177480. lajstromszámú szabadalom • Szeparátor elrendezés ezüst-cink kémiai áramforrásokhoz
3 177480 4 a) ellenállóknak kell lenniük koncentrált alkáliákkal szemben (20—50%-os kálium-, vagy nátrium-hidroxid oldat); b) ellenállóknak kell lenniük a pozitív ezüst(II)- és ezüst(I)-oxidokból álló elektródok intenzív oxidáló hatásával szemben; c) ellenállóknak kell lenniük a negatív cinkelektródban a működés során keletkező tűkristályok (ún. „dendritek”) mechanikai károsító hatásával szemben; d) szűrniük kell a működés során a pozitív elektródról leszakadó ezüst- és ezüst-oxid kolloid részecskéket, valamint a negatív elektródról leszakadó cinkrészecskéket ; e) a szűrőhatásnak jelentősen hosszú működési és tárolási idő (együttesen évek) alatt sem szabad olyan porozitáscsökkenést eredményezni, hogy ez már az ionos vezetést is gátolja, ezáltal növelje az akkumulátorcella belső ellenállását, A fenti követelmények közül az a) követelményt a szeparátor anyagának alkalmas megválasztása képes biztosítani. A c) követelmény kielégítését a cink elektród előállítási technológiájával elősegíthetjük, amennyiben minimálisra csökkentjük a tűkristályok keletkezési lehetőségeit. Ilyen eljárást ismertet a 156.047 számú magyar szabadalom. A fenti b) d) és e) követelmények kielégítése mindeddig még fokozott nehézségekbe ütközött. A megoldást sok helyen új szeparátor anyagok kikísérletezésében keresték. Ezzel összhangban az elmúlt időszakban jelentős kutatások történtek a hagyományosan alkalmazott természetes eellulózpolimerből előállított hártyák (celofán, acetátcellulóz) korszerű és megfelelő specialitással előállított műanyaghártyák: polietilén, poliamid stb. segítségével való kiváltására. Ezeket a hártyákat pl. radioaktív sugárzással (ún. oitott polimerek) tették szemipermeábilissá. Történtek kutatások ezen műanyag fóliáknak — miután önállóan nem váltak be — a hagyományos celofánnal való kasírozására (laminálására), ilyen módon kombinált felhasználásra is. Végeztek kutatásokat állati eredetű glikogének felhasználásával, amelyek a természetes cellulózpolimerekhez hasonló rostos és porózus szerkezetűek. Az orvosi praxisban — művesék alkatrészeként — alkalmazott ioncserélő tulajdonságokkal rendelkező porózus műanyagmembránokat több kutatóintézetben sokoldalúan kipróbálták. A sokrétű kutató és kísérleti munka kudarcát olyan okok idézték elő, hogy a szemipermeabilitás szempontjából már megfelelő anyagok alapvető követelményeket, mint pl. a lúgállóság nem teljesítettek. A legfőbb ok azonban az volt, hogy az élettartamban és tárolhatóságban esetenként elért növekedés egyetlen esetben sem volt arányos az ezüst-cink rendszerű áramforrások egyik fő előnyében, a terhelhetőségben bekövetkezett romlással, azaz a szeparátorok szörőképességét minden esetben csak az ionáteresztőképesség nagyobb mértékű elrontásával sikerült valamelyestjavítani. A nyert előnyök tehát kisebbek voltak a hátrányoknál. Hasonló eredményhez vezetett a celofánhártyák rétegszámának bizonyos határon túli (7 feletti) növelése is. Az ezüst-cink áramforrások kifejlesztésének kezdeti időszakában alkalmazott természetes cellulózpolimer ceíofánhártyákat a gyakorlatból mind ez ideig semmilyen anyag nem tudta kiszorítani: minden jelentősebb ezüstcink áramforrást gyártó cég a celofánt, vagy annak célszerűen, de nem alapvetően javított változatait használja. A javítások lényegében abból állnak, hogy a celofánhártyákból elhagyták a kioldódó lágyítóanyagokat (glicerin, etilénglikol) és növelték a cellulózmolekulák polimerizációs fokát a celofántermékben. Az is régi gyakorlat, hogy a közvetlen oxidálóhatás csökkentése céljából az ezüst-oxid elektród és a szeparátor közé, távtartó céllal, 50—300 mikron vastagságú, a celofánhoz képest makroporózus szűrőnek tekinthető papírréteget alkalmaznak, amelyet pótszeparátornak szokás nevezni. A pótszeparátornak önmagában ismert ilyen alkalmazása, célszerűen az említett 4—7 réteg celofánnal eredményezi az ismertetett élettartamot. A találmány feladata olyan szeparátor elrendezés létrehozása ezüst-cink kémiai áramforrásokhoz, amely a fentiekben összefoglalt b), d) és e) követelményeket az ismert megoldásoknál jobban tudja kielégíteni, és ezzel élettartam-növekedést biztosít. A feladat megoldását a pótszeparátor és a szeparátor rétegek károsodásának vizsgálatából kiindulva kerestük. A tapasztalatok szerint a pótszeparátor hatása igen rövid idő (4—5 nap) alatt csökkenni kezd és egyre kevésbé érvényesül, ezért szerepét a kívánt mértékben legfeljebb csak néhány hónapig képes betölteni. Ezen jelenségek vizsgálata során kezdtük részletesen kutatni az ezüst-oxid elektród — szeparátor határfelületi jelenségeit. Az ezüst(I)oxiddal érintkező első szeparátorréteg, miután viszonylag rövid idő alatt oxidálódik, cellulózpolimerjeinek rövidülése (depolimerizáció) és ezüsttel való telítődése már 10—20 ciklus vagy 1—2 hónap tárolás alatt bekövetkezik. Ekkor még a második és következő rétegek épek, betöltik szerepüket. A második rétegben ez a folyamat akkor kezdődik meg és válik rohamossá, amikor az első réteg ezüsttel való teljes telítődése (kb. 10 mg/cnr/25 mikron vastag réteg ezüsttartalom) már befejeződött. Ezt a rétegenként szakaszos folyamatot ..áttörésnek” nevezzük. Az egyes celofánrétegek ezüsttel való telítődése — hasonlóan a szűrőtelítődéssel — olyan következménnyel is jár, hogy az ionáteresztőképesség is romlik, növekszik az áramforrás belső ellenállása. A szeparátorrétegek ezüsttartalmát analizálva az akkumulátorok élettartamának különböző fázisaiban azt tapasztaltuk, hogy az ezüst-oxid elektródtól elindulva, rétegenként lépcsőzetesen exponenciális ezüsttartalom-csökkenés mutatkozik a cinkelektród felőli (utolsó) rétegig. Az éppen aktuális áttörés helyére az jellemző, hogy a koncentrációs lépcső itt a legnagyobb. Az utolsó, pl. ötödik réteg áttörésekor a cinkelektród felé az akkumulátorcella zárlata következik be. A zárlat bekövetkezésének idejét rövidítheti, ha a szeparátor cinkelektród felőli rétegeibe cinkdendrit szúródott be. Az ezüstbehatolással kapcsolatban ismertetett folyamatok késleltetésére felismertük, hogy ha a pótszeparátort megvédjük az ezüst-oxid közvetlen hatásától, ennek következtében képessé válik funkcióit tartósabban ellátni, és a pótszeparátort követő szeparátor rétegek áttörése számottevően később következik be. A találmánnyal szeparátor elrendezést hoztunk létre ezüst-cink kémiai áramforrásokhoz, amelynek a cink elektróddal közvetlenül szomszédos többrétegű mikroporózus hártyákból álló szeparátor egysége, valamint a szeparátor egységnek cink elektróddal átellenes oldalával közvetlenül szomszédos egy- vagy többrétegű makroporózus pótszeparátora van, és a találmány szerint az ezüstoxid elektród és a pótszeparátor között előszeparátor egység helyezkedik el, amely a szeparátor ■egység mikroporózus hártyáihoz hasonló egy- vagy többrétegű mikroporózus hártyából Ä -A- Szeparátor és az előszeparátor egységek' előnyösen 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 i
