DE69218490T2

DE69218490T2 - Zink-Sekundärbatterie mit bipolären Elektrodeplatten die horizontal gelagert sind

Info

Publication number: DE69218490T2
Application number: DE69218490T
Authority: DE
Inventors: Allen Charkey
Original assignee: Energy Research Corp
Current assignee: Evercel Inc
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2012-05-01
Also published as: US5264305A; JPH05101843A; EP0512417A1; EP0512417B1; DE69218490D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine aufladbare Batterie bzw. Sekundärbatterie unter Verwendung von negativen Zinkelektroden. Innerhalb jeder Zelle dient eine bipolare Nickelplatte als Trennung zwischen der horizontal angeordneten positiven und negativen Elektrode benachbarter Zellen, und die positive Elektrode ist oberhalb der negativen Zinkelektrode angeordnet.
Eine Batterie dieser Art ist aus US-A-2 740 821 bekannt. In dieser Batterie wird wäßriges KOH als Elektrolyt verwendet, und ein Austritt des Elektrolyten aus den einzelnen Zellen wird durch eine Beschichtung der Kanten der Nickelplatte mit Kunststoff verhindert.
FR-A- 2 118 218 offenbart eine ähnliche Batterie.
FR-A- 1 120 255 offenbart eine abgedichtete Alkalibatterie mit einer in jeder Zelle horizontal angeordneten positiven und negativen Platte. Die Zellen sind vertikal gestapelt und eine Kompression des Zellenstapels wird durch Verwendung von Druckplatten erreicht, die an den leitenden Platten anliegen. Ein Anschluß ist mit den leitenden Platten über eine Öffnung in den Druckplatten verbunden.
Negative Zinkelektroden herkömmlicher Sekundärbatterien (z. B. Ni-Zn, Ag-Zn, O&sub2;-Zn, etc.) zeigen mit wiederholtem Lade- Entladezyklus der Batterie eine Abnahme der nutzbaren Kapazität. Da die Batterie und somit jede negative Zinkelektrode zyklisch beansprucht wird, gibt es eine Rückverteilung und Verdichtung des aktiven Elektrodenmaterials von den Rändern der Elektrode zum Zentrum der Elektrode hin. Dies führt zu einem Verlust von Oberflächenbereich mit einem damit zusammenhängenden Verlust an Batteriekapazität.
Über die Jahre wurden viele unterschiedliche Batteriekonstruktionen vorgeschlagen, um diese "Formänderung" der Zinkelektrode zu verringern. Diese unterschiedlichen Batteriekonstruktionen haben primär Versuche umfaßt, herkömmliche monopolare Batterien zu modifizieren, in welchen die Batterieelektroden und anderen Komponenten Seite an Seite vertikal angeordnet sind. Die modifizierten monopolaren Batterien waren jedoch nicht dazu in der Lage, die Faktoren vollständig abzuschwächen, von denen angenommen wird, daß diese zur Änderung der Form der Zinkelektrode beitragen. Diese Faktoren umfassen im folgenden:
1. Ungleiche Strombereiche auf der Oberfläche der Zinkelektroden, was bewirkt, daß sich aktives Zinkmaterial ungleichmäßig auflöst und wieder abscheidet.
2. Die pH-Gradienten des Elektrolyten, die eine ungleichmäßige Auflösung des aktiven Zinkmaterials über die gesamte Elektrodenoberfläche bewirken.
3. Durch Schwerkraft bewirkte Konzentrationsgradienten des Elektrolyten, die sich aus einer ungleichmäßigen Zinkatbewegung über der gesamten Zinkelektrode während der Ladung und Entladung ergibt.
Die Erfindung nach Anspruch 1 löst das Problem, wie eine Zink-Sekundärbatterie gestaltet sein muß, die dicht und wartungsfrei ist und in welcher die Lebensdauer der Batterie vergrößert ist, wohingegen eine Formänderung der negativen Zinkelektrode geringer ausfällt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Batterieaufbau umfaßt eine Mehrzahl von Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle eine negative Zinkelektrode und eine gegenüberliegende positive Elektrode aufweist. Die Batterie umfaßt ferner leitende bipolare Platten oder Substrate, welche zu den Batteriezellen derart angeordnet sind, daß eine bipolare Platte zwischen aufeinanderfolgenden Zellen angeordnet ist und für eine elektrische Leitfähigkeit zwischen diesen sorgt. Mit den so angeordneten bipolaren Platten neigt der durch die Batterie gehende Strom dazu, gleichförmiger zu sein. Als ein Ergebnis davon erfahren die negativen Zinkelektroden eine geringere Formänderung.
Die Formänderung der Zinkelektroden wird ferner reduziert, indem die Zellen und die bipolaren Platten zusätzlich in einem vertikalen Stapel horizontal geordnet werden und indem jede Zelle derart angeordnet ist, daß sich ihre negative Zinkelektrode unterhalb ihrer positiven Elektrode befindet. Durch die horizontale Anordnung der Zellen und Platten werden die Einflüsse von Schwerkraft und Elektrolytbeschichtung verringert, was bewirkt, daß eine von diesen Einflüssen herrührende Formänderung ebenfalls verringert wird. Das Positionieren jeder negativen Zinkelektrode unterhalb ihrer entsprechenden positiven Elektrode führt zudem dazu, die Zinkelektrode näher beim gelösten Zink zu halten, wodurch ein Wiederabscheiden des Zinks und ebenso eine Verringerung der Formänderung gefördert wird.
Jede Batteriezelle umfaßt einen Separator, der zwischen ihrer jeweiligen positiven und negativen Elektrode liegt. Ferner ist ein leitfähiges Substrat bzw. eine leitfähige Platte oberhalb der obersten Batteriezelle und unterhalb der untersten Batteriezelle angeordnet. Diese Platten sorgen für eine elektrische Verbindung mit Sammlerplatten von Batterieanschlüssen, deren Anschlußpfosten sich von den Sammlerplatten zu Punkten außerhalb der Batterie erstrecken. In dieser Ausführungsform sind ferner die leitfähigen Substrate und bipolaren Platten jeweils aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial ausgebildet, sind die Batteriezellen abgedichtet, um einen Elektrolytaustritt zu verhindern und werden die Zellen und Platten zwischen Druckplatten gehalten, um eine dichte Batterieeinheit zu bilden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die obigen und weiteren Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden, detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher, in welchen:
Fig. 1 eine Zink-Sekundärbatterie in Übereinstimmung mit den Grundzügen der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine Zink-Sekundärbatterie 1 in Übereinstimmung mit den Grundzügen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt umfaßt die Batterie 1 zwei horizontal angeordnete, vertikal gestapelte Batteriezellen, die als obere Zelle 3 und untere Zelle 4 dargestellt sind. Zwischen den Zellen 3 und 4 ist eine leitfähige bipolare Platte bzw. ein solches Substrat 5 angeordnet. Die Platte 5 verbindet die Zellen 3 und 4 elektrisch, so daß die Zellen in Reihe liegen und sich ihre Spannungen addieren.
Insbesondere umfaßt jede Batteriezelle 3 und 4 eine positive Elektrodenkomponente 6, eine unterhalb der positiven Komponente 6 liegende negative Elektrodenkomponente 7 und einen Separator 8, der zwischen der postiven und der negativen Komponente 6 und 7 angeordnet ist. Wie dargestellt umfaßt die positive Elektrodenkomponente 6 jeder Zelle eine oberseitige Stromkollektorplatte 6A und eine bodenseitige positive Elektrode 6B. Jede negative Elektrodenkomponente 7 umfaßt in gleicher Weise eine oberseitige negative Zinkelektrode 7B und eine bodenseitige Stromkollektorplatte 7A. Das bipolare Substrat 5 stößt somit auf seiner Oberseite 5A an den Stromkollektor 7A der negativen Zinkelektrodenkomponente 7 der oberen Zelle 3 und auf seiner Unterseite 5B an den Stromkollektor 6A der positiven Elektrodenkomponente 6 der unteren Zelle 4.
Wie dargestellt, ist jede der Zellen 3 und 4 ferner mit verschließenden und druckabsorbierenden Dichtungen, welche die Zellen gegen den Austritt von Elektrolyt abdichten und ferner gestatten, daß die Zellen beim Bilden der Batterie 1 vertikalen Druckkräften ausgesetzt werden. So sind Separatordichtungen 9 an entgegengesetzten Enden jeder der an den Separator 8 anstoßenden Elektroden 6B und 7B jeder Zelle angeordnet. Diese Dichtungen verhindern das Austreten von Elektrolyt auf die Stromkollektoren vom jeweiligen Separator und den jeweiligen Elektroden.
Selbstklebende Dichtungen 21 sind in jeder Batteriezelle zwischen den Enden der Stromkollektoren 6A und 7A und angrenzend an die Dichtungen 9 zusätzlich vorgesehen, um noch weiter vor einem Elektrolytaustritt zu schützen. Diese Dichtungen absorbieren auch Druckkräfte, die während der Herstellung der Batterie 1 durch die Endplatten 11 und 12 auf die Zellen ausgeübt werden, so daß diese Kräfte die Elektroden und andere Zellkomponenten nicht zu sehr zusammendrücken und beschädigen.
Wie dargestellt, sind die Endplatten 11 und 12 von wabenförmiger Gestalt und sind in Verbindung mit einem jeweiligen positiven und negativen Batterieanschluß 13 und 14 versehen. Jeder Batterieanschluß umfaßt einen zentralen Pfosten 15, welcher sich durch seine jeweilige Druckplatte 11 oder 12 hindurch, zu einer leitfähigen Sammlerplatte 16 hin erstreckt, welche die Oberfläche der Druckplatte im Inneren der Batterie begrenzt. Jede Sammlerplatte 16 ist wiederum über ein leitfähiges Substrat bzw. eine leitfähige Platte 17, welche im Aufbau der bipolaren Platte 5 ähnlich ist, mit der angrenzenden Batteriezelle 3 bzw. 4 elektrisch verbunden. Auf den Außenflächen der Druckplatten sind ferner Isolierelemente 18 vorgesehen, um alles mit Ausnahme der äußeren Enden der Batteriepfosten zu isolieren.
Mit der so wie oben beschrieben konstruierten Batterie 1 geht ein Strom von den Batteriezellen 3 und 4 vertikal nach oben durch die horizontal angeordneten Hauptflächenbereiche der Batteriekomponenten hindurch (das heißt, die Platten 17, Stromkollektoren 6A und 7A, Elektroden 6B und 7B, die bipolare Platte 5 und die Sammlerplatten 16). Der Anschluß 14 wird somit der negative Anschluß der Batterie in bezug zum Anschluß 13, und die Batteriespannung wird zu der Reihensumme der Spannungen der Zellen 3 und 4.
Der Elektrolyt für die Batterie 1 wird entweder in den Separatoren 8 der Zellen 3 und 4 oder in den an solche Separatoren angrenzenden Elektrodenbereichen gehalten. Als Ergebnis davon gibt es keinen freien Elektrolyten in den Zellen. Der Elektrolyt kann durch Durchgänge 19 in den Dichtungen 21 hindurch in jede Zelle eingeführt werden. Dies kann durch Einführung eines Rohres durch die Durchgänge hindurch und durch Verwendung einer Spritze oder eines ähnlichen Werkzeugs, um den Elektrolyten durch das Rohr in die Zelle einzuspritzen, erreicht werden.
Hinsichtlich der Ausbildung der Batterie 1 können die leitfähigen Substrate 5 und 17 jeweils ein mit Kohlenstoff gefülltes Kunststoffmaterial umfassen, um das Substrat elektrisch leitfähig zu machen. Ein typisches Material dieser Art wird unter dem Namen Condulon durch James River Co. verkauft. Die Substrate sind zudem vorzugsweise relativ dünn ausgebildet, um so Widerstandseinflüsse der Substrate auf den Stromfluß zu verringern. Eine für die Substrate verwendete typische Dicke kann 0,1 mm betragen, und ein typischer spezifischer Widerstand kann 0,7 Ωcm betragen.
Die negativen Zinkelektroden 7B und die positiven Elektroden 6B jeder Zelle können jeweils ausgebildet sein, indem das aktive Elektrodenmaterial in ein kunststoffartiges Material aufgenommen ist, entsprechend den Lehren des US-Patents 3 898 099, das auf den gleichen, in dieser Sache Übertragenen übertragen ist, und dessen Lehren hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die negativen Zinkelektroden können eine beliebige Anzahl von aktiven Zinkmaterialien umfassen. Ein typisches Material kann ZnO sein und eine typische Elektrodenformulierung kann sein 92 % ZnO, 1 % CdO, 1 % PbO und 6 % Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die positiven Elektroden 6B wiederum können jeweils eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen positiven aktiven Materialien umfassen, wie beispielsweise Nickel oder Silber. Ein typisches aktives Nickelmaterial kann Ni(OH)&sub2; sein, und eine typische Formulierung für eine positive Elektrode kann sein 66 % Ni(OH)&sub2; enthaltend 3 % Co(OH), 30 % Graphit und 4 % PTFE. Der in der vorerwähnten Formulierung verwendete Graphit kann spinellbeschichtet sein, wie im US-Patent 4 456 058 gelehrt, das ebenfalls auf den in dieser Sache Übertragenen übertragen ist, und dessen Lehren hier ebenfalls durch Bezugnahme mit aufgenommen sind.
Die Stromkollektoren 6A und 7A jeder Zelle können jeweils eine leitende Folie, wie z. B. Kupfer umfassen, welche Perforationen aufweist oder durchlöchert worden ist. Diese Folie kann auch z. B. mit Silber plattiert sein.
Die Druckplatten 11 und 12 der Batterie können aus in wabenförmiger Gestalt hergestelltem Aluminium ausgebildet sein. Die Sammlerplatten 16 der Anschlüsse 13 und 14 wiederum können mit Nickel plattiertes Kupfer aufweisen, wobei die Pfosten 15 Kupfer aufweisen können.
Einige der Komponenten der Batteriezellen 3 und 4 können als Einheiten mit den anliegenden Substraten 5 und 17 ausgebildet sein. So können die positive und negative Zinkelektrodenkomponente 6 und 7 jeder Zelle jeweils als ein Laminat ihres Stromkollektors und ihrer Elektrode gebildet sein. Dieses Laminat wiederum kann dann selbst unter Verwendung eines leitfähigen Haftmittels und unter Aufbringung von Wärme und Druck an das anstoßende leitfähige Substrat laminiert sein. Im Falle des bipolaren Substrats 5, könnte das Substrat in dieser Weise als Verbundlaminat mit einer auf seiner Oberseite auflaminierten negativen Elektrodenkomponente 7 und einer auf seiner Unterseite auflaminierten positiven Elektrodenkomponente 6 ausgebildet sein. Ebenso könnten das obere und untere Substrat 17 mit ihrer anliegenden Elektrodenkomponente 6 bzw. 7 laminiert sein.
Die in den Zellen 3 und 4 verwendeten Separatoren 8 können ein nicht-leitendes poröses Material umfassen, welches einen Ionenfluß zwischen den getrennten Elektroden gestattet. Typischerweise kann jeder Separator eine Mehrschichtstruktur haben, um den Ionenfluß zu steuern. Eine nützliche Konstruktion könnte externe Schichten aus einem Nonwoven-Polyamid, wie beispielsweise Pellon 2516, welches innere Grenzschichten eingefügt hat, die z. B. von Celgard K306, hergestellt durch Hoerscht Chemical, gebildet werden.
Für jede der Zellen 3 und 4 der Batterie 1 kann eine beliebige Anzahl von Elektrolyten verwendet werden. Ein typischer Elektrolyt kann KOH oder ein Gemisch aus KOH und LiOH sein. Eine besondere Formulierung eines solches Gemisches könnte 35 % KOH mit 1 % LiOH enthalten.
Obwohl die Batterie 1 im Hinblick auf zwei Batteriezellen 3 und 4 dargestellt wurde, kann die Batterie jede beliebige Anzahl von horizontal angeordneten, vertikal gestapelten Batteriezellen aufweisen. Jedes aufeinanderfolgende Paar von Zellen würde natürlich durch ein leitfähiges bipolares Substrat 5 getrennt sein, um die Zellenpaare elektrisch in Reihe zu schalten. Zudem können die positiven Elektroden auch anders als aus aktivem Nickel- oder Silbermaterial gebildet sein. So könnte jede positive Elektrode auch eine Sauerstoffelektrode sein.
Mit der wie oben beschrieben gestalteten Batterie 1 der Erfindung sorgen die bipolaren Substrate 5 und die leitfähigen Substrate 17 fur eine größere Stromgleichmäßigkeit in der ganzen Batterie. Dies führt dazu, daß Spannungsdifferenzen zwischen Bereichen auf den Elektroden und somit das Auftreten einer Formänderung in den negativen Zinkelektroden vermindert werden/wird. Zudem werden, da Strom rechtwinklig zu der Elektrodenoberfläche und gleichzeitig durch die dünnen leitfähigen Substrate 5 und 17 hindurch gesammelt wird, Unterschiede in Stromdichten vermindert. Dies hemmt ferner eine Formänderung der Zinkelektroden.
Die horizontale Ausrichtung und vertikale Stapelung der Batteriekomponenten führt ferner dazu, daß die durch Schwerkraft bewirkten Konzentrationsgradienten des Elektrolyts verringert werden. Somit wird die Bewegung des Elektrolyts verringert, wie auch eine daraus resultierende Formänderung der Zinkelektrode. Schließlich enthalten die Zellen 3 und 4, wie oben ausgeführt, keinen freien Elektrolyten. Die Löslichkeit von aktivem Zinkmaterial ist somit herabgesetzt, wie auch jede dadurch bedingte Formänderung.

Claims

1. Batterie (1) mit:

einer Mehrzahl von Batteriezellen (3, 4), wobei die Mehrzahl von Batteriezellen (3, 4) alle Batteriezellen (3, 4) in der Batterie (1) bilden und jede Batteriezelle (3, 4) umfaßt: eine negative Zinkelektrode (7) und eine entgegengesetzte positive Elektrode (6);

einer Anzahl von leitfähigen bipolaren Platten (5), wobei jede der bipolaren Platten eine einander entgegengesetzte erste und zweite Oberfläche (5A, 5B) aufweist und über die Ausdehnung der ersten und der zweiten Oberfläche (5A, 5B) durch die Dicke der Platte (5) hindurch elektrisch leitend ist;

wobei die Batteriezellen (3, 4) und die leitfähigen bipolaren Platten (5) derart angeordnet sind, daß zwischen jedem aufeinanderfolgenden Paar von Batteriezellen (3, 4) eine bipolare Platte (5) angeordnet ist, um elektrische Leitfähigkeit zwischen diesen zu erzeugen;

wobei die Batteriezellen (3, 4) und die leitfähigen bipolaren Platten (5) ferner in einem vertikalen Stapel horizontal angeordnet sind, derart, daß die positive Elektrode (6B) der Batteriezelle (3, 4) oberhalb der negativen Zinkelektrode (7B) der Batteriezelle (3, 4) liegt,

einer ersten leitfähigen Platte (17), die oberhalb und in elektrischem Kontakt mit der oberen Elektrode (6B) der obersten Batteriezelle (3) in dem Stapel angeordnet ist;

einer zweiten leitfähigen Platte (17), die unterhalb und in Kontakt mit der unteren Elektrode der untersten Batteriezelle (4) in dem Stapel angeordnet ist;

einem ersten und einem zweiten Batterieanschluß (13, 14) mit einer ersten und einer zweiten leitfähigen Sammlerplatte (16), die jeweils in elektrischem Kontakt mit der ersten bzw. zweiten leitfähigen Platte (17) sind,

gekennzeichnet durch

eine erste und eine zweite Druckplatte (11, 12), die jeweils an der ersten bzw. der zweiten leitfähigen Sammlerplatte (16) angeordnet ist, um den Stapel der Batteriezellen (3, 4) und der bipolaren Platten (5) zusammenzudrücken;

wobei der erste und der zweite Batterieanschluß (13, 14) jeweils einen ersten bzw. einen zweiten Pfosten (15) umfaßt, welcher durch Öffnungen in der ersten bzw. zweiten Verdichtungsplatte (11, 12) hindurchgeht und die erste bzw. zweite leitfähige Sammlerplatte (16) berührt;

einen elektrisch nicht-leitfähigen Separator (8) zwischen der positiven und negativen Zinkelektrode (6B, 7B) jeder der Batteriezellen (3, 4);

wobei bei jeder der Elektroden (6B, 7B) ein leitender Stromkollektor (6A, 7A) an einer Oberfläche der Elektrode (6B, 7B) anliegt;

eine Separatordichtung (9), die an jedem Ende jeder der positiven und negativen Zinkelektroden (6B, 7B) angeordnet ist;

und eine Dichtung (21), die an jedem Ende der Zelle (3, 4) angeordnet ist und an die Separatordichtungen (9) am Ende der Zelle (3, 4) anstößt.

2. Batterie in Übereinstimmung mit Anspruch 1, in welcher:

jede der ersten und der zweiten Druckplatten(11, 12) eine Wabenstruktur aufweist.

3. Batterie in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1 oder 2, in welcher:

jede bipolare Platte (5) einen leitenden Kunststoff aufweist;

und der Kunststoff durch in dem Kunststoff enthaltenen Kohlenstoffleitfähig gemacht ist.

4. Batterie in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher:

jede Batteriezelle (3, 4) einen auf den Separator (8) und auf die an den Separator (8) angrenzenden Bereiche der positiven Elektrode (6B) und der negativen Zinkelektrode (7B) begrenzten Elektrolyten umfaßt.

5. Batterie in Übereinstimmung mit Anspruch 4, in welcher:

der Elektrolyt KOH umfaßt.

6. Batterie in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 5, in welcher:

die positiven Elektroden (6B) der Batteriezellen (3, 4) jeweils aktives Material aus Nickel oder Silber umfassen.

7. Batterie in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 5, in welcher:

die positiven Elektroden (6B) der Batteriezellen (3, 4) Sauerstoffelektroden sind.