DE1193120B - Elektrische Zelle, bei der die elektrische Energie in einem Elektreten gespeichert ist. - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WWW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21 b - 25/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1193 120
A37563VIb/21b
31.Mai 1961
20. Mai 1965

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Zelle, bei der die elektrische Energie in einem Elektreten gespeichert ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zelle.

Bekanntlich hat eine Reihe von größtenteils organischen Stoffen, die man unter dem Sammelbegriff Elektrete zusammenfaßt, die Fähigkeit, elektrische Energie aufzunehmen, wobei sie eine gewisse Polarisation erleiden und in einen Zustand übergeführt werden, bei dem an ihren Außenflächen eine elektrische Spannung abgenommen werden kann. Für die praktische Verwendbarkeit derartiger Elektrete hat es sich jedoch bisher als nachteilig erwiesen, daß die einzuladenden Elektrizitätsmengen nur sehr gering sind, so daß schon bei einer relativ geringen äußeren Belastung des Elektreten keine definierte Spannung mehr festzustellen ist bzw. daß die Spannung bei einer solchen Belastung zusammenbricht. Dazu kommt noch, daß die Einbringung elektrischer Energie in die bisher bekannten Elektrete nur mittels einer ther- so mischen Vorbehandlung möglich ist, die auch eine Voraussetzung für die Möglichkeit einer Wiederherausnahme der elektrischen Energie aus dem Elektreten darstellt. Mit anderen Worten muß also sowohl bei der Ladung als auch bei der Entladung der Elektret durch Erhitzen bis zum Schmelzen in den flüssigen Zustand übergeführt werden. Aus diesen Gründen hat sich ein bekannter Akkumulator mit einer dielektrischen Schicht praktisch nicht bewährt.

Angesichts einer Reihe vorteilhafter Eigenschaften der Elektrete besteht jedoch der Wunsch, diese Stoffe derart weiterzuentwickeln, daß sich mit ihnen Elektrizitätsspeicher bauen lassen, die die Vorteile der bekannten Akkumulatoren aufweisen, ohne ihre Nachteile zu besitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen zwischen vorzugsweise metallischen Elektroden angeordneten gequollenen Elektreten, der sich dauernd in halbfestem oder halbflüssigem Zustand befindet, gelöst.

Als Vorteile der erfindungsgemäßen Zelle sind vor allem ihre einfache Herstellung, die eine wirtschaftliche Fertigung erlaubt, zu nennen und außerdem ihre völlige Unempfindlichkeit sowohl gegen Überladung als auch gegenüber Kurzschluß und Stehen in entladenem Zustand. Dazu kommt noch, daß beim Betrieb einer mit einem solchen Elektreten aufgebauten Zelle keinerlei aggressive Gase oder Dämpfe frei werden und sie auch keine ätzenden Flüssigkeiten enthält, die bei einem Auslaufen aus einem Akkumulator zu Zerstörungen in der Umgebung führen könnten, wie dies bei den bekannten alkalischen oder sauren Akkumulatoren immer wieder auftritt.

Elektrische Zelle, bei der die elektrische Energie in einem Elektreten gespeichert ist.

Anmelder:

Varta Aktiengesellschaft,

Hagen (Westf.), Dieckstr. 42

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Joachim Euler,
Dr. Paul Scholz, Frankfurt/M.

In besonderer Ausgestaltung einer elektrischen Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Elektret, der sich zwischen den metallischen Elektroden befindet, aus einem oder einem Gemisch mehrerer Kunststoffe bestehen, dem bzw. denen Quellmittel und/oder spezifische Lösungsmittel zugesetzt sind. An die Stelle der Kunststoffe können natürlicher oder künstlicher Gummi treten, die ebenfalls durch Quellmittel und/oder spezifische Lösungsmittel erweicht sind. Weiterhin ist es möglich, statt der vorgenannten Stoffe auch monomere feste organische Stoffe zu benutzen, die Quellmittel und/oder spezifische Lösungsmittel zugesetzt erhalten.

Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zelle besteht darin, daß der Elektret aus Stoffen aufgebaut ist, von denen mindestens einer als Bindemittel für mindestens einen der anderen Stoffe dient, z. B. Zellulosederivate,. Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat oder Polyvinylacetat.

Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dem Elektreten Stoffe zuzusetzen, die zur Bildung von Ionen befähigt sind. Als solche Stoffe kommen vor allem Salze in Frage, die im Quellmittel und/oder Lösungsmittel löslich sind. Zweckmäßigerweise werden diese Salze in wasserfreier Form verwendet, wobei sich insbesondere die Halogenide als geeignet erwiesen haben. Allgemein kommen vor allem anorganische Salze in Betracht, wobei die des Zinks, des Cadmiums, des Eisens, des Bleis und des Mangans besonders brauchbar sind.

Zur Herstellung einer elektrischen Zelle, wie sie oben näher geschildert ist, hat es sich als günstig erwiesen, den Kunststoff, Gummi und die ihm zugesetzten Stoffe auf der Walze zu einem Fell zu verarbeiten, das dann in passende Stücke geschnitten und mit den metallischen Elektroden fest zu einem einheitliehen Ganzen verbunden wird. Ein anderer Weg zur Herstellung der Zelle gemäß der Erfindung besteht darin,

509 570/169

daß man aus einem Stoff, der Elektrete zu bilden vermag, ein Gewebe oder ein Vlies herstellt, das dann mit Quellmitteln und/oder spezifischen Lösungsmitteln behandelt wird. Diese Quellmittel und/oder Lösungsmittel können in Form von Dämpfen verwendet werden.

Zur weiteren Erläuterung des Herstellungsverfahrens für eine Zelle nach der Erfindung sei im nachstehenden noch eine Reihe von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Beispiel 1

2 g Äthylzellulose, 2 g Polyacrylnitril und 10 cm³ Dimethylformamid werden zu einer homogenen Masse verarbeitet und in 1 mm Dicke zwischen Metallelektroden angeordnet. Die Ladung erfolgt mit 1,5 mA/cm² bei 6 V oder mit 25 mA/cm² bei 12 bis 20 V. Die offene Spannung nach der Ladung liegt bei etwa 1 V, der Kurzschlußstrom bei 0,5 mA/cm². Gespeichert werden bei lOminütiger Entladung etwa 0,2 mAh/cm⁸ bzw. etwa 0,1 mWh/cm³.

Beispiel 2

3 g PVC-Pulver werden mit 2 g Trikresylphosphat und etwa 5 cm⁸ Dimethylformamid zusammengerührt und als Paste zwischen zwei Metallfolien gebracht. Die Ladung beginnt bei 1 mA/cm² mit 180 V und sinkt bis 5 V ab. Die Entladung zeigt eine offene Spannung von 0,2 V, einen Kurzschlußstrom von 50 μΑ/cm² und ein Speichervermögen von 0,1 mAh/ cm⁸ bzw. 0,01 mWh/cm⁸ lOminütig.

Beispiel 3

1 g einer Aryl-Alkyl- Ammonium -Verbindung, 1 g Polyacrylnitrilpulver und 0,5 bis 2 g Formamid werden zu einem steifen Sirup verrührt, der etwa 1 mm stark zwischen Metallelektroden gebracht wird. Die Entladeversuche zeigen folgendes Bild:

Ladung 2 bis 3 V bei 1 mA/cm²

Entladung U₀ etwa 1 V,

In etwa 0,5 mA/cm²
lOminütige Speicherung 0,4 mAh/cm³ bzw.

0,3 mWh/cm³
lOminütiger Ah-Wirkungsgrad 90%

Selbstentladung 2 bis 3 % am Tag

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Zelle läßt sich eine große Zahl verschiedenartiger Kunststoffe verwenden, von denen als Beispiele Polyacrylnitril und sein Kopolymer mit Methylmethacrylat, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polyamide A und B genannt seien.

Daneben kommt noch eine Reihe von Zellulosederivaten in Betracht, wobei sich Methylzellulose als am besten brauchbar erwiesen hat. Es eignen sich aber auch Carboxymethylzellulose und ihre Natrium- und Ammoniumsalze. Bei Äthylzellulose steigt die Eignung mit dem Molekulargewicht. Auch Benzylzellulose hat sich als brauchbar erwiesen. Geeignet ist noch eine Reihe weiterer organischer Stoffe, beispielsweise Nitrilkautschuk, bestimmte Phenoplaste, Monovinylcarbazol und Alkyl-Benzyl-Ammoniumchlorid.

Für die Überführung dieser Stoffe in den halbfesten bzw. halbflüssigen Zustand eignen sich grundsätzlich alle für die Lösung von Kunststoffen üblichen Lösungsmittel, wobei lediglich die reinen Kohlenwasserstoffe und eine Reihe anderer sehr wasserunähnlicher, d. h. dipolarmer Lösungsmittel ausscheiden. Als besonders geeignet haben sich Alkohole, z. B. Benzylalkohol, und Säureamide, z. B. Formamid, Dimethylformamid, N-Methylformamid und N-Methylacetamid, erwiesen. Zur Quellung von Polyvinylchlorid lassen sich sowohl Tetrahydrofuran als auch Dimethylformamid verwenden. Weitere brauchbare Quellmittel sind verschiedene Nitrile, z. B. Benzonitril oder Acetonitril.

Als brauchbare Materialien für die Elektroden hat sich insbesondere Kupfer für die positive und Zink für die negative Elektrode erwiesen; es ist aber auch möglich, beide Elektroden aus Kupfer oder aus Silber herzustellen. Eine andere brauchbare Kombination ist Zink für die negative und Nickel für die positive Elektrode.

Statt eines Zusatzes von Salzen ist auch der Zusatz von organischen oder anorganischen Säuren in wasserfreier Form, z. B. von Trichloressigsäure oder Phosphorpentoxyd, oder auch von wasserfreien starken Basen, z. B. von Piperidin oder Kaliumoxyd, möglich.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrische Zelle, bei der die elektrische Energie in einem Elektreten gespeichert ist, gekennzeichnet durch einen zwischen vorzugsweise metallischen Elektroden angeordneten gequollenen Elektreten, der sich dauernd in halbfestem oder halbflüssigem Zustand befindet.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret aus einem oder einem Gemisch von mehreren Kunststoffen besteht, dem bzw. denen Quellmittel und/oder spezifische Lösungsmittel zugesetzt sind.

3. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret aus natürlichem oder künstlichem Gummi besteht, dem Quellmittel und/oder Lösungsmittel zugesetzt sind.

4. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret aus einem monomeren festen organischen Stoff besteht, dem Quellmittel und/oder spezifische Lösungsmittel zugesetzt sind.

5. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret aus einem Gemisch mehrerer Stoffe besteht, von denen mindestens einer als Bindemittel für einen oder mehrere der anderen Stoffe dient.

6. Verfahren zur Herstellung einer Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektret und die ihm zugesetzten Stoffe auf der Walze zu einem Fell verarbeitet werden.

7. Verfahren zur Herstellung einer Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewebe oder ein Vlies aus einem elektretbildenden Stoff mit Quell- und/oder spezifischen Lösungsmitteln behandelt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Quell- und/oder Lösungsmittel in Form von Dämpfen verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 345047;
Elektrotechnische Zeitschrift, Ausgabe B, 1959, H.

9, S. 363.

509 570/169 5.65 © Bundesdruckerei Berlin