DE2459999A1

DE2459999A1 - Aus zwei schichten bestehende huelle fuer roehrenelektroden von elektrischen akkumulatoren und auf ein verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2459999A1
Application number: DE19742459999
Authority: DE
Inventors: Erik Gustav Sundberg; Eric Dipl Ing Westberg
Original assignee: Tudor AB
Current assignee: Tudor AB
Priority date: 1973-12-17
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1975-06-26
Also published as: IT1023478B; ATA930674A; US3972728A; CA1023796A; DD115808A5; ES432960A1; FR2254887A1; PL93413B1; JPS5092428A; CH574682A5; AT344269B; GB1467830A; ES435359A1; AU7639474A

Description

Aktiebolaget T u d ο r S-172 81 SUNDBYBERG, Schweden

Aus zwei Schichten bestehende Hülle für Röhrenelektroden von elektrischen Akkumulatoren und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus zwei Schichten bestehende Hülle für Röhrenelektroden von elektrischen Akkumulatoren und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung,

Derartige Röhrenelektroden finden sowohl bei Stahl- wie auch bei Bleiakkumulatoren Anwendung und bestehen aus einer Anzahl von miteinander verbundenen elektrisch leitenden stab- oder drahtähnlichen Sprossen, die von aktivem Material umgeb en sind, das seinerseits von einer elektrochemisch inaktiven Hülle umschlossen ist.

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Die ursprünglich verwendeten Röhrenhüllen bestanden aus Hartgurniniröhrchen, die mit einer Vielzahl von parallel zueinander und senkrecht zur Achse des Röhrchens liegenden Schlitzen ausgestattet waren. Später wurden Röhrchen verwendet die aus einer geflochtenen Glasfaserschicht bestanden, die zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit und zum Schutz gegen chemische Einflüsse einer Tränkung unterzogen wurde. Diese Tränkung machte einennicht unerheblichen Aufwand erforderlich, und die derart getränkten Röhrchen waren gegenüber dem in dem Akkumulator herrschenden Milieu wenig verträglich. Neuerdings finden aus zwei Schichten bestehende Röhren Verwendung, deren Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese aus zwei Schichten gebildeten Röhrchen lassen sich auf einfache Weise herstellen und bei ihrer Verwendung

ergeben sich Elektroden mit guten mechanischen Eigenschaften und langer Lebensdauer. Ein gewisses Problem ergibt sich bei diesen aus zwei Schichten bestehenden Röhren insoweit, als die beiden Schichten der Röhren zur Erzielung der erfordeilich Festigkeit und Widerstandsfähigkeit miteinander zu einer Einheit verbunden werden müssen. Diese Verbindung zwischen den beiden die Röhre bildenden Materialien wurde bisher ausschließlich durch Leimung erreicht. Diese erforderliche Leimung bringt jedoch eine Reihe von Nachteilen mit sich.

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Der verwendete Leim muß in Abhängigkeit von dem jeweiligen Typ trocknen oder abbinden, wobei die beiden Schichten der Röhre durch mechanische Hilfsmittel miteinander in Kontakt gehalten werden müssen. Diese Maßnahme bedingt einen nicht unerheblichen kostenmäßigen Aufwand bei der Herstellung und macht eine verhältnismäßig große Ausrüstung erforderlich. Da die Abbindezeiten für den Leim im allgemeinen sehr groß sind, ist bei den meisten bekannten Herstellungsverfahren auf Lösungsmitteln basierender Leim verwendet worden. Die Verwendung eines solchen Leims ist indessen mit Rücksicht auf das Arbeitsmilieu nicht wünschenswert. Außerdem ist es bei der Leimung schwierig, eine ausreichend gute Verbindung zwische|n den beiden die Röhre bildenden Materialschichten zu erzielen,

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ohne einen erheblichen Leimüberschuß zu verwenden. Ein solcher Leimüberschuß stellt aber einen bedeutenden Nachteil dar, da er die Eigenschaften der mit den Hüllen umschlossenen Elektroden verschlechtert. Außerdem hat ein Leimüberschuß selbstverständlich erhöhte Herstellungskosten zur Folge und bringt größere Milieuprobleme mit sich. Der wesentliche Nachteil beim Leimen besteht jedoch darin, daß eine"zufriedenstellende Verbindung zwischen den beiden Materialschichten der Hülle schwierig zu erzielen ist, zumal diese erforderliche Verbindung von den zur Verwendung kommenden Materialien abhängt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei aus zwei Schichten gebildeten Hüllen für Röhrenelektroden diese bei den bekannten derartigen Hüllen bestehenden Nachteile zu vermeiden, und eine Hülle zu schaffen, die sich ohne Leimung herstellen läßt, und die eine befriedigende mechanische Festigkeit besitzt und die elektrischen Eigenschaften der Röhrenelektrode verbessert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die innen liegende Schicht der Hülle aus einem faserförmigen, inerten Material und die außen liegende Schicht der Hülle aus einem durchlässigen thermoplastischen Material, beispielsweise einer perforierten Folie besteht, und daß die innere Schicht der Hülle durch Eingriff in die innen liegende Oberfläche der äußeren Schicht mit dieser zu einer Einheit verbunden ist.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen,

Das der Herstellung dienende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere, aus faserförmigem Material bestehende Schicht der Hülle erwärmt wird, und daß dasrauf die äussere Schicht derart auf die innere Schicht aufgebracht wird, daß durch Erweichung oder Anschmelzung der inneren Oberfläche der äußeren Schicht die beiden Schichten miteinander verbunden werden.

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Weitere Verfahrensmerkiriale ergeben sich aus den anschließenden Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Hülle werden die beiden Schichten dadurch miteinander verbunden, daß die innere aus faserförmigem Material bestehende Schicht in die benachbarte Oberfläche der äußeren aus thermoplastischem Materialbestehende Schicht durch Erweichung oder Anschmelzung eindringt, wodurch eine befriedigende mechanische Verbindung zwischen den Materialien der beiden Schichten erreicht wird. Es ist unzweckmäßig, das Fasermasterial der inneren Schicht tiefer in das thermoplastisc Material der äußeren Schicht eindringen zu lassen, als es für die Erzielung einer zufriedenstellenden Verbindung erforderlich ist. Durch die erfindungsgemäße Verbindung wird also keine Armierung der äußeren Schicht erreicht, da das faserförmige Material der inneren Schicht nur in die Oberfläche der äußeren Schicht eindringt. Die verschiedenen Schichten der Hülle können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, sofern bei Verwendung dieser Materialien die erfindungsgemäße Verbindung der beiden Schichten gewährleistet ist. Es hat sich jedoch als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die innere Schicht ganz oder im wesentlichen aus Glasfasern besteht. Glasfasern sind ein für Akkumulatorenelektroden bewährtes Material, das den Elektroden gute Eigenschaften verleiht.

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Das thermoplastische Material der äußeren Schicht besteht zweckmäßigerweise aus einem Polyolefin, beispielsweise Polyäthylen oder Polypropylen. Bei dem thermoplastischen Material der äußeren Schicht können auf der Außenseite der Hülle vorspringende Rippen gebildet werden, denen die Aufgabe zufällt, einen Abstand zu einer benachbarten Komponente beispielsweise einem Separator, zu halten. Es ist zweckmäßig jede Röhrenhülle mit zwei solcher Rippen auszustatten, die einander gegenüberliegen. Um eine Ausrichtung jeder einzelne ι Röhrenhülle zu vermeiden, können diese Hüllen auch mit einer größeren Anzahl von auf ihrem Umfang verteilten Rippen versehen sein.

Die innere aus Fasermasterial gebildete Schicht kann in bekannter Weise aus einem geflochtenen Glasfaserröhrchen bestehen, während das thermoplastische Material zweckmäßiger weise aus einem flachen Folienstreifen besteht. Dieser Streifen kann eine perforierte Folie sein. Dieser Folie wird die gewünschte geometrische Form gegeben unter gleichzeitiger Verbindung mit dem Fasermaterial der inneren Schich Diese geometrische Form muß nicht notwendigerweise einen kreisrunden Querschnitt besitzen, sondern es sind viele andere Formen, beispeilsweise oval, rechteckig usw. möglich. Zweckmäßigerweise kann das thermoplastische Material der äußeren Schicht aus zwei Streifen bestehen, die gleichzeitig

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mit dem faserförmigen Material der inneren Schicht und miteinander verbunden werden, wobei die Streifen so bemessen sein können, daß sie mit ihren Rändern zwei einander gegenüberliegende vorstehende Rippen bilden. Zweckmäßigerweise besteht die innere Schicht der Hülle aus einem geflochtenen Strumpf aus faserförmigen Glasfasern, der die gegebenen Anforderungen hinsichtlich der Handhabung, der Stärke und der'Kosten erfüllt. Ein solches strumpfförmiges Material ist insoweit vorteilhaft, als es sehr wirksam durch Anschmelzen des thermoplastischen Materials der äußeren Schicht mit dieser verbunden wird. Diese wirksame Verbindung ist deshalb wesentlich, weil ein geflochtenes Material, das in seiner Längsrichtung gezogen wird, seine Länge unter entsprechender Verringerung des Durchmessers vergrößert. Dies muß natürlich bei der Herstellung und Verwendung für Elektroden vermieden werden, was durch den Einschlui in dem thermoplastischen Material gewährleistet ist.

Bei einer abgewandelten Ausfuhrungsform besteht die äußere Schicht der Röhrenhülle aus einem Netz aus thermoplastischem Material. Die Verwendung eines Netzes bringt besondere Vorteile mit sich. Das Netz besteht aus zwei in verschiedenen Richtungen verlaufenden Fäden. Diese Fäden sind so zueinander angeordnet, daß eine durch die Mittelachsen der in einer Richtung verlaufenden Fäden gelegte Eb ene nicht mit der durch die Mittelachsen

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der in der anderen Richtung verlaufenden Fäden gelegten Ebene zusammenfällt. Unter Lbene ist eine ebene oder gebogene Fläche zu verstehen, die die Mittelachsen der verschiedenen Fäden miteinander verbindet, unabhängig davon, ob diese Fäden

einen kreisrunden order einen anderen Querschnitt besitzen. Durch die Verwendung eines so ausgebildeten Netzes wird erreicht, daß die in einer Richtung verlaufenden Fäden ganz oder zum großen Teil in das faserförmige Material eingeschmolzen werden und die beiden Schichten zuverlässig miteinander verbinden, während die in der anderen Richtung verlaufenden Fäden nur in geringen Umfange oder überhaupt nicht durch Eiinschmelzung mit dem Fasermaterial verbunden werden, sondern die Funktion besitzen, einen gewissen Abstand zu den~ übrigen Komponenten in der Batteriezelle zu halten und das faserförmige Material gegen Verschleiß zu schützen.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen rohrförmigen Hülle wird zunächst das faserförmige Material der Innenschicht erwärmt, worauf das thermoplastische Material der Außenschicht aufgetragen wird. Hierbei erfolgt wenigstens an den Berührungspunkten zwischen den beiden Schichten eine Erweichung oder ein Anschmelzen des thermoplastischen Materials, wodurch eine Verbindung zwischen den beiden Schichten hergestellt wird. Die Erwärmung selbst kann auf verschiedene Weise er-

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folgen, wobei es zweckmäßig ist, daß ein Dorn aus geeignetem Material, vorzugsweise Stahl, verwendet wird. Als geeignete Erwärmungsxnethoden haben sich Infrarotbestrahlung und INduktioni erwärmung gezeigt. Hierbei wird in erster Linie der Dorn erwärmt von dem die Wärme auf das faserförmige Material übertragen wird, Bei Induktionserwärmung ist der Dorn von einer Spule umgeben, die mit Wechselstrom gespeist wird, deren Frequenz relativ hoch sein kann. Hierbei kommt es zur Wirbelstromverlusten im Dorn unc damit einer starken Erwärmung. Man kann auch durch geeignete Frequenzwahl die Erwärmung des faserförmigen Materials der Innenschicht erreichen, die durch innere Molekularreibung erzielt wird. Der erwärmte Dorn wird zweckmäßigerweise so lang bemessen, daß die Formgebung der Hülle auf ihm erfolgt.

Die Herstellung der ein Netz bildenden äußeren Schicht der Rohrhülle erfolgt zweckmäßig auf nachstehende Weise. Das thermoplastische Material wird durch eine runde oder eckige Düse extrudiert derart, daß unmittelbar ein Wetz von dem gewünschten Aussehen in Form eines Röhrchens erhalten wird. Das faserförmige Material der Innenshhicht wird durch das Mundstück zugeführt und mit der Innenseite des thermoplastischen Materials in Kontakt gebracht. Hierdurch ergibt sich ein einfaches Herstellungsverfahren bei einer gleichzeitigen Verbindung der beiden Schichten unmittelbar hinter der Düse, solange das thermoplastische Material noch wa rm ist.

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Gegebenenfalls kann zusätzliche Wärme zugeführt werden, und es kann zweckmäßig sein, das faserförmige Material der inneren Schicht vor Vereinigung mit der äußeren netzförmigen Schicht zu erwärmen, wobei diese Erwärmung vor der Düse erfolgen kann. Durch Anwendung einer anderen Wärmezufuhr als der, die das Kunststoffmaterial in der Düse erhält, ergibt sich der Vorteil, daß die Fäden des Netzes, die bei der fertigen Hülle in der Ebene senkrecht zur Achse der Hülle liegen, schneller als die in Längsrichtung verlaufende^ Fäden erweichen, da die in Querrichtung verlaufenden Fäden dünner ausgebildet werden können und damit weniger Material enthalten. Hierdurch dringen die in Querrichtung verlaufenden Fäden zum großen Teil in das faserförmige Material ein, während die in Längsrichtung verlaufenden Fäden eine ausreichende Festigkeit besitzen, um ein kontinuierliches Vorschieben der Materialien zu ermöglichen.

Wesentlich ist, daß die beiden unterschiedlichen Ma terialieiji der aus zv/ei Schichten bestehenden Röhrenhülle fest miteinander verbunden sind, wodurch eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Hülle erreicht wird, die vor allem bei der Einfüllung des aktiven Materials von Bedeutung ist. Bei der Herstellung von Elektroden wird so verfahren, daß zuerst ein aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise einer Bleilegierung, bestehender Körper

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gegossen wird, der aus einer Leiste mit einer Anzahl aus ihr vorspringenden parallel zueinander liegenden Sprossen besteht, über diese Sprossen werden die Röhrenhüllen gestülpt, worauf das aktive Material in Pulverform eingefüllt wird. Dieses Einfüllen des aktiven Materials läßt sich zuverlässig nur dann durchführen, wenn die beiden Materialien der Röhrenhülle fest miteinander verbunden sind. Auch das Aufziehen der Röhren auf die Sprossen wird bei einer schlechten Verbindung der Materialien erschwert.

Die beiliegenden Zeichnungen zeigen eine beispielsweise Ausführungsform der als Netz ausgebildeten äußeren Shhicht der Hülle, und es bedeutet:

Fig. 1 ein Netz mit in zwei Richtungen verlaufenden Fäden,

Fig. 2 Schnitt durch das Netz senkrecht zu den in einer Richtung verlaufenden Fäden,

Fig. 3 Schnitt senkrecht zu den in der anderen Richtung verlaufenden Fäden,

Fig. 4 einen Teil einer aus dem Netz gebildeten

Hülle,

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Fig. 5 Schnitt durch die Hülle gemäß Linie C-C der Fig. 4,

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und 7 eine andere Ausführungsform des Netzes

gemäß Fig. 1.

Das in Figur 1 gezeigte Netz besteht aus Polyäthylen und besitzt in einer Richtung A verlaufende Fäden 1 und in einer zweiten Richtung B verlaufende Fäden 2. Die Fäden 1 und 2 können gleiche oder verschiedene Querschnitte besitzen, und ihre Anordnung im Verhältnis zueinander kann variieren, wie die Figuren 2 und 3 und 6 und 7 zeigen.

Die faserförmige Schicht besteht aus einem Glasfaserstrumpf und die thermoplastische Schicht aus einem Polyäthylen-Netz, wie es in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist. Das Netz kann aus Fäden mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr bestehen und öine Maschengröße von ca. 1,5 bis 4 mm besitzen. Mit einem solchen Netz erhält man eine freie Oberfläche von 50 bis 75%, j vorzugsweise von 65 bis 70%. Hierdurch wird eine optimale

Konstruktion hinsichtlich der mechanischen Stabilität, der Elektrolytdiffusion und des Austrittes der sich in der Eletrod« bildenden Gase erreicht.

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Claims

- 13 - Ansprüche

1. Aus zwei Schichten bestehende Hülle für Röhrenelektroden

von elektrischen Akkumulatoren, bei der die Röhrenelektrod^ aus einer Anzahl miteinander verbundener elektrisch leitender, von aktivem Material umgebener Sprossen besteht wobei das aktive Material von einer elektrochemisch inaktiven Hülle umgeben ist, dadurch gekennzeichnet , daß die innen liegende Schicht der Hülle aus einem faserförmigen, inerten Materia!. und die außen liegende Schicht der Hülle aus einem durchlässigen thermoplastischen Material, beispielsweise einer PERFOrierten Folie besteht, und daß die innere Schicht der Hülle durch Eingriff in die innen liegende Oberfläche der äußeren Schicht mit dieser zu einer Einheit verbunden ist.

2. Hülle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das faserförmige Material der inneren Schicht aus Glasfasern besteht.

3. Hülle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das thermoplastische Material der äußeren Schicht der ι Hülle ein Polyolefin ist.

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4. Hülle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material der äußeren Schicht der Hülle auf ihrer Außenseite wenigstens zwei vorspringende, einander gegenüberliegende Rippen bildet.

5. Hülle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material der äußeren Schicht der Hülle aus einem Netz besteht, bei dem mindesten ein Teil der in einer Richtung verlaufenden Netzfäden mit ihren Mittellinien in einer anderen Ebene liegen als die in einer anderen Richtung verlaufenden Netzfäden.

6. Hülle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

die parallel zur Achse des Netzes verlaufenden Fäden weiter nach außen vorspringend angeordnet sind als die senkrecht zur Achse verlaufenden Fäden.

7. Hülle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Achse des Netzes verlaufenden Fäden weitgehend in die Fasern der inneren Schicht eingreifen, und die parallel zur Achse des Netzes verlaufen den Fäden wenig oder nicht in die Fasern der inneren Schich eingreifen.

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8. Hülle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei parallel zur Netzachse gerichtete Fäden einen größeren Querschnitt besitzen als die übrigen Fäden,

9. Werfahren zur Herstellung einer Hülle nach Ansprüchen 1 bis 8_f dadurch gekennzeichnet, daß die innere, aus faserförmigem Material bestehende Schicht der Hülle erwärmt wird, und daß darauf die äußere Schicht derart auf die innere Schicht aufgebracht wird, daß durch Erweichung oder Anschmelzung der inneren Ob erfläche der äußeren Schicht die beiden Schichten miteinander verbunden werden.

1(D, Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden die Hülle bildenden Schichten über eine|n erwärmten Dorn oder dergleichen geführt werden,

11, Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Infrarot-Bestrahlung erfolgt,

12, Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf induktivem Wege, beispielsweise durch Hochfrequenz, erfolgt,

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13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9"bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Schicht ein Folienstreifen aus thermoplastischem Material verwendet wird, und daß der Streifen unter Anschmelzung seiner der inneren Schichjt zugewandten Oberfläche um diese herumgelegt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als äußere Schicht wenigstens zwei Streifen aus thermoplastischem Material verwendet werden, und daß die Streifen gleichzeitig um die erwärmte innere Schicht unter Anschmelzüng jind unter Ausbildung ihrer Ränder zu vorspringenden Rippen geführt werden,

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die äußere Schicht der Hülle bildende Netz aus thermoplastischem Material im Wege der Extrudierung aus einer Düse hergestellt wird, und

daß das die innere Schicht der Hülle bildende faserförmige Material durch die Öüse mit der inneren Oberfläche des Netzes in Kontakt gebracht wird.

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