DE2340504A1 - Galvanisches quecksilberoxid/zinkelement - Google Patents

Description

DIPL.-ING. R. LEMCKE 07 08 PatenUnwa.t (11088/85) L/Br

75 Karlsruhe 1

P. R. MALLORY & CO. INC., eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, 3029 East Washington Street, Indianapolis, Indiana 46206, Vereinigte Staaten von Amerika

Galvanisches Quecksilberoxid/Zink-Element

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Quecksilberoxid/Zink-Element mit einer negativen Elektrode und einer posixiven Depolarisationselektrode bzw. aus solchen Elementen hergestellte Batterien insbesondere für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen.

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Es hat sich herausgestellt, daß Quecksilberoxid/Zink-Elemente sehr gut zum allgemeinen Gebrauch geeignet sind, und zwar wegen ihrer hohen Leistungsfähigkeit, ihrer langen Lagerbarkeit und ihrer langen Betriebsdauer mit einem hohen Ausnutzungsgrad der im Element enthaltenen chemischen Bestandteile, die für ein hohes Verhältnis der gelieferten Energie und Energiedichte in Relation zum Rauminhalt der aktiven chemischen Bestandteile des Elementes sorgt.

Bei einigen Anwendungsfällen, wie z. B. als Batterien für Sende- und Empfangsgeräte von Rettungseinrichtungen der Luft- und Raumfahrt, führt die niedrige Umgebungstemperatur, bei der die Batterie arbeiten muß, zum Problem der Leistungsfähigkeit bei niedriger Temperatur und der Lagerfähigkeit dabei, ^s ist sehr schwierig, mit diesem Problem fertig zu werden, da typische Abmessungen des Elementes auf einen zylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser etwas unterhalb 2,54 cm und einer axialen Tiefe etwas unterhalb 1,27 cm begrenzt sind.

Bei der herkömmlichen Bauweise der genannten Elemente ist die negative Elektrode in der Mitte des Elementes angeordnet und das Depolarisatormaterial der positiven Elektrode hat die Form eines Hohlzylinders, der mit radialem Abstand konzentrisch um die negative Elektrode angeordnet ist. So ist bei dieser bekannten Anordnung von negativer und positiver Elektrode nur die

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innere Oberfläche der Depolarisationselektrode und die äußere Umfangsfläche der negativen Elektrode in der Lage, während des Arbeitens des Elementes elektrochemisch aktiv zu sein«

Ja, es war sogar nach der konventionellen Praxis vorgeschrieben, nur eine einzige negative Elektrode umgeben von einer einzigen zylindrischen Depolarisationselektrode vorzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Element gesteigerter Leistungsfähigkeit bei niedrigen Temperaturen anzugeben, wobei insbesondere eine größere effektive Ausnutzbarkeit der Dspolarisationselektrode bzw. des Depolarisatormaterials möglich sein soll.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei voneinander ^inabhängige positive Depolarisationselektroden vorgesehen sind, derart, daß sie zwei unabhängig voneinander mit der negativen Elektrode arbeitende Elementeneinheiten bilden. Dabei ist es zweckmäßig, daß die beiden Elementeneinheiten an einer gemeinsamen negativen Elektrode Anteil haben und daß die Elektrode den positiven Elektroden entsprechend zugeordnete^ Oberflächen neben dieser aufweist. Hierzu können die negative Elektrode und die positiven Depolarisationselektroden koaxial derart ineinander angeordnete Zylinder sein, daß die negative Elektrode zwischen der inneren positiven Depolarisationselektrode

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und der hohlzylindrischen äußeren positiven Depolarisationselektrode sitzt. Dabei kann ferner die innere positive Depolarisationselektrode ein Hohlzylinder mit einem darin angeordneten metallenen Träger und Stromsammler sein, die äußere positive Depolarisationselektrode einen außen liegenden metallenen Träger und Stromsammler aufweisen und es können sich beide Träger und Stromsammler in Kontakt mit einem Metall- gehäuse des Elementes befinden. Schließlich ist es vorteilhaft, daß die beiden positiven Depolarisationselektroden im wesentlichen gleiche elektrochemische Leistungsfähigkeit aufweisen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist das Depolarisatormaterial in zwei individuelle Bereiche aufgeteilt und so angeordnet, daß eine Doppelelementeneinheit mit vorzugsweise einer einzelnen, gemeinsamen negativen Elektrode entsteht. Durch diese Anordnung ist eine größere Oberfläche des Depolarisatormaterials für die Stroiiileitung zur gemeinsamen negativen Elektrode verfügbar gemacht. Darüber hinaus ist infolge des Zutritts zu einer größeren Oberfläche des Depolarisatormaljerials während der Entladung des Elementes die Energie über einen langen Arbeitszeitraum bei einer Stromdichte verfügbar, die für den gewünschten Einsatzzweck ausreicht.

Die beschriebene Unterteilung und neue Anordnung des Depolarisatormaterials hat außerdem einen besonderen

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Vorteil, nämlich fortgesetzte Leistungsabgabe auch bei niedrigeren Temperaturen bis herunter zu minus 30⁰C, wo dii
einstellen.

30⁰C, wo die bekannten Elemente ihre Punktion bereits

Die Trennung des Depolarisatormaterials in zwei eigenständige Teile zur Vergrößerung der Oberfläche für den Stromübergang wirft als Problem auf, daß die beiden Elementeneinheiten im wesentlichen gleichzeitig verbraucht sein sollten, um bei jeder fertigen Batterie eine optimale Arbeitsweise zu ergeben. Wenn nämlich eine Elementeneinheit früher verbraucht ist als die andere, kann nämlich die in der anderen Elementeneinheit noch verbliebene Aktivität praktisch verloren sein.

Zur Lösung dieses Problems wird die Leistungsfähigkeit der beiden Elementeneinheiten so aufeinander abgestimmt, daß ihre Arbeitscharakteristika weitestgehend übereinstimmen und ihre maximale Arbeitsdauer praktisch gleich ist. Dann sind die beiden Elementeneinheiten praktisch zur gleichen Zeit verbraucht, so daß der Zustand nicht auftreten kann, bei dem eine Elementeneinheit ihre gesamte Energie abgegeben hat, während die andere Elementeneinheit noch arbeitsfähig ist und den Anschein noch zur Verfügung stehender Energie erweckt, jedoch bei einer niedrigeren Spannung.

Um die genannte Abstimmung zu erreichen, ist es er-

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forderlich, die Parameter oder Variablen der Bestandteile der beiden Elementeneinheiten funktionell in Beziehung zu setzen, so deren Volumen, die Größe der dem Stromübergang zur Verfügung stehenden Oberflächen und die Platzaufteilung innerhalb des vom Elementengehäuse zur Verfügung gestellten Raumes, wobei die Abmessungen der Bestandteile des Elementes und ihre Anordnung eingeschlossen ist. Die Beziehungen der Parameter untereinander können durch eine Gruppe von Gleichungen erfaßt werden, die auf die verschiedenen Parameter Bezug nehmen, wie dies nachfolgend noch im einzelnen dargestellt wird. Dabei dienen die Grenzabmessungen des Elementes als unabhängige Konstanten, zu denen die Variablen in Bezug gesetzt werden können, und durch Lösung der voneinander abhängigen Gleichungen können dann die Abmessungen der Elemententeile abgeleitet werden.

Ein Problem, dad bei allen kleinen Quecksilberoxid/Zink-Elementen auftritt, ist das Erfordernis einer absoluten Absperrung zwischen der negativen Elektrode und dem Depolarisatormaterial, da sonst das Depolarisatormaterial durch Lösen kleiner Partikel abgetragen würde, die in den Zwischenraum in Richtung auf die negative Elejktrode wandern würden und Ursache für Kurzschlüsse oder andere nachteilige Wirkungen sein könnten. Im vorliegenden Falle ist diese Möglichkeit einer Teilchenwanderung sogar noch verstärkt, weil zwei Depo-

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larisatorkörper vorhanden Bind, weshalb besondere ^ Maßnahmen ergriffen werden müssen, die nachfolgend noch beschrieben werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Elementes mit Schnitten entlang zweier senkrechter Ebenen, die sich an der ebenfalls senkrechten Achse des Elementes treffen und

Fig. 2 die schematische Ansicht eines Elementes

mit doppelten Elementeneinheiten zur Unterstützung der Berechnung der einzelnen Parameter des Elementes.

Gemäß Fig. 1 weist das Element ein becherförmiges Stahlgehäuse 12 auf, in dessen Mitte koaxial ein hohlzylindrischer Stromsammler 14 aus Metall angeordnet ist, der an seinem unteren Ende verschlossen und dort mit dem Stahlgehäuse 12 verschweißt ist. Der Stromsammler 14^ trägt einen ihn umgebenden inneren Hohlzylinder 16 aus Depolarisatormaterial, den außen eiri an ihm anliegender Separator 18 umgibt. An diesem wiederum liegt außen ein ihn umgebender Hohlzylinder 20 aus absorbierendem Material und unten eine kreisring-

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förmige Isolierung 21 aus Neopren an.

Um den Hohlzylinder 20 verläuft an ihm anliegend eine poröse negative Elektrode 22 aus geeignetem Material, beispielsweise einer Mischung aus Zinkpulveramalgam. Diese wiederum ist umgeben von einem Hohlzylinder 24 aus absorbierendem Material, um den ein Separator 26 aus isolierendem Material verläuft. Daran schließt sich nach außen ein zweiter Hohlzylinder 28 aus Depolarisatormaterial an, der in einer Stahlhülse 30 eingeschlossen ist. Diese Stahlhülse 30 ist derart bemessen, daß sie praktisch spielfrei in der vertikalen Seitenwand 12A des Stahlgehäuses 12 sitzt.

Oberhalb der Stahlhülse 30 ist eine kreisringförir.ige Unterlegscheibe 32 aus Polyäthylen ils Isolation angeordnet, um das Wandern von Quecksilber und sonstigem Depolarisatormaterial in den Raum oberhalb der Unterlegscheibe 32 zu verhindern.

Eine koaxial in der Mitte sitzende Kappe 34 aus Kunststoff dient verschiedenen Zwecken. Zunächst einmal hat sie ein ebenes Mittelteil 34A_f um den mittleren Bereich des llementendeckels 36 gegen Verwerfen bzw. Einknicken -zu stützen. Die Kappe 34 selbst wird durch den koaxialen, hohlzylindrischen Stromsammler 14 gehalten, der als Mittelpfosten des Elementes dient. Der Stromsammler 14 weist mehrere sich in seine Längsrichtung erstreckende Schlitze 14B auf, wodurch Pinger 14C

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gebildet sind, so daß das offene Oberende HD leicht nach außen erweitert werden kann. Die Kappe 34 hat außerdem einen kegelförmigen mittleren Vorsprung 34B, der koaxial nach unten in den Stromsammler 14 ragt und die Pinger 14C leicht nach außen spreizt, so daß sie unter Vorspannung in guten elektrischen Kontakt mit dem Hohlzylinder 16 aus Depolarisatormaterial gelangen. Andererseits hat die Kappe 34 schließlich außen eine Kante 34C.

Der Deckel 36 hat im wesentlichen die Form einer Kreisscheibe, wobei sein Rand 36A abgebogen und abgerundet ist, um in einem aufgespritzten Dichtring 38 gehalten zu sein, dessen Abmessungen ihn bei zusammengebautem Element fest im oberen Ende des Stahlgehäuses 12 sitzen lassen. Der Dichtring weist eine geneigte Außenfläche 38A auf, über die der Rand 12B des Stahlgehäuses bei Bildung einer guten gegenseitigen Abdichtung umgebördelt werden kann.

Nach dem Umbördeln drückt der Rand B den Deckel 36 nach unten und erfüllt damit mehrere Aufgaben. Einmal ist der Deckel 36 straff gegen die ebene Oberfläche der Kappe 34 gehalten und drückt so die Kappe 34 nach unten, wodurch das offene Oberende des Stromsammlers 14 in guten elektrischen Kontakt mit dem Hohlzylinder 16 aus Depolarisatormaterial gebracht wird. Zum anderen wird der Deckel 36 fest und dicht gegen die Oberfläche 22A der negativen Elektrode 22 gepreßt,

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wodurch zwischen diesen beiden Teilen ein guter elektrischer Kontakt entsteht.

Nachfolgend wird nun beschrieben, wie die einzelnen Bestandteile des Elementes bei dessen Herstellung zusammengesetzt werden und welche gegenseitigen Wirkungen sie haben, wobei davon ausgegangen wird, daß das Stahlgehäuse 12 zunächst einmal oben nicht abgebördelt ist, um ein leichtes Einsetzen der Einzelteile zu ermöglichen.

Der Stromsammler 14, der ein länglicher, hohlzylindrischer Metallbecher ist, besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material, aus dem auch das Stahlgehäuse 12 besteht, um zwischen diesen beiden Teilen eine Potentialdifferenz zu vermeiden. Außerdem ist es zweckmäßig, wenn das Material des Stromsammlers 14 federnde Eigenschaften hat. Dieser Stromsammler 14 wird nun koaxial im Stahlgehäuse 12 angeordnet und mit diesem verschweißt, wonach es zur Aufnahme der Arbeitsbestandteile des Elementes vorbereitet ist.

Daraufhin wird der Hohlzylinder 16 aus Depolarisatormaterial über den Stromsammler 14 geschoben und solange, nach unten^gedrückt, bis er auf dem Boden des Stahlgehäuses 12 aufsitzt. Daraufhin wird der äußere Hohlzylinder 28 aus Depolarisatormaterial mit der Stahlhülse zusammengesetzt und es werden diese beiden Teile ge-

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meinsam in das Stahlgehäuse 12 eingeschoben, bis sie sich fest in Anlage einerseits an die Seitenwand 12A und andererseits an den Boden des Stahlgehäuses 12 befinden. Daraufhin wird der Separator 26 in den Hohlzylinder 28 eingesetzt und es wird·der Separator 18 über den inneren Hohlzylinder 16 aus Depolarisatormaterial gestreift.

In diesem Zwischenstadium bleibt zwischen dem Separator 18 und dem Separator 26 ein kreisringförmiger Hohlraum frei, der der Aufnahme der negativen Elektrode und der Hohlzylinder 20 und 24 aus absorbierendem Material dient. Diese beiden Hohlzylinder werden zunächst in bzw. auf die negative Elektrode gesetzt.

Um die negative Elektrode 22 an ihrem Fußende gegenüber den Depolarisationselektroden 16 und 28 zu isolieren, die ja auf dem Boden des Stahlgehäuses 12 aufsitzen, und um ferner sicherzustellen, daß diese Isolierung auch dauernd aufrecht erhalten bleibt, ist eine kreisringförmige Isolierung 21 aus Neopren vorgesehen, auf der die negative Elektrode 22 sowie die beiden Hohlzylinder 20 und 24 aufsitzen sollen. Diese Isolierung 21 wird nun zunächst zwischen den Separatoren 18 und 26 bis auf den Boden des Stahlgehäuses gedrückt, wo sie gleichzeitig als Abstandshalter zwischen diesen beiden Separatoren dient. Die aus negativer Elektrode und den Hohlzylindern 20 und 24 be-

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stehende Baueinheit, wird daraufhin in ihre vorbestimmte lage eingesetzt, wobei sich Separator 18 und Hohlzylinder 20 einerseits und Separator 26 und Hohlzylinder 28 in gegenseitiger Anlage befinden. Selbstverständlich erfolgt das Einsetzen der negativen Elektrode 22 zusammen mit den beiden Hohlzylindern 20 und 24 so weit, daß sie fest auf der Isolierung 21 aufsitzen.

Nun wird die Kappe 34 in die aus Pig. 1 ersichtliche lage gebracht, bei der ihr Vorsprung 34B in das offene Oberende des Stromsammlers 14 ragt. Bei fertig !zusammengebautem Element drückt dieser Vorsprung 34B die Pinger HC gegen die Innenfläche des Hohlsylinders 16 aus Depolarisatormaterial, Außerdem sitzt das Mittelteil 34A auf den Oberencien der Pinger 14C und die Kante 34C der Kappe 34 drückt nach unten auf das Cberende 2OA des Hohlzylinders 20 aus absorbierendem Material, um in dieses einen leichten Spreizeffekt einzuleiten, damit das absorbierende Material in innige Berührung mit dem Separator 18 und der negativen Elektrode 22 gelangt.

Daraufhin wird die Unterlegscheibe 32 um den Separator 26 und. auf einen oberen Bund 3OA der Stahlhülse 30 eingesetzt, Die beiden Oberflächen der aus Polyäthylen bestehenden Unterlegscheibe 32 sind mit einem geeigneten PiIm aus dichtendem Material beschichtet, das die Dichtfunktion unterstützt und außerdem dazu dient,

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wandernde Partikel aufzuhalten.

Der Deckel 36 und der Dichtring 38 sind vorher durch Aufspritzen des Dichtringes 38 miteinander verbunden, so daß sie in dieser vorgefertigten Form zum Einbau zur Verfugung stehen.

Bevor das Stahlgehäuse 12 mit dem Deckel verschlossen wird, wird der Elektrolyt durch eine geeignete, von Hand zu betätigende Spritze oder Pipette in das Element eingebracht, die auf das obere Ende der beiden Hohlzylinder 20 und' 24 aus absorbierendem Material gerichtet wird.

Nun wird der Deckel 36 in Position gebracht, wobei der Dichtring 38 auf der Unterlegscheibe 32 zu sitzen kommt, und der Deckel wird mäßig unter Druck gesetzt, um die verschiedenen durch den Deckel miteinander in Eingriff gebrachten Bestandteile zusammenzudrücken, wie die Kappe 34 mit der negativen Elektrode 22, woraufhin dann der Rand 12B umgebördelt wird, um bei 38A in vorgespannten Eingriff mit dem. Dichtring 38 zu gelangen, wodurch die Lage des Deckels unter gleichzeitiger Druckausübung auf die negative Elektrode 22 und die Kappe 34 fixiert ist.

In abgewandelter Ausführungsform können zwei voneinander getrennte negative Elektroden vorgesehen sein, und zwar je eine für einen der Hohlzylinder aus Depo-

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larisatormaterial, jedoch konnte festgestellt werden, daß bei Vereinigung dieser beiden negativen Elektroden, d. h. also der Anordnung einer gemeinsamen negativen Elektrode für beide Depolarisatoren, die größere Festigkeit dieser negativen Elektrode die Handhabung beim Zusammensetzen des Elementes erleichtert.

Es wurde gefunden, daß sich als Elektrolyt zur optimalen Leistungsabgabe bei niedrigen Temperaturen 7-molares KOH mit 2 ^c/> Zinkoxid eignet. Als absorbierendes Material zur Aufnahme des Elektrolyten hat sich eine nicht gewebte Schicht aus Polyamidfasern als zweckmäßig erwiesen.

Der Aufbau des Elementes läßt sich mannigfach ändern, um besonderen räumlichen Erfordernissen Rechnung zu tragen. Um jedoch optimal gegeneinander abgewogene Arbeitsbedingungen für die beiden in dem Element vereinigten Elementeneinheiten zu erreichen, sollten folgende Forderungen erfüllt sein:

1. Die Leistungsfähigkeit der inneren, Depolarisationselektrode soll mit der Leistungsfähigkeit der innen liegenden negativen Elektrode bzw. der inneren Oberfläche der negativen Elektrode abgestimmt sein.

2. Die Leistungsfähigkeit der äußeren Depolarisationselektrode soll mit der Leistungsfähigkeit der äußeren negativen Elektrode bzw. der äußeren Oberfläche der gemeinsamen negativen Elektrode abgestimmt sein.

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3. Unter der Voraussetzung gleicher Stromdichte an den gedachten mittleren "Separator- und Absorberflächen¹¹ sollen die Kapazitäten der inneren und der äußeren Elementeneinheit so eingerichtet sein, daß beide etwa gleichzeitig verbraucht bzw. leer sind.

Der Energieinhalt wird allerdings mit der Menge positiven und negativen Elektrodenmaterxals im jeweiligen Element schwanken, was bei. einem kleinen Element brauchbar in mAh/cnr gemessen werden kann.

Um von dem Element insgesamt einen maximalen Nutzen zu erhalten, sollten die beiden Elementeneinheiten einen so weit vergleichbaren Energieinhalt haben, daß sie die drei oben genannten Bedingungen erfüllen. Insbesondere sollten die Entladekurven ungefähr denselben Verlauf haben und es sollten die Spannungen der·beiden Elementeneinheiten so ausgeglichen sein, daß sie sieht als Senke oder Last anstatt als Energiequelle wirken können.

Die Parameter der Gestaltung des Elementes und seiner einzelnen Bestandteile können unter Benutzung der Pig. 2 mit den dort markierten radialen Abmessungen bestimmt werden.

Die Elementenbestandteile gemäß Fig. 2 sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen wie die e'nt-

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sprechenden Bestandteile in Fig. 1 versehen, wobei jedoch Jeweils die Ziffer 2- vorangesetzt ist. Außerdem besteht ein Unterschied darin, daß zur allgemeineren Darstellung in Fig. 2 eine negative Elektrode in Form zweier ineinander sitzender Hohlzylinder vorgesehen ist, die mit 2-22-1 und 2-22-2 bezeichnet sind. Außerdem sitzt zwischen diesen beiden negativen Elektroden ein gemeinsamer Stromsammler 2-22C.

Zur Erreichung einer optimalen Arbeitsweise des in Fig« 2.dargestellten Elementes beginnt die Gestaltung mit folgenden" erforderlichen Grundbedingungen:

1. Das Leistungsvermögen Cdi der inneren Depolarisa- . tionselektrode 2-16 muß mit dem Leistungsvermögen Cai der inneren negativen Elektrode 2-22-1 abgeglichen sein, so daß Cai =0,92 Cdi,

2. Das Leistungsvermögen Cdo der äuSeren Bepolarisationselektrode 2-22 muß mit dem Leistungsvermögen Cao der äußeren negativen Elektrode 2-22-2 abgeglichen sein, so daß Gao =0,92 Cdo ist,

3. Unter der Annahme gleicher Stromdichte an der angenommenen mittleren ifläciie von absorbierendem Material und Separatorschichi müssen die Leistungsvermögen von innerer und äußerer Slementeneinheit so eingestellt sein, daß beide Elecienteneinheiten gleichseitig verbraucht sind.

In den nachfolgenden Gleichungen finden unter Bezug

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BAD ORIGINAL

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auf Fig. 2 folgende Größen Verwendung:

W Dicke der inneren Depolarisationselektrode 2-16

X Dicke der inneren negativen Elektrode 2-22-1

Y Dicke der äußeren negativen Elektrode 2-22-2

Z Dicke der äußeren Depolarisationselektrode 2-28

S Dicke der Schichten 2-20 und 2-24

Di innerer Begrenzungsdurchmesser für die aktiven Bestandteile, festgelegt durch die Gestaltung des Element engehäus e s

Do äußerer Grenzdurchmesser der aktiven Bestandteile, ebenfalls festgelegt durch die Gehäusegestaltung

hai Höhe der negativen Elektrode 2-22-1

hdi Höhe der Depolarisationselektrode 2-16

hao Höhe der äußeren negativen Elektrode 2-22-2

hdo Höhe der Depolarisationselektrode 2-28

Diese vier Höhen sind ebenfalls durch die Elementengestaltung festgelegt. '

Φ_ inneres Leistungsvermögen des negativen Elektrodenmaterials in mah/inch

inneres Leistungsvermögen des Depolarisatormateria..

Durchmesser, der weiter spezifiziert ist durch die Suffixe a = negative Elektrode, i = innere, 1 = Innendurchmesser

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0, 2 Durchmesser, der weiterhin spezifiziert ist durch

die Suffixe d = Depolarisator, ο = äußerer, 2 = Außendurchmesser

Ve Volumen der Elektrode

Der allgemeine Ausdruck für das gesamte Leistungsvermögen Ce einer Elektrode in Form eines Kreiszylinders mit dem inneren Leistungsvermögen O_ und der Höhe h ist:

Λ = Ve = ?e^he · ^/* ««-<1>

Der Lösungsvorgang vollzieht sich nun nach folgenden Schritten:

1. Gemäß der vorstehend unter 1. aufgestellten Forderung wird eine Beziehung für ein abgeglichenes Leistungsvermögen zwischen W und X hergestellt und es wird aufgelöst nach W als Funktion von X.

II. Entsprechend der vorstehend unter 2. aufgestellten Forderung wird eine Beziehung für ein'abgeglichenes Leistungsvermögen zwischen den Größen Z und Y hergestellt und es wird diese Beziehung nach Y als Funktion von Z aufgelöst.

III, Gemäß der oben unter 3. aufgestellten Forderung wird eine Beziehung zwischen den Größen W und Z hergestellt und es wird diese Beziehung nach Z als Funktion von W aufgelöst.

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BADJDFHGINAU

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IV. Es wird der Größe X ein kleiner Wert gegeben, beispielsweise 0,001 " , dann wird W gemäß I,, Z gemäß III. und Y gemäß II. bestimmt, woraufhin dann (X +Y+ Z +W) ermittelt und mit dem insgesamt zur Verfügung stehenden Raum verglichen wird.

Ist die Summe X + Y + Z + W geringer als der zur Verfügung stehende Platz, wird X erhöht und diese Operation fortgesetzt, bis die genannte Summe gleich oder größer dem verfügbaren Platz ist. Von den so ermittelten Werten für die Größen X, Y, Z und W lassen sich die Elektrodendurchmesser, ihre Leistungsvermögen und die insgesamten Leistungsvermögen der negativen Elektroden und der Depolarisatoren errechnen.

Schritt I.; Cai - 0.92 Cdi

V_al ·

2W 4-2S+-2X -I-2S

^8SX

8WX4-8SX+4X²

C_at * ^A (^4Di wobei A -

folglich: ■

0.92 *>_dV_dl * 0.92

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BAD ORIGINAL

Cn 088/eql - ²⁰ -

^{m B} <^4Di

~ B(4Dj W-»~4W²) . Gl.2

wobei B · 0.92 *

Faßt man nun die Gleichungen 1) und 2) zusammen und löst nach W = f (X) auf, so ergibt sich:

A KATi₁ X+ 8WX+ 8SX *-4X ²) « B (4D₁W+-4W² ) ADj X+-2AWX-I-2ASX -eAX² * BD₁ W+BW²

1 Bl

(BD₁ - 2AX)W-H -ADj X - 2ASX - AX* ) -

A₁ = B

B₁ β BD₁ - 2AX

Cj « AD₂ X - 2ASX - AX2 f Gl.

^A * **%^h*i · ^B * °»⁹² » % ^hdi

W * - Bl Α·ΎρΓ- 4A]C}

dt

Schritt IZ.: Cao = 0.92 Cdo

"/all

" ^Do - 2Z - 2S - 2Y
* Äol * ^4Do^Y - 8 ZY ^cao - ^c <£ιο2 - ^a²Ol) · C (4D^ Y - 8ZY - 8SY

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BAD ORIGINAL'

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23A0504

Cao ^s C (4D_OY - 8ZY - 8SY - 4Y² ) Gl₁, 4-

wobei C « Φ -it? hao folglich:

C_ao - 0.92C_do « 0.92^_dVdo- 0.92

Do

= Do - 2Z

- 0dol ■ 4DoZ - 4Z² Cao ^s D ( ^do2 -^dol) ■ D (4D_OZ - 4Z² )

Cao ^e O ( 4 D₀Z - 4Z*) Gl.5 -

wobei D « 0.924»_d-J^

Faßt man nun die Gleichungen 4) und 5) zusammen und löst nach Y = f (Z) auf, so ergibt sich:

C(4D_OY - 8ZY - 8SY - 4Y²) - D (4D_OZ - 4Z² ) - CD₀Y ♦ 2CZY ♦ 2CSY ♦ CY² - - DD₀Z *_DZ² A2 B2 C2

(C)Y²* (2CZ⁴ 2CS - CD_ )Y* DD₀Z - DZ² =

A2^SC

B2 ⁼ 2CZ ♦ 2CS - CDo C2 = DDoZ - DZ²

2A₂

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(11 088/89) " ^?·² "

Schritt III.:

Für die Gleichungen dieses Teils sind einige zusätzliche Symbole erforderlich, die nachfolgend angegeben sind.

Dsi Durchmesser der mittleren Fläche der inneren Schicht aus Separator und absorbierendem Materila

Dso Durchmesser der mittleren Fläche der äußeren Schicht aus Separator und absorbierendem Material

hsi effektive Höhe der mittleren Fläche der inneren Schicht aus Separator und absorbierendem Material

hso effektive Höhe der mittleren Bläche der äußerer. Schicht aus Separator und absorbierendem Material

Asi effektive Fläche der inneren Schicht aus Separator und absorbierendem Material

Aso effektive Fläche der äußeren Schicht aus Separator und absorbierendem Material

J gewünschte gleichmäßige Stromdichte an der inneren und äußeren mittleren Fläche der Schicht aus Separator und absorbierendem Material

Ii Gesamtstrom der inneren Elementeneinheit Io Gesamtstrom der äußeren Elementeneinheit

Te gewünschte gleiche Verbrauchszeit für beide Elementeneinheiten

Allgemein ist die Beziehung für eine zylindrische Oberfläche:

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(11 088/89) - ²^ ""

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ί.

As = ΤΓ Dshs

Ebenso ist die Beziehung für den insgesamt eine Fläche durchquerenden Strom:

Is = JAs

Schließlich ist die Beziehung für die Leistungsfähigkeit einer Elektrode bis zu ihrer endgültigen Entladung :

Ce = IsTe = JAsTe Damit ergibt sich für die innere Elementeneinheit:

Dsl · Di ♦ 2W₊ S

AsI · η Bsi hsi *it hsi (Di* 2W* S) Il =JÄsl * J rr hsi (Di* 2W* S) ' Ci - Ii Te * JAsi Te * J TT h_Si (Di * 2W«· S) T_e

Pur die äußere Elementeneinheit ergibt sich:

Dso

Aso - 7fDso hso * TC hso (D₀ - 2Z - S) Io * JAso * J tr hso (D₀ - 2Z - S) Cb - IoTe - JAso Te - J JT h_so (D₀ - 2Z -S ) T_e

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(11 088/89) ' - £4 -

Da das Leistungsvermögen eines Elementes bis zu seinem Verbrauch dem Leistungsvermögen der negativen Elektrode entspricht, ergibt sich aus den Gleichungen 2) und 5):

Ci- Cai* Bi-IDiW₊ 4 W²) Co - Cao - D (4D_OZ - 4Z² )

J TT hsi (D₁ ♦ 2W* S) T_e * B(4D|W⁺ 4W² ) Und J ττ h_so (D₀ - 2Z ~ S) T_e ^ D (4D₀Z - 4 Z²)

Teilt man die vorletzte Beziehung durch die letzte, so ergibt sich:

S) T_e

(D₀ - 2Z - S) T₆ D(4D_OZ - 4Z²) ♦ 2W* S) -- 3 {Dj W «· W² )

5₀-22~s) D(D₀Z-Z²) η

2W + S) Jh₃₀BJ(DiW ₊ W²

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(11 088/89)

(D₁ ♦ 2W⁺ S) R (D₁W+W^ (D₀-2Z-S) (D₀Z-Z¹

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WObei R

D hsi 0.92 I_d

^hso ¹Wi ¹^i *\3ο

(Dj ♦ 2W⁺ S) (D₀Z - Z² ) * R (D₀ - 2Z - S) (D₁ W ♦ W² ) Dj D₀Z - D₁ Z² + 2D_O WZ - 2WZ² ♦ D₀ SZ - SZ² « • RD₀D₁W «· RD₀W² - 2RD₁ ZW - 2RZW² - RD₁ SW -RSW² - DjD₀Z-* DjZ² - 2D₀WZ^-2WZ² - D₀SZ * SZ² + RD₀D₁W + RD₀W² - 2RDj ZW - 2RZW² - RD₁ SW - RSW²=

*2W* S)Z²* ( - DjD₀ - 2D₀W - D₀S - 2RD₁W - 2RW²) Z

(RD₀Dj W * RD₀W*- RD₁ SW - RSW² ) =

A₃

♦ 2W* S

B₃ -D₁D₀ - 2D_OW - D₀S - 2RD₁W - 2RW² C₃ * R (D₀D₁W* D₀W² - D₁SW - SW²)

^hsi

Z · - B₃ ± γ B₃ - 4A₃ C₃ 2A₃

ffl.7

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(11 088/89) - 26 -

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Schritt IV.:

Bei den vorausgegangenen Schritten I., II. und III. wurden die Elektrodendikcken X, Y, Z und W in folgenden funktioneilen Zusammenhang gebracht:

W = f (X) Gleichung 3)
Z = f (W) Gleichung 7)
Y = f (Z) Gleichung 6)

Ist nun für X eine Größe gewählt, dann können W aus Gleichung 3), Z aus Gleichung 7) und Y aus Gleichung t ermittelt werden.

Nun kann die Summe X + W + Z + Y gebildet und mit dein insgesamt zur Verfugung stehenden Platz verglichen werden. Ist diese Summe kleiner als der verfügbare Platz, wird X größer gewählt und es wird die sich damit ergebende größere Summe mit dem verfügbaren Platz verglichen. Dieses Vorgehen wird bis zu einem solcher. Wert für X fortgesetzt, bei dem die Summe X + W + Z + Y mit dem verfügbaren Platz übereinstimmt. Nun kennen mittels der gefundenen Werte für X, W, Z und Y alle Abmessungen der Elektroden und ihre Leistungsvermögen ermittelt werden.

Di + 2W + 2S + 2X + 2T + 2Y + 2S + 2Z = Do (Do -Di)/2 = X+W+Z+Y+2S+T X + W + Z + Y = 1/2 (Do -Di) -(25 + T)

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(11 088/89) - 27 -

Die Abmessungen und Leistungsvermögen der Elektroden ausgedrückt ih den Werten X, W, Y und Z sind:

0di1	= Di	2	4	Z	•	—	2)
0di2	= Di + 2 W	2			S = 0di2 + 2 S
0ai1	= Di + 2 W η			S + 2 X = 0ai1 + 2 X
0ai.2	ς= Di + 2 W +
0do2	= Do	S
0do1	= Do -2 Z	S	= 0so1 -2 S
0ao2	= Do -2 Z -2	-2Y= 0so2 -2 Y
0ao1	β Do -2 Z -2	W2)
Cai	- B(4 DiW +
Cdi	= Cai/0,92
Cao	= D(4 DoZ -4
Cdo	= Cao/0,92

Gesamt: C = Cai + Cao

Wie bereits früher erwähnt, können die beiden negativen Elektroden des Beispieles gemäß Fig. 2 zu einer negativen Elektrode gemäß Fig. 1 ausammeiigefaßt werden.

In Übereinstimmung mit dem vorstehenden Sereehnungsgang können die Parameter der einzelnen Bestandteile des Elementes entsprechend den dimensionsmäSig vorgegebenen Grenzen geändert werden und es äann die jeweils optimale Gestaltung gesucht werden, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen wurde,

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Claims (5)

1. (11088/89) - 28 -

   7340504

   Patentansprüche

   M.^Galvanisches- Quecksilberoxid/Zink-Element mit einer negativen Elektrode und einer positiven Depolarisationselektrode ,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß zwei voneinander unabhängige positive Depolarisationselektroden (16, 28) vorgesehen sind, derart, daß sie zwei unabhängig voneinander mit der negativen Elektrode (22) arbeitende Elementeneinheiten bilden.
2. 2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elementeneinheiten an einer gemeinsamen negativen Elektrode (22) Anteil haben und daß die Elektrode den positiven Elektroden (16, 28) entsprechend zugeordnete Oberflächen neben diesen aufweist.
3. 3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode (22) und die_/positiven Depolarisationselektroden (16, 28) koaxial derart ineinander angeordnete Zylinder sind, daß die negative Elektrode zwischen der inneren positiven Depolarisationselektrode (16) und der hohlzylindrischen äußeren positiven Depolarisationselektrode (28) sitzt.
4. 4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

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   (11088/89) - üy -

   7340504

   daß die innere positive Depolarisationselektrode (16) ein Hohlzylinder mit einem darin angeordneten metallenen Träger und Stromsammler (14) ist, daß die äußere positive Depolarisationselektrode (28) einen außen liegenden metallenen Träger und Stromsammler (30) aufweist und daß sich beide Träger und Stromsammler (H, 30) in Kontakt mit einem Metallgehäuse (12) des Elementes "befinden.
5. 5. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden positiven Depolarisationselektroden (16, 28) im wesentlichen gleiche elektrochemische Leistungsfähigkeit aufweisen.

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   . 30

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