DE2338544A1 - ELECTROCHEMICAL ENERGY CELL - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiezelle und insbesondere eine elektrochemische Zelle mit hoher Energie- und Stromkapazität.The invention relates to an electrochemical energy cell and in particular to an electrochemical cell with high energy and current capacity.
Für viele Zwecke ist es erforderlich, in kurzer Zeit eine sehr hohe Menge an elektrischer Energie in Freiheit zu setzen. Daher ist man bestrebt, Zellen zu entwickeln, die je Volumen- und Gewichtseinheit einen hohen Stromausgang liefern können. Die Gesamtenergie, die eine elektrochemische Primärzelle abzugeben vermag, wird natürlich weitgehend von der Menge an elektrochemischem Reaktanten in der Zelle vorgegeben. Jedoch können verschiedene elektrochemische Zellen die· verfügbare Energie innerhalb verschiedener Zeitspannen abgeben. Das giltFor many purposes it is necessary to set free a very large amount of electrical energy in a short time. Therefore, efforts are being made to develop cells that can deliver a high current output per unit volume and weight. The total energy that an electrochemical primary cell is able to deliver is of course largely dependent on the amount of predetermined electrochemical reactants in the cell. However, different electrochemical cells may be available Release energy within different periods of time. That is true
(K(K
auch dann, wenn die gleiche elektrochemische Umsetzung genützt wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Energie einer Zelle abgegeben werden kann, und die gesamte je Volumen- und Gewichtseinheit .verfügbare Energie sind also nicht nur eine Funktion der chemischen Reaktanten, sondern auch eine Funktion anderer Parameter der Zelle,einschließlich physikalischer und mit den chemischen Umsetzungen verbundener Parameter. Insbesondere ist seit langem bekannt, daß die physikalisch-chemische Struktur der Elektroden von wesentlicher Bedeutung für die Aktivität oder das maximale Stromliefervermögen einer elektrochemischen Zelle ist.even if the same electrochemical conversion is used. The rate at which a cell's energy is released and the total energy available per unit of volume and weight are therefore not just a function the chemical reactants, but also a function of other parameters of the cell, including physical and with the chemical conversions of related parameters. In particular, it has long been known that the physico-chemical structure the electrodes are essential for the activity or the maximum current delivery capacity of an electrochemical Cell is.
Die Erfindung betrifft elektrochemische Zellen von hoher Energie- und Stromkapazität. D.h. sie betrifft elektrochemische Zellen, die je Gewichts- und Volumeneinheit einen starken Strom und große Energie abzugeben vermögen. Gegenstand der Erfindung sind sowohl elektrochemische Reservezellen, bei denen der Elektrolyt getrennt von den Elektroden gehalten wird, bis die Batterie gebrauchsfertig gemacht wird, als auch herkömmliche elektrochemische Zellen, bei denen der Elektrolyt während der Herstellung in das Elektrodengefüge eingebracht wird. Obwohl in den Zellen gemäß der Erfindung grundsätzlich jedes Elektrodengefüge verwendet werden kann, wird im folgenden ein bestimmtes Elektrodengefüge für diese Zellen beschrieben. Mit diesem speziellen Elektrodengefüge vermögen die Zellen je Gewichts- und Volumeneinheit einen sehr starken Strom und hohe Energie abzugeben.The invention relates to electrochemical cells of high energy and current capacity. I.e. it concerns electrochemical cells, which per weight and volume unit a strong current and able to give off great energy. The invention relates to both electrochemical reserve cells in which the electrolyte kept separate from the electrodes until the battery is made ready for use, as well as conventional electrochemical Cells in which the electrolyte is introduced into the electrode structure during manufacture. Though in the cells In principle, any electrode structure can be used according to the invention, a specific electrode structure is used below described for these cells. With this special electrode structure, the cells are capable of each weight and volume unit to emit a very strong current and high energy.
Damit elektrochemisch ein hoher Energie- oder Stromausgang erzielf wird, ist es wesentlich, sehr reaktive elektrochemische Reaktanten auszuwählen, wobei zu den besonders geeigneten Zellen diejenigen gehören, die Anoden aus Magnesium, Zink oder Aluminium und Kathoden aus Silberoxid, Kupferoxid, Nickeloxid oder Mercurioxid besitzen. Die Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung ist jedoch nicht auf ein bestimmtes Elektrodenpaar oder auf eines der oben erwähnten Elektrodenmaterialien beschränkt, sondern istSo that electrochemically a high energy or current output can be achieved it is essential to select highly reactive electrochemical reactants, being among the most suitable cells those include the anodes made from magnesium, zinc or aluminum and cathodes made from silver oxide, copper oxide, nickel oxide or mercury dioxide own. However, the electrode structure according to the invention is not directed to a specific pair of electrodes or to one of the above-mentioned electrode materials, but is
- 2 50981 1/0412 - 2 50981 1/0412
ρ-3βο - ■■ρ-3βο - ■■
geeignet, bei den meisten, wenn nicht allen Zellsystemen die Strom- oder. Energiekapazität je Gewichts- und Volumeneinheit zu verbessern.suitable for most, if not all, cell systems Current or. Energy capacity per unit of weight and volume to improve.
Eines der Hauptkennzeichen der Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung besteht in der physikalisch-chemischen Struktur der Kathode. Herkömmlacherweise wird die Kathode einer Primärzelle aus einem elektrisch leitenden inerten Stützelement und einem Überzug aus dem kathodisch aktiven elektrochemischen Material darauf hergestellt. Es wurde nun gefunden, daß die Aktivität der Kathode stark verbessert werden kann, wenn das Stützelement einen Überzug, der durch Zusammensintern von Nickeloammonium-sulfat auf seiner Oberfläche erzeugt ist, trägt, so daß dieser Überzug zwischen den Stützelementen und dem elektrochemisch reaktiven Kathodenmaterial liegt.One of the main characteristics of the electrode structure according to the invention is the physico-chemical structure of the Cathode. Conventionally, the cathode is a primary cell of an electrically conductive inert support element and a coating made of the cathodically active electrochemical material made on it. It has now been found that the activity of the cathode can be greatly improved if the support element a coating made by sintering together nickel ammonium sulfate is generated on its surface, so that this coating between the support elements and the electrochemical reactive cathode material.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Energiekapazität einer Zelle beträchtlich verbessert werden kann, wenn die Elektroden und insbesondere die Anodsi in der Weise durchlöchert ausgebildet sind,daß ihre Oberfläche je Volumeneinheit vergrößert wird. Zu diesem Zweck werden weiterhin spezielle Maßnahmen bei der Herstellung der miteinander zusammenwirkenden Elemente der Zelle getroffen, derart, daß sie der Kontur der Elektrodenzwischenräume folgen und dabei die elektrochemische Wirkung der durchlöcherten Elektrode und des Chemikaliengehaltes der Zelle maximal machen.Another essential feature of the electrode structure according to the invention is based on the discovery that the energy capacity of a cell can be improved considerably if the electrodes and especially the anodesi are perforated in this way are designed that their surface is increased per unit volume. To this end, special measures will continue in the manufacture of the interacting elements of the cell taken in such a way that they follow the contour of the Electrode gaps follow and thereby the electrochemical effect of the perforated electrode and the chemical content of the cell to the maximum.
In den Zeichnungen zeigenShow in the drawings
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Reservebatterie gemäß der Erfindung;Figure 1 shows a first embodiment of a reserve battery according to the invention;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine der Kathodenplatten der Batterie von Figur 1;FIG. 2 is a plan view of one of the cathode plates of FIG Battery of Figure 1;
50981 1 /041250981 1/0412
:?3385U:? 3385U
Figur 3 einen Schnitt durch die Kathodenplatte von Figur 2; FIG. 3 shows a section through the cathode plate of FIG. 2;
Figur 4 eine Draufsicht auf eine Anodenscheibe der Batterie von Figur 1;FIG. 4 is a plan view of an anode disk of the battery of FIG. 1;
Figur 5 einen Schnitt durch die Anodenscheibe von Figur 4;FIG. 5 shows a section through the anode disk of FIG. 4;
Figur 6 einen Querschnitt durch den Träger für die Anode der Batterie von Figur 1;FIG. 6 shows a cross section through the support for the anode of the battery from FIG. 1;
Figur 7 eine Endansicht des Trägers von Figur 6;Figure 7 is an end view of the carrier of Figure 6;
Figur 8 eine Endansicht des positiven Anschlußendes der Batterie von Figur 1;Figure 8 is an end view of the positive terminal end of the battery of Figure 1;
Figur 9 eine Endansicht des Kathodenendes der Batterie von Figur 1;Figure 9 is an end view of the cathode end of the battery of Figure 1;
Figur 10 eine detaillierte Ansicht des Aktivierungsplungers und Freigabeventils der Batterie von Figur 1;Figure 10 is a detailed view of the activation plunger and release valve of the battery of Figure 1;
Figur 11 eine dünne zylindrische Reservebatterie gemäß der Erfindung;FIG. 11 shows a thin cylindrical reserve battery according to the invention;
Figur 12 eine Endansicht der Batterie von Figur 11 von der Kathodenseite;Figure 12 is an end view of the battery of Figure 11 from the cathode side;
Figur IJ) eine Endansicht der Batterie von Figur 11 von der Anodenseite;Figure IJ) is an end view of the battery of Figure 11 from the anode side;
Figur 14 eine dritte Ausführungsform einer Reservebatterie gemäß der Erfindung;FIG. 14 shows a third embodiment of a reserve battery according to the invention;
Figur 15 eine Seitenansicht der Batterie von Figur 14;Figure 15 is a side view of the battery of Figure 14;
- 4 -509811/0412- 4 -509811/0412
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Figur 16 eine andere Seitenansicht der Batterie von Figur 14;Figure 16 is another side view of the battery of Figure 14;
Figur 17 eine Seitenansicht der Batterie von Figur 14 nach Aktivierung der Batterie;FIG. 17 is a side view of the battery of FIG. 14 after the battery has been activated;
Figur 18 eine schematische Ansicht der auseinander genommenen Teile eines Teiles einer Batterie von Zellen gemäß der Erfindung;FIG. 18 is a schematic view of the disassembled parts of part of a battery of cells according to FIG the invention;
Figur 19 eine Frontansicht einer Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung;Figure 19 is a front view of an electrode structure according to the invention;
Figur 20 einen fragmentarischen Querschnitt, der Details einer Teilbatterie von Zellen, die nach den Lehren der Erfindung aufgebaut sind,- zeigt; undFigure 20 is a fragmentary cross-section showing the details of a sub-battery of cells made according to the teachings of the invention are constructed - shows; and
Figur 21 eine Veranschaulichung einer wirksamen Art der Anordnung von Anode und Kathode einer Zelle gemäß der Erfindung. Figure 21 illustrates one effective way of arranging the anode and cathode of a cell in accordance with the invention.
Zum Zwecke der* Veranschaulichung soll die Erfindung im folgenden für eine Magnesium/Magnesiumperchlorid, Lithiumperchlorid/Vlercurioxid-Zelle oder -Batterie beschrieben werden. Wie oben erwähnt, ist die Erfindung jedoch nicht auf eine derartige Zelle oder Batterie beschränkt.For purposes of illustration, the invention will hereinafter be described for a magnesium / magnesium perchloride, lithium perchloride / vlercurioxid cell or battery. As mentioned above, however, the invention does not apply to such a cell or Battery limited.
Es wird zunächst auf die Figuren 18 bis 21 Bezug genommen. Figur zeigt die auseinander genommenen Teile eines Teiles einer Batterie oder Zelle. Gemäß Figur 18 besitzt diese Teilbatterie zwei Anoden und eine Kathode. Die Anoden 111 bestehen aus Magnesiumfolie, beispielsweise einer Magnesiumfolie, wie sie von der Dow Chemical Co. mit der ASTM-Bezeichnung AZ-21.oder AZ-31 hergestellt wird, die vorzugsweise etwa 0,013 cm (0.005 inches) dick ist. Die Kathode 112 weist eine Folie 113 aus rostfreiem Stahl von etwa 0,0025 cm (0.001 inches) Dicke als Stützelement, deren beide Seiten mitReference is first made to FIGS. 18 to 21. Figure shows the disassembled parts of a part of a battery or cell. According to FIG. 18, this sub-battery has two anodes and one cathode. The anodes 111 are made of magnesium foil, for example a magnesium foil such as that manufactured by Dow Chemical Co. under the ASTM designation AZ-21. or AZ-31, the is preferably about 0.013 cm (0.005 inches) thick. The cathode 112 has a stainless steel sheet 113 about 0.0025 cm (0.001 inches) thick as a support member, both sides of which have
509811/0412509811/0412
einer Grundschicht aus Mercurioxid bedeckt sind, auf. Ein dünner absorptionsfähiger Separator 115 aus Fasermaterial, der beispielsweise aus Papier bestehen kann, liegt zwischen jeder Anode und der Kathode 112 und enthält eine Elektrolytlösung.are covered with a base layer of mercury dioxide. A thin absorbent separator 115 made of fibrous material, for example may be made of paper, lies between each anode and cathode 112 and contains an electrolyte solution.
Die Anoden 111 und das Kathodengrundelement 113-aus rostfreiem Stahl sind in ihrem physikalischen Gefüge einander praktisch gleich und sind in ihrer Vorderansicht durch Figur 19 veranschaulicht. Beide Elektrodenelemente 111 und 112 weisen eingestanzte Löcher 116 auf. Als besonders günstig hat sich einThe anodes 111 and the cathode base element 113 - made of stainless steel Steel are practically the same in their physical structure and are illustrated by FIG. 19 in their front view. Both electrode elements 111 and 112 have stamped Holes 116 on. One has proven to be particularly cheap
etwaapproximately
Lochdurchmesser von/0,16 cm (1/16 inch) erwiesen, und die Löcher sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt, so daß je cm Oberfläche etwa 7,9 Löcher anwesend sind (about 20 holes per inch of surface area), so daß das Verhältnis von Lochoberfläche zu Gesamtoberfläche etwa 0,066:1 beträgt. Für jedes Elektrodenelement ist eine Anschlußlasche 117 vorgesehen.Hole diameter of / 0.16 cm (1/16 inch) and the holes are preferably evenly distributed so that there are about 7.9 holes per cm of surface (about 20 holes per inch of surface area), so that the ratio of hole surface to total surface area is about 0.066: 1. For each electrode element is a connection lug 117 is provided.
Gemäß der Erfindung wird das durchlöcherte Grundelement aus rostfreiem Stahl vor der Aufbringung des Mercurioxids in einer Wasserstoffatmosphäre (oder einer anderen reduzierenden Atmosphäre) etwa 20 Minuten auf eine Temperatur von etwa 3000C erhitzt, um alles Oxid von der Oberfläche zu entfernen. Dann wird auf dieses Element im Vakuum Nickelcarbid aufgespritzt, um einen Oberflächenüberzug mit einer Dicke zwischen etwa 0,00076 und 0,0020 cm (about 0.0003 and O.OOO8 inches) zu bilden. Dann wird eine dünne Schicht aus%ickelo-ammonium-sulfatkristallen über die Oberfläche des Elektrodenelements 113 ge-According to the invention, the perforated base element made of stainless steel is heated in a hydrogen atmosphere (or another reducing atmosphere) for about 20 minutes to a temperature of about 300 ° C. in order to remove all oxide from the surface before the application of the mercury dioxide. Nickel carbide is then vacuum sprayed onto this element to form a surface coating between about 0.00076 and 0.0020 cm (about 0.0003 and O.OOO8 inches) thick. Then a thin layer of nickel-ammonium sulfate crystals is placed over the surface of the electrode element 113.
p strichen, derart, daß etwa 0,15 g Salz je cm Gesamtfläche (about one gram of salt per square inch of overall area) ausgebreitet wird, und das Salz wird dann gesintert, indem man es in Stickstoff oder einer anderen inerten Atmosphäre auf etwa 360°C erhitzt. Die Verarbeitung des Grundelements aus rostfreiem Stahl, nachdem es von Oberflächenoxid befreit ist und bis die Sinterung beendet ist, erfolgt natürlich in möglichster Abwesenheit von Sauerstoff.Stroke p so that about 0.15 g of salt per cm of total area (about one gram of salt per square inch of overall area), and the salt is then sintered by placing it heated to about 360 ° C in nitrogen or another inert atmosphere. The processing of the basic element made of stainless Steel, after it has been freed of surface oxide and until sintering has ended, is of course done as much as possible Absence of oxygen.
3E (nickelous ammonia sulfate)3E (nickelous ammonia sulfate)
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
Das auf diese Weise mit einem Überzug aus gesintertem Nickeloammonium-sulfat versehene Elektrodenelement Hj5 ist fertig zur Aufnahme der Mercurioxidpaste. Diese Paste wird hergestellt, indem man Mercurioxid zur Verbesserung seiner Leitfähigkeit mit Ruß in einem Gewichtsverhältnis von etwa 9»5sl sowie einer geringen Menge an einem geeigneten Bindemittel, wie etwa 0,05 Gew. *■% Carboxymethylcellulose, vermischt. Dieses Gemisch wird etwa 1 Stunde lang trocken in einer Kugelmühle vermählen. Dann wird so viel Wasser zugesetzt, daß eine dicke Paste entsteht, und diese Paste wird noch 1 Stunde in der Kugelmühle vermählen. Das dabei erhaltene Gemisch wird als dünne Schicht von etwa 0,08 cm (about 1/52 inch) Dicke über beide Oberflächen des wie oben beschrieben hergestellten Elektrodenelements 112 ausge-The electrode element Hj5, which is provided with a coating of sintered nickel ammonium sulfate in this way, is ready to receive the mercury oxide paste. This paste is prepared by ■% carboxymethylcellulose mixed Mercurioxid to improve its conductivity with carbon black in a weight ratio of about 9 »5SL as well as a small amount of a suitable binder, such as 0.05 wt. *. This mixture is dry milled in a ball mill for about 1 hour. Then enough water is added that a thick paste is formed, and this paste is ground in the ball mill for a further hour. The resulting mixture is applied as a thin layer approximately 0.08 cm (about 1/52 inch) thick over both surfaces of the electrode element 112 produced as described above.
2 breitet. Etwa 0,23 g Paste sind je cm GesamtelektrodenoberfIache (about 1-1/2 grams per square inch) erforderlich. Die so hergestellte Elektrode wird in einem Ofen etwa J>0 Minuten bei etwa 930C (200° fahrenheit) getrocknet.2 spreads. Approximately 0.23 g paste is required per cm of total electrode surface (about 1-1 / 2 grams per square inch). The electrode thus prepared is in an oven for about J> 0 minutes at about 93 0 C (200 ° fahrenheit) dried.
Bei der Herstellung einer Elektrode, wie der in Figur 1 gezeigten Elektrode 112, wird das Grundelement 113 aus rostfreiem Stahl auf beiden Seiten mit einem Überzug versehen, und die Paste dringt in die eingestanzten Löcher 116 ein. Dadurch kommt es zu einer Verbindung zwischen der Paste und dem Grundelement, so daß das zusammengefügte Elektrodensystem mechanisch verfestigt wird.In the manufacture of an electrode such as the electrode 112 shown in FIG. 1, the base element 113 is made of stainless steel The steel is coated on both sides and the paste penetrates the punched holes 116. Through this there is a connection between the paste and the base element, so that the assembled electrode system is mechanical is solidified.
In Figur 20 ist ein vergrößerter Bruchteil eines Querschnitts von hintereinander geschalteten Zellen gezeigt. Um aus der durch die Ausstanzungen in den Anoden 111 erzeugten Oberflächenvergrößerung Vorteil zu ziehen, sind die Separatoren 115 den Löchern angepaßt und folgen den so gebildeten Zwischenräumen, so daß ein Maximum an Elektrodenanodengrenzflache entsteht. Auch die Oberflächen der kathodischen Mercürioxidschichten folgen der Kontur der durchlöcherten Anode, so daß der Gehalt der Zellen an chemischen Reaktanten ein Maximum ist. Diese Wir-In Figure 20 is an enlarged fraction of a cross section of cells connected in series. To from the surface enlargement produced by the punchings in the anodes 111 To take advantage, the separators 115 are adapted to the holes and follow the spaces thus formed, so that a maximum of electrode anode boundary surface arises. The surfaces of the cathodic mercuric oxide layers also follow the contour of the perforated anode, so that the content of the cells of chemical reactants is a maximum. This we-
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5 0 9 811/04125 0 9 811/0412
f.f.
kung kann erzielt werden, indem man die Oberflächen der Schichten aus der Mercurioxidpaste, wenn die Kathoden gebildet werden, durch Prägen mit einer Schablone formt, bevor die Paste getrocknet wird. Dann werden Anoden und Kathoden mit zwisc'hen ihnen eingelagerten fasrigen Separatoren 115 zusammengefügt, wobei sich die Faserschichten der Kontur der Kathodenoberfläche anpassen und die in Figur 20 gezeigte Form annehmen. Gewünschtenfalls können natürlich fasrige Elektrolytträger oder Separatoren 115 direkt auf die Anoden 111 aufgespritzt oder aus Papierstoff geformt werden.kung can be achieved by removing the surfaces of the layers of the mercuric oxide paste when the cathodes are formed, shapes by embossing with a stencil before the paste is dried. Then anodes and cathodes with between them embedded fibrous separators 115 joined together, the fiber layers adapting to the contour of the cathode surface and take the form shown in FIG. If so desired Of course, fibrous electrolyte carriers or separators 115 can be sprayed directly onto the anodes 111 or made of paper stock be shaped.
Die in Figur 20 veranschaulichte Batterie, die eine herkömmliche Batterie, bei der der Elektrolyt während der Herstellung der Batterie eingebracht wird, ist, wird also durch übliches Übereinander legen flächer Anoden- und Kathodenplatten mit eingelagerten Separatoren hergestellt. Eine alternative sehr wirksame Form einer Zellstruktur ist in Figur 21 veranschaulicht. Ein erster Elektrodenstreifen 121 ist sinusförmig zu einer Anzahl zusammenhängender übereinanderllegender Blätter verformt, während der andere Elektrodenstreifen 122 in gleicher Weise sinusförmig orthogonal zu dem ersten Streifen geführt ist. Die Laschen 123 und 124 stellen die Anschlüsse beider Elektroden dar. Einer dieser Elektrodenstreifen stellt die Anode dar und ε^φ rieht vollständig den oben beschriebenen Anoden 111, während der andere Elektrodenstreifen die Kathode darstellt und vollständig den oben beschriebenen Kathoden 112 entspricht. Der Separator oder die Separatoren zwischen den einander gegenüberliegenden Teilen der beiden Elektrodenstreifen 121 und 122 ist nicht dargestellt, damit die Zeichnung übersichtlicher wird. Die erforderliche Funktion kann aber natürlich durch Separatorstreifen, die an beiden Seiten einer der Elektrodenstreifen befestigt sind, ausgeübt werden. Alternativ können die Separatorschichten auf einem Streifen durch Aufsprühen oder durch Verformen von Papierstoff hergestellt werden. Am besten ist es, die Zelle von Figur 21 zu formen, bevor ein Mereur!oxidüberzugThe battery illustrated in Figure 20, which is a conventional battery in which the electrolyte is used during manufacture of the Battery is introduced, is so by the usual superimposing of flat anode and cathode plates with embedded Separators manufactured. An alternative very effective form of cell structure is illustrated in FIG. A first electrode strip 121 is sinusoidally deformed into a number of contiguous, superimposed sheets, while the other electrode strip 122 is guided in the same way sinusoidally orthogonally to the first strip. the Lugs 123 and 124 provide the connections for both electrodes represents. One of these electrode strips represents the anode and ε ^ φ rricht completely the anodes 111 described above, while the other electrode strip represents the cathode and corresponds completely to the cathodes 112 described above. The separator or separators between the opposing parts of the two electrode strips 121 and 122 is not shown so that the drawing is clearer. The required function can of course be achieved by separator strips, attached to both sides of one of the electrode strips. Alternatively, the separator layers can be produced on a strip by spraying or by deforming paper stock. It is best to shape the cell of Figure 21 before applying a Mereurite oxide coating
- 8 50931 1/0412 - 8 50931 1/0412
auf der Kathode getrocknet ist und während er noch in einem plastischen Zustand ist. Nachdem die Zelle geformt und so verpreßt ist, daß alle aneinander grenzenden Oberflächen in Kontakt miteinander stehen und physikalisch einander angepaßt sind, wird die Einheit auf eine Temperatur von etwa 930C (200 fahrenheit) erhitzt, bis sie trocken ist.has dried on the cathode and while it is still in a plastic state. After the cell is formed and pressed so that all the adjacent surfaces in contact with each other and are physically matched each other, the unit to a temperature of about 93 0 C (200 Fahrenheit) heated to dry it.
Der Elektrolyt, der zusammen mit den wie oben beschrieben ausgebildeten Elektroden verwendet werden kann, ist eine 5.n wäßrige Perchloratlösung von Magnesium und Lithium im Gewichtsverhältnis 95:5. In der in Figur 20 gezeigten Batterie und bei der durch Figur 18 veranschaulichten Elektrodenanordnung wird der Elektrolyt während des Zusammenfügen der Batterie in die fasrigen Träger oder Separatoren 115 eingebracht. Die Lagerungsbeständigkeit einer Batterie mit den oben beschriebenen aktiven Materialien ist jedoch ziemlich begrenzt. Für die meisten Zwecke werden daher die Zellen oder Batterien mit den EIe ktrodenstrukturen gemäß der Erfindung als Reservezellen oder -batterien ausgebildet. Bei solchen Batterien befindet sich innerhalb des Batteriegehäuses ein eigener Elektrolytbehälter, und es sind Mittel vorgesehen, um den Behälter zu zerbrechen, wenn die Batterie in Betrieb genommen werden soll. Wenn der Behälter zerbrochen wird, verteilt sich der Elektrolyt selbst in dem Separator aus Fasermaterial und der porösen Anode.The electrolyte that is formed along with those as described above Electrodes can be used is a 5.n aqueous perchlorate solution of magnesium and lithium in weight ratio 95: 5. In the battery shown in FIG. 20 and in the electrode arrangement illustrated by FIG. 18, the electrolyte incorporated into fibrous carriers or separators 115 during assembly of the battery. The storage stability however, a battery with the active materials described above is quite limited. Therefore, for most purposes the cells or batteries with the electrode structures according to FIG Invention designed as reserve cells or batteries. In such batteries there is a inside the battery housing its own electrolyte container, and means are provided to break the container when the battery is in use shall be. If the container is broken, the electrolyte will spread itself in the separator made of fiber material and the porous anode.
Reservebatterien oder -zellen, in denen eine.Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung verwendet werden kann, sind durch die Figuren 1 bis 17 veranschaulicht. Die Figuren 1 bis 10 zeigen eine zylindrisch geformte Reservebatterie. Die Batterie 1st in einem Metallbehälter 1, an dessen einem Ende eine isolierende Plastikscheibe 2, die den Anodenanschluß j5 trägt, vorgesehen ist, eingeschlossen. Die Anode weist einen Anodenschaft 6, an den an den Verbindungsstellen 5 die scheibenförmigen Anoden 4 angeschweißt sind, auf. Die Kathoden 7 sind an das zylindrische Metallgehäuse 1 angeschweißt. Beim Zusammenfügen der Batterie werden die Kathoden 7Reserve batteries or cells in which an electrode structure can be used in accordance with the invention are illustrated by Figures 1-17. Figures 1 to 10 show a cylindrical molded reserve battery. The battery is in a metal container 1, at one end of which is an insulating plastic disc 2, which carries the anode terminal j5, is included. The anode has an anode shaft 6 to which the disk-shaped anodes 4 are welded at the connection points 5. The cathodes 7 are welded to the cylindrical metal housing 1. When assembling the battery, the cathodes 7
- 9 5 0 9 811/0412 ordinal inspected - 9 5 0 9 811/0412 ordinal inspected
und die Anoden 4 alternativ in den Behälter der Batterie mit einem für diesen Zweck bestimmten Werkzeug, das es ermöglicht, Anoden und Kathoden durch Laserschweißen mit den angegebenen Oberflächen zu verbinden,eingebracht. D.h. die scheibenförmigen Anoden werden an den Anodenschaft 6 und die Kathoden 7 werden an den Behälter 1 angeschweißt. Auf diese Weise wird der Behälter oder das Gehäuse 1 die Kathode der Batterie und der zylindrische Schaft 6 wird zur Anode,and the anodes 4 alternatively in the container of the battery with a tool intended for this purpose, which makes it possible to To connect anodes and cathodes by laser welding with the specified surfaces, introduced. I.e. the disc-shaped Anodes are welded to the anode shaft 6 and the cathodes 7 are welded to the container 1. That way will the container or housing 1 becomes the cathode of the battery and the cylindrical shaft 6 becomes the anode,
Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Batterie aktiviert werden soll, wird der Elektrolyt 13 in dem Behälter 10 gehalten. Der Behälter 10 kann aus Glas, Plastik oder einem anderen geeigneten, zerbrechlichen Material bestehen. Wenn der Behälter 10 zerbrochen wird, fließt der Elektrolyt IJ nach unten in die Elektrodenstruktur. Um das Fließen des Elektrolyten 13 in die Elektrodenstruktur zu erleichtern, weist der Schaft 6 eine Mittelbohrung 9 auf und ist mit einer Anzahl Löcher 8 versehen. Längs der Länge des Schafts 6 sind vier Reihen von Löchern oder Perforationen 8 vorgesehen.The electrolyte 13 is held in the container 10 until the point in time at which the battery is to be activated. Of the Container 10 can be made of glass, plastic, or other suitable fragile material. When the container 10 is broken, the electrolyte IJ flows down into the Electrode structure. To allow the electrolyte 13 to flow into the To facilitate the electrode structure, the shaft 6 has a central bore 9 and is provided with a number of holes 8. Four rows of holes or perforations 8 are provided along the length of the shaft 6.
Auch die Kathodenscheiben 7 sind so aufgebaut, daß sie die Verteilung des Elektrolyten 13 erleichtern. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Kathodenscheibe 7. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, weist eine Kathodenscheibe 7 Schlitze 12 auf. Wenn die Kathodenscheiben in einem Batteriebehälter 1 angeordnet sind, wird durch diese Schlitze 12 eine öffnung zwischen dem Behälter 1 und den Kathodenscheiben gebildet, so daß Elektrolyt zwischen der Innenseite des Behälters und den Kathodenscheiben nach unten fließen kann. Figur 3 veranschaulicht lediglich einen Querschnitt durch die'Kathodenscheibe von Figur 2. Die in den Figuren 18 und 20 gezeigten porösen Separatoren 115 sind in Figur 1 nicht gezeigt. Wenn in der Batterie von Figur die Elektrodenstruktur der Figuren 18 bis 20 oder die Elektrodenstruktur von Figur 21 verwendet wird, werden auch poröse Separatoren, wie sie in diesen Figuren gezeigt sind, verwendet. DerThe cathode disks 7 are also constructed in such a way that they do the distribution of the electrolyte 13 facilitate. FIG. 2 shows a plan view of a cathode disk 7. As shown in this figure As can be seen, a cathode disk 7 has slots 12. When the cathode disks are placed in a battery container 1 are, an opening is formed through these slots 12 between the container 1 and the cathode disks, so that electrolyte can flow down between the inside of the container and the cathode disks. Figure 3 merely illustrates a cross section through the 'cathode disk of Figure 2. The porous separators 115 shown in FIGS. 18 and 20 are not shown in FIG. If in the battery of figure the electrode structure of FIGS. 18 to 20 or the electrode structure of FIG. 21 are used, porous separators are also used, as shown in these figures. Of the
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Elektrolyt würde dann von den porösen Separatoren aufgenommen. Electrolyte would then be absorbed by the porous separators.
Figur 8 ist eine Endansicht des Anodenanschlusses der Batterie von Figur 1. Wie in Figur 1 gezeigt, ist dies der Boden der Batterie. Figur 8 läßt erkennen, daß der Anodenanschluß 3 gegen das Batteriegehäuse oder den Behälter 1 durch eine isolierende Scheibe 2 isoliert ist. Außerdem zeigt diese Figur, daß die Batterie zylindrisch ausgebildet ist.Figure 8 is an end view of the anode terminal of the battery of Figure 1. As shown in Figure 1, this is the bottom of the battery Battery. Figure 8 shows that the anode connection 3 against the battery housing or the container 1 by an insulating Washer 2 is isolated. This figure also shows that the battery is cylindrical.
Die Einrichtung zum Zerbrechen des zerbrechlichen Behälters ist in den Figuren 1, 9 und 10 gezeigt. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, wird zum Zerbrechen der zerbrechlichen Umhüllung 10 ein federbeaufschlagter Plunger 16 verwendet. Um ein unbeabsichtigtes Senken des Plungers 16 zu verhindern, ist ein Anschlag 18 vorgesehen. Der Anschlag 18 wird entfernt, indem man ihn unter dem Plunger 16 fortzieht, und der Plunger 16 wird dann heruntergedrückt, um die Umhüllung 10 zu zerbrechen. Wenn die Umhüllung 10 zerbricht, fließt Elektrolyt 13 wie oben beschrieben in die Elektrodenstruktur. Wenn der Batterie Energie entnommen wird, werden innerhalb der Batterie Gase erzeugt. Dabei könnte der Gasdruck so hoch werden, daß die Batterie beschädigt wird. Daher ist in dem Plunger 16 eine Ablaßöffnung 17* durch die die Gase entweichen können, vorgesehen. Normalerweise wird die öffnung 17 durch die Einwirkung der Feder des federbeaufschlagten Plungers 16 verschlossen. Wenn der Druck in dem Batteriebehälter 1 so weit ansteigt, daß die Feder des Plungers auseinander gezogen wird, strömt das Gas über das Loch 17 durch den Plunger 16 in die Umgebungsluft, in dem sie das Ventil 19 anhebt.The device for breaking the frangible container is shown in FIGS. 1, 9 and 10. As shown in these figures, the fragile envelope is broken 10 a spring loaded plunger 16 is used. To prevent unintentional lowering of the plunger 16, there is a stop 18 provided. The stop 18 is removed by pulling it away from under the plunger 16 and the plunger 16 then becomes depressed to break the envelope 10. When the envelope 10 breaks, electrolyte 13 flows as described above into the electrode structure. When energy is drawn from the battery, gases are generated within the battery. Included the gas pressure could become so high that the battery is damaged. Therefore, in the plunger 16, a drain port 17 * is through which the gases can escape is provided. Normally, the opening 17 is made by the action of the spring of the spring-loaded Plungers 16 closed. When the pressure in the battery container 1 increases so far that the spring of the plunger is pulled apart, the gas flows through the hole 17 through the plunger 16 into the ambient air, in which it opens the valve 19 raises.
Die Figuren 11 bis IJ zeigen eine zweite Reservezelle oder -batterie gemäß der Erfindung, in der die Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Wie in diesen Figuren gezeigt, hat auch diese zweite Ausführungsform Zylinderform, je-Figures 11 to IJ show a second reserve cell or battery according to the invention in which the electrode structure according to the invention can be used. As in these figures shown, this second embodiment also has a cylindrical shape, each
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doch die Form eines dünnen Zylinders. Mit Hinblick auf den Durchmesser dieses Zylinders ist die Batterie sehr dünn. Der Aufbau der in den Figuren 11 bis 13 gezeigten Batterie ist demjenigen der in den Figuren 1 bis 10 gezeigten Batterie sehr ähnlich, mit der Abweichung jedoch, daß der Elektrolyt 38 in einem Behälter 31, der in der Mitte der Batterie angeordnet ist, aufbewahrt wird. An einem Ende des kurzen metallischen Behälters 32 ist eine Plastikscheibe 33 befestigt. Die Plastikscheibe 33 isoliert den Anodenanschluß 34 gegen den Metallbehälter 32. Das andere Ende des Metallbehälters 32 hält eine flexible Plastikscheibe 35. Die Anodenscheibe 40 und die Kathodenscheibe 41 sind im wesentlichen gle ich den Anoden und Kathoden der in den Figuren 1 bis 10 gezeigten Batterie.but the shape of a thin cylinder. Given the diameter of this cylinder, the battery is very thin. Of the Structure of the battery shown in Figures 11 to 13 is very similar to that of the battery shown in FIGS. 1 to 10, with the difference, however, that the electrolyte 38 is stored in a container 31 placed in the middle of the battery. At one end of the short metallic container 32 a plastic disk 33 is attached. The plastic disk 33 isolates the anode connector 34 from the metal container 32. The other end of the metal container 32 holds a flexible plastic disk 35. The anode disk 40 and the cathode disk 41 are essentially the same as the anodes and cathodes of the battery shown in FIGS.
Figur 13 zeigt das Anodenanschlußende der Batterie von Figur 11, und Figur 12 zeigt das andere Ende der Batterie von Figur 11. Die Figuren 11 und 12 zeigen den Aktivierungsmechanismus dieser Batterie. Dieser Aktivierungsmechanismus ist gleich dem Aktivierungsmechanismus der Batterie der Figuren 1 bis 10. Auch hier ist ein durch eine Feder 44 beaufschlagter Plunger 36 vorgesehen. Eine unbeabsichtigte Aktivierung der Batterie wird durch einen Anschlag 37 verhindert. Um die Batterie zu aktivieren, wird der Anschlag 37 unter dem Plunger 36 fortgezogen,und der Plunger 36 wird gesenkt, so daß er die zerbrechliche Umhüllung 31 zerbricht. Wenn die zerbrechliche Umhüllung 31 zerbrochen wird, kann der Elektrolyt in den Raum 39 zwischen den Elektroden fließen und damit die Batterie aktivieren. Ein Abzugsloch 42 ist vorgesehen, um den Austritt von Gasen, die in der Batterie erzeugt werden, zu ermöglichen. Ein"Ventil 43 hält das Loch 42 normalerweise geschlossen. Wenn der Druck ausreichend ansteigt, öffnet sich das Ventil 43 und ermöglicht den Austritt der Gase aus dem Inneren. Wie im Fall der in den Figuren 1 bis 10 gezeigten Batterie sind auch in Figur 11 die porösen Separatoren 115 nicht gezeigt. Wenn jedoch die oben beschriebene Elektrodenstruktur in der Batterie oder den Zellen, wie sieFigure 13 shows the anode terminal end of the battery of Figure 11, and Figure 12 shows the other end of the battery of Figure 11. The Figures 11 and 12 show the activation mechanism of this battery. This activation mechanism is the same as the activation mechanism of the battery of FIGS. 1 to 10. Here, too, a plunger 36 acted upon by a spring 44 is provided. Unintentional activation of the battery is prevented by a stop 37. To activate the battery, the stop 37 is pulled away from under the plunger 36, and the plunger 36 is lowered to enclose the fragile envelope 31 breaks. If the frangible envelope 31 is broken, the electrolyte can enter the space 39 between the Electrodes flow and thus activate the battery. A drain hole 42 is provided to allow the escape of gases generated in the battery. A "valve 43 holds the hole 42 normally closed. When the pressure rises sufficiently, the valve 43 opens and enables the The gases escape from the interior. As in the case of the battery shown in FIGS. 1 to 10, the batteries in FIG. 11 are also porous Separators 115 not shown. However, if the above-described electrode structure in the battery or cells like them
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2339544 ; ;2339544; ;
in den Figuren 11 bis 13 veranschaulicht sind, verwendet werden, müssen auch in diesen Batterien poröse Separatoren 115 verwendet werden.are illustrated in Figures 11 to 13, can be used, Porous separators 115 must also be used in these batteries.
Die Figuren 14 bis 17 veranschaulichen eine dritte Reservebatterie oder -zelle gemäß der Erfindung. Auch in dieser Batterie oder diesen Zellen kann die in den Figuren 18 bis 20 veranschaulichte Elektrodenstruktur oder die Elektrodenstruktur der Figur 21 verwendet werden.Figures 14-17 illustrate a third reserve battery or cell according to the invention. The battery or cells shown in FIGS. 18 to 20 can also be used in this battery or cells illustrated electrode structure or the electrode structure of Figure 21 can be used.
Wie in den Figuren 14 bis 17 gezeigt, ist diese Batterie oder diese Zelle als flache, rechtwinklige Packung ausgebildet. Die Batterie weist ein flexibles Plastikgehäuse 50, das die Elektroden 51 enthält, auf. Die Anschlüsse 52 sind nach außen ge- ■ führt, wie in den Figuren lh bis I7 gezeigt. Der Elektrolyt 5^ ist in einer dünnen zerbrechlichen Umhüllung aus Glas oder irgendeinem anderen geeigneten Material enthalten. Die Metallplatten 56 sind derart mit einem Gelenk 55 verbunden, daß sie von einander getrennt und über Plastikplatten 50 gefaltet werden können, wie durch die Figuren 15> 16 und 17 veranschaulicht.As shown in Figures 14 to 17, this battery or cell is designed as a flat, right-angled pack. The battery has a flexible plastic housing 50 which contains the electrodes 51. The terminals 52 are leads outwardly overall ■, lh as shown in FIGS to I7 shown. The electrolyte is contained in a thin, fragile envelope of glass or any other suitable material. The metal plates 56 are so connected to a joint 55 in that they can be separated from each other and folded over plastic plates 50, as indicated by the Figures 15> 16 and 17 illustrated.
Wenn die Metallplatten 50 um den Plastikbehälter 50 gefaltet und gegen diesen gepreßt werden, zerbrechen sie den zerbrechlichen Behälter 53 und pressen den Elektrolyten in den Raum 57 zwischen den Elektroden, der wiederum die in den Figuren 18 und 20 gezeigten Separatoren 115 enthalten kann. Wenn der Elektrolyt in den Raum 57 zwischen den Elektroden gepreßt ist, ist die Batterie oder Zelle aktiviert. Die Platten 56 können dann von dem Gelenk 55 gelöst oder gewünschtenfalls in der in Figur 17 gezeigten Stellung gehalten werden. Wenn jedoch die Metallplatten 56 abgenommen werden, kann die Batterie, da sie verhältnismäßig flexibel ist, zu einer Anzahl gewünschter Konfigurationen gebogen werden.When the metal plates 50 are folded around the plastic container 50 and are pressed against it, they break the fragile container 53 and force the electrolyte into the space 57 between the electrodes, which in turn can contain the separators 115 shown in FIGS. When the electrolyte is pressed into the space 57 between the electrodes, the battery or cell is activated. The plates 56 can then of the joint 55 can be released or, if desired, held in the position shown in FIG. However, if the metal plates 56, since the battery is relatively flexible, it can be bent into a number of desired configurations will.
In den drei in den Figuren 1 bis 17 gezeigten ReservebatterienIn the three reserve batteries shown in FIGS
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können natürlich irgendwelche herkömmlichen Elektroden und Chemikalien verwendet werden. Jedoch sollen diese Batterien oder Zellen eine hohe Energie- und Stromkapazität besitzen. Daher werden in diesen Batterien oder Zellen vorzugsweise die Elektrodenstruktur und die Chemikalien, wie sie oben unter Bezugnähme auf die Figuren 18 bis 20 und 21 beschrieben sind, verwendet. Die beiden in den Figuren 1 bis 13 veranschaulichten Batterien sind zylindrische Batterien. Daher müßte das in Figur 19 gezeigte Grundelement kreisförmig mit einem konzentrischen mittigen Loch ausgebildet sein, so daß die Elektroden den Anodenpfosten der in den Figuren 1 bis 13 veranschaulichten beiden Batterien oder Zellen aufgepaßt werden können. In jeder anderen Hinsicht wären jedoch die Kathoden und Anoden herzustellen, wie unter Bezugnahme auf die Figuren 18 bis 20 beschrieben. D.h. die Grundelemente der Elektroden wären durchlöcherte Elemente, und die Kathode würde zwischen dem Grundelement und dem aktiven Kathodenmaterial das gesinterte Nickelo-ammonium-sulfat enthalten. Außerdem würden zwischen jeder Anoden- und Kathodenscheibe Separatoren 115 angeordnet werden. Wenn dagegen die in Figur 1 veranschaulichte Ausführungsform mit ineinander greifenden Streifen verwendet würde, so könnten Anoden und Kathoden so ausgebildet werden, daß sie den Konturen des zylindrischen Batteriegehäuses nahe angepaßt sind.any conventional electrodes and chemicals can of course be used. However, these batteries are supposed to or cells have a high energy and current capacity. Therefore, in these batteries or cells, the Electrode structure and chemicals as described above with reference to Figures 18 to 20 and 21, used. The two illustrated in Figures 1 to 13 Batteries are cylindrical batteries. Therefore, the basic element shown in Figure 19 should be circular with a concentric one central hole so that the electrodes the anode post of the two illustrated in Figures 1-13 Batteries or cells can be watched. In all other respects, however, the cathodes and anodes would have to be manufactured, as described with reference to FIGS. I.e. the basic elements of the electrodes would be perforated elements, and the cathode would contain the sintered nickelo-ammonium sulfate between the base element and the cathode active material. In addition, separators 115 would be placed between each anode and cathode disks. If, on the other hand, the in Figure 1 illustrated embodiment with interlocking strips were used, the anodes and cathodes could be formed to fit the contours of the cylindrical battery case are closely matched.
Im Falle der in Figur 14 gezeigten Reservebatterie oder -zelle kann die in den Figuren 18 bis 20 und 21 gezeigte Elektrodenstruktur, so wie sie ist, verwendet werden, da diese Batterie oder Zelle im allgemeinen rechtwinklig ist. Bei den Reservezellen oder -batterien wird die Elektrolytlösung von den porösen Separatoren 115 absorbiert, wenn die zerbrechliche Umhüllung zerbrochen wird, wobei die Batterie aktiviert wird. Wegen der Hohlräume oder Löäher 116 in den Elektroden erfolgt ein vollständiger elektrolytischer Ausgleich des Potentials zwischen allen Zellen einer Batterie. Dadurch wird natürlich die Ausgangswirkung einer Batterie erhöht.In the case of the reserve battery or cell shown in FIG For example, the electrode structure shown in Figs. 18 to 20 and 21 can be used as it is because this battery or cell is generally rectangular. In the case of reserve cells or batteries, the electrolyte solution is removed from the porous ones Separators 115 absorb when the frangible envelope is broken, activating the battery. Because of the cavities or holes 116 in the electrodes, there is a complete electrolytic equalization of the potential between all cells of a battery. This naturally increases the output efficiency of a battery.
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Wie oben erwähnt, haben die Batterien oder Zellen gemäß der Erfindung eine hohe Energie- und Stromkapazitat. Beispielsweise wird die Energiekapazität und die Aktivität von Zellen oder Batterien gemäß der Erfindung dadurch veranschaulicht, daß eine einzelne Batterie mit den oben beschriebenen Elektroden und Elektrolyten bei einem Gesamtvolumen von 16,4 cm (one cubic inch) für 60 Minuten einen Ausgang von 5 Ampere bei 1,5 Volt liefern kann.As mentioned above, the batteries or cells according to the invention have a high energy and current capacity. For example the energy capacity and activity of cells or batteries according to the invention is illustrated by that a single battery with the electrodes and electrolytes described above with a total volume of 16.4 cm (one cubic inch) can provide an output of 5 amps at 1.5 volts for 60 minutes.
- 15 5 υ 9 8 1 1 / 0 A 1 2 - 15 5 υ 9 8 1 1/0 A 1 2
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