DE3817827C1 - - Google Patents
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Description
Gegenstand der Erfindung ist eine wäßrige Kadmiumoxid-Paste
hoher Fließfähigkeit für die Vibrationsfüllung von Schaum-
und Faserstrukturelektrodengerüsten.
Technische Kadmiumelektroden für Ni/Cd-Speicherzellen werden
in vielfältigen Ausführungsformen gefertigt. Die Taschenplatte
enthält in perforierten vernickelten Eisenblechsegmenten
sogenannte Briketts, die aus Mischungen von feinteiligem
metallischem Kadmium, Eisenoxid und Graphit bestehen.
Oft erzeugt man das feinteilige Kadmium durch elektrolytische
Abscheidung zusammen mit Nickel aus sauren Lösungen von
Kadmium- und Nickelsalz. Die elektrolytische Abscheidung
kann auch direkt auf einer Trägerfolie erfolgen; die Schicht
wird üblicherweise anschließend verdichtet. Bekannt sind
auch Elektroden mit Kunststoffbindung aus CdO oder feinteiligem
Cd auf Metallnetzen.
Sintergerüstelektroden, die für hoch belastbare offene und
gasdichte Zellen bevorzugt Verwendung finden, enthalten die
aktive Cd-Masse in den feinen, etwa 10 Micrometer großen Poren des
Sintergerüstes. Die Imprägnierung dieser feinen Poren erfolgt
durch mehrmaliges Tränken mit einer konzentrierten
Kadmiumnitratlösung und Fällen von Kadmiumhydroxid in den
Poren mittels Alkalilauge. Das mehrmalige Tränken und Fällen
ist durch die beschränkte Löslichkeit des Kadmiumsalzes
bedingt. Das Verfahren läßt sich abkürzen durch die
elektrochemische Fällungsmethode (Kandler-Prozeß) und
führt zur Fällung von Kadmiumhydroxid und Kadmium. Die
kontinuierliche Führung des Kandler-Verfahrens ist allerdings
durch den verwickelten Chemismus schwierig; es wird
daher nur für die Herstellung hochwertiger Elektroden eingesetzt.
Seit etwa 15 Jahren werden vermehrt Schaumstruktur- und
Faserstrukturgerüste für die Formgebung der Elektrode und
für die Halterung der aktiven Masse eingesetzt. Sie bestehen
allein aus Metall oder sie enthalten noch den strukturgebenden
Grundkörper aus Kunststoff oder Kohlenstoff.
Diese Gerüste ermöglichen eine einfache mechanische Imprägnierung
mit einer verflüssigten Aktivmassenpaste. Die Poren
der Gerüste sind im Gegensatz zu den Öffnungen einer
Netz- oder Gitterplatte hinreichend klein, um die eingebrachte
Masse zu halten. Gegenüber pulvermetallurgisch
hergestellten Sintergerüsten sind die Poren jedoch größer,
so daß eine geeignet eingestellte Paste praktisch vollständig
eindringen und die Hohlräume füllen kann.
Als Aktivmassenpaste zur Füllung eines porösen Elektrodengerüstes
wird in der DE-AS 12 87 663 eine feinteilige
Kaliummasse in dispergierter Form eingesetzt.
Als Ausgangsstoff für die Aktivmassenpaste kommen außerdem
Kadmiumoxid, Kadmiumhydroxid oder Kadmiumpulver in Frage.
Die Dichte von Kadmiumhydroxid ist mit 48 g/cm³ vergleichsweise
niedrig. Damit ist auch die erreichbare Konzentration
an Masse in der Elektrode gering. Kadmiumhydroxidpasten
sind daher wenig geeignet. Aus Kadmiumpulver allein
läßt sich keine stabile Paste formulieren, da die Metallpartikel
zum Absetzen neigen. Die Dichte von Kadmiumoxid
beträgt 8,15 g/cm³. Diese hohe Dichte ermöglicht die Herstellung
von Kadmiumelektroden mit ausreichender Kadmiumkonzentration.
Kadmiumelektroden werden überwiegend in
Nickel/Kadmium-Zellen verwendet. Dabei wird die erforderliche
Beladung mit aktiver Masse und damit die Kapazität
in Abstimmung mit der positiven Nickelelektrode getroffen.
Eine moderne gasdichte Nickel/Kadmium-Satellitenzelle mit
Sinterelektroden (22nd IECEC, Philadelphia, August 1987,
Paper 879 076, Table 1) enthält beispielsweise 12,4 g/dm²
Kadmiummasse. Mit der angegebenen Plattendicke von 0,068 cm
und 80% Porosität entspricht dies 2,28 g Kadmium pro
cm³ Leervolumen. Auf Kadmiumoxid umgerechnet entspricht
das 2,60 g Kadmiumoxid/cm³. Solche Fülldichten lassen sich
mit den bisher bekannten Kadmiumoxidpasten in einem Arbeitsgang
nicht erreichen.
Kadmiumoxidpulver läßt sich in einigen ausgewählten organischen
Flüssigkeiten mit polarem Charakter gut dispergieren.
Geeignet sind z. B. Cyclohexanol, Glykolsäurebutylester
oder auch Milchsäureethylester. Die Herstellung
der Dispersionen mit diesen organischen Flüssigkeiten
erfolgt beispielsweise in einer Messermühle. Dabei werden
die losen, voluminösen Agglomerate der Kadmiumoxid-Primärpartikel
zerstört. Erst dadurch erhält man flüssige Dispersionen
mit bis zu 33 Vol.-% Kadmiumoxidanteil (2,69 g Kadmiumoxid/cm³).
Für die Füllung von Schaum- und Faserstrukturgerüsten
sind diese Dispersionen jedoch nur bedingt
geeignet. Einerseits beobachtet man nach wenigen Stunden
Reaktionen zwischen Kadmiumoxid und Fluird,
die die Fließfähigkeit verändern (z. B. beim Glykolsäurebutylester),
andererseits treten Entmischung und Absetzen auf
(z. B. beim Cyclohexanol). Die Trocknung und die Rückgewinnung
des Fluids bzw. die Entsorgung der bei der Trocknung entstehenden
Lösemitteldämpfe ist technisch problematisch und
kostentreibend.
Mit Wasser als Fluid erreicht man bestenfalls eine Konzentration
von 21 Vol.-% Kadmiumoxid. Im Verlauf von wenigen
Stunden dicken solche Pasten als Folge der Reaktion von Kadmiumoxid
und Wasser zu Kadmiumhydroxid ein. In der japanischen
Offenlegungsschrift (Japan Kokai Tokkyo Koho)78 13 6634
wird eine wäßrige Kadmiumoxidpaste mit 14 Vol.-% Kadmiumoxid
beschrieben, bei der die Reaktion des Kadmiumoxid mit dem
Wasser durch Zusatz von Natriumhydrogenphosphat, Natriumpyrophosphat
oder Natriumhexametaphosphat inhibiert wird. Diese Paste ist zur Erzielung
hoher Fülldichten bei einmaliger Füllung ebensowenig
geeignet wie die in DE-PS 15 96 023 beschriebene Kadmiumoxidpaste
in 30%iger KOH als Suspensionsfluid. Bekanntlich reagiert
Kadmiumoxid in wäßriger KOH in wenigen Minuten in exothermer
Reaktion zu Kadmiumhydroxid.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine wäßrige Kadmiumoxid-
Paste zu finden, die eine so hohe Fließfähigkeit besitzt,
daß die Poren von Schaum- und Faserstrukturelektrodengerüsten
vollständig von ihr gefüllt werden können und die
andererseits einen so hohen Kadmiumoxidgehalt besitzt, daß
die vollständige Füllung des porösen Körpers in einem Arbeitsschritt
gelingt.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beschriebene
wäßrige Kadmiumoxidpaste gelöst.
Die Paste besitzt somit einen Kadmiumoxid-Gehalt von 25 bis
35 Vol.-%, einen pH-Wert von 10 bis 12,5, einen Gehalt von
0,5 bis 2,5 Gew.-%, bezogen auf Kadmiumoxid an einem oder
mehreren Dispergatoren aus der Gruppe der wasserlöslichen
Salze der Polyphosphorsäuren, der Di- und Polyphosphonsäuren
und ihre Derivate, der Glukonsäure oder Alkaliantimonyltartrat,
ferner besitzt die Paste eine plastische Viskosität
von 0,1bis 1 Pa · s und eine Fließgrenze zwischen 10 und 120 Pa.
Rheologisch gesehen gehört die erfindungsgemäße Kadmiumoxidpaste
zu den plastischen Körpern. Meist wird ein idealplastisches
Verhalten gefunden (sogenannte Bingham-Körper). Die
Viskosität ist keine Materialkonstante, sie läßt sich nur in
einem Schubspannungs/Geschwindigkeitsgefälle-Fließdiagramm
darstellen. Unterhalb einer bestimmten Schubspannung ist die
Paste fest, der Wert entspricht der Fließgrenze. Nach Überschreiten
der Fließgrenze besteht beim idealplastischem Verhalten
Linearität zwischen Schubspannung und Geschwindigkeitsgefälle.
Die sogenannte plastische Viskosität ist der Quotient
aus der durch die Fließgrenze verminderten Schubspannung
und dem Geschwindigkeitsgefälle. Die Fließgrenze und die
plastische Viskosität beschreiben das System vollständig.
Zur Erläuterung der rheologischen Begriffe und Meßverfahren
sei auf die Contraves Firmenschrift "Messung rheologischer
Eigenschaften" (Bulletin T 990 d-7309), Sektion 6.3 (Plastisches
Fließverhalten) sowie auf die Veröffentlichung von A.
Fincke und W. Heinz "Zur Bestimmung der Fließgrenze grobdisperser
Systeme", Rheologica Acta, 1 (1961), 530, hingewiesen.
Die Messungen erfolgten mit dem Rotationsviskosimeter
Rotvisco RV 12 der Fa. Haake mit den Meßeinrichtungen NV
und MV I. Es sollten Schergeschwindigkeiten (Geschwindigkeitsgefälle)
von mindestens 100/s erreicht werden. Zur
Auswertung wurde die Rücklaufkurve herangezogen. Die Messungen
erfolgten bei 20°C. Die Paste ist für die Vibrationsfüllmethode
geeignet, wenn die Fließgrenze zwischen
10 und 120 Pa liegt und die plastische Viskosität 0,1 bis
1 Pa · s beträgt.
Die Paste soll bevorzugt eine leichte Thixotropie (Zeitabhängigkeit
der Viskosität) aufweisen. Nach dem Füllvorgang
soll die Paste noch eine Weile flüssig bleiben, um eine
Entfernung überschüssiger Paste von der Oberfläche des
gefüllten Körpers zu erleichtern. Sie soll allerdings
nicht so flüssig sein, daß sie wieder aus den Poren austreten
und störende Ablauftropfen bilden kann. Diese Bedingungen
werden erreicht, wenn Fließgrenze und Viskosität
innerhalb der beanspruchten Werte liegen.
An die zur Füllung von Elektrodengerüsten eingesetzten
Aktivmassenpasten werden auch hohe Anforderungen bezüglich
der rheologischen Eigenschaften gestellt. Dazu ist es aus
der DE-OS 38 16 232 bekannt, solchen Aktivmassenpasten
auf der Basis von Nickelhydroxid und Kobaltpulver oder
Eisen(III)-Oxid zu diesem Zweck als Dispergator eine wäßrige
Natriumpolyphosphatlösung zugesetzt. Bei der hohen
Konzentration von 25 bis 35 Vol.-% an Kadmiumoxid (2 bis
2,85 Kadmiumoxid/cm³) in der erfindungsgemäßen
Aktivmassenpaste hat es sich überraschenderweise herausgestellt,
daß bei einem Zusatz von 0,5 bis 2,5 Gew.-%, bezogen
auf Kadmiumoxid, von einem Dispergator, die geforderten
rheologischen Eigenschaften bestens erreicht werden.
Geeignet sind dabei Dispergatoren aus der Gruppe der wasserlöslichen
Salze, insbesondere der Alkalisalze der Polyphosphorsäuren,
der Di- und Polyphosphorsäuren und ihrer Derivate,
der Glukonsäure oder auch Alkaliantimonyltartrat.
Die Verbindungen wirken nach Feststellung der Anmelderin
sowohl als Dispergator wie als Inhibitor der Reaktion zwischen
Kadmiumoxid und Wasser. Die Wirksamkeit als Dispergator
wie als Inhibitor nimmt bei den Polyphosphaten mit
der Kettenlänge zu. Daher werden Polyphosphate mit 2 bis
20, insbesondere solche mit 6 bis 20 Phosphoratomen bevorzugt.
Eine besonders wirksame Gruppe an Dispergatoren bilden auch die Di- und
Polyphosphonsäuren und ihre Derivate. Da die Kohlenstoffatome
der Di- und Polyphosphonsäuren durch die Lade- und
Entladevorgänge an der Elektrode zu Kohlendioxid abgebaut
werden, werden bevorzugt solche Di- und Polyphosphonsäuren
eingesetzt, bei denen das Verhältnis von C-Atomen zu P-Atomen
nicht größer als 2 ist, um die Karbonatbildung in der
Zelle möglichst gering zu halten. Ganz besonders gut geeignet
und aus preiswert im Handel erhältlich sind die wasserlöslichen
Salze der 1-Hydroxiethan-1,1-diphosphonsäure oder der
Aminotrismethylenphosphonsäure. Es ist bekannt, daß Nickel
in geringen Mengen eine günstige Spreizwirkung in der Kadmiumelektrode
entfaltet. Diese Mengen Nickel lassen sich besonders
günstig in die Elektrode einbringen, wenn man als Dispergator
einen Alkalimetall-Nickel-Komplex der 1-Hydroxiethan-
1,1-diphosphonsäure (HeDP) verwendet. In dieser Form der Einbringung
in die aktive Masse wird eine besonders feine, gleichmäßige
Verteilung erzielt. Innerhalb der allgemeinen Formel
Ni xM yH z(HEP) mit 2 x+y+z=4 (M=Alkalimetall) sind
folgende Bandbreiten zulässig: x=0,5 bis 1,2; y=1 bis
2,5; z=0 bis 1. Die Herstellung eines entsprechenden Dispergators
erfolgt durch Auflösen von Nickelhydroxid in der
freien Säure H₄ (HEDP) und Zugabe von Alkalilauge. Weitere
geeignete Dispergatoren sind die Salze, insbesondere
die Alkalisalze der Gluconsäure sowie Alkaliantimonyltartrat.
Selbstverständlich können auch Gemische der Dispergatoren
zur Anwendung kommen.
Der pH-Wert aller Pasten ist durch einen Alkalisierungseffekt
gegenüber dem pH-Wert der Dispergierlösungen nach höheren
Werten verschoben. Damit die erforderlichen Viskositätsdaten
eingehalten werden können, muß der pH-Wert zwischen
10 und 12,5 liegen.
Die Paste kann auch pulverförmiges Nickelhydroxid als
Spreizmittel in Mengen von 0,25 bis 3 Mol.-%, bezogen
auf Kadmium, enthalten. Ein Teil der Aktivmasse kann auch aus
Kadmiumpulver bestehen. Die Kadmiumoxidpaste enthält dann
ein Gewichtsteil metallisches Kadmiumpulver auf 1 bis 15
Gewichtsteile Kadmiumoxid. Diese Variante ist besonders für
gasdichte Nickel/Kadmium-Zellen interessant, da sie nach
dem Zusammenbau sogleich verschlossen und formiert werden
können. Das eingebrachte Kadmium dient dann als Entladereserve
(precharge).
Die Herstellung der Paste erfolgt in den in der Technik gebräuchlichen
Dispergiereinrichtungen. Bevorzugt werden Messermühlen
und Kugelmühlen. Die Paste muß bis zum Erreichen
der beanspruchten rheologischen Kenndaten geschert werden.
In Messermühlen werden etwa 1 bis 5 Minuten Einwirkungsdauer
vorgesehen. In Kugelmühlen dauert die Herstellung der Paste
1 bis 8 Stunden. Bei pulverförmigen Kadmiumoxid-Ausgangsmaterial
werden dabei die voluminösen Aggregate zerstört.
Geht man von pelletierten Kadmiumoxid aus, können die Zeiten
verkürzt werden, da die Verdichtungsarbeit bereits beim
Pelletieren geleistet wurde. Pasten, bei denen die beanspruchten
Parameter eingehalten werden, sind geeignet, Elektrodengerüste
mit Schaum- und Faserstruktur in einem Arbeitsgang
zu füllen. Die Pasten sind gut verarbeitbar und behalten
ihre rheologischen und sonstigen Eigenschaften über einen
längeren Zeitraum.
400 g Kadmiumoxid (32,8 Vol.-%) in pelletrierter Form, 3 g
Nickelhydroxid (0,5 Vol.-%) und 100 ml (66,7 Vol.-%) einer
wäßrigen Lösung, die 20 g/l eines handelsüblichen
Alkalipolyphosphatgemisches (Calgon N,
Firma Benckiser-Knapsack) enthielt, wurden im Mischbehälter
eine Messermühle zwei Minuten geschert. Es entstand
eine Kadminumoxid-Paste, die durch Gießen aus dem Behälter
entleert werden konnte. Aus der Fließkurve der frisch hergestellten
Paste wurden durch Extrapolation und Ausgleichsrechnung
folgende rheologische Daten ermittelt (Meßeinrichtung
NV, maximales Geschwindigkeitsgefälle 122/s): Fließgrenze
=12 Pa, plastische Viskosität=0,19 Pa · s. Der
Kadmiumoxidgehalt der Paste beträgt 2,67 g/cm³.
Als Dispergierlösung diente eine 0,1molare Lösung der Zusammensetzung
Ni1,2K1,6 (HEDP). Zur Herstellung von 1 l
dieser Lösung wurden 34,33 g 60%ige 1-Hydroxiethan-1,1-diphosphonsäure
(Turpunal SL, Firma Henkel) in ein Becherglas
eingewogen und ca. 800 ml entionisiertes Wasser zugegeben.
1,13 g Nickelhydroxid wurden unter Rühren und Erwärmen auf
70°C darin gelöst. Nach Abkühlen wurden dieser Lösung unter Rühren 20 g
47%ige KOH zugegeben, wodurch der pH-Wert auf 8 anstieg. Die
Lösung wurde auf 1 l aufgefüllt.
700 g Kadmiumoxidpulver (23,4 Vol.-%), 234,5 g Kadmiumpulver
(7,4 Vol.-%, Fa. Zinchem) und 254 ml (69,2 Vol.-%) obiger
Dispergierlösung wurden in einer 1-l-Porzellankugelmühle unter
Verwendung von 400 g Porzellankugeln mit 16 mm Durchmesser
zwei Stunden mit 70 Umdrehungen/min gerollt. Die entstandene
Paste enthält insgesamt 2,31 g/cm³ Kadmium. Aus der Fließkurve der
Paste wurden folgende rheologische Daten erhalten (Meßeinrichtung
NV, maximales Geschwindigkeitsgefälle 173/s):
Fließgrenze=22 Pa, plastische Viskosität=0,28 Pa · s.
Der pH-Wert der Paste betrug 11,9.
Claims (8)
1. Wäßrige CdO-Paste hoher Fließfähigkeit für die Vibrationsfüllung
von Schaum- und Faserstrukturelektrodengerüsten
gekennzeichnet durch
- a) einen CdO-Gehalt von 25 bis 35 Volumprozent,
- b) einen pH-Wert von 10 bis 12,5
- c) einen Gehalt von 0,5 bis 2,5 Gewichtsprozent, bezogen auf CdO, an einem oder mehreren Dispergatoren aus der Gruppe der wasserlöslichen Salze der Polyphosphorsäuren, der Di- und Poly-Phosphonsäuren und ihrer Derivate, der Gluconsäure oder an Alkaliantimonyltartrat,
- d) eine plastische Viskosität von 0,1 bis 1 Pa · s und eine Fließgrenze zwischen 10 und 120 Pa.
2. Wäßrige CdO-Paste nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei den als Dispergatoren verwendeten Di- und Polyphosphonsäuren
das Verhältnis von C-Atomen zu P-Atomen nicht
größer als 2 ist.
3. Wäßrige CdO-Paste nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Dispergatoren wasserlösliche Salze der 1-Hydroxiethan-
1,1-disphosphonsäure oder der Aminotrismethylenphosphonsäure,
verwendet werden.
4. Wäßrige CdO-Paste nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Dispergatoren Polyphosphate mit 2 bis 20, insbesondere
mit 6 bis 20 P-Atomen verwendet werden.
5. Wäßrige CdO-Paste nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dispergatoren in Form ihrer Alkalisalze vorliegen.
6. Wäßrige CdO-Paste nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dispergator ein Nickelsalz der 1-Hydroxiethan-1,1-
diphosphonsäure (HEDP) der Formel Ni xM yH z (HEDP) ist, worin
M ein Alkalimetall bedeutet, 2x+y+z=4 ist und
x Werte zwischen 0,5 und 1,2, y Werte zwischen 1 und 2,5
und z Werte zwischen 0 und 1 annehmen können, insbesondere
Ni1,2M1,6 (HEDP).
7. Paste nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie neben dem löslichen Nickelsalz der HEDP-Säure
festes Ni(OH)₂ enthält.
8. Paste nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das molare Verhältnis von Nickelhydroxid zu gelöstem
Nickel 1zu 1 bis 10 zu 1 beträgt.
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