DE4004106A1 - Faserstrukturelektrodengeruest fuer akkumulatoren mit erhoehter belastbarkeit - Google Patents

Faserstrukturelektrodengeruest fuer akkumulatoren mit erhoehter belastbarkeit

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Description

Die Erfindung betrifft ein Faserstrukturelektrodengerüst für Akkumulatoren mit erhöhter Belastbarkeit, bestehend aus einer Nadelfilzbahn aus Kunststoffasern, die nach erfolgter Aktivie­ rung chemisch metallisiert und noch mit einer Metallschicht galvanisch verstärkt worden ist.
Für eine mobile, dezentralisierte Stromversorgung ist auch heute, wie bereits in der Vergangenheit, ein ständig steigender Bedarf vorhanden. Die Akkumulatoren (Batterien, Stromsammler) stehen dabei an erster Stelle um eine ortsungebundene, zeitlich begrenzt verfügbare elektrische Energie zu liefern. Bei den Akkumulatoren sind diejenigen, die mit einem wäßrigen Elektro­ lyt ausgestattet sind - z. B. mit einem sauren Elektrolyt wie beim Bleiakkumulator - oder mit einem alkalischen Elektrolyt wie bei Nickel/Cadmium-, Nickel/Wasserstoff-, Nickel/Eisen- oder Nickel/Zink-Zellen - wohl am stärksten verbreitet. Daneben er­ langen auch Akkumulatoren, die mit einem organischen Elektro­ lyt, einem Schmelz- oder Festelektrolyt ausgestattet sind, im­ mer mehr an Bedeutung.
Der Nutzwert eines Akkumulators hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich der Belastbarkeit der Elektroden und der Kapazitätshaltung des Akkumulators. Daneben gewinnen heute auch noch andere Gesichtspunkte an Bedeutung, so die Weltmarktpreise für die benötigten Metalle oder Fragen des Recyclings für aus­ gediente Akkumulatoren.
Häufig muß in der Praxis auf den einzelnen Verwendungsfall be­ zogen ein Kompromiß zwischen der Belastbarkeit der Elektroden und der Kapazitätshaltung des Akkumulators geschlossen werden, d. h., die Bauart der Elektroden ist auf die vorgesehene Funktion abzustimmen. Auf die einzelnen Batteriesysteme übertragen be­ deutet dies, daß z. B. für Akkumulatoren mit Blei/Bleidioxid-Elektroden oder für Akkumulatoren mit Nik­ kel/Cadmium-Elektroden ganz bestimmte Elektrodentypen für den jeweiligen Einsatzzweck der Speicherzelle entwickelt wurden. So sind als Elektrodenarten Großoberflächenplatten, Gitterplatten, Röhrchen-, Panzer- oder Stahlplatten oder auch Sinterelektroden zu nennen.
In jüngster Zeit ist man nun bemüht, unabhängig vom Batteriesy­ stem ein einheitliches Trägergerüst für die Elektroden zu ver­ wenden. Dazu ist bekannt, geeignete poröse Kunststoffmateria­ lien, wie Schaumstoffe, Vliesstoffe oder Nadelfilze, für das Trägergerüst einzusetzen. Zur Herstellung des Trägergerüstes wird das Kunststoffsubstrat zuerst mit edelmetallhaltigen Ver­ bindungen, z. B. auf der Basis von Palladium/Zinn aktiviert, anschließend die so vorbehandelte Oberfläche des Kunststoff­ substrates chemisch metallisiert und eventuell die gebildete Metallschicht noch galvanisch mit einer weiteren Metallschicht verstärkt. Auf diese Weise erhält man Elektrodengerüste mit einem einheitlichen Aufbau, nämlich ein poröses Kunststoffsub­ strat, das mit einer passend gewählten Metallschicht überzogen ist. Dabei wird durch die entsprechend gewählte Dicke des Kunststoffsubstrates die volumenbezogene Kapazität der später vorhandenen Elektrode festgelegt. Die Auswahl der abgeschie­ denen Metallschichten, auf der Kunststoffoberfläche erfolgt nach dem vorgesehenen Einsatz in einem bestimmten Batteriesystem. Die auf die Kunststoffoberfläche aufgebrachte Dicke der Metallauflage stellt schließlich die Fähigkeit des Elektrodengerüstes sicher, beim späteren Einsatz des Akkumula­ tors den Stromtransport von dem Elektrodengerüst zu dem aktiven Material mit einem höheren oder geringeren elektrischen Wider­ stand zu gewährleisten.
Die Herstellung derartiger Trägergerüste für Faserstruktur­ elektroden gehört heute zum Stand der Technik und ist bei­ spielsweise den DE-PSen 33 18 629, 36 37 130, 36 31 055 und 37 10 895 zu entnehmen. Für ein gutes Funktionieren einer Elek­ trode ist es bekanntlich notwendig, daß beim Elektrodengerüst eine genügend hohe Porosität aufrechterhalten wird. Da nun unter Beachtung dieser Anforderung bei Nadelfilzen die Nenn­ dicke nur bis etwa 1,5 mm verringert werden kann, bedeutet dies eine Verminderung der elektrischen Belastbarkeit der so ausge­ statteten Elektroden. Sich alternativ anbietende Hochlei­ stungsausführungen für Elektroden, wie etwa Sinterelektroden, weisen zwar in punkto Belastbarkeit eindeutige Vorteile demge­ genüber auf, sind aber in der Herstellung wesentlich teurer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektro­ dengerüst aus Kunststoffasern zu schaffen, wobei sowohl von der kostengünstigen Verfügbarkeit des hochporösen Trägermaterials und seiner leichten Verarbeitung zu Elektrodengerüsten Gebrauch gemacht wird, als auch bei den mit einem solchen Gerüst ausge­ statteten Elektroden eines Akkumulators beim Betrieb eine er­ höhte elektrische Belastbarkeit erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.
Es hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß mit einem solchen erfindungsgemäßen Faserstrukturelektrodengerüst mit den angegebenen Kennzahlen für die Nadelfilzbahn, wobei die Nadelfilzbahn über ihre ganze Fläche von beiden Seiten vernadelt ist und nur mehr eine Nenndicke von 0,5 bis 1,0 mm besitzt, die starken Dehnungskräfte, die beim Zyklenbetrieb der Elektrode auf das Fasergerüst durch die Volumenarbeit des ak­ tiven Materials auftreten, noch aufgefangen werden können. Dies ist auf die vergrößerte mechanische Festigkeit des Elektroden­ gerüstes durch die doppelte Vernadelung des Nadelfilzes zu­ rückzuführen. Dadurch ergibt sich für das erfindungsgemäße Fa­ serstrukturelektrodengerüst, welches gegenüber den Gerüsten nach dem bekannten Stand der Technik eine geringere Dicke be­ sitzt, eine verbesserte elektrische Belastbarkeit, da die Fe­ stigkeit des Elektrodengerüstes über den Lade- und Entladebe­ trieb der Zelle keinen vorzeitigen Schaden erleidet.
Zusätzlich läßt sich das erfindungsgemäße Elektrodengerüst mit dem aktiven Material besser Durchtränken und es liegt eine gute Kontaktierung zwischen dem Elektrodengerüst und dem aktiven Material vor.
Die beidseitige Vernadelung der Nadelfilzbahn kann zeitlich gleichzeitig oder nacheinander auf der Oberseite und der Un­ terseite der Nadelfilzbahn mittels eines Nadelbarrens oder ei­ nes Nadelbrettes erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen noch näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Nadelfilzbahn aus Polypropylenfasern, die gleichzeitig beidseitig vernadelt worden war, mit einem Flächengewicht von 80 g/m2, einer Stärke der einzelnen Fasern von 15µm und einer Länge der Stapelfasern von 40 mm, die eine Nenndicke von 0,95 mm besaß, wurde zuerst in bekannter Weise mit einer Aktivie­ rungslösung auf der Basis von Palladium/Zinn aktiviert und an­ schließend chemisch vernickelt. Anschließend wurde die so be­ handelte Nadelfilzbahn mit Wasser gespült und darauf das Waschwasser aus den Poren der Nadelfilzbahn ausgepreßt. Danach wurde die metallisierte Nadelfilzbahn in Teilstücke zer­ schnitten und diese Stücke in ein Galvanikgestell eingespannt und in einem üblichen Wattschen Vernickelungsbad galvanisch weiter vernickelt. Dieses Vernickelungsbad enthielt Nickelsul­ fat, Nickelchlorid und Borsäure. Die galvanische Vernickelung wurde bei einer Badtemperatur von ungefähr 55°C, unter Ein­ haltung eines pH-Wertes von etwa 4,5 durchgeführt und zwar so­ lange, bis die Nickelauflage auf dem Nadelfilzstück 90 mg/cm2 betrug.
Danach wurden die galvanisch vernickelten Nadelfilzstücke mit Wasser gespült, getrocknet und anschließend mit einer Schlag­ schere auf ein normales Elektrodenformat (10 cm×10 cm) zuge­ schnitten und nachfolgend durch Pressen (Kalander) auf eine Dicke von 0,75 mm gebracht. Danach wurden an die vorliegenden Elektrodengerüste jeweils eine Stromfahne angeschweißt und die für die positiven Elektroden von Nickel/Cadmium-Akkumulatoren bestimmten Elektrodengerüste mit einer Nickelhydroxid-Paste gefüllt. Die Füllmenge (Trockenzustand) an Nickelhydroxid be­ trug etwa 1,2 g/cm3 Volumen des Elektrodengerüstes.
Beispiel 2
Eine Nadelfilzbahn gemäß den Angaben in Beispiel 1 wurde eben­ falls in gleicher Weise mit einer Aktivierungslösung auf der Basis von Palladium/Zinn aktiviert und chemisch vernickelt.
Auch die galvanische Vernickelung wurde in gleicher Weise durchgeführt, bis die Nickelauflage auf dem Nadelfilzstück 50 mg/cm2 betrug. Die so erhaltenen Nadelfilzstücke wurden auch wieder auf ein normales Elektrodenformat zugeschnitten und durch Pressen auf eine Dicke von 0,5 mm gebracht. Nach dem An­ schweißen der Stromfahne wurden diese, für die negativen Elek­ troden von Nickel/Cadmium-Akkumulatoren bestimmten Elektroden­ gerüste, mit einer Cadmiumoxid-Paste gefüllt. Die Füllmenge (Trockenzustand) an Cadmiumoxid betrug etwa 1,8 g/cm3 Volumen des Elektrodengerüstes.
Beispiel 3
In einem Nickel/Cadmium-Akkumulator wurden 6 positive Elektro­ den, die gemäß dem vorhergehenden Beispiel 1 hergestellt worden waren und 12 negative Elektroden, die gemäß Beispiel 2 herge­ stellt worden waren, eingebaut. Der Elektrolyt war 8 molar an KOH und 0,8 molar an LiOH. Bei einer Nennkapazität von 12,5 A bei I5 konnte dem Akkumulator kurzzeitig ein Maximalstrom von 500 A entnommen werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Faserstrukturelektrodenge­ rüstes bestehen insbesondere darin, daß es in einer technisch einfachen und kostengünstigen Weise hergestellt werden kann und die mit einem solchen Gerüst ausgestatteten Elektroden eines Akkumulators beim Betrieb eine erhöhte elektrische Belastbar­ keit aufweisen. Das Gerüst wird in einem sehr guten Maße mit dem aktiven Material durchtränkt, womit auch über die gesamte Fläche des Gerüstes eine ausgezeichnete Kontaktierung gegeben ist.

Claims (2)

1. Faserstrukturelektrodengerüst für Akkumulatoren mit erhöhter Belastbarkeit, bestehend aus einer Nadelfilzbahn aus Kunststoffasern, die nach erfolgter Aktivierung chemisch me­ tallisiert und noch mit einer Metallschicht galvanisch ver­ stärkt worden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nadelfilzbahn ein Flächengewicht zwischen 50 und 150 g/m2 besitzt,
bei einer Porosität von 60 bis 96%,
die Kunststoffasern den Nadelfilz einen Durchmesser von 10 bis 30µm aufweisen und
die Länge der Stapelfasern 20 bis 40 mm beträgt,
wobei die Nadelfilzbahn über ihre gesamte Fläche von beiden Seiten vernadelt ist
und die Nenndicke der Nadelfilzbahn 0,5 bis 1,0 mm beträgt.
2. Faserstrukturelektrodengerüst nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffasern der Nadelfilzbahn aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Polyamid oder Aramid bestehen.
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