DE2246753A1 - Alkalische zink-mangandioxid-zelle mit vermindertem quecksilbergehalt - Google Patents
Alkalische zink-mangandioxid-zelle mit vermindertem quecksilbergehaltInfo
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Description
19. September 1972 Gzb/st
UNION CARBIDE CORP., 270 PARK AVElWE5 NEW YORK, N0Y0 10017 U.S.A.
Alkalische Zink-Mangandioxid-Zelle mit vermindertem Quecksilbergehalt · :
Die Erfindung betrifft alkalische Zink-Mangandioxid-Zellen mit
einem Äthylenoxid-Polymer, als Hilfsmittel .zur Reduzierung-des-Anteils
an Quecksilber, das für eine adäquate Lebensdauer der Zelle benötigt wird.
Alkalische elektrochemische Zellen mit einer Zinkanode und einer Mangandioxid-Kathode haben in den letzten Jahren kommerzielle
Bedeutung erlangt, als elektrische Energiequelle mit relativ hoher Leistung. Der alkalische Elektrolyt, der. üblicherweise aus
einer konzentrierten wässrigen Lösung von Kaliumhydrox-id besteht,
ist wesentlicher Faktor und trägt zur Fähigkeit dieser Zellen bei,mit hohem Wirkungsgrad elektrische Energie zu liefern, im
Vergleich zu den älteren Leclanche-Trockenzellenj, welche Zinkchlorid
und Arnmoniumchlorid als Elektrolyten verwenden„ Jedoch,
wie es so oft mit technischen Vorteilen der Fall ist, ist die Anwesenheit von Alkali in einer elektrochemischen Zelle auch
mit Nachteilen verbunden; beispielsweise reagiert das Alkali,
als sehr reaktionsfähige Substanz, mit dem Zink* Bevor Zusätze
entwickelt wurden,-um diese Reaktion zu steuerns war die Lebensdauer
der alkalischen Zink-Zellen unakzeptabel gering«■ Da zusätzlich
bei der Reaktion zwischen Alkali und Zink Wasserstoff-
- 2
gas entwickelt wurde, bestand die Gefahr einer Explosion der Zelle, bevor sichere Mittel zum Abführen des Wasserstoff entwickelt
wurden.
In alkalischen Zink-Zellen, wie sie heutzutage kommerziell vertrieben werden, wird die Reaktion zwischen Zink und Alkali
gesteuert oder auf ein akzeptables Maß vermindert durch den Zusatz von Quecksilber zu der Zelle. Leider ist in den letzten
Jahren deutlich geworden, daß die Einführung von Quecksilber-Abfällen in die Umgebung eine Gefahr für die menschliche Gesundheit,
wie für andere Lebensformen darstellen kann. Obv/ohl einzelne Zellen lediglich einen kleinen Quecksilberanteil enthalten,
führt die sehr große Anzahl an alkalischen Zink-Zellen, die heutzutage abgesetzt wird, zu beträchtlichen Mengen von
Quecksilber, die auf die Umgebung wirken, nachdem solche Zellen zur Verfügung gestellt worden sind. Die vorliegende Erfindung
liefert ein Mittel zur Verminderung des Anteils an Quecksilber, der in alkalischen Zink-Zellen benötigt wird, um die Geschwindigkeit
der Reaktion zwischen Alkali und Zink zu vermindern und damit eine akzeptable Lagerdauer zu erreichen.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,Mittel
bereitzustellen, um den Quecksilberanteil zu vermindern, der in alkalischen Zink-Mangandioxid-Zellen verwendet wird, um
akzeptable Lagerdauer zu erreichen.
Weitere Aufgaben und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet,
in alkalische Zink-Mangandioxid-Zellen ein Äthylenoxid-Polymer, /der folgenden Gruppe, Diäthylenglykol, Triäthylenglykol,
Polyäthylenglykol mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen ungefähr 190 bis ungefähr 7000, Alkyläther dieser
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Glykole und Karbonsäureester dieser Glykole in solcher Menge einzuführen, daß die Reaktion zwischen Zink und alkalischem
Elektrolyten in der Zelle vermindert wird, wodurch der Anteil an Quecksilber, der für ein gegebenes Maß an Lagerfähigkeit
notwendig ist, merklich vermindert wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Anteil von Quecksilber, der in alkalischen Zink-Mangangdioxid-Zellen zur
Aufrechterhaltung einer akzeptablen Lagerfähigkeit notwendig ist, durch die Zugabe von kleinen Anteilen an Äthylenoxid-Polymer
zu der Zelle vermindert v/erden kann,
Die Stoffe, die' der Zelle zugesetzt werden, um den Quecksilberanteil
zu vermindern, sind Äthylenoxid-Polymere und ihre Derivate. Solche Polymere sind dem Fachmann bekannt; für die vorliegende
Erfindung werden bevorzugt Di- und Triäthylenglykol, Polyäthylenglykol
mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen ungefähr 190 bis ungefähr 7000 und die Mono- und Diäther bzw. Ester
dieser Glykole eingesetzt. Die Äther und Ester der verwendeten
Polyäthylenglykole sind beispielsweise die C- - Alkyl-äther und
niedrigere Alkyläther und die C.-Karbonsäureester und niedrigere
Karbonsäureester. Geeignete Äther-Deriväte sind beispielsweise Methoxy-Diäthylen-Glykol und die Methoxy-Polyäthylen-Glykole
und/oder die Äthoxy-Polyäthylen-Glykole. Zu den geeigneten Ester-Derivaten
gehören die Polyäthylen-Glykol-Azetate.
Als bevorzugte Äthylenoxid-Polymere werden die Po^äthylen-Glykole
und die Methoxy-Polyäthylen-Glykole mit einem mittleren Molekulargewicht von ungefähr 300 bis ungefähr 70Ό eingesetzt.
Die Äthylenoxid-Zusätze können als einzelne Zusätze oder als eine Kombination mehrerer Zusätze verwendet werden.. Die verwendeten
Zusätze sind ganz allgemein in Wasser löslich und können als wässrige Lösung zu der Zelle hinzugefügt werden.
Beispielsweise kann der Zusatz demjenigen Wasser zugesetzt werden,
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das zum Anfeuchten des Separators verwendet wird, um das Befeuchten
des Separators durch den Elektrolyten zu erleichtern. Beim Ausbilden eines Gleichgewichtszustandes in der Zelle
wandert der Zusatz dann zu der Zink-Oberfläche. Als Alternative kann das Äthylenoxid-Polymer während der Herstellung des Anoden-Gels
direkt zu dem Zink gefügt werden.
Das Äthylenoxid-Polymer wird in der Zelle in einem solchen Ausmaß verwendet, das ausreicht um die Reaktionsgeschwindigkeit
zwischen Zink und alkalischem Elektrolyten zu vermindern, wodurch eine beträchtliche Verringerung des Anteils an Quecksilber
möglich ist, das zur Erreichung einer ausreichenden Lebensdauer der Zelle notwendig ist. Obwohl es angestrebt wird,
das Quecksilber vollständig aus der Zelle zu entfernen, konnte dieses Ziel im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch nicht
erreicht werden. Auf jeden Fall liefert die vorliegende Erfindung ein Mittel um einen Teil des ökologisch schädlichen Quecksilbers
aus der Zelle zu entfernen und durch ökologisch unschädliche Stoffe zu ersetzen.
Im allgemeinen werden günstige Effekte erzielt mit Äthylenoxid-Polymer-Anteilen
im Überschuß von ungefähr 0.01 Gewichtsprozent, und bevorzugt im Überschuß von ungefähr 0.1 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gewicht des Zinks. Es können auch wesentlich größere Anteile verwendet werden, beispielsweise wurden in
Laborversuchen Äthylenoxid-Polymere in Anteilen von bis zu 12 Gewichtsprozent verwendet und immer noch günstige Wirkungen
erzielt. Es wurde jedoch keine Zunahme der günstigen Wirkungen beobachtet, wenn Äthylenoxid in Anteilen über ungefähr 1 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gewicht des Zinks, verwendet wurde.
Öle Zellen, in denen das Äthylenoxid-Polymer verwendet wird, können von üblicher Bauart sein. Beispielsweise enthält eine
übliche Zelle eine ausgehöhlte Metalldose, üblicherweise aus Stahl oder einem anderen Metall hergestellt, das im ganzen oder
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_ κ
teilweise mit Nickel überzogen ist.* weiche von einer isolierenden
Hülle umgeben ist* Die äussersten Anteile der Umhüllung sind um die äusseren Kanten der oberen Metällabdeckung (der negative
Pol der Batterie) und um die äusseren Kanten der unteren"Metallabdeckung,
der positive Pol, herumgebogen. Ein isolierniittel
isoliert die Dose von der oberen Metallabdeckung * Bündig
abschließend innerhalb der Dose befindet sich eine röhrenförmige Kathode, welche zerkleinertes Mangandioxid und Kohlenstoff enthält, während die innere Oberfläche mit einem Separator aus
einem geeigneten Material, etwa aus einem nichtgewebten Kunststoff aus Cellulose überzogen ist*
In dem Separator eingeschlossen befindet sich eine quasi feste
röhrenförmige Anode aus einer Mischung aus gepulvertem Zink, dem Elektrolyten aus wässrigem Kaliumhydroxid und einem innerhalb
des Elektrolyten quellbaren Bindemittels, wie etwa Carboxymethyl-Cellulose. Die Anode wird infolge ihrer eigenen
Ausdehnung, verursacht durch das Absorbieren Von alkalischem Elektrolyten, fest an ihrem Platz gehalten. Eine hohle, röhrenförmige Sammelelektrode reicht durch das die Anode umgebende
elektrolytische Gel und ist elektrisch leitend mit der oberen Metallabdeckung der Dose über einen geeigneten Metalikontakt
verbunden, dieser Kontakt besteht etwa aus einer Messingniete mit einem Nickel überzogenen Plättchen, das in Verbindung mit
einer Nickel überzogenen Stahlfeder steht, welches den Kontakt mit der oberen Metallüberdeckung darstellt.
Es können auch andere Ausführungsformen von alkalischen Zink-Zellen
verwendet werden, einschließlich solchen Zellen, in denen die Anode aus massivem Zink besteht, oder aus gepresstem Zinkpulver,
oder aus einem anderen Metall, das mit Zink überzogen ist, oder ebensogut solche Zellen, in denen das Zink in Pulverform
innerhalb eines den Elektrolyten bildenden Gels verteilt ist.
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Der in den Zellen verwendete Elektrolyt besteht aus wässrigem Alkali, im besonderen aus Kaliumhydroxid.
Das Quecksilber kann nach einem Verfahren in die Zelle eingebracht
werden, wie es in der US-PS 2.993.947 beschrieben ist.
Bei kommerziellen Verfahren, wie sie heutzutage üblich sind» hängt der Anteilf an Quecksilber, der iji alkalischen Zink-Mangandioxid-Zellen
verwendet wird, um den Zellen ein gegebenes Maß an Lagerfähigkeit zu geben, von solchen Faktoren ab, wie die
Ausführung der Zelle, die Verunreinigungen in den Ausgangs- ' stoffen, das Ausmaß an wirksamer Abdichtung und ähnliche Faktoren.
Beispielsweise kann der Anteil an Quecksilber in kommerziell erhältlichen alkalischen Zink-Mangandioxid-Zellen von ungefähr
1 bis ungefähr 15 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht des Zinks, schwanken. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung
kann der Anteil an Quecksilber, der zur Erhaltung einer vorgegebenen Lagerfähigkeit notwendig ist, beträchtlich vermindert
werden durch die Zugabe eines Äthylenoxid-Polymers, wie es oben
beschrieben ist.
Die folgenden Beispiele dienen zur Beschreibung der Erfindung.
Um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Zellen mit der Leistungsfähigkeit von Zellen entsprechend dem Stand der Technik
zu vergleichen, wurden drei Gruppen von Zellen der Größe "D" hergestellt. Eine Gruppe, die Gruppe A, entsprach der üblichen
Ausführung, mit einer Anode entsprechend der US-PS 2.993.947, wobei 6,3 Gewichtsprozent Quecksilber (bezogen auf das Gewicht
des Zinks) verwendet wurde. Die Gruppe B entsprach der gleichen Ausführung, wobei 4.0 Prozent Quecksilber verwendet wurden* Die
Gruppe C entsprach ebenfalls der gleichen Ausführung, mit der Abwandlung, daß zu dom Anodenmatorial ein Ä'thylenoxid-Polymer
hinzugefügt wurde; die Mischung hatte folgende Zusammensetzung:
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Zinkpulver · 35,5 kg
Metallisches Quecksilber 1,42 kg Natrium-Carboxymethyl-
Cellulo.se 2,41. kg
• 0.1 η KOH-Lösung 1,04 kg
215 ml Äthylenoxid-Polymer, .
"MPEG 550», gelöst in 4,22 kg
0.1 η KOH-Lösung' " 4f43 kg
("MPEG 550" betrifft Methoxy-Polyäthylen-Glykol mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen
525 und 575).
Es ist notwendig die zuletzt aufgeführte Lösung als letzten
Schritt hinzuzufügen; wenn die Lösung vor dem metallischen Quecksilber hinzugefügt wird, dann überzieht das Ätyhlenoxid-Poisoner
die Zinkteilchen und es tritt keine Amalgambildung auf.
Die Wirksamkeit des Äthylenoxid-Polymer ergibt sich aus der
Herstellung der Zellen und ihrem Aufbewahren bei 71°C, um die schnelle Entwicklung von Gas in Gang zu bringen. Da·die Zellen
verschlossen sind, führt die innere Entwicklung von Gas zu einem messbaren Ausbeulen des Bodens des Behälters. Die Dosen,
wurden aus 0.254 mm dickem Stahl gezogen, und der Boden der Dose kann geeicht werden, um.den inneren Druck als Funktion
der Ausbeulung zu messen. Innerhalb der erforderlichen Genauig-
keit wurde diese Funktion als 11,2 kg/cm pro mm Ausbeulung (4 psi/mil.) bestimmt. Bei den anschließenden Messungen entwickelte
die. konventionelle Batterie der Sorte A nach 10 Wochen
bei 71°C einen Innendruck von 8,43 kg/cm . Bei den Zellen in der Gruppe B mit dem veringerten -Quecksilbergehalt, entwickelte
sich ein beträchtlich höherer Gasdruck und erreichte einen Inne-
druck von 12,3 kg/cm-". Wird jedoch Äthylenoxid-Polymer hinzugefügt
wie in den Zellen der Gruppe C,· so erreicht der Gasdruck
lediglich das übliche Maß und es wurde ein Innendruck von
t. Die folgende
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kg/cm gemessen. Die folgende Tabelle 1 bringt die Versuchs^
8 -
ergebnisse:
Gruppe Versuchsbedingungen v
Zunahme der Ausbeulung' (mm)
6,3 % Quecksilber,
kein Äthylenoxid-Polymer
0,76
A,0 % Quecksilber,
kein Äthylenoxid-Polymer
1,12
4,0 % Quecksilber mit 0,66 Gewichts-% MPEG 550,xx
bezogen auf das Gewicht des Zinks in der Anode
0,76
χ Die Bestimmung· der Zunahme der Ausbeulung erfolgte
nach einer Aufbewahrung der geschlossenen Zellen
nach einer Aufbewahrung der geschlossenen Zellen
o,
für 10 Wochen bei 71 C.
xx MPEG 550: Methoxy-polyäthylen-glykol mit einem mittleren
Molekulargewicht von 525 bis 575
Als weiteres Beispiel v/ird MPEG 550 auf einem anderen Weg zu
der Zelle hinzugefügt. Eine Gruppe, die Gruppe D/besteht aus
Zellen konventioneller Bauart mit 4,2 % Quecksilber bezogen
auf das Gewicht des Zinks. Eine andere Gruppe von Zellen der
auf das Gewicht des Zinks. Eine andere Gruppe von Zellen der
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.gleichen Bauart, die Gruppe E, enthält ebenfalls 4,2 % Quecksilber.
Jedoch, anstelle der Zugabe von MPEG 550 direkt zu der Mischung aus Zinkpulver wie in Beispiel 1 beschrieben, wird
das MPEG 550 in Wasser gelöst und auf den Separator aufgesprüht.
Es wurde eine Lösung von 9 Volumenteilen MPEG 550 auf 256 Volumenteilen
Wasser hergestellt und 2.65 gr. dieser Lösung auf den Separator einer "D"-Zelle aufgesprüht. Die Zelle wurde anschließend
nach konventionellem Verfahren zusammengebaut, wobei die Anode 4.2 % Quecksilber enthält. Nach 7-wöchigem Aufbewahren bei
710C zeigte die Gruppe E eine geringere Ausbeulung und demzufolge auch geringeren Innendruck, was die.geringere Gasentwicklung
anzeigt. .
Gruppe Versuchsbedingungen
Zunahme der Ausbeulung (mm)
D 4,2 % Quecksilber
E 4,2 % Quecksilber mit
MPEG 550-Lösung auf dem Separator
0,61 0,43
In einigen Fällen kann die Zugabe von Äthylenoxid-Polymer zu der alkalischen Zink-Mangandioxid-Zelle einen anfänglichen geringen Abfall der Zellspannung verursachen, obwohl die Spannung
etwas besser bei konstanter Belastung gehalten wird. Als Ergebnis zeigt sich, daß die Leistung in Ampere-Stunden bei solchen
Fallen ungefähr die gleiche ist (bei konstanter Belastung), sowohl
mit,wie ohne Zusatz von Äthylenoxid-Polymer zu diesen Zellen.
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- 10 -
- ίο -
Zur Illustration wurden 4 "D"-Zellen entsprechend der AusfUhrungs·
form nach Beispiel 1 verwendet. Die folgende Tabelle III beschreibt die verwendeten Zellen und die folgende Tabelle IV
gibt die Zeiten an, die bei einer kontinuierlichen Belastung von 2.25 Ohm benötigt wurden,bis die Spannung jeder Zelle auf
verschiedene spezifische Spannungswerte abgesunken war.
Nummer
d. Zelle
d. Zelle
Quecksilber (Gewichts-^)
MPEG 550 (Gewichts-^)
Zuführung des MPEG
8 4 4 4 4
O | .7 | Auf | den |
O | .7 | In | das |
O | .35 | Auf | den |
Tabelle IV | |||
. Separator | |||
anodische Gel | |||
Separator | |||
Nummer Ursprüngliche Zeit (Min.) bis zum Erreichen der
d. Zelle/ Spannung bei angegebenen Spannungswerte bei
Gruppe geschlossenem kontinuierlicher Belastung Stromkreis
1.41 | 1.2 V | 1.0 V | 0.9 V | 0.65 V | |
1 | 1.42 | 120 | 512 | 655 | 889 |
2 | 1.41 | 150 | 583 | 742 | 834 |
3 | 1.31 | 115 | 565 | 770 | 912 |
4 | 1.39 | 50 | 497 | 753 | 1082 |
VJl | 100 | 483 | 625 | 958 | |
Für die oben aufgeführten Gruppen von Zellen wurde die Lagerfähigkeit
durch Ausbeulung des Bodens bestimmt. Nach 24 Monaten bei Raumtemperatur zeigten die Zellen der Gruppe 1
eine Ausbeulung des Bodens von 0,48 mm, während die Zellen
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- 11 -
der Gruppen 2-5 Boden-Ausbeulungen von 0,58 — 0,66 mm aufwiesen;
dabei waren die Unterschiede zwischen den zuletzt genannten Zellen zu gering, um signifikant zu sein. Bei.erhöhten Temperaturen
ergaben sich jedoch signifikante Unterschiede in der
Lagerfähigkeit der Zellen aus den Gruppen .2-5. 7 S folgenden
Tabellen V und VI sind die Werte für die Ausbeulung des Bodens für verschiedene Zellen nach unterschiedlicher Aufbewahrungsdauer bei 540C bzw, bei 71°C zu entnehmen.
Zunahme der | Tabelle V- . - | angegebenen | |
Nummer | Zeiten bei | Ausbeulung (mm) nach den | |
d. Zelle/ | 2 Monate | Aufbewahrung bei 54°C | |
Gruppe | 0,08 | 4,5 Monate | |
0,41 | 3 Monate | 0,10 | |
1 | 0,30 | 0,08 | 0,51 |
2 | 0,18 | 0,46 | . 0,^3 |
3 | 0,23 | 0,48 | 0/23 |
4 | 0,20 ' | 0,28 | |
5 | 0,28 . | ||
Tabelle VI | |||
Nummer
d. Zelle/
Gruppe
d. Zelle/
Gruppe
Zunahme der Ausbeulung (mm) nach der angegebenen Zeit (Wochen) bei Aufbewahrung bei 710C
1 2 3 _4_ JL JS_ 7
1 (wurde nicht bestimmt)
2 0,30 0,43 /θ,48 0,51 0,53 0,56 0,61
3 0,20 0,25 0,28 0,33. 0,33. 0,41 0,43
4 0,10 0,15 0,18 0,18 0,18 0,20 0,20
5 0,15^ 0,28 0,30 0,38 0,30 0,41 0,46
309 8 16/07 4
12
Die im folgenden aufgeführten Äthylenoxid-Polymere wurden analog den oben beschriebenen Verfahren eingesetzt, und es zeigte
sich, daß auch/diesen Äthylenoxid-Polymeren die Lagerfährigkeit von alkalischen Zink-Mangandioxid-Zellen verbessert werden
konnte, was durch eine Verminderung der Wasserstoffentwicklung
während des Lagerns erwiesen wurde. Die eingesetzten Polyäthylen-Glykole
hatten die folgenden mittleren Molekulargewichte:
• ■ ■■
a) 190 - 210
b) 380 - 420
c) 950 - 1050
d) 3000 - 3700
e) 1300 - 1600
-13 -
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Claims (7)
- PatentansprücheAlkalische Zink-Mangandioxid-Zelle mit einem Gehalt an Quecksilber zur Verbesserung der Lagerfähigkeit dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle zumindest ein Äthylenoxid-Polymer aus der folgenden Gruppe, Diathylen-glykol, Triäthylen-glykol,. Polyähtylen-glykOl mit einem mittleren Molekulargewicht von ungefähr 190 Ms ungefähr 7000, Alkyl-äther dieser Glykole und Karbonsäure-ester dieser Glykole, in solcher Menge enthält, damit die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Zink und dem alkalischen Elektrolyten in der Zelle vermindert wird,
- 2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetr daß der alkalische Elektrolyt aus wässrigem Kaiiuinhyäroxid besteht,
- 3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle Äthylenoxid-Polymer in einem Anteil ubeic ungefähr 0,01. GewichtS-^o, bezogen auf das Gewicht des Zinks,, enthält.
- 4» Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,; daß die Zelle Äthylenoxid-Polymer in einem Anteil von über ungefähr 0.1 Gewichts-56, bezogen auf das Gewicht des Zinks, enthält. ■
- 5. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle Ätliylenoxid-Polymer in einem Anteil von ungefähr 0,0t bis ungefähr 1 Gewiefits^, bezogen, auf das Gewicht ctes Zinks, enthält., . .......... -: · r - - r3CJS8 T 67 0 74 3- 14 -
- 6. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle Äthylenoxid-Polymer in einem Anteil von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 Gewichts-^, bezogen auf das Gewicht des Zinks, enthält.
- 7. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle als Äthylenoxid-Polymer Polyäthylen-glykol oder Methoxypolyäthylen-glykol mit einem mittleren Molekulargewicht vom ungefähr 300 bis ungefähr 700 enthält.309816/0743
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