Verfahren zur Herstellung einer Flüssigelektrolytbatterie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in bewegbaren Einrichtungen, wie z. B. in Fahrzeugen, Booten oder Flugzeugen verwendet wird.

Das Bestreben insbesondere der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die Anforderung nach höherer Batterieleistung, da neben der Energie zum Starten des Fahrzeugs auch für zusätzliche Aggregate wie elektrische Fens ^' terheber, Stellmotore zum Verstellen der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze Energie benötigt wird. Ferner ist es wünschenswert, die Batterieleistung über die Lebens- dauer der Batterie möglichst auf einem konstanten hohen Niveau zu halten.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Unter Leistung wird nachfolgend die Fähigkeit der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromauf- nähme verstanden.

Ein besonderes Problem bei Blei-Säure-Batterien ist die möglichst vollständige Nutzung der Elektrodenfläche. Ist in einem Bereich der Elektrodenoberfläche die Säurekonzentration zu hoch, führt das zu Korrosion und letztlich zur Zersetzung der Elektrodenplatten. Ist die Säurekonzentration zu niedrig, fehlen die für ein zuverlässiges Arbeiten der Batterie erforderlichen elektrolytischen Eigenschaften. Auf Grund verschiedener, aus dem Stand der Technik bekannten Effekte ist innerhalb einer Batterie die Säuredichte ungleichmäßig. Um diesen Mangel zu beheben, sind Vorrichtungen zur Elektrolytdurchmischung entwickelt worden.

Damit wird auch gleichzeitig verhindert, daß sich Ablagerungen bilden, welche die Funktion und die Lebensdauer der Batterie ebenfalls beeinträchtigen.

In dem Dokument DE U1 9114909 ist eine Akkumulatorenbatterie offenbart, bei der durch Einleiten von Gas aus einer Druckgasquelle eine Elektrolytumwälzung erzwungen wird. Dieses Umwälzverfahren eignet sich wegen des komplizierten Aufbaus der Umwälzvorrichtung nur beschränkt für Fahrzeugbatterien, zumal zusätzlich noch eine Druckgasquelle erforderlich ist. Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, die als hydrostati- sehe Pumpen bezeichnet werden und deren Funktion nachfolgend beschrieben wird: Wenn ein Fahrzeug sich mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit bewegt, d.h. weder abgebremst noch beschleunigt wird, ist die Oberfläche des flüssigen Elektrolyten in der im Fahrzeug eingesetzten Batterie eben und horizontal. Bei einem Brems- oder Beschleunigungsvorgang schwappt der Elektrolyt auf Grund der Massenträgheit hin und her. Die dabei entstehenden Elektrolytströmungen werden durch Barrieren und Kanäle so gelenkt, daß eine möglichst gute Durchmischung erreicht wird.

Dieses Prinzip ist u. a. in den Dokumenten US 4,963,444; US 5,096,787, US 5,032,476 und in dem deutschen Gebrauchsmuster 297 18 004.5 beschrieben, welches den nächstliegenden Stand der Technik bildet. Der Gegenstand des nächstliegenden Standes der Technik ist eine zwischen den Elektroden im Batteriekasten angeordnete winkelförmige Durchmischungsvorrichtung wie in Figur 1 gezeigt.

Bei der bisherigen Herstellung einer herkömmlichen Batterie ohne Durchmischungsvorrichtung oder einer Batterie mit Durchmischungsvorrichtung wird zuerst das Elektrodenplattenpaket 2 in den leeren Batteriekasten eingesetzt. Wenn eine Batterie mit Durchmischungsvorrichtung gebaut werden soll, muß das Elektrodenplattenpaket genau mittig im Batteriekasten positioniert werden, damit der Spalt zwischen der vertikalen Kante des Elektrodenplattenpakets und der Batteriekastenwand auf beiden Seiten die gleiche Breite hat. Das ist jedoch schwierig zu gewährleisten, da das Einsetzen des schweren Elektrodenplattenpa-

kets von Hand erfolgt, weil der Einsatz von Robotern und ähnlicher Handhabetechnik zu teuer wäre.

Die Elektrodenplatten sind mit einer Kunststofffolie umhüllt, nachfolgend Elektro- dentaschen genannt. Die Elektrodentaschen sind mechanisch sehr empfindlich. Das anschließende Einschieben der winkelförmigen Durchmischungsplatten links und rechts in den jeweiligen Spalt muß sehr sorgfältig erfolgen, um ein Beschädigen der Elektrodentaschen, zu vermeiden. Beschädigte Elektrodentaschen führen zu einem vorzeitigen Ausfall der betroffenen Batteriezelle und somit zu einer Minderleistung der Batterie.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Fall ist das Elektrodenplattenpaket zu weit links im Batteriekasten positioniert, so daß der Spalt zwischen der vertikalen Kante des Elektrodenplattenpakets und der Batteriekastenwand auf der linken Seite schma- ler ist als auf der rechten Seite.

Das herkömmliche Herstellungsverfahren hat noch einen weiteren Nachteil, der in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Wenn das Elektrodenplattenpaket nicht in der konstruktiv vorgesehenen Position steht, wie in Fig. 3a gezeigt, ist der zwischen der Batteriewand und dem senkrechten Schenkel der Durchmischungsplatte gebildete Strömungskanal auf der linken Seite schmaler als jener auf der rechten Seite. Diese Strömungskanäle sind jedoch hinsichtlich ihrer Breite optimiert, so daß die Veränderung der Breite den Wirkungsgrad der Durchmischung verringert. Bei dem in Figur 3b dargestellten Fall sind die Strömungskanäle auf beiden Seiten gleich breit, so daß eine gute Durchmischung erfolgt, wie durch die Strömungspfeile angedeutet ist.

Ein besonderer Nachteil dieser Fertigungstechnologie besteht darin, dass Beschädigungen der Elektrodentaschen bei der Endkontrolle der Batterie nicht mehr festgestellt werden können. Deshalb ist ein Beschädigen der Elektrodentaschen unbedingt zu vermeiden. Gleichzeitig dürfen die Kosten für diesen Montageschritt nicht steigen. Es ist also nach einer einfachen und trotzdem zuverlässigen Lösung zu suchen. Es besteht somit die Aufgabe der Erfindung in der Beseitigung

des beim Stand der Technik zu verzeichnenden Mangels. Insbesondere soll ein Beschädigen der Elektrodentaschen verhindert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Fertigungsverfahren zur Fertigung von Flüssigelekt- rolytbatterien mit einer Durchmischungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Das Verfahren weist nachfolgende Schritte auf:

- Einsetzen je einer Durchmischungsplatte von Hand an den zwei vorgesehenen sich gegenüberliegenden Wänden des Batteriegehäuses, wobei die Durchmi- schungsplatten leicht schräg stehen, d. h. der im Stand der Technik verwendete Durchmischungswinkel ist bei diesem Verfahren in einen senkrechten und in einen waagerechten Abschnitt geteilt. Der senkrechte Abschnitt wird nachfolgend als Durchmischungsplatte bezeichnet. Die Durchmischungsplatten stehen leicht schräg in dem Batteriekasten, d. h. sie weisen eine Neigung zwischen ca. 10 und 25 Grad auf, je nach Bauform der Batterie.

- Einsetzen des Elektrodenplattenpakets zwischen die zwei im Batteriekasten positionierten Durchmischungsplatten, die dabei in eine senkrechte Stellung geschoben werden, d. h. wenn das Elektrodenplattenpaket von Hand in den Batteriekasten eingesetzt wird, werden die Durchmischungsplatten in die vorge- sehene senkrechte Position gerückt bzw. geschoben. Da die Durchmischungsplatten leicht und glatt sind, besteht bei dieser Prozedur keine Gefahr, die Elektrodentaschen zu beschädigen. Außerdem wird durch die als Zentrierhilfe dienenden Durchmischungsplatten das Elektrodenplattenpaket beim Einsetzen von Hand in die richtige Lage gerückt. - Aufsetzen einer Durchmischungsbrückenplatte waagerecht auf die beiden senkrecht stehenden Durchmischungsplatten.

Durch diese technologischen Schritte bei der Batteriefertigung werden die nachfolgend beschriebenen Vorteile erzielt.

Da zuerst die senkrechten Durchmischungsplatten der geteilten Durchmischungsvorrichtung in das Batteriegehäuse eingesetzt werden, dann das Einsetzen des Elektrodenplattenpaket zwischen die Durchmischungsplatten erfolgt, wird ein Beschädigen der empfindlichen Seitenkanten der Elektrodenplatten weitge-

hend vermieden. Es handelt sich hierbei um einen selbstzentrierenden Vorgang. Diese Selbstzentrierung kann noch unterstützt werden, wenn der Batteriekasten auf einer Röllchenbahn steht.

Weiterhin werden bei dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren die Elektrodenplatten durch die beidseitig bereits eingeführten Durchmischungsplatten genau in der vorbestimmten Position in dem Batteriekasten angeordnet. Das hat den weiteren Vorteil, daß die elektrischen Anschlüsse jeder Elektrodenplatte sich in einer exakt vorbestimmten räumlichen Lage befinden. Nachfolgend werden mittels eines Schweißroboters die Anschlüsse miteinander verschweißt und dadurch die einzelnen Batteriezellen in Reihe geschaltet. Bisher mußten die Anschlüsse relativ breit ausgeführt sein, damit auch dann, wenn die Elektrodenplatten nicht optimal zueinander positioniert worden waren, diese miteinander verschweißt werden konnten. Da erfindungsgemäß die Elektrodenplatten exakt zueinander ausgerichtet werden und dadurch keine großen Toleranzen mehr auszugleichen sind, ist eine Verkleinerung der Anschlüsse und trotzdem genaues Verschweißen der Anschlüsse miteinander möglich. Durch die kleineren Anschlüsse können pro Batterie ca. 200 Gramm oder mehr Blei eingespart werden.

Nach dem Einsetzen der Durchmischungsplatten und des Elektrodenplattenpa- kets wird die Durchmischungsbrückenplatte auf die senkrecht ausgerichteten Durchmischungsplatten gelegt und rechtwinklig mit diesen verbunden, so daß eine kompakte Durchmischungseinheit entsteht. Diese Durchmischungsbrückenplatte trägt beim Aufsetzen auf die senkrecht angeordneten Durchmischungsplat- ten auch dazu bei, Verformungen des Batteriekastens, die beim Spritzgießen entstanden sind, wieder zu egalisieren, und den Batteriekasten insgesamt zu versteifen. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht auch darin, daß die als Elektrolytablauffläche dienende Oberseite der Durchmischungsbrückenplatte von beiden Stirnseiten aus zur Mitte hin eine vorbestimmte Neigung aufweist, die sich bei der Montage der Durchmischungsbrückenplatte und beim Aufsetzen des Batteriekastendeckels nicht mehr verändert und die weitgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen des Batteriekastens ist, so daß eine optimale Durchmischungswirkung erzielt wird. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht einer Bleisäure-Batterie mit einem

Durchmischungswinkel aus dem Stand der Technik. Fig. 2 (2a - 2c) zeigt einen Verfahrensabschnitt des Fertigungsverfahrens nach dem Stand der Technik. Fig. 3 (3a, 3b) zeigt einen Funktionsvergleich zwischen dem Stand der

Technik und der Erfindung.

Fig. 4 (4a - 4d) zeigt die erfindungsgemäßen Montageschritte. Fig. 5 (5a, 5b) zeigt eine Durchmischungsbrücke in perspektivischer

Darstellung.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren 4 und 5 erläutert, wobei die Figuren 1 bis 3, die den Stand der Technik zeigen, mit einbezogen werden.

Die Fig. 1 zeigt einen Batteriekasten 1 mit einer Bleielektrodenplatte 2 und einer Säurefüllung 3, deren Pegel im mechanischen Ruhezustand mit 4 bezeichnet ist. Mit 5a und 5b sind der senkrechte bzw. der waagerechte Schenkel der winkelförmigen Durchmischungsvorrichtung bezeichnet. Ist die Batterie z. B. in einem Fahrzeug eingebaut, das sich in die mit dem Pfeil A gekennzeichneten Richtung bewegt, wird bei einem Bremsvorgang die Säure zwischen dem senkrechten Schenkel 5a und der Gehäusewand nach oben gedrückt und läuft über den waagerechten Schenkel 5b ab. Dieser regelmäßig auftretende Vorgang führt zu der gewünschten Säuredurchmischung. Die Durchmischungsvorrichtung ist in Fig. 1 nur auf einer Seite des Batteriekastens 1 dargestellt.

In der Fig. 2 sind die relevanten Verfahrensschritte zur Fertigung einer solchen herkömmlichen Batterie gezeigt. In einen leeren Batteriekasten 1 wird zuerst das Bleielektrodenplattenpaket 2 eingesetzt. Dabei kommt es vor, daß das Bleielekt- rodenplattenpaket 2 nicht ganz mittig steht, wie in Figur 2b dargestellt. In einem nächsten Verfahrensschritt werden auf beiden Seiten die Durchmischungswinkel 5a, 5b eingesteckt. Dabei kann es vorkommen, daß die Kunststoffummantelungen der Bleielektrodenplatten 2 auf der linken Seite beschädigt werden, weil das Bleielektrodenplattenpaket 2, wie in Fig. 2c gezeigt, zu nahe an der Wand des Batteriekastens 1 steht. Eine Beschädigung der Kunststoffummantelung einer

Elektrodenplatte führt zu einem vorzeitigen Ausfall dieser Zelle und somit der gesamten Batterie.

Die Fig. 3 zeigt noch einen weiteren Nachteil des herkömmlichen Herstellungsver- fahrens: Wenn das Elektrodenplattenpaket nicht in der konstruktiv vorgesehenen Position steht, wie in Figur 3a dargestellt, sind die von der jeweiligen Batteriewand und dem senkrechten Schenkel des jeweiligen Durchmischungswinkel gebildeten zwei Strömungskanäle unterschiedlich breit. Diese Strömungskanäle sind jedoch hinsichtlich ihrer Breite optimiert, so daß die Veränderung der Breite den Wirkungsgrad der Durchmischung verringert. In Figur 3b sind die Strömungskanäle auf beiden Seiten gleich breit, so daß eine durch Pfeile angedeutete gute Durchmischung erfolgt.

In Fig. 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Es wird eine neuar- tige Durchmischungsvorrichtung eingesetzt, die aus drei Teilen besteht, aus zwei Durchmischungsplatten 5a' und einer Durchmischungsbrückenplatte 5b'. Zuerst werden die Durchmischungsplatten 5a' leicht schräg in den Batteriekasten 1 eingesetzt (Fig. 4b) und erst danach erfolgt das Einsetzen des Elektrodenplatten- pakets 2 (Fig. 4c.) Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das Elektrodenplat- tenpaket 2 genau mittig im Batteriekasten 1 steht. Im letzten erfindungsgemäßen Arbeitsgang, dargestellt in Figur 4d, wird die Durchmischungsbrückenplatte auf die senkrecht ausgerichteten Durchmischungsplatten gelegt und rechtwinklig mit diesen verbunden.

Die Figur 5a und 5b zeigen die aus den zwei Durchmischungsplatten 5a' und der Durchmischungsbrückenplatte 5b' zusammengesetzte Durchmischungsvorrichtung in perspektivischer Darstellung, wobei Figur 5a die Durchmischungsvorrichtung in Explosivdarstellung, Figur 5b diese im zusammengebauten Zustand zeigt. Es ist zu betonen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Flüssigelektrolytbatterien geeignet ist, die eine Durchmischungsvorrichtung mit einer von der Figurenbeschreibung abweichenden Form aufweist, wie das z. B. bei LKW-Batterien der Fall ist.