DE2338544A1 - Elektrochemische energiezelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Energiezelle und insbesondere eine elektrochemische Zelle mit hoher Energie- und Stromkapazität.

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 gilt

(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.

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.

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 ist

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geeignet, bei den meisten, wenn nicht allen Zellsystemen die Strom- oder. Energiekapazität je Gewichts- und Volumeneinheit zu verbessern.

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.

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.

In den Zeichnungen zeigen

Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Reservebatterie gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine Draufsicht auf eine der Kathodenplatten der Batterie von Figur 1;

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Figur 3 einen Schnitt durch die Kathodenplatte von Figur 2;

Figur 4 eine Draufsicht auf eine Anodenscheibe der Batterie von Figur 1;

Figur 5 einen Schnitt durch die Anodenscheibe von Figur 4;

Figur 6 einen Querschnitt durch den Träger für die Anode der Batterie von Figur 1;

Figur 7 eine Endansicht des Trägers von Figur 6;

Figur 8 eine Endansicht des positiven Anschlußendes der Batterie von Figur 1;

Figur 9 eine Endansicht des Kathodenendes der Batterie von Figur 1;

Figur 10 eine detaillierte Ansicht des Aktivierungsplungers und Freigabeventils der Batterie von Figur 1;

Figur 11 eine dünne zylindrische Reservebatterie gemäß der Erfindung;

Figur 12 eine Endansicht der Batterie von Figur 11 von der Kathodenseite;

Figur IJ) eine Endansicht der Batterie von Figur 11 von der Anodenseite;

Figur 14 eine dritte Ausführungsform einer Reservebatterie gemäß der Erfindung;

Figur 15 eine Seitenansicht der Batterie von Figur 14;

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Figur 16 eine andere Seitenansicht der Batterie von Figur 14;

Figur 17 eine Seitenansicht der Batterie von Figur 14 nach Aktivierung der Batterie;

Figur 18 eine schematische Ansicht der auseinander genommenen Teile eines Teiles einer Batterie von Zellen gemäß der Erfindung;

Figur 19 eine Frontansicht einer Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung;

Figur 20 einen fragmentarischen Querschnitt, der Details einer Teilbatterie von Zellen, die nach den Lehren der Erfindung aufgebaut sind,- zeigt; und

Figur 21 eine Veranschaulichung einer wirksamen Art der Anordnung von Anode und Kathode einer Zelle gemäß der Erfindung.

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.

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 mit

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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.

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 ein

etwa

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.

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-

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.

3E (nickelous ammonia sulfate)

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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-

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.

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 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-

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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.

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!oxidüberzug

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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.

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.

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 7

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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,

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.

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. Der

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Elektrolyt würde dann von den porösen Separatoren aufgenommen.

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.

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.

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-

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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.

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 sie

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in den Figuren 11 bis 13 veranschaulicht sind, verwendet werden, müssen auch in diesen Batterien poröse Separatoren 115 verwendet werden.

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.

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.

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.

In den drei in den Figuren 1 bis 17 gezeigten Reservebatterien

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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.

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.

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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.

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Claims (16)

1. : , : 30. Juli 1973

   P a t e η t a nsprüche

   Elektrochemische primäre Energiezelle, dadurch gekennzeichnet , daß sie

   a) eine Anode; und

   b) eine Kathode mit einem Stützelement, einem elektrochemisch aktiven Kathodenmaterial und einem durch Aufsintern von Nickelo-ammonium-sulfat gebildeten Überzug zwischen dem Stützelement und dem aktiven Kathodenmaterial

   aufweist.
2. 2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennnze ichnet , daß sie einen Elektrolyten enthält.
3. 2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Stützelement aus rostfreiem Stahl besteht und praktisch frei von Oberflächenoxiden ist.
4. 4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Stützelement einen überzug aus Nickelcarbid zwischen seiner Oberfläche und dem überzug aus gesintertem Nickelo-ammonium-sulfat aufweist.
5. 5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Anode durchlöchert ist, daß ein poröser Separator über der durchlöcherten Anode liegt und der Oberflächenkontur der Perforationen in der durchlöcherten Anode angepaßt ist und daß die Kathode den porösen Separator überdeckt und ebenfalls der

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   Oberflächenkontur der Perforationen in der durchlöcherten Anode angepaßt ist.
6. 6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß sowohl Anode als auch Kathode aus einem Streifen, der sinusförmig um sich selbst gebogen ist, so daß eine Reihe zusammenhängender einander gegenüberliegender Blätter gebildet wLrd und ein gefalteter Streifen quer zu dem anderen angeordnet ist und seine Blätter zwischen denen des anderen Streifens liegen, gebildet sind.
7. 7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung quer zueinander praktisch orthogonal ist.
8. 8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 5* 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine Reserveenergiezelle, deren Elektrolyt in einer zerbrechlichen Umhüllung aufbewahrt ist, ist.
9. 9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Reservezelle Zylinderform hat und Einrichtungen zum Zerbrechen der zerbrechlichen Umhüllung aufweist.
10. 10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Zerbrechen der zerbrechlichen Umhüllung einer federbeaufschlagter Plunger 1st.
11. 11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl von ihnen zu einer Batterie zusammengeschlossen sind.

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12. 12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, da d u r c h gekennzeichnet , daß die Reservezelle als flache rechtwinklige Packung ausgebildet ist und Mittel zum Zerbrechen der zerbrechlichen Umhüllung aufweist.
13. 1J>. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Zerbrechen der zerbrechlichen Umhüllung aus einem Paar an der Zelle befestigter angelenkter Platten besteht.
14. 14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1J>, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere von ihnen zu einer Batterie zusammengeschlossen sind, derart, daß alle Zellen in einem einzigen Behälter enthalten sind.
15. 15. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1, 10 oder 15, dadur.ch gekennzeichnet, daß die Kathode hergestellt ist, indem praktisch alle Oxide von dem Stützelement entfernt sind, das praktisch oxidfreie Stützelement dann mit Nickelcarbid überzogen ist, das mit Nickelcarbid überzogene Stützelement mit Nickelo-ammonium-sulfat überzogen ist und das Sulfat dann in einer inerten Atmosphäre gesintert ist.
16. 16. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet , daß die kathodisch aktive Paste als Überzug auf die gesinterte Oberfläche aufgetragen ist.

    - 18 -

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    Leerseite