DE2524653A1

DE2524653A1 - Bleiakkumulator

Info

Publication number: DE2524653A1
Application number: DE19752524653
Authority: DE
Inventors: William Robin Jacob
Original assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Current assignee: Imperial Metal Industries Kynoch Ltd
Priority date: 1974-06-03
Filing date: 1975-06-03
Publication date: 1975-12-04
Also published as: DE2524653C3; DE2524653B2

Description

Bleiakkumulator Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Batterien und insbesondere auf Bleiakkumulatoren.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Faserstruktur kann in sich gebunden sein. Die Vorspannmittel können aus Polypropylen, Polyvinylchlorid oder einem Polyester gebildet werden.
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.
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.
Die erste und zweite Fläche können innig mit Blei abgedeckt und dann mit positiver bzw. negativer Masse oder Paste ausgekleidet sein.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
enthält, wie es dem Fachmann bekannt ist, "ausgekleidet".
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.
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.
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.
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.
Die Zirkonium- oder Titanflächen können von geeigneten Legierungen mit den Grundmetallen vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften gebildet werden.
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.
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.
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.
Der Schwefelsäure-Elektrolyt füllt die Zellen und befindet sich zwischen den beiden Platten 10 und 11.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
24 verhindern.
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.
von geringeren Abmessungen als in Fig.. 2 gezeigt erhalten.
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.
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.
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.
Dies ist aus der unten angegebenen Tabelle I ersichtlich, die sich auf eine Batterie bzw. einen Akkumulator mit folgenden Merkmalen bezieht.
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.
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.
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.
Ein Volumen von 521 ml ist für jede Zelle erforderlich und führt#zu einer Zellweite von 1,75 cm zwischen den Separatoren.
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.
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-.
passung an die Bolzenlöcher beträgt die Größe der Endplatten 250 x 200 mm.
Als Einspannbolzen wurden 0,5 cm (Durchmesser) Aluminiumstäbe von 15 cm Länge fUr die vier Kanten verwendet.
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.
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.
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.

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.

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.
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.
berührende Fasern werden sovereinigt. Nach Abkühlen des Blocks erweist er sich als eine in sich zusammenhängende Masse.
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.
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.
Die Separatoren können vom herkömmlichen Typ wie z.B.
von porösem PVC, mikroporösem Gummi oder anderem geeigneten Material sein und sie sind besonders brauchbar auf den negativen Platten zur Verhinderung von dendritischem Wachstum.
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.
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.

Claims

Patentansprüche

21 Bleiakkumulator mit zumindest zwei Zellen mit einem Schwefelsäure-Elektrolyten, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine bipolare Elektrode N2) mit einer elektrisch leitenden undurchlässigen Metallschicht oder -platte, die auf einer Seite eine erste Fläche (104 von Titan oder einer Titanlegierung und auf der anderen Seite eine zweite Fläche (10@ von Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung aufweist iind eine Trennwand zwischen zwei benachbarten Zellen (fl3 bzw.

104)bildet, wobei die erste Fläche eine Stützstruktur. für die aktive Bleidioxid-Masse. der positiven Elektrode der einen Zelle und die zweite Fläche die Stützstruktur-für die aktive Blei-Masse der negativen Elektrode der benachbarten Zelle bildet.
2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche direkt mit der zweiten Fläche verbunden ist.
3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch eine vorzugsweise durch Warmwalzen oder Explosionsplattieren erzeugte metallurgische Bindung gebildet wird.
4. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Flächen ein weiteres Metall vorhanden ist, das vorzugsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das Titan oder die Titanlegierung bzw. das Zirkonium oder die Zirkoniumlegierung besitzt.
5. Akkumulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metall aus der Gruppe Kupfer, Aluminium und Eisen ausgewählt ist.
6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine.Bleischicht zwischen der ersten Fläche~und der aktiven Bleidioxid-Masse vorgesehen ist.
7. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine perforierte bzw. vielporige Struktur auf der ersten und der zweiten Fläche zur Zurückhaltung der aktiven Blei- bzw. Bleidioxid-Massen.
8. AkkumuLator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die perforierte bzw. vielporige Struktur in der Form von Draht mit einer äußeren Oberfläche von demselben Metall wie die Oberfläche vorliegt, an der die Befestigung erfolgt und daß die Struktur an dieser Fläche festgelegt ist.
9. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Blei gegenüber der ersten Fläche durch Vorspannmittel mechanisch vorgespannt ist und daß das Bleidioxid gegenüber der zweiten Fläche ebenfalls durch mechanische-Vorspannmittel vorgespannt ist.
10. Akkumulator nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Separator zwischen dem positiven Bleidioxid und den Vorspannmitteln.
11. Akkumulator nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Separator zwischen dem negativen Blei und den Vorspannmitteln.
12. Akkumulator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel durch federnde Vorspannmittel gebildet werden.
13. Akkumulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Vorspannmittel sowohl für die Vorspannung der negativen als auch der.positiven aktiven Massen dient.
14. Akkumulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Vorspannmittel einen im wesentlichen einheitlichen Druck über die gesamte Fläche der Platte ausübt 15.
Akkumulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel durch einen offenzelligen Schaum oder eine Faserstruktur gebildet werden.
Akkumulator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß da#-Vorspannmittel von Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder einem Polyester gebildet ist.
17. Akkumulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine äußere, säurezurückhaltende Wand für jede Zelle, die an jedem Ende durch eine bipolare Elektrode oder bei der Endzelle einer Mehrzahl von Zellen durch eine negative bzw. positive Elektrode verschlossen wird.
18. Akkumulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenoberflächen flach #bzw. eben sind.
19. Akkumulator nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial durch schmelzverbundene Fasern gebildet wird.
20. Akkumulator nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß.das Fasermaterial ein zusammenhängender Block ist.
21. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Fläche enghaftend mit Blei bedeckt und dann mit positiver bzw. negativer Paste versehen sind.
22. Akkumulator mit zumindest zwei Zellen mit einem Schwefelsäure-Elektrolyten, gekennzeichnet du#rch eine bipolare Elektrode zwischen den beiden Zellen, die eine positive Elektrode für eine Zelle auf einer Seite und eine negative Elektrode für die zweite Zelle auf der anderen Seite bild#et, 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, wobei ein wirksamer Separator gegenüber zumindest der positiven aktiven Masse sowie Vorspannmittel zur (mechanischen) Vorspannung der positiven aktiven Masse gegenüber der positiven Elektrode und zur Vorspannung der negativen aktiven Masse gegenüber der negativen Elektrode vorgesehen sind.
23. Akkumulator nach einem der Ansprüche 10, 11 ode#r 22, gekennzeichnet durch einen offenzelligen Abstandshalter zwischen dem Separator und der aktiven Masse zur Unterstützung der Abgabe von Gasen von der aktiven Masse während des Ladungsvorganges im Betrieb.
24. Akkumulator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode eine Zirkoniumschicht unter dem Blei und die positive Elektrode eine Titanschicht unter dem Blei aufweisen.
25. Akkumulator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die negative als auch die positive Elektrode eine Zirkoniumschicht unter der Bleischicht hat.
26. Akkumulator nach Anspruch 24 oder. 25, gekennzeichnet durch einen Metallkern zwischen der negativen und der positiven-Zirkonium- und/oder Titanschicht.
27. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 26, gekennzeichnet durch einen Zusammenschluß von einer Mehrzahl von Zellen, wobei die Elektroden zwischen jeweils benachbarten Zelipaaren durch eine bipolare Elektrode gebildet werden und eine monopolare negative bzw. positive Elektrode an jedem Ende des Zusammenschlusses bzw. Stapels vorgesehen sind.

L e e r s e i t e