DE2851950C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Flachelement mit alkalischem Elektrolyten, negativer Zinkelektrode und positiver MnO₂-Plattenelektrode in einem prismatischen Zellengehäuse aus Kunststoff.

Das für die Erfindung vorwiegend in Aussicht genommene Anwendungsgebiet ist die netzunabhängige Energieversorgung von Kleinstelektromotoren, wie sie zum Antrieb von Spielzeugen, Flug- und Schiffsmodellen, aber auch bei einer breiten Palette motorgetriebener Handgeräte, darunter beispielsweise Elektrorasierer eingesetzt werden. In allen diesen Fällen werden besonders leistungsfähige Primärbatterien oder Akkumulatoren verlangt.

Bis heute ist als Energiequelle für die genannten Anwendungen noch immer die bekannte Trockenbatterie vom Leclanchè-Typ in Gebrauch, obwohl sie keine besonders günstigen Voraussetzungen dafür mitbringt. Denn durch die hohe Stromaufnahme seitens der Kleinstmotoren wird sie meistens in solchem Maße überfordert, daß sie außerhalb ihres günstigen Leistungsbereiches arbeitet.

Viele Anstrengungen der Batteriehersteller, durch konstruktive Maßnahmen die Strombelastbarkeit von Leclanchè- Zellen zu verbessern, hatt nur begrenzten Erfolg.

Ein grundlegender Fortschritt konnte erst mit Einführung des alkalischen Zink/Braunstein-Systems erzielt werden, welches sich gegenüber dem Leclanchè-System durch gute Lagerfähigkeit und vor allem durch einen flacheren Spannungsabfall während der Entladung auszeichnet. Die traditionelle Rundform der Leclanchè-Zelle wurde von den alkalischen Braunsteinzellen jedoch übernommen. Dafür waren im wesentlichen zwei Gründe ausschlaggebend. Man wollte einmal die vorhandenen maschinellen Einrichtungen aus der Leclanchè-Zellenfertigung weiterhin nutzen, zum anderen legte die leichte Passivierbarkeit des Zinks in alkalischer Lösung die Verwendung einer Zinkpulverschüttung anstelle des Zinkbechers als negative Elektrode nahe, wozu wiederum eine runde Zellenform geeignet war. Die alkalischen Braunsteinzellen besitzen nur eine inverse Elektrodenanordnung, d. h. mit negativer Zinkelektrode innen und diese zylindrisch umgebender Braunsteinelektrode außen.

Nachteile der Rundzelle liegen in der fehlenden Hochstrombelastbarkeit infolge ungünstiger geometrischer Elektrodenformen und in der aufwendigen Herstellung der Zinkelektrode, die als Pulverschüttung vorliegt. Hinzukommt, daß Rundzellen in einer Batterieanordnung stets ein beträchtliches Totvolumen zwischen sich einschließen.

Der Gedanke, für das alkalische Zink/Braunstein-System eine flache Zellenbauart mit entsprechend flach geformten Elektroden vorzusehen, ist daher nicht grundsätzlich neu. So werden in der DE-OS 25 14 124 Zellen aus stapelbaren Elektrodenplatten mit einer schützenden Kunststoffumhüllung beschrieben, ohne daß jedoch über die konkrete Ausführung der Zink- und Braunsteinelektroden etwas näheres mitgeteilt ist.

In der DE-OS 23 40 837 wird ein alkalisches Zn/MnO₂-Primärelement vorgeschlagen, welches ebenfalls plattenförmige Elektroden verwendet, die im Falle der positiven Elektrode durch Aufpressen des aktiven MnO₂ und eines Binders auf ein mit einem Leitmittel beschichtetes Nickelstreckmetall hergestellt sind, während den negativen Platten ein gepreßtes Zinkpulver zugrundeliegt.

Die Verwendung des Zinks in Pulverform, was gleichbedeutend ist mit einer großen Oberfläche, ist deshalb erforderlich, weil in alkalischen Lösungen das Zink nach Durchgang einer bestimmten Strommenge pro Oberflächeneinheit sehr stark passiviert wird. Dem kann nur durch eine Vergrößerung seiner Oberfläche begegnet werden.

Die DE-OS 26 14 248 offenbart eine Silberoxid/Zink-Zelle mit plattenförmigen Elektroden in einem prismatischen Gehäuse.

R. Huber (Trockenbatterien, 2. Auflage, 1968, Seiten 22, 24) verweist auf Leclanchè-Zellen, deren negative Elektroden aus Zinkstreifen ausgestanzt und wegen der Stapelanordnung der Zellen mit einer chemisch inerten Leitschicht überzogen sind, um einen Masseschluß mit der MnO₂-Elektrode der Nachbarzelle zu verhindern.

Schließlich ist die Verwendung massiver Zinkbleche oder Zinkfolien als negatives Elektrodenmaterial bekannt; sie blieb aber aus dem weiter oben genannten Grund auf solche Elektrodenanordnungen beschränkt, bei denen zumindest die geometrische Oberfläche in einem optimalen Verhältnis zu dem Volumen der aktiven Masse steht, wie beispielsweise bei dem als Wickel ausgebildeten Zinkstreifen in einem alkalischen Primärelement nach DE-AS 14 21 577.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine alkalische Flachzelle eine praxisgerechte Einbauform zur Unterbringung in Geräten mit hohem Leistungsbedarf anzugeben, die es gestattet, die grundlegenden Vorteile der Flachbauweise, nämlich hohe Strombelastbarkeit der entsprechend flach geformten Elektroden und daraus resultierende hohe Energiedichte, optimal auszunutzen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Fig. 1 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung, bei der die positive Elektrode von dem Zinblech ähnlich wie von einem Kuvert umhüllt ist.

Die positive Elektrode 1 besitzt eine elektronenleitende Metallnetzeinlage 2 aus Eisen, Nickel oder Silber, auf welche das mit ca. 30 Gew.-% Graphit vermischte Braunsteinpulver unter einem Druck von ca. 10⁴N/cm² beidseitig aufgepreßt ist. Der elektrische Innenwiderstand einer solchen Preßelektrode ist extrem niedrig und verschlechtert sich kaum, wenn die Massehaltung zusätzlich bis zu 5 Gew.-% eines polymeren Bindemittels, z. B. Polytetrafluoräthylen, enthält. Die Elektrode bleibt dabei porös und mechanisch hinreichend stabil.

Das Zink der negativen Elektrode 3 mit der Ableiterfahne 4 wird in besonders rationeller Weise aus größeren Blechen oder Folien zugeschnitten und so gefaltet, daß es auch die Kanten der positiven Elektrode überlappt mit Ausnahme der Bereiche 5 und 6, wo Aussparungen für die positive Ableiterfahne 7 und zum Entgasen oder Einfüllen des Elektrolyten vorgesehen sind. Durch Aufrauhen der Zinfolie läßt sich eine noch größere aktive Oberfläche erzielen.

Die positive Elektrode selbst ist von einer eng sitzenden Tasche aus einem porösen, für Zn-Ionen undurchlässigen Folienmaterial umschlossen, welches den Separator 8 bildet. Besonders gut eignet sich regenerierte Zellulose für diesen Zweck.

Als Zellelektrolyt dient eine 8-normale KOH-Lösung, die 6 Gew.-% ZnO enthält.

Fig. 2 gibt eine Batterie aus drei erfindungsgemäßen Flachelementen in einem 3-zelligen Kunststoffgehäuse 9 wieder. Ein solches Gehäuse läßt sich spritztechnisch mit geringem Aufwand herstellen und kann mit dem Deckel 10, der zweckmäßig aus dem gleichen Thermoplast wie das Gehäuse besteht, leicht verklebt oder verschweißt werden.

Der besondere Vorzug des erfindungsgemäßen Flachelementes wird offenbar, wenn man sich den nicht unterteilten Innenraum des 3-zelligen Gehäuses der Fig. 2 anstelle dreier Flachzellen mit drei nebeneinanderstehenden konventionellen Rundzellen des Alkali-Mangansystems besetzt denkt, einer Anordnung, wie sie von handelsüblichen 3-zelligen Flachbatterien 4,5 Volt des Leclanchè-Typs bekannt ist. Bei einer solchen Bestückung mit Rundzellen ist das zur Aufnahme notwendige Batteriegehäuse nur zu etwa 78% ausgefüllt. Noch mehr als das große Totvolumen der Rundzellenbatterie macht ein Vergleich zwischen der Oberfläche des Prismengehäuses und der Gesamtoberfläche der darin untergebrachten Rundzellen, die Nachteile der letzteren gegenüber der erfindungsgemäßen Zelle deutlich. Die Ober- bzw. Innenfläche des Prismengehäuses übertrifft die Oberfläche der Rundzellen um den Faktor 1,5. Da dieses Flächenverhältnis auch die Elektrodengeometrie der hier im Vergleich stehenden Anordnungen beeinflußt, ergeben sich für die flächige Gegenüberstellung der Elektroden im Fall der prismatischen Bauweise sehr günstige Konsequenzen in bezug auf die elektrische Leistung einer solchen Zelle. Die hohe Leistung wird zudem begünstigt durch den stark herabgesetzten Ohm'schen Widerstand der positiven Preßplatte und durch die bessere Elektronenleitung im Zinkblech, verglichen mit derjenigen in einer Pulverschüttung. Diese Umstände tragen wesentlich zur Verhinderung einer vorzeitigen Passivierung bei.

Zugleich mit der erfindungsgemäßen alkalischen Zink/ Braunstein-Flachzelle als Bauelement bietet sich also gemäß Fig. 2 eine Kompaktbatterie an, die indessen nicht auf eine 3-zellig Ausführung (4,5 Volt) beschränkt sein muß, sondern aus beliebigen Zellen (n ≧ 2) aufgebaut sein kann, um je nach Bedarf beispielsweise eine 6 Volt- (4 Zellen) oder 9 Volt- (6 Zellen) Batterie zu ergeben. Da insbesondere die Plattendicke der positiven Elektrode variabel gestaltet werden kann, ist man hinsichtlich der Aufteilung eines Batteriegehäuses von gegebener Größe nicht an eine bestimmte Zellenzahl gebunden. Es ist auch spritztechnisch kein Problem, Batteriegehäuse gemäß Fig. 2 mit mehr als zwei Zellentrennwänden herzustellen.

Man kann ferner jede Einzelzelle je nach Erfordernis mit einer Mehrzahl dünnschichtiger Elektroden beider Polarität bestücken und auf diese Weise extrem hohe Strombelastbarkeit erzielen.

Es ergibt sich also für die alkalische Zink/Braunstein- Kompaktbatterie gegenüber einer Rundzellenbatterie mit gleichen Raumabmessungen der Vorteil einer um fast 1/4 höheren Raumausnutzung mit aktivem Material, damit verbunden eine entsprechend größere Kapazität und eine unverhältnismäßig viel stärkere Strombelastbarkeit, da diese überproportional mit dem Flächenquerschnitt wächst.

Vor allem aber bietet die prismatische Gehäuseform die Möglichkeit, daß ihre Abmessungen den Halterungen der marktgängigen Einbaugeräte zwanglos angepaßt werden können. Bisher mit Rundzellen ausgerüstete Kleinstmotoren und Geräte erfahren dadurch einen erheblichen Zugewinn von - auf gleiche Volumina bezogener - elektrischer Kapazität und Leistung, ohne daß dieser mit konstruktiven Abänderungen erkauft werden muß.

Fig. 3 zeigt Entladekurven für eine konventionelle Alkali-Mangan-Rundzelle (Kurve a) und für eine erfindungsgemäße prismatische Flachzelle (Kurve b) bei jeweils gleicher Belastund von 0,5 A. Beide Zellen hatten das gleiche Gewicht von 64 g. Die günstigere räumliche Verteilung des Massegewichtes in der prismatischen Zelle jedoch, bei der sich ein Minimum des Ohm'schen Widerstandes einstellt, hat nicht nur eine um ca. 20% vergrößerte Kapazitätsausbeute, sondern auch eine wesentlich höhere Spannungslage zur Folge.

Unter den genannten Versuchsbedingungen und unter Zugrundelegung einer Entladeschlußspannung von 0,8 Volt ergeben sich die nachstehenden Vergleichswerte für die Energiedichte in Wh/kg bzw. Wh/l.

Claims (4)

1. Galvanisches Flachelement mit alkalischem Elektrolyten, negativer Zinkelektrode und positiver MnO₂-Plattenelektrode in einem prismatischen Zellengehäuse aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß es Bauelement einer Kompaktbatterie ist mit einem rechteckigen, von Zellentrennwänden unterteilten Batteriegehäuse, welches bei einer dreizelligen Ausführung die Abmessungen einer handelsüblichen, aus drei Rundzellen aufgebauten Batterie besitzt, und daß die negative Elektrode des Flachelements eine Zinkblechelektrode ist.

2. Galvanisches Flachelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive MnO₂-Plattenelektrode eines jeden Bauelements von der negativen Zinkblechelektrode beidseitig umhüllt ist.

3. Galvanisches Flachelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positive MnO₂-Plattenelektrode in eine Separatfolie vollkommen eingetascht ist.

4. Galvanisches Flachelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Folienmaterial der Elektrodeneintaschung aus regenerierter Zellulose besteht.