EP0182852A1

EP0182852A1 - Bleibatterie

Info

Publication number: EP0182852A1
Application number: EP85902627A
Authority: EP
Inventors: Ivan Lipovetz; Peter GYÖRGYFALVAY; Oszkar Rihmer; Johann Willinger
Original assignee: GYORGYFALVAY PETER; Gyorgyfalvay Peter; LIPOVETZ Ivan; RIHMER Oszkar
Current assignee: GYORGYFALVAY PETER; Gyorgyfalvay Peter; LIPOVETZ Ivan; RIHMER Oszkar
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1986-06-04
Also published as: HUT40536A; HU196533B; WO1985005738A1

Description

BLEIBATTERIE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bleibatterie, die in Reihe geschalteten Zellen enthält, von denen die zwei aussenseitigen Zellen nit elektrischen Anschlüssen verbunden sind, und in den einzelnen Zellen voneinander durch entsprechende Raumabstände getrennte Elektroden angeordnet sind, während zwischen den einzelnen Zellen flüssigkeitsnichtdurchlässige Trennwände eingesetzt sind. Der Akkumulator ist bekannterweise mit verdünnter Schwefelsäure mit einer Konzentration von 25 bis 40 % gefüllt. Die erfindungsgemässe Bleibatterie kann auch in geschlossener Ausführung erzeugt werden, wobei eine die bekannten spezifischen Leistungen (Leistung pro Gewichteinheit) weit übertreffende spezifische Lsitung abgegeben werden kann;

Stand der Technik

Im Laufe der Fertigung der Bleibatterien wird die aus Bleioxyd und Bleisulfat (Bleivitriol) bestehende aktive Masse der Elektroden auf das herkömmlich als Pressguss hergestellte Gitter bekannterweise aufgeatrichen, dann die aktive Masse wird getrocknet und damit die relative grosse Oberfläche für den Ablauf der erwünschtoa chemischen Reaktionen gesichert. Das Material des Trägergitters ist mit gewönlichen Legierungsatoffen gehärtetes Blei, das gegen Schwefelsäure als Elektrolyt weniger beständig ist. Die Bleibatterien sind aus Zellen aufgebaut, wobei, die einzelnen Zellen mit Wänden aus Isoliermaterial versehen sind. In einer Zelle sind mehrere benachbarten Elektrodenplatten nebeneinander angebracht und wechselweise an einer Anodenschiene bzw.. Katodenschiene angeschlossen. Neben einer, als eine Katode dienender und während der Formatierung der Batterie perös werden den Bleiplatte ist eine andere, während der Formatierung mit Bleidioxyd zu überziehende und als Anode dienende Bleiplatte angeordnet. Ea folgt aud dem dargestellten Aufbau, daaa die bekannten Ausführungaformen der Bleibatterien eine ziemlich grosse Menge Blei enthalten, das in den in der Batterie abspielenden chemischen Vorgängen nicht immer völlig ausgenutzt ist. Wegen der Stromabführung durch die Schienen entateht in vielen Fällen ein schädlicher Spannungsgradient. Als dessen Folge ist das Gewicht der mit dem besten Wirkungsgrad arbeitenden bekannten Bleibatterien sehr hoch. Statt dea theoretischen Grenzwertes der Energiedichte von 175 Wh/kg iat heutzutage eine Energiedichte von 38 Wh/kg knapp erreicht. Ausser dem Blei spelen darin auch die inneren Führungsschienen eine wesentliche Rolle, die wiederum ein bedeutendes Gewicht darstellen. Eine weiterer Nachteil besteht darin, dass beim starken Entladen der Batterie ein Teil der aktiven Masse aus dem Trägergitter herausfällt und die Kapazität der Batterie sich langsam abnimmt.

Die Batterien für Kraftfahrzeuge sollen zahlreiche, einander entgegengesetzten Forderungen gleichzeitig befriedigen. Es soll einerseits die Möglichkeit einer gropsen Stromentnahme beim Anlassen des Fahrzeuges und andererseits eine ununterbrochene Stromspeiaung der elektrischen Einheiten des Fahrzeuges, gesichert werden. Bein Ungehen nit einer Bleibatterie soll auch die Grösse dea Ladestrones und auch des Entladestromes beachtet werden. Bei der Verwendung einer Ladespannung oder einer Laatspannung grösser als 2,38 V zerfällt das in der Elektrolyt befindliche Wasser elektrolytisch, so darf die genannte Spannunsgrenze während des Betriebes der Batterie nicht langzeitig überstiegen werden. Da dieae Möglichkeit nicht eindeutig auageschlossen werden kann, und während des Betriebes sich irgendwelches Gas bildet können die völlig geschlossenen Ausführungen, also jene ohne Gasauslassöffnungen nur bei einem relative komplizierten Aufbau und spezieller Materialwahl verwendet werden,

Darstellung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Bleibatterie zu schaffen, die von den obengenannten Nachteilen befreit eine grössere Energiedichte aichert ala die bekannten Auaführungsfornen, so dass die gleiche Leistung bei gleichen Abnessungen und kleineren Gewicht abgegeben werden kann. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die bisher weiterverbreitet verwendeten dicken Bleigitter abgelöst werden können, wenn die bekannte

Technologie der gestrichenen Platten nit einer anderen Technologie abgelöst wird.

Die gestellte Aufgabe, eine Bleibatterie zu schaffen wurde nit einer beständigen, für gleichnässige Benutzungen besonders gut planbaren Bleibatterie gelöat,die in Reihe geschalteten Zellen enthält, von denen die zwei aussenseitigen Zellen mit elektrischen Anachlüssen verbunden sind, und in den einzelnen Zellen voneinander durch eatsprechende Raunabatände getrennte Elektroden angeordnet und zwischen den Zellen flüssigkeitsdichte

Trennwände eingesetzt sind.Die Elektroden sind erfindungsgemäss als eine aus Blei als Ausganganaterial durch Metallapritzen aufgetragene Schicht ausgebildet. Die Elektroden können bevorzugt auf einer Bleiplatte ausgebildete Oberflächen sein, welche zwischen den Trennwänden angebracht werden, wobei die die Zellen trennende Wand aus einem gegen die verdünnte Schwefelsäure beständigen Metall oder metalliach leitenden Material, z.B. aua Grafit oder zwecknässig aus einer mindestens 0, 1 mm dicken Bleiplatte hergestellt ist. An dieser Bleiplatte bilden die Elektroden eine ein- od er nehrachichtige Konstruktion mit Bleigrundstoff,

Vom Standpunkt des Betriebes der Batterie hat sich als besonders vorteilhaft bewiesen, wenn in der Elektrode eine solche Schicht ausgebildet ist, die aus mit Bariumsilizid von 0, 1 bis 2,0, bevorzugt von 0,6 Gewichtsprozent legierten Blei besteht. Zar Verbesserung der mechanischen Festigkeit und zur Begrenzung der in Laufe der elektrochemischen Vorgänge auftretenden Deformationen iat zwischen den Schichten an mindestens einer Stelle ein Netz aus Iaoliermaterial, z.B. aus gewascheoen also von Natrium befreiten Glasfaser eingebaut, dessen Rand die mit der Elektrode bedeckte Oberfläche des Trägers oder der Trennwand überragt. Es ist ersichtlich, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Bbibatterie die die Zellen trennende und elektrolisch leitende Wand gleichzeitig die die benachbarten Zellen ausfüllenden Flüssigkeiten voneinander trennt und zwischen der einen Elektrode gegebener Polarität der einen Zelle und der anderen Elektrode entgegeogesetzter Polarität der anderen Zelle eine elektrische Reihenverbindung sichert. So können diese elektriach leitenden Trennwände auch horizontal angeordnet werden, wobei mit der schädlichen Erscheinung eines Spannungsgradientes nicht gerechnet werden soll.

Die Batterie kann in einem geschlossenen Gehäuse angebracht werden, wenn in dem Raumabstand zwischen den die einzelnen Zellen flüsaigkeitsdicht trennenden Trennwänden ein durch kolloidales Kieselsäureanhydrid ausgebildeter Separator eingeaetzt ist, der Siliziumdisulfid von 1,8 bis 10, bevorzugt von 2,6 Gewichtaprozent enthält und mit der Schwefelsäure als Elektrolyt einen gelartigen Stoff bildet, Daa Sliziumdiaulfid zerfällt in Wasser und begünstigt die in der Batterie abspielenden chenischen Reaktionen.

Die erfindungsgenässe Bleibatterie kann in einen Kunatstoff-Batteriekasten untergebracht werden und kann bei entsprechendem Betrieb, besonders ohne Spitzenbelastungen und bei anhaltender und gleichmässiger Verwendung ohne jedwelche Wartung während ihrer ganzen Lebensdauer betrieben werden. In der erfindungsgemässen Batterie iat die Energiedichte auf einen Wert von 80 bia 110 Wh/kg auf das Gewicht bezogen und auf einen Wert von 750 bis 950 Wh/dm³ auf Volumen bezogen (statt des bisherigen Wertes von 48 bis 110 Wh/dm³) erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der lediglich eine Ausführungsform darstellenden Zeichnung näher erläutert, die die erfindungsgemässe Bleibatterie in Schnitt darstellt.

Die vorgeschlagene Bleibatterie (Säurenbatterie) ist dem Wesen nach nach den bekannten Grundsätzen aufgebaut, wobei sie aus in Reihe geschalteten Zellen besteht, von denen die zwei aussenseitigen Zellen an einen Pluspol bzw. einen Minuspol angeschlossen sind. Zwischen den benachbarten Zellen ist je eine Trennwand 1 angeordnet, die eine flüssigkeitsdichte ausgebildete Platte ist. Im Sinne der Erfindung sind in der vorgeschlagenen Bleibatterie an einem entsprechenden Trägeaienent elektrolytisch oder durch Metallspritzen aufgetragene Elektroden 2 aus Bleigrundstoff angebracht. Eine Elektrode 2 kann z.B. auf eine perforierte oder glatte, mindeatens 0, 1 mm dicke Bleiplatte aufgetragen werden, nit welchen die in den bekannten Batterien ala Kathode bzw. als Anode dienenden

Strukturen abgelöst werden können. Die Dicke der Bleiplatte ist durch die jeweiligen Beanspruchungen, unter anderen durch die Tatsache bestimmt, dass die während des Betriebes der Batterie abspielenden Vorgänge eine nechanische Defomation in Stoff der Elektroden 2 hervorrufen können. Die andere, die Merkmale der Batterie radikal verbessernde Möglichkeit der Herateilung der Elektroden 2 besteht darin, dass diese elektrolytisch oder durch Metallspritzen auf beide Seiten der Trennwand 1 aufgetragen werden und deren flüssigkeitsdichte Eigenschaft geneiasan sichern. In diesen Fall ist die Anwendung der Bleiplatten zwischen, den Trennwänden in den einzelnen Zellen überflüssig. Die Trennwand 1 wird in diesen Fall aus einen gegen die verdünnte Schwefelsäure beständigen und elektrisch leitenden Material, zweckaässig aus Grafit oder Blei hergestellt. Die Dicke einer solchen Trennwand 1 wird auch hier durch die Betriebsverhältnisse bestimmt. Je eine Abschluss-Trennwand 1 der aussenseitigen Zellen ist in der so ausgestalteten Batterie an den elektrischen Anschlüaaen angeschloaaen. Die Batterie kann deshalb auch liegend mit horizontalen Trennwänden 1 betrieben werden. Die Trennwände 1 nehmen in jeder räumlichen Lage der Batterie mit ihren ganzen Oberfläche in der Ausbildung des Stromkreises teil, so kann die Ausbildung eines schädlichen Spannungsgradientes während der Ladung und der Entladung vernieden werden, die die Möglichkeit der Gasbildung atark begrenzt.

Die Elektrode 2 bestent zweckmässig aua mehreren Schichten, Auf das Trägerelement, z.B. auf die Trennwand 1 wird eine Bleischicht mit einer bekannten Technologie, z.B. durch Elektrolysis oder Metallapritzen aufgetragen. Auf diese Schicht wird ein Netz 4 und darauf eine zweite Bleischicht aufgetragen. Das Netz 4 beateht aus einem Isolierstoff, während die Bleischicht zweckmässig Bariumsilizid von 0, 1 bis 2, 0, bevorzugt von 0,6 Gewiohtsprozent enthält, das neben den entaprechenden elektrischen Parametern die während des Betriebs der Batterie notwendige Stabilität sichert. Das Netz 4, das z.B. aus gewaschenem Glasfaser oder aus Kunatstoff hergestellt werden kann, sichert die mechanische Stabilität der Trennwand 1. Die Trennwand 1 soll zusammen mit den aufgetragene Elektroden 2 in einem Halterahmen 5 angebracht werden, in dem eine flüssigkeitadichte Bettung ausgebildet ist. Das Netz 4 ragt über die Oberfläche der Elektrode 2 und ist am Halterahmen befestigt, z.B, angeschweisst. Die

Halterahmen 5 sind aus Isoliermaterial hergestellt und zweckmässig in einem Kasten 6 angeordnet, in welchem die Zellen mit Hilfe der Trennwände 1 ausgebildet sind und diese durch die Trennwände 1 und mit Hilfe des Elektrolyten eine elektrische Kette bilden.

In den flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Zellen ist bevorzugt ein Separator 3 angeordnet, der vorteilhaft aus Siliziumdisulfid von 1,8 bia 10, 0, bevorzugt von 2,5 Gewichtsprozent enthaltendem Kieselsaureanhidryd als kolloidaler Stoff besteht, Deart weist der Separator 3 eine viel grössere Viskosität als die der Schwefelsäure auf. Dje Aufgabe des Separators 3 besteht darin, den Elektrolyt zwischen den Elektroden 2 zu halten und gleichzeitig einen Raumabstand zu sichern, damit die Elektroden 2 in keiner lage der Trennwände 1 miteinander in Berührung kommen können. Dieaer gelartiger Stoff ist beaonders dazu geeignet, den Aualauf des Elektrolyten bei einer mechaniachen Beschädigung des Batteriekastens 6 zu verhindern, Die Elektroden 2 sind zweckmässig mit einer Mehrschichtenstruktur ausgeführt, und an den beiden Seiten des Netzes 4 sind die Bariumsilizid legierte mit 0, 5 bis 0,7 mm dicken Bleiachichten aufgetragen.

Der erste Ladungavorgang der erfindungsgemäasen Bleibatterie soll auf bekannter Weise durchgeführt werden. Nachdem die Batterie aufhört zu gasen, kann der Kasten 6 vollständig abgeschlossen und die hermetisch verschlossene Batterie in Betrieb gesetzt werden.

Die erfindungsgenässe Bleibatterie ist durch seinen Aufbau zur Bedienung von vor allen eine dauer hafte gleichmässige Beanspruchung bedeutenden Belastungen geeignet. Es kann deshalb vorteilhaft vorkommen, eine integrierte Schaltungsanordnung zu verwenden, durch welche gesichert wird, dass die Stromaufnahme von der Zahl der Zellen der Batterie abhängig binnen einer gegebenen Grenze bleibt. Durch die Verwendung einer solchen strenbegrenzenden Anordnung kann die lange Lebensdauer der erfindungsgenässen Bleibatterie gesichert werden, Unter den Verteilen der erfindungsgemässen Bleibatterie kann die bedeutende, auf das Gewicht bezogen 3 bis 4-fache und auf das Volumen bezogen 8 bis 10-fache Erhöhung der Energiedichte erwähnt werden. Auch die Lebensdauer der Batterie wird erhöht, da der Ausfall der bisher aufgestrichenen aktiven Masse und die Erosion der Elektroden wegfällt. Einen besonderen Vorteil bedeutet die Veminderung des Bleiverbrauches und die Verbesserung der Bedingungen der Herstellung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bleibatterie mit in Reihe geschalteten Zellen, von denen die zwei aussenseitigen Zellen mit elektrischen Anschlüssen verbunden und in den einzelnen Zellen voneinander durch entsprechende Raumabstände getrennte Elektroden angeordnet und zwischen den Zellen flüssigkeitsdichte Trennwände eingesetzt sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektroden (2) in den Zellen aus Bleigrundstoff durch Metallspritzen oder als elektrolytisch aufgetragene Schichte ausgebildet sind,

2. Bleibatterie nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektroden (2) in den Zellen an zwiachen den Trennwänden (l) angeordneten Bleiplatten auagebildet sind,

3. Bleibatterie nach Anapruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektroden (2) an den Trennwänden (l) einander gegenüber ausgebildet sind, wobei die Trennwand aus einem gegen die verdünnte Schwefelsäure beständigen, metalliach leitenden Material hergestellte dichte Platte iat.

4. Bleibatterie nach Anapruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Trennwand (l) aus Blei oder Grafit hergeatellt ist.

5. Bleibatterie nach einem der Anaprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektroden

(2) als eine Mehrschichtkonatruktion an den Trennwänden (l) ausgebildet aind.

6. Bleibatterie nach einem der Anaprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n n e i c h n e t , daaa mindeatens eine Elektrode (2) mindestens eine mit Bariumsilizid von 0, 1 bis 2,0 Gewichtsprozent, bevorzugt von 0,6 Gewichtsprozent legierte Schicht enthält.

7. Bleibatterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen zwei Schichten der Elektroden (2) ein Netz (4) aus Isolier atoff angeordnet iat, welcher die von der durch Metallapritzen aufgetragenen Schicht bedeckte Oberfläche überragt .

8. Bleibatterie nach einem der Anaprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Raumabstand zwischen den Elektroden (2) ein durch kolloidalen Kieselsäureanhydrid ausgebildeter Separator (3) angebracht ist, der Siliziumdisulfid von 1,8 bia 10,0 Gewichtaprozent, bevorzugt von 2,6 Gewichtaprozent enthält.