DE947182C - Separator fuer Akkumulatoren und Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 9. AUGUST 1956

O 1O86 IVaI 21b

zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Separatoren für Akkumulatoren, die aus einer Matte aus Glasfasern bestehen, die mit einer porösen Masse imprägniert ist.

Die Separatoren üblicher Art, z. B. aus Holz oder Kautschuk, normalerweise von gerippter Ausbildung, werden zwischen die Platten der Akkumulatoren mit diesen abwechselnd eingeschaltet. Die Räume zwischen den Rippen bilden Kanäle, welche die Zirkulation des Elektrolyts in der Batterie und auch den Austritt der während des Gebrauchs der Batterie frei werdenden Gase erleichtern.

Bei der Herstellung von solchen Separatoren aus Kautschuk oder Holz ist es verhältnismäßig leicht, sie durch Einschneiden von Rillen in die betreffende Fläche mit Rippen auf dieser zu versehen. Bei aus Fasermaterial, wie beispielsweise Glasfasern, bestehenden Separatoren erfordert die Herstellung der Rippen, daß auf die eine der Flächen des Plattenkörpers aus Glasfasern Streifen aus Harz, Pech oder anderem entsprechendem Material aufgebracht und in geeigneter Weise an der Fläche der Platte zum Anhaften, gebracht werden.

Diese Streifen verschließen die Hohlräume in dem Körper der Platte dort, wo sie diese abdecken, so daß, um die erforderliche Zahl der Rippen zu bilden, ein großer Teil der Porosität des Separators geopfert werden muß. Es ergab sich also, daß die Rippen, die vorgesehen wurden, um die Zirkulation des Elektrolyts und die Entfernung des Gases zu erleichtern, einen solch großen Teil der Fläche des Separators abschlossen, daß die Zirkulation des Elektrolyts durch diese Platte wesentlich erschwert

wurde und die Gesamteigenschaften derselben nicht in hinreichendem Maße verbessert wurden, um einen allgemein brauchbaren Separator zu ergeben. Ziel der Erfindung ist in erster Linie die Schaffung eines Separators in Form einer mit einer porösen Masse imprägnierten Faserplatte, die so ausgebildet ist, daß einerseits ein Durchtritt fester Teilchen durch den Zwischenraum zwischen den Sammlerplatten verbindert und andererseits die ίο freie Zirkulation des Elektrolyts und das unbehinderte Austreten der frei werdenden Gase durch diesen Zwischenraum ermöglicht wird, wobei der Separator einerseits so porös sein soll, daß der Elektrolyt frei zirkulieren kann, andererseits aber auch so fest und starr ist, daß er sicher an seiner Stelle im Sammler liegen kann.

Der erfindungsgemäße Separator für Akkumulatoren, der in an sich bekannter Weise aus einer mit einer porösen Masse imprägnierten Matte aus Glasfasern besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß aus der einen Fläche der Matte eine Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden, aus der porösen Masse bestehenden und mit dem Plattenköirper einen' einheitlichen Körper bildenden Rippen vorspringen, auf die eine Matte aus verflochtenen Glasfasern aufgelegt und mit den Scheiteln der Rippen verbunden ist.

Ferner richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung soleher Separatoren, die im folgenden an Hand der Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes näher beschrieben werden soll. Von der Zeichnung stellt

Fig. ι eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Zelle einer Speicherbatterie dar und zeigt die Anordnung der Separatoren nach der Erfindung zwischen den Batterieplatten;

Fig. 2 ist eine Stirnansicht des Separators nach der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schnitt gemäß Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 ist ein Schnitt durch den Separator nach der Erfindung rechtwinklig zu Fig. 3 gemäß Linie 4-4 der Fig. 2;

Fig. 5 ist eine schematische Aneicht der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung solcher Platten gemäß der Erfindung und -

Fig. 6 eine Einzelansicht eines Teils dieser Vorrichtung im Vertikalschnitt im vergrößertem Maßstäbe.

Die Batterie I2^- der an sich üblichen Bauart besteht aus einem Gehäuse 14 mit einer Mehrzahl von darin untergebrachten Zellen 16. Jede dieser Zellen enthält eine Anzahl von positiven Platten¹18 in Abwechslung mit einer entsprechenden Zahl von negativen Platten 20 in Abständen voneinander.

In den Abständen zwischen den negativen und positiven Platten ist je ein Separator 22 angeordnet. Dieser Separator hält die Batterieplatten im Abstand voneinander und isoliert sie gegeneinr ander. Sie ist so ausgebildet, daß sie zugleich mit der Erfüllung dieser Funktionen ermöglicht, daß der Elektrolyt in der Batterie in vollkommenen Kontakt mit den Flächen der Platten gelangt, so daß sich ein höchstmöglicher Wirkungsgrad der Batterie ergibt und dieser aufrechterhalten wird. Der Separator nach der Erfindung ermöglicht ferner ein freies Strömen des Elektrolyts in den Zwischenräumen zwischen den Platten und ein Hindurchsickern desselben durch sie selbst, so daß die chemische Reaktion in der Batterie mit hoher Geschwindigkeit erfolgt und die gewünschte Kapazität derselben erhalten wird.

Wie aus den Fig. 2, 3 und 4 ersichtlich, weist der Separator 22 eine Schicht 24 aus hoch-, und zwar sehr feinporösem Material auf, welche weiter unten noch im einzelnen beschrieben werden wird, in die ein Gewebe oder eine Matte 26 aus Glasfasern so eingebettet ist, daß diese völlig umschlossen ist. Vorzugsweise wird das Gewebe oder die Matte 26 mit dem feinporösen Material 24 imprägniert, während sich dieses in einem weichen fließfähigen oder plastischen Zustande befindet, so daß es alle Hohlräume der Matte ausfüllt und einen ununterbrochenen Körper bildet, innerhalb dessen bzw. über dem die Fasern der Matte verteilt sind.

Die Schicht 24 weist auf einer ihrer Flächen eine Mehrzahl von Kanälen 27 auf, welche sich bis auf eine Tiefe von im wesentlichen der halben Stärke der Schicht 24 erstrecken und in kurzen Abständen voneinander von etwa je 3 mm liegen, so daß zwischen ihnen Rippen 28 od. dgl. gebildet werden. Diese Rippen können an den Kanten der Separatoren vier- oder fünfmal so breit sein als die anderen Rippen, um derart die Festigkeit an den Kanten des Separators zu erhöhen. Um Separatoren von verschiedenen Stärken zwecks- Anpassung an verschiedene Arten von Batterien herzustellen, braucht lediglich die Höhe der Rippen 28 geändert zu werden, während die Stärke der Schicht 24 unverändert bleibt. Auf diese Weise kann die Stärke des Separators in Grenzen von ungefähr 0,75 bis 2,5 mm geändert werden, ohne ihren Ohm widerstand zu beeinträchtigen.

Die gerippte Fläche des Separators ist im wesentliehen vollständig durch eine dünne Glasfasermatte 32 überdeckt, die an den Schichten 24 dadurch zum Anhaften gebracht wird, daß sie zum Teil in diese eingebettet und derart auch zum Teil imprägniert wird.

Die Schicht 24 besteht aus· einem Werkstoff, der durch die Matte 26 hindurch eine im wesentlichen ununterbrochene Phase bildet und von sehr dünnen Poren durchsetzt ist, so daß der Elektrolyt durch sie biindurchtreten kann, jedoch ein Durchtritt von festen Teilchen wie Teilchen der Superoxydpaste, die sich aus den Batterieplatten lösen könnten, durch die Poren nicht möglich ist. Deshalb wird durch das Vorhandensein der Schicht 24 in dem Separator eine Anhäufung dieser Teilchen zu iao Strahlen von solchen oder in der in der Industrie als Baumbildung bekannten Weise wirksam verhindert.

Der Separator wird vorzugsweise in die Batterie so eingebaut, daß die Rillen 27 und die Rippen 28 vertikal liegen und die gerippte Fläche der posi-

tiven Platte an liegt, so daß das an der positiven Platte frei werdende Gas leicht in Blasen, durch die gebildeten Kanäle nach oben gelangen kann. Die Abdeckplatte 32 wirkt als eine Art Kissenschicht, da sie ein gewisses geringes Maß an Zusammendrückbarkeit aufweist, weil sie nicht völlig imprägniert ist. Sie wirkt gleichzeitig als Abdeckung für die Stirnfläche der positiven Platte, die das wirksame Material dieser Platte an Ort und Stelle hält und demzufolge ein Ablösen des Superoxyds und Herunterfallen desselben von der Platte verhindert.

Die abgedeckte Matte 32 verstärkt die eigentliche Platte gegen Biegungsbeanspruchungen, die ein Herausbiegen der gerippten Fläche herbeiführen könnten, während die eingebettete Matte 26 die Widerstandsfähigkeit der Platte gegenüber entgegengesetzt gerichteten Biegungsbeanspruchungen vergrößert. Die Erhöhung der Festigkeit der Matte ist von erheblichem Vorteil, da sie es ermöglicht, in den Batterieplatten weniger Blei und poröse oder weichere Platten zu verwenden.

Die Rippen 28 in dem Hauptteil der Schicht 24 werden aus demselben hoch-, und zwar feinporösen Material, und zwar mit dem Hauptteil der Schicht 24 aus einem Stück bestehend, gebildet, so daß sich zwischen den Rippen und dem Hauptteil des Plattenkörpers keine Trennung bzw. kein Spalt ergibt und es auch nicht notwendig ist, zwischen solche eine Schicht aus ' Klebstoff oder Zement einzubringen. Infolgedessen ergibt sich ein einteiliger bzw. aus einem einheitlichen Körper bestehender Separator von ungewöhnlich hoher Festigkeit, der jedoch über seine ganze Stärke, und zwar über alle Teile seiner Fläche porös ist. Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, daß dies einen erheblichen Vorteil darstellt, da hierdurch das freie Strömen; des Elektrolyts ermöglicht und demzufolge der höchstmögliche Wirkungsgrad der Batterie erzielt wird.

Der Separator nach der Erfindung kann in jeder beliebigen geeigneten Weise hergestellt werden. Im folgenden wird seine Herstellung nach dem schematisch in Fig. 5 und im einzelnen in Fig. 6 veranschaulichten Verfahren beschrieben werden. Gemäß diesem wird die Glasfasermatte oder das Gewebe 36, welches aus Fasern von etwa 0,25 mm Dicke bestehen kann, von einem Vorrat, wie einer Mattenrolle entnommen und über die Oberfläche einer Trommel 38 geleitet. Oberhalb der Trommel und in geringem Abstande von ihrer Oberfläche ist eine Uberziehvorrichtung 40 in Form einer am Boden und oben offenen Kammer angeordnet, deren'Wand 42 am Austrittsende so gekrümmt ist, daß sie im wesentlichen tangential zu der Oberfläche der Trommel verläuft. Die vorwärtige Wandung 42 dieser Überziehvorrichtung 40 weist eine Reihe von Rippen 43 auf, deren Zahl, Anordnung und Größe der der Rillen entspricht, die in der Batterietrennplatte erzeugt werden sollen. Die unteren Kanten der Wandung der Überziehvorrichtung liegen in einem Abstand von der Oberfläche der Walze 38, der im wesentlichen der Stärke der Matte 26 entspricht, so daß die Matte, wenn sie über die Trommel läuft, sich unterhalb der Überziehvo>rrichtung hindurchbewegt und mit dem in dieser befindlichen Überzugsmaterial zusammengeführt wird.

Das Imprägnierungsmaterial für die Schicht 24 wird der Überziehvorrichtung 40 in plastischem Zustande zugeführt und bildet derart eine verfoirm-. bare Masse, welche durch die Bewegung der Matte

26 unter der Uberziehvorrichtung hindurch auf die vorwärtige Wandung 42 derselben gedrückt wird. Wenn die Matte unter der vorwärtigen Wandung der Überziehvorrichtung hindurchläuft, wird das plastische Imprägnierungsmaterial durch die Wirkung des konvergierenden Zwischenraums zwischen der vorwärtigen Wandung 42 und der Oberfläche der Trommel 38 in die Hohlräume der Matte eingepreßt, so daß diese völlig imprägniert wird. Gleichzeitig foirmen die Rippen 43 an der vorwärtigen Wand der Überziehvorrichtung die Rillen

27 in dieses plastische Material, so daß sich die gerippte Form der oberen Fläche der imprägnierten und überzogenen Matte ergibt.

Die Abdeckmatte 32 wird von einem geeigneten Vorrat, wie der Trommel 48 entnommen, auf die gerippte ■ Oberfläche des Separators aufgebracht und, beispielsweise durch eine Walze 50, auf diese aufgedrückt. Das plastische Imprägnier- und Überzugsmaterial der Schicht 24 an der oberen Fläche der Rippen 28 haftet an der Matte 32 unter teilweiser oder völliger Imprägnierung derselben in voneinander getrennten Streifen an, so daß die Matte derart mit der gerippten Fläche des Plattenkörpers verbunden wird.

Der so hergestellte Körper wird dann durch einen Ofen 54 hindurchgeführt, der auf einer etwas oberhalb von Raumtemperatur liegenden Temperatur von beispielsweise etwa 50 bis 90⁰ oder erwünschtenfalls bis zu 200° gehalten wird. In diesem erfolgt die Trocknung oder Verfestigung des Imprägnier- und Überzugsmaterials, worauf die fertigen Separatoren in Abschnitten von der gewünschten Größe beispielsweise durch ein hin und her gehendes Messer 56 von dem Strang abgetrennt werden.

Das Material, aus dem der Körper 24 besteht, kann ein solches von irgendeiner geeigneten Art sein, das in plastischen Zustand gebracht und dann gehärtet werden kann. Es muß außerdem mit feinsten Poren angefüllt sein, die hinreichend kleiin sind, um den Durchtritt von Teilchen von wirksamen Material, welche sich etwa von den Batterieplatten gelöst haben, zu verhindern, wobei jedoch eine hinreichende Zahl von Poren vorhanden sein muß, um die freie Zirkulation des Elektrolyten zu ermöglichen. Für diesen Zweck kann feinporiger Kautschuk der üblicherweise sonst für Separatoren in Batterien verwendeten Art benutzt werden, der in der beschriebenen Weise in die Trennplatte eingeformt wird. In diesem Falle ist dieVerfestigungs- oder Härtestufe des Verfahrens der normale VuI-kanis i ervorgang.

Vorzugsweise wird jedoch für den Körper 24 ein im wesentlichen anorganischer Stoff von der hohen erforderlichen Porosität verwendet. Das geeignetste

Material nach den bisherigen Erfahrungen ist eine Kombination aus kleinsten, bestimmten und voneinander getrennten Teilchen oder Körnchen von solcher Beschaffenheit, daß gewisse der Teilchen dazu dienen, die anderen Teilchen einzubinden und so eine zusammenhängende Masse zu bilden. Auf diese Weise wird ein Körper erhalten, dessen Teilchen oder kleinste Körnchen, sich im wesentlichen lediglich in punktförmiger Berührung miteinander ίο befinden. Demzufolge ist der Bereich, der jeden dieser Kontaktpunkte umgibt, für den freienDurchtritt der Flüssigkeit bzw. Gase offen. Als Ergebnis hiervon wird die erwünschte Porosität des Separators in einfacher Weise erreicht, ohne einen Teil der Dichte od. dgl. zu opfern und damit die Gefahr einer Baum- oder Brückenbildung hervorzurufen. Ferner geht keine andere der oben erläuterten erwünschten Eigenschaften der neuen Trennplatte verloren.

Die Teilchen, aus welchen die Schicht gebildet wird, können aus jedem beliebigen Material bestehen, welches sich gegenüber den Einflüssen der Batterie neutral verhält und in die Form kleinster Teilchen gebracht werden kann. Die Größe dieser Teilchen kann je nach den gewünschten Endeigenschaften in weiten Grenzen schwanken. Beispielsweise ist ein geeigneter Durchmesser der Teilchen ein solcher in der Größenordnung von io bis 8o μ, obwohl auch andere Größen verwendet werden können.

Stoffe, welche so zerkleinert werden können, daß sie die für die Bildung der Schicht geeigneten Teilchen ergeben, sind z. B. kieselsäurehaltige Stoffe, wie Kieselsäure selbst, beispielsweise in Gestalt von im wesentlichen eisenfreiem Sand und Silikate, wie Aluminiumsilikat, Pyrophyllit, Wollastönit, Bimstein und im wesentlichen eisenfreie Tone. Vorzugsweise wird Kieselsäure verwendet, da diese sich leicht in feinverteilter Form erhalten läßt und sich gegenüber den chemischen Einwirkungen einer Batterie sehr indifferent verhält.

Eine besonders vorteilhafte Art der zu verwendenden Kieselsäure ist Diatomeenerde, d. h. das Material, welches aus Skeletten von Diatomeen u. dgl. einzelligen Algen besteht, deren Wandungen durch doppelte chemische Umsetzung mit in der gleichen Umgebung vorhandenen kieselsäurehaltigen Stoffen Silizium aufgenommen haben. Die Teilchen von Diatomeenerde bestehen jedes aus einer Vielzahl von winzigen versteinerten Skeletten der Diatomeen. Deshalb ist jedes der Teilchen der Diatomeen selbst von offenen Hohlräumen und Po^ ren angefüllt. Ein Separator gemäß der Erfindung, bei welchem für die Herstellung der Schicht 24 Diatomeenerde verwendet wird, weist demzufolge eine vorzügliche Porosität auf, da Durchflußwege sowohl durch wie um die einzelnen Teilchen herum vorhanden sind. Trotzdem sind diese Öffnungen der Diatomeenskelette nicht hinreichend groß, um eine Brücken- oder Baumbildung zu fördern.

Die Teilchen, welche dazu dienen, die eigentlichen schichtbildenden Teilchen zu einem einteiligen Körper zu verbinden, können aus Elasto nieren, wie Butadien-Styrol-Mischpolymerisaten, natürlichem Kautschuk, Butadien-Isobutylen-Mischpolymerisaten, Polyisobutylen, organosiliciumhaltigen . Elastomeren, Butadien-Acrylsäurenitril-Mischpolymerisaten und 2-Chlorbutadien-Polymerisaten bestehen.

Nachstehend werden Beispiele von geeigneten Zusammensetzungen oder Pasten für die Imprägnierung gegeben:

Beispiel I

20 Teile Gelatine (3% Feststoffe in Wasser), 15 Teile Poly-2-chlorDutadienlatex (40°/oige Suspension in Wasser), 14 Teile Diatomeenerde, 0,5 Teile Dibutylphenol-Natrium-Disulfonat (Netzmittel).

Beispiel II

20 Teilen Butadien-Styrol-Mischpolymerisaten (40°/oige wäßrige Suspension), 10 Teile der als Dikalit bekannten Diatommeenerde.

Beispiel III

40 Teile natürlicher Kautschuklatex (50%'ige Emulsion), 10 Teile Aluminiumsilikat, 20 Teile eisenfreie Kieselsäure, 10 Teile Ammoniumalginat (in 20°/oiger Lösung).

Beispiel IV

40 Teile plastifiziertes Polystyrol (95,000 MW) (in 40°/oiger wäßriger Lösung), 20 Teile Gelatine (4% Feststoff im Wasser), 0,5 Teile Aerosol OT (Netzmittel), 30 Teile Ton.

Bei der Herstellung der imprägnierenden Zusammensetzungen werden die vorstehend angegebenen Bestandteile lediglich, vorzugsweise unter Rühren, miteinander vermischt. Die Masse wird dann der Überziehvorrichtung 40 entweder in Einzelmengen oder in einem fortlaufenden Strom aufgegeben und in der oben beschriebenen Weise auf die Matte 26 aufgebracht.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Separator für Akkumulatoren, der aus einer Matte aus Glasfasern besteht, die mit einer porösen Masse imprägniert ist, dadurch no gekennzeichnet, daß aus der einen Fläche der Matte eine Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden, aus der porösen Masse bestehenden und mit dem Plattenköirper einen einheitlichen Körper bildenden Rippen vorspringen, auf die eine Matte aus verflochtenen Glasfasern aufgelegt und mit den Scheiteln der Rippen verbunden ist.

2. Verfahren zur Herstellung, von Separatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im fortlaufenden Betrieb eine Glasfasermatte unter einer Überzugsvorrichtung hinr durchgeführt wird, durch welche die imprägnierende Masse in die Matte eingebracht wird und mit der gleichzeitig eine Formvorrichtung zusammenwirkt, die Rippen im Abstand vonein-

ander in der imprägnierten Matte erzeugt, auf die anschließend eine Abdeckmatte aus Glasfasern od. dgl. aufgebracht wird, worauf nach Trocknung und Verfestigung die einzelnen Platten von dem Strang abgetrennt werden.

3. Vorrichtung zum Einbringen des Imprägnierstoffes bei dem Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen in einem der Mattendicke entsprechenden Abstand über einer Transportwalze für die Matte angebrachten Behälter, dessen in der Gutstransportrichtung vorn liegende Wand an ihrer unteren Kante in etwa tangentialer Richtung auf die Matte zu umgebogen ist und Rippen aufweist, welche die Rippen in dem durchlaufenden Strang bilden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 484 787, 2 478 186, 2374540, 2 117 371;

britische Patentschriften Nr. 451628, 377257.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 609574 8.56