem aneinandergrenzenden Paar von Zellen eine bipolare
Elektrode ist und an jedem Ende des Stapels eine monopolare negative bzw. positive
Elektrode vorgesehen ist.
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Die Separatoren sind mikroporöse Schichten, welche die Bildung von
"Geäst" oder Dendriten hintanhalten, die dazu neigen, aus der negativen aktiven
Masseschicht unter Kurzschluß der Zellen herauszuwachsen. Separatoren verhindern
auch ein Abfallen von Anteilen der positiven Bleidioxid-Schichten. Mikroporöse Separatoren
sind dem Fachmann natürlich bekannt.
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Die zu verwendenden Massen oder Pasten mögen geschützt oder konventionelle
Massen sein, die grundsätzlich aus einer Mischung von PbO, Pb304, H2SO4, Pb für
die positive Masse und unter Zusatz eines geeigneten Streckmittels wie Lampenruß
usw. fUr die negativen Massen gebildet werden. Die Art der speziell benutzten Masse
ist für die Erfindung nicht wesentlich.
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Die Angabe, daß das Fasermaterial durch verschmolzene Fasern" gebildet
wird, soll bedeuten, daß die Fasern einen höher schmelzenden oder erweichenden Kern
und eine niedriger schmelzende oder erweichende Hülle besitzen. Diese Fasern werden
durch herkömmliche Mittel zu einer Matte geformt und dann auf eine Temperatur erwärmt,
bei der die Hülle zur Verbindung von sich berührenden Fasern klebrig wird, jedoch
der
Kern noch nicht geschmolzen ist. Nach dem Abkühlen erhält man
ein gebundenes Fasermaterial. Solche Strukturen sind von der Fibres Division von
Imperial Chemical Industries Limited, Harrogate, Yorkshire, England erhältlich.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die angefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen schematisch: Fig. 1 einen
Schnitt durch einen zweizelligen Bleiakkumulator; Fig. 2 einen Schnitt durch eine
zweite Form von Bleiakkumulator (teilweise aufgebrochen) Fig. 3 einen Schnitt durch
eine alternative Form von Gehäuseabschluß und Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere
alternative Form von Gehäuseversiegelung.
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Der in Fig. 1 gezeigte Akkumulator hat einen Behälter 101 aus Kunststoff
oder Gummi oder anderem geeigneten Material mit einer Trennwand 1(2 zur Bildung
von zwei Abteilen 103 und 104 Die Trennwand ist eine bipolare Elektrode mit einer
Fläche 105 von Titan und einer zweiten Fläche106von Zirkonium. Das Abteil iO3bildet
eine erste Zelle und in die in der Zelle vorgesehene Schwefelsäure taucht eine zweite
Elektrode 107, die durch eine Elektrode auf Zirkoniumbasis gebildet wird. Das zweite
Abteil.104 bildet ebenfalls eine Zelle, die auch Schwefelsäure enthält und eine
Elektrode#mit mie einer Titanbasis. Die
bipolare Elektrode102ist
wasserdicht an der Wand des Behälters 11 befestigt.
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Die bipolare Elektrode 102 ist durch Warmwalzen einer Titanplatte
und einer Zirkonlumplatte unter einer inerten Atmosphäre erzeugt. Auf diese Weise
wird eine metallurgische Verbindung zwischen den beiden Komponenten mit einem sehr
geringen elektrischen Widerstand erzeugt. Irgendein anderes geeignetes Verfahren
zur Verbindung von zwei Platten könnte angewandt werden, vorausgesetzt, daß es einen
geringen elektri schen Widerstand ergibt. Als Beispiel wäre eine Explosionsverbindung
von zwei Platten oder Schichten zu nennen.
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Die bipolare Elektrode ist auf beiden Seiten mit Blei beschichtet.
Blei wird auf die Zirkonium- und Titanflächen nach deren Ätzung aufplattiert (elektro-plattiert).
Nachfolgend werden die Elektroden-Arbeitspasten oder -Massen auf die Oberflächen
aufgetragen. Die Titanfläche wird mit einer konventionellen PbO + Pb304 + 112504
+ Pb-Paste und die Zirkoniumelektrode mit einer grundsätzlich ähnlichen Paste, die
zusätzlich geeignete Streckmittel wie Lampenruß usw.
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enthält, wie es dem Fachmann bekannt ist, "ausgekleidet".
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Die Pasten oder Massen werden dann durch Hindurchschicken eines geeigneten
elektrischen Stroms zur Ausbildung von-im wesentlichen porösem Bleidioxid auf der
positiven Titanfläche und von porösem Blei auf der negativen Zirkoniumfläche formiert.
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Im Betrieb werden die Elektroden# 107 und13 mit einem äußeren Verbraucher
verbunden und die Flächen1M und106 wirken als unabhängige Elektroden-Arbeitsflächen,
wobei ein Stromtransport durch die Wand der Elektrode hindurch stattfindet.
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Bei Bedarf kann ein Metall zwischen den Komponenten 05und tfzur Verfestigung
und zur Verminderung.von zu grossen Schichtdicken der teuren Metalle Titan und Zirkonium
vorgesehen werden. Als ein solches Metall kann Aluminium oder Kupfer oder Eisen
dienen. Auf den Flächen der bipolaren Elektrode kann eine perforierte oder vielporige
Struktur wie ein mit der Oberfläche verbundenes Drahtgeflecht zur Vergrößerung der
Elektrodenoberfläche vorgesehen sein.
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Dessen Bedeutung besteht in einer Erhöhung der "Verzahnung" von Blei
bzw. Bleidioxid auf der Oberfläche zur Steigerung der elektrischen Leistungsfähigkeit
und elektrischen Kapazität des Akkumulators. Die Drähte können eine äußere Oberfläche
von Zirkonium im Falle der Zirkoniumfläche und von Titan im Falle der Titanfläche
haben. Alternativ kann die perforierte Struktur durch ein aufgeweitetes Metal2mas#ienwerk
(e# pxndedmetal mesX von Titan oder Zirkonium gebildet werden.
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Die Zirkonium- oder Titanflächen können von geeigneten Legierungen
mit den Grundmetallen vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften gebildet werden.
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Fig. 2 zeigt drei vollständige Zellen 1, 2 und 3. Die
Zelle
1 hat eine positive Elektrode 4 und eine negative Zirkonium-Elektrodenfläche 5.
Die negative Elektrode 5 ist ein Teil einer bipolaren Elektrode und in elektrischer
Verbindung mit der positiven Elektrode 6.der Zelle 2. Innerhalb der Zelle 1 hat
die positive Elektrode eine von Titan gebildete positive Platte 7. Das Titan ist
einer verstärkenden und stromverteilenden Aluminiumplatte 8 angefügt, an der ein
Anschlußzapfen 9 befestigt ist. Die positive Masse wird durch 10 und in ähnlicher
Weise die negative Masse durch 11 wiedergegeben bzw. angedeutet.
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Ein Block 12 von offener Zellstruktur ist zwischen den Pasten- bzw.
Masseschichten 10 und 11 angeordnet. und von den Schichten durch Separatorplatten
13 und 14 getrennt.
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Der Block 12 von verschmolzenen Fasern mit offener Struktur ist federnd
und wird bei Gebrauch um etwa 20 bis 50 % zusammengepreßt, um die Separatoren 13
und 14 nach außen "vorzuspannen" bzw. zu pressen und somit die Schichten 10 und
11 gegen#ihre jeweiligen Elektroden zu pressen, um ein Abfallen bzw. Masseverluste
zu verhindern. Ein steifer Polyvinylchloridkasten15 mit offenen Enden ist zwischen
den Elektroden angeordnet und mit einem Paar O-Ringdichtungen 16 und 17 in den offenen
Enden versehen. Wenn die Batterie, wie nachfolgend erläutert wird, zusammengespannt
ist, pressen die Platten 7 und 5 die Dichtungen 16 und 17 zum Abschluß der Zellen
zusammen. Der Block 12 wird wie oben dargelegt ist, zusammengepreßt und drängt die
Schichten 10 und
11 nach außen zur Berührung mit ihren Elektroden.
Eine Füllöffnung 18 ist in einer Seite des Kastens-vorgesehen und durch diese kann
ein Schwefelsäure-Elektrolyt eingefüllt oder nach Wunsch Auffüllwasser zugesetzt
werden.
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Der Schwefelsäure-Elektrolyt füllt die Zellen und befindet sich zwischen
den beiden Platten 10 und 11.
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Die Zelle 2 hat den gleichen Aufbau wie die Zelle 1, nur daß die
Elektrode 6 eine Fläche der bipolaren Elektrode ist, welche die Zellen 1 und 2-voneinander
trennt. Vergleichbare Teile der Zelle 2 tragen die gleichen Bezug.szeichen.
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Der Kern 19 der bipolaren Elektrode besteht typischerweise ~aus Alumini#um,
das eine hohe Leitfähigkeit und ein geringes Gewicht besitzt. Wenn allerdings die
durch den Aluminiumkern bedingte zusätzliche Steifigkeit unnötig ist, kann der Kern
entfallen. Nach#Wunsch könnten beide Seiten der Elektrode von Zirkonium gebildet
werden.
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Die Zelle 3 ähnelt wiederum den Zellen 1 und 2, nurdaß diean der
Rück- oder Stützplatte 21 befestigte negative Elektrode 20 keine bipolare Elektrode
ist. Ein negativer Anschlußzapfen 22 ist elektrisch mit der Stützplatte 21 verbunden.
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Zwischen dem Separator 14 und der Pasten- bzw. Masseschicht 11 ist
eine offene gebundene Faserstruktur 31 eingesetzt, die zur Unterstützung der Gasfreigabe
von der Masse 11
während des Ladevorganges dient. Das Gas strömt
durch die offene Struktur 31 nach oben, um ggf. durch die Füllöffnung 18 auszutreten.
Eine "Entlüftungsstruktur" 31 kann zwischen jedem der Separatoren und seiner benachbarten
Masse- bzw. Pastenschicht angeordnet sein.
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Für den Zusammenhalt der Serie von Zellen sind vier Aluminiumstäbe
an den einzelnen Längskanten der Batterie vorgesehen. Zwei der Stäbe (23 und 24)
sind in der Zeichnung zu sehen. Die Kerne 19 ragen über den Kasten 15 hinaus und
sind zur Anpassung an die Stäbe 23 und 24 mit Öffnungen,wie durch 25 angedeutet,
versehen. Isolierende Zwischenlagen oder Hülsen 26 verhindern eine elektrische Verbindung
zwischen benachbarten Elektroden. Die Enden der Stäbe 23 und 24 sind mit Gewinde
versehen sie bei 27)und undaufgeschraubte Muttern 28 dienen dem Zusammenhalt der
gesamten Anordnung.
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Wie zu sehen ist, haben die isolierenden Unterlegscheiben 29 Manschetten
30, welche die Ausbildung einer elektrischen Verbindung zwischen den Platten 8bzw.
21 und den Stäben 23 bzw.
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24 verhindern.
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Bei einer alternativen Batterieform sind die bipolaren Elektroden
unter Bildung eines geeigneten Gehäuses wärmeversiegelt und diese Gehäuse sind dann,
wie in Fig. 3 gezeigt ist, wärmeversiegelt bzw. verschweißt. Das Gehäuse hat längs
einer Innenkante eine Aussparung 32 in die die bipolare Elektrode 33 permanent dicht
eingesetzt ist. Das Gehäuse 34-der
nächsten angrenzenden Zelle
ist dann mit dem Gehäuse der ersten Zelle unter Bildung einer zusammenhängenden
Einheit warmverschweißt. Wie man sieht, werden so bipolare Elektroden.
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von geringeren Abmessungen als in Fig.. 2 gezeigt erhalten.
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Bei einer weiteren alternativen Batterieform ist die bipolare Elektrode
43 permanent in einen Plastikrahmen 44 eingeformt bzw. eingegossen. Gehäuseabschnitte
45 werden dann zur Bildung einer zusammenhängenden Einheit mit dem Rahmen 44 verschweißt
bzw. versiegelt. Wie man sieht, wäre die in den Rahmen eingeformte bipolare Elektrode:
für Pasten oder Massen geeignet.
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Für die Fertigung der gesamten Anordnung werden die bipolaren Alektroden
zunächst durch Walzverbinden zusammengefügt zur Bildung einer Tafel mit einem Aluminiumkern
und einer Titanoberfläche auf einer Seite und einer Zirkonoberfläche auf der anderen.
Diese Oberflächen werden dann geätzt und mit Blei elektroplattiert. Eine geeignete
Paste oder Masse, wie sie oben beschrieben ist, wird dann manuell oder maschinell
auf jede Seite aufgetragen. Die Elektroden werden dann in ihren Gehäusen zusammen
mit den verschiedenen Komponenten, Separatoren, Faserblöcken usw. in der in den-Zeichnungen
gezeigten Reihe angeordnet und die Gesamtheit durch Bolzen verbunden bzw. verschraubt
oder warmversiegelt unter .Bildung einer voll1ständigen Batterie. Die einmal zusammengebaute
Batterie
wird elektrisch formiert zur Umwandlung der Paste auf der Titan- oder positiven
Fläche in poröses Bleidioxid und der Paste auf der negativen oder Zirkoniumfläche
in poröses Blei.
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Der beschriebene Aufbau hat ein außerordentlich geringes Gewicht
bezüglich der Teile, die an der Erzeugung und Speicherung von Elektrizität in der
Batterie nicht aktiv beteiligt sind. Bei einer speziellen Batterie können bis zu
83,65 % der Gesamtmasse der Batterie aktives Material sein.
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Dies ist aus der unten angegebenen Tabelle I ersichtlich, die sich
auf eine Batterie bzw. einen Akkumulator mit folgenden Merkmalen bezieht.
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Es wurde eine positive Paste von 1 mm Stärke angewandt, ~die geringer
ist als-der maximale Gitter/Pastenteilchenabstand in konventionellen Akkumulatoren
zur Erzielung einer verbesserten Masseausnutzung. Die Gleichmäßigkeit des Stromflusses
durch ein bipolares System sollte ebenfalls die Masseausnutzung unterstützen. Eine
solche Gleichmäßigkeit des Stromflusses besteht, da keine Stromeinleitungen an einer
Gitterkante vorhanden sind, wie sie in konventionellen Akkumulatoren zu finden sind.
Es wurde eine Plattenfläche von 200 x 150 mm verwendet und die Masse der Paste erreicht
eine 20 %ige Porosität in der Paste.
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Normalerweise kann angenommen werden, daß die Masseausnutzung
der
negativen Paste zumindest so hoch ist wie diejenige der positiven und mit einer
20 %igen Porosität bedeutet dies ein Zusammenspiel einer negativen Pastenstärke
von 0,75 mm mit den 1 mm der positiven und ein Positivum bezüglich der Dichtedifferenz
zwischen den beiden Pasten oder Massen.
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Als Elektrolyt wird Schwefelsäure verwendet und der maximale brauchbare
Bereich der Schwefelsäurekonzentration zur Sicherstellung einer angemessenen Leitfähigkeit
entspricht einem spezifischen Gewicht von 1,3 (aufgeladen) bis 1,1 (entladen). Die
Säurewerte sind aus G.W. Vinal Storage Batterrtesn, Seite 117, John Wiley &
Sons, 1955 entnommen.
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Ein Volumen von 521 ml ist für jede Zelle erforderlich und führt#zu
einer Zellweite von 1,75 cm zwischen den Separatoren.
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Unter der Annahme, daß die Faserstruktur in den Zellen als ein ausreichender
Träger für die bipolaren Platten wirkt, werden nur dünne Diaphragmen bzw. Membranen
benötigt. Es wird eine Plattierung von 0,05 mm Stärke an Zirkonium auf 0,1 mm Titan
angenommen. Bei Ausüben eines ausreichenden Drucks auf die Platten können separate
Platten oder Schichten verwendet werden, wodurch die Notwendigkeit der Walzverbindung
entfällt. Die Plattenfläche wird zu 225 x 175 mm unter Bertcksichtigung von Versiegelungen
angenommen. Bei einer 12 V Batterie hat man selbstverständlich 5 bipolare Platten.
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Die Endplatten sind 2 mm dicke Aluminiumplatten(zur Stromverteilung
und für eine ausreichende Festigkeit)mit einer 0,1 mm Plattierung mit Titan oder
Zirkonium Zur An-.
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passung an die Bolzenlöcher beträgt die Größe der Endplatten 250 x
200 mm.
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Als Einspannbolzen wurden 0,5 cm (Durchmesser) Aluminiumstäbe von
15 cm Länge fUr die vier Kanten verwendet.
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Die Länge der Batterie von Endplatte zu Endplatte lag bei 12,6 cm.
Das Gehäuse war aus steifem PVC mit einer Dichte von 1,4 g/ml mit Gummidichtungen
zwischen dem Gehäuse und den Platten. Die PVC-Stärke lag bei 5 mm.
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Konventionelle Separatoren von porösem PVC wurden zur Zurückhaltung
der aktiven Masse un#d zur Verhinderung- eines Wachstums der negativen Platten eingefügt.
Dieses Wachstum neigt dazu, ein dendritisches Wachstum der aktiven-Masse zu sein,
das zu einem effektiven Kurzschluß der Batterie führen kann oder gestattet, daß
die aktive Masse infolge des Abstandes zwischen dem Ende der Dendriten und der Elektrode
unbrauchbar wird. Bei einem bipolaren System sollte ein Verlust bzw. ein Abfallen
von aktiver Masse verhindert werden,da sonst -das Material zum Zellenboden fallen
wUrde und Kurzschlüsse verursachen kann. Die Stärke der porösen PVC-Separatoren
betrug 0,5 mm.
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Die Faserstruktur trägt sehr wenig zur Masse der ~Batterie bei. Das
Material ist am geeignetsten ein Polyester und insbesondere "Terylen". Terylen ist
ein Produkt von Imperial Chemical Industries Limited. Alternativ kann PVC oder Polypropylen
verwendet wenden. Die Dichte des Materials könnte#bei.etwa 0,025 g/ml liegen. Der
auf die Platten wirkende Druck, mit dem die aktive Masse gegen die bipolaren Platten
gepreßt wird, wird zu etwa 50 g/cm2 vorgesehen zur Unterstützung der elektrischen
Leitung und damit Erhöhung der Masseausnutzung. Die 12 V Batterie hat sechs Zellen
mit einer Ausbildung von 2 V je Zelle.
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Tabelle I (Masse)-Komponenten der vorgeschlagenen Batterie vom bipolaren
Typ mit 50 Ampdrestunden (theoretisch) und 12 Volt (d.h. 30 tatsächlichen Amperestunden
bei 60 #ige,r Masseausnutzung)
Masse Masse % der. |
Komponenten Masse Gesamtmasse |
positive Paste 1354 16,41 |
negative Paste 1172 14,20 |
Elektrolyt 4376 53,04 |
bipolare Platten 183 2,22 |
Endplatten 327 3,96 |
Einspannbolzen 32 0,39 |
PVC-Kasten 612 7,40 |
Separatoron 180 2,18 |
Faserstruktur 15 0,18 |
i n s g'e. 1 a m t 8251 |
Die Masse oder Paste kann von beträchtlicher Stärke beispielsweise
bis zu 1 mm dick. sein. Wegen der durch die Blöcke 12 erreichten federnden Vorspannung
hat die aktive Masse keine Tendenz,von vonden Elektroden herabzufallen und die Batterie
kann daher eine lange Lebensdauer haben. Im übrigen ist eine hohe Masseausnutzung
der aktiven Masse erzielbar, die viel höher ist,als mit derzeitigen Batterien erreicht
werden kann. Nimmt man an, daß die Leistungsfähigkeit der Batterie durch die positive
aktive Masse bestimmt wird, so sollte eine Masseausnutzung von 65 96 erhältlich
sein. Das ermöglicht eine Energiedichte in der Batterie von 60 Wattstunden/kg im
Vergleich zu etwa 30 Wattstunden/kg für derzeitige Batterien. Selbst, wenn die Masseausnutzung
auf 35 ,ó abfällt, was der gängigen gewerblichen Ausnutzung entspricht, erhält man
mit der vorgeschlagenen Batterie eine Energiedichte im Bereich von 44 bis 52 Wattstunden/kg,
was noch bedeutend besser ist als die konventionell erzielten 30 Wattstunden/kg.
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Die Elektroden' selbst können durch Zusammenwalzen der Komponenten
gebildet werden oder es kann möglich sein, lediglich miteinander in Berührung befindliche
gesäuberte Oberflächen zu verwenden, wobei der von den "Yorspannblöcken" 12 ausgeübte
Druck für einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den Komponenten sorgt.
Wenn eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Masse- bzw. Pasteschichten
und den Elektroden notwendig ist, können die Elektroden
vor dem
Pastenauftrag durch irgendwelche geeigneten Mittel mit Blei oder Bleidioxid beschichtet
werden.
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Die ~schmelzverbundenen?? Blöcke können durch Erhalt von Fasern mit
einer äußeren Schicht von einem niedriger schmelzenden Kunststoff und einem inneren
Kern von einem höher schmelzenden Kunststoff gebildet werden. Solche Fasern werden
dann zu einem Block durchmischt bzw. zusammengebracht und der Block dann auf eine
Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt der beiden Komponenten der Fasern erhitzt.
Die äussere Komponente schmilzt dabei oder wird klebrig und sich.
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berührende Fasern werden sovereinigt. Nach Abkühlen des Blocks erweist
er sich als eine in sich zusammenhängende Masse.
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Alternativ können die Blöcke durch einen offenzelligen Schaum gebildet
werden, bei dem zumindest 80 # der Zellwände fehlen, so daß ein offenzelliges Skelett
von aufgeschäumtem Material gebildet wird, das die positive oder negative Masse
oder Paste aufnehmen kann. Die angewandte Schwefelsäurekonzentration würde die gleiche
sein wie üblicherweise, d.h. entsprechend einer Dichte von 1,3 im geladenen Zustand
und von 1,1 im entladenen Zustand.
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Wenn die Struktur in den Zellen als ein ausreichender Träger für
die bipolaren Platten wirkt, sind nur dünne Membranen oder Diaphragmen notwendig,
in welchem Falle eine Plattierung von 0,05 mm Dicke Zirkonium auf 0,1 mm Titan angewandt
werden
kann. Alternativ könnte eine einzelne Schicht von 0,1 mm Zirkonium als bipolare
Elektrode benutzt werden. Die Endplatten wären typischerweise 2 mm dicke Aluminiumplatten
mit einer 0,1 mm Plattierung mit Titan oder Zirkonium.
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Die Separatoren können vom herkömmlichen Typ wie z.B.
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von porösem PVC, mikroporösem Gummi oder anderem geeigneten Material
sein und sie sind besonders brauchbar auf den negativen Platten zur Verhinderung
von dendritischem Wachstum.
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Die Dichte der Blöcke 12 wird typischerweise bei 0,025 gZml liegen,
obgleich natürlich andere Dichten. angewandt, werden könnten. Ein besonders brauchbares
Material für den Schaum wäre ein Polyester, insbesondere Terylen. Alternativ können
Polyäthylen, Polypropylen oder Polyvinylchlorid oder andere säureresistente nicht-leitende
Materialien verwendet werden.
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Die Korrosionsgeschwindigkeiten von Titan und Zirkonium sind bei
Verwendung in Batterien in der Praxis sehr gering und liegen bei etwa 0,002 mm pro
Jahr für Titan bei dem positiven Plattenpotential und weniger als 0,001 mm pro Jahr
bei dem Potential von beiden Platten für Zirkonium. Wenn der mit der Verwendung
von Blei verbundene Gewichtsnachteil zulässig ist, können bipolare Blei-Elektroden
verwendet werden,
obgleich diese normalerweise eine größere Dicke
haben müßten als Titan- und Zirkoniumelektroden, da die Korrosionsgeschwindigkeit
von Blei höher ist und seine mechanische Festigkeit geringer. Das würde insbesondere
zu schwerwiegenden Problemen bei der Erzeugung von säuredichten Versiegelungen gegenüber
bipolaren Bleiplatten führen.