Titel: Der Edison-Akkumulator.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1904, Band 319 (S. 476–479)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj319/ar319134

Der Edison-Akkumulator.1)

Von M. P. Janet.

Seit zwei oder drei Jahren liest man in technischen Zeitschriften viel von einem Nickel-Eisen-Akkumulator mit einem alkalischen Elektrolyten, ohne indessen genauere Angaben erhalten zu können. Seit einigen Monaten nun werden im Laboratoire central d'Electricité planmässige Versuche mit einem solchen Akkumulator gemacht, und mit Zustimmung des Erfinders M. Edison sind die bisherigen Ergebnisse veröffentlicht worden.

Der Edison Akkumulator hat als Elektrolyten eine 20 v. H. Lösung von reiner Potasche in destilliertem Wasser, als negative Elektrode eine feine pulverförmige Mischung von Eisen und Eisenoxydul, als positive Elektrode eine pulverförmige Masse von Nickeloxyden. Die Herstellung der aktiven Substanzen ist in den Patentschriften Edisons genau beschrieben und scheint grosse Erfahrung zu verlangen.

Die Mischung von Eisen und Eisenoxydul erhält man, indem man Wasserstoff über Eisensesquioxyd Fe2O3 |477| führt bei einer Temperatur, die in den Patentschriften von 1901 zu 260° und im Jahre 1903 zu 480° angegeben ist. Die dadurch reduzierten Oxyde werden sehr langsam im Wasserstoffstrom abgekühlt und dann in Wasser eingetaucht; sie verlieren dadurch die Eigenschaft an der Luft sich zu entflammen und zu oxydieren. Dieses Pulver aus Eisen und Eisenoxydul ist ein sehr schlechter Leiter. Man setzt ihm daher kleine Flitter von Graphit zu und zwar im Verhältnis 2 : 8. Die Mischung wird mit Wasser und Potasche angefeuchtet, auf einer Glasplatte ausgebreitet, und mit Walzen aus Glas oder Porzellan zu dünnen Blättern ausgewalzt, darauf von der Glasplatte abgekrazt, zerbrochen und neuerdings ausgewalzt. Dies wird so einige Male wiederholt, bis jedes Graphitflitterchen mit einer dünnen Schicht von Eisen und Eisenoxydulstaub überzogen ist. Ist das Eisen wie oben angegeben bei der höheren Temperatur reduziert worden, so enthält es wenige Oxyde und man verwendet an Stelle des Graphits eine Mischung von Kupfer, Ammonium und Quecksilberoxyd. Das Eisen reduziert die beiden Zusätze und man erhält ein Gemenge aus 64 v. H. Eisen, 30 v. H. Kupfer und 6 v. H. Quecksilber. Nach Edison ist jedes Eisenkörnchen bedeckt von einer ganz feinen porösen Schicht von amalgamiertem Kupfer, dazwischen sind noch Eisenoxyde. Die schliesslich erhaltene Paste wird durch einen Druck von 300 Atmosphären in die Form von rechteckigen Stückchen gebracht, die 72 mm lang, 10 mm breit und 2 mm dick sind. Die weitere Verwendung dieser Formen wird später angegeben.

Die aktive positive Masse besteht aus Nickeloxydhydrat Ni2O3, 3 H2O, das während der Ladung in eine höhere Oxydationsstufe Ni . O2 übergeht. Man erhält es auf folgende Weise. In heissem Zustande schlägt man eine Lösung von Nickelnitrat durch Magnesiumhydrat nieder. Die Wahl des Alkalis ist sehr wichtig. Schlägt man nämlich auf gewöhnliche Weise durch Potasche oder Soda nieder, so erhält man einen kolloidalen Niederschlag, der sich schwer löst und in Form einer festen zusammenhängenden Masse trocknet. Schlägt man aber Nickelnitrat durch Magnesium nieder, so wäscht sich der Niederschlag leicht aus und geht beim Trocknen in einen pulverförmigen Zustand über. Leitet man dann trockenes Chlorgas über das gleichmässig trockene Nickeloxydulhydrat, so erhält man Nickelperoxyd und daraus Nickeloxydhydrat nach der Formel

3 Ni (OH)2 + Cl2 = NiCl2 + Ni2 (OH)6.

Das Nickelchlorür wäscht sich sehr leicht aus.

Dieses Nickelperoxyd leitet noch schlechter als Eisenoxydul. Man setzt also auch hier Graphitflitterchen im Verhältnis 4 : 6 zu, verfährt ganz wie oben angegeben, indem man auch hier zuletzt die kleinen Tafeln presst.

Die Platte (Fig. 1) besteht aus einer dünnen Stahlplatte, 0,621 mm dick, 125 mm breit und 260 mm hoch und hat drei Reihen mit je acht viereckigen Oeffnungen übereinander. Die Platte ist vernickelt, und hat oben eine Oese, um sie mit den gleichpoligen Platten verbinden zu können.

Textabbildung Bd. 319, S. 477

Zu diesem Zwecke dient eine Eisenstange, die an den Enden Schraubengewinde besitzt. Die Platten werden aufgeschoben, durch entsprechende Zwischenstückevon einander getrennt, und an den Enden durch Muttern zusammengehalten (s. Fig. 4 und 5).

Textabbildung Bd. 319, S. 477
Textabbildung Bd. 319, S. 477

Um die aktive Masse in den Zellen der Stahlplatte befestigen zu können, wird das früher beschriebene Täfelchen in eine niedrige Schachtel aus vernickeltem, an beiden Flächen durchlöchertem Stahlblech gelegt. Fig. 2 zeigt, dass jede solche Schachtel aus zwei ineinander gelegten Teilen besteht. Diese Stahlschachteln werden in die Zellen der Platte gelegt und zwischen zwei Matrizen mit entsprechender Form in der hydraulichen Presse gepresst (Fig. 3).

Unter dem hohen Drucke von etwa 90000 kg auf jede einzelne Tafel werden die Ränder umgebogen und ganz dicht aneinander gelegt. Die Stahlbleche der Schachtel werden hierbei so verändert, dass sie, wie Fig. 3 zeigt, in die Zellen förmlich eingenietet werden und vollständig fest und mit gutem Kontakt sitzen, schliesslich werden sie mit der aktiven Masse schwach konkav geformt. Wegen dieser Form und wegen des sehr elastischen Stahlbleches kann sich die aktive Masse bei der Ladung ausdehnen, und bei der Entladung zusammenziehen, ohne je den nötigen Kontakt mit dem Stahlblech zu verlieren. Eine vollständig fertige Platte hat eine Dicke von ungefähr 2 mm und wiegt etwa 138 g.

Das Gefäss, welches diese Platten aufnehmen soll, ist aus vernickeltem Stahlblech, das, um es widerstandsfähiger zu machen, gewellt ist. Der Boden ist verlötet mit einem Lot aus 75 Teilen Kadmium und 25 Teilen Zinn. Das ganze Innere ist mit einer dünnen Platte aus Ebonit ausgelegt, die an verschiedenen Stellen vorspringende flache Nasen hat, um die nur 1 mm von einander entfernten Platten parallel zu erhalten (d und c, Fig. 4). Jedes. Gefäss enthält 28 Platten, 14 positive und 14 negative. Im Inneren werden die Platten durch Glas oder Ebonitstäbe von einander entfernt gehalten, die in den Rillen zwischen den Täfelchen der aktiven Masse ihren Platz, haben, (g Fig. 6.)

Das Gefäss ist mit Hilfe eines Deckels luftdicht abgeschlossen; vier Oeffnungen (Fig. 7) sind in diesem Deckel, Zwei (o Fig. 4 und 7) dienen dazu, die Elektrodenfahnen nach aussen treten zu lassen (Fig. 4), doch sind die Durchgangsstellen gut gedichtet und wohl isoliert von dem Gefäss. Eine dritte Oeffnung (f Fig. 5 und 7), die in geschlossenem Zustand ebenfalls luftdicht schliesst, dient dazu, Flüssigkeit nachfüllen zu können. Die vierte Oeffnung soll die entwickelten Gase nach aussen treten lassen. Fig. 5 zeigt ein unten beschwertes Ventil, das sich nur bei einem bestimmten inneren Ueberdruck hebt. Darüber sind enge Oeffnungen und darüber ein Teller, der das austretende Gas von der geraden Richtung abzuweichen zwingt. Dies alles dient dazu, das Gas nur langsam austreten zu lassen. Das Ganze ist mit einem Drahtnetz verschlossen, das nach dem Prinzip der Davyschen Sicherheitslampe das Entzünden der im Inneren angesammelten Gase verhüten soll. Die verschiedenen Hindernisse für das ausströmende Gas (Ventil, enge Oeffnungen, Teller) sollen, ebenso wie eine durchlöcherte Ebonitplatte, in geringer Höhe über dem Elektrolyten, |478| verhindern, dass Flüssigkeit mit dem Gas nach aussen gelangt. Tatsächlich war bei einer untersuchten Batterie von 32 Elementen bei den meisten Elementen das Austreten von Flüssigkeit verhütet. Bei einigen Elementen und bei sehr grossen Ladeströmen drangen trotzdem Tröpfchen nach aussen.

Textabbildung Bd. 319, S. 478
Textabbildung Bd. 319, S. 478
Textabbildung Bd. 319, S. 478
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Der völlige Abschluss ist nicht nur notwendig, um den Verlust von Flüssigkeit zu vermeiden, sondern besonders auch um äussere Luft nicht nach innen kommen zu lassen. Sowie das Element einmal in Betrieb genommen ist, bildet sich im Inneren ein Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff, das für die Erhaltung des Elektrolyten notwendig ist.

Der Edison-Akkumulator ist also ein Element, dessen aktive Substanzen auf der positiven Seite Nickelsuperoxyd, auf der negativen Seite Eisen sind und dessen Elektrolyt Potasche ist. Dabei sind die aktiven Substanzen in kleinen Kästchen aus durchbohrtem verwickeltem Stahlblech untergebracht.

Die Theorie des Akkumulators ist noch nicht ganz sicher festgestellt. Es scheint, dass bei der Ladung die Nickeloxyde Ni2O3 auf eine höhere Oxydationsstufe gebracht werden. NiO2, ja man hat sogar NiO4 festgestellt, und dass das Eisenoxydul zu metallischem Eisen reduziert wird. Das Arbeiten des Akkumulators kommt also auf einen Transport von Sauerstoff vom negativen zum positiven Pol während der Ladung, und umgekehrt bei der Entladung hinaus.

Eigentlich sollte man annehmen, dass der Strom nur durch die vernickelten Stahlbleche geht, die doch bessereLeiter sind als die aktive Masse, trotz der Anwesenheit von Graphit, und dass also die Platten, die nur 1 mm von einander entfernt sind, in dem Elektrolyten nur als Elektroden für Wasserzersetzung wirken. Wenn man nun zwei Zellen hintereinanderschaltet, die eine normal, die andere aber ohne wirksame Masse in den Stahlblechkästchen, so zeigt, bei normalem Ladestrome die erstere 1,62, die letztere 1,8 Volt, d.h. die elektromotorische Gegenkraft von Nickel in Potasche ist höher als die Akkumulatorenspannung. Solange also die Ladespannung unter 1,8 Volt bleibt, kann der Strom nicht durch die vernickelte Eisenplatte gehen, sondern muss auf die aktive Masse wirken. Vergrössert man aber den Ladestrom derartig, dass die Klemmenspannung über 1,8 Volt steigt, so dient der grössere Teil des Stromes dazu, an den Nickelplatten Gas zu erzeugen, und der Wirkungsgrad der Zelle sinkt ganz beträchtlich. Tatsächlich zeigt sich bei normalem Ladestrom keine Gasentwicklung.

Die Versuche wurden an zwei Akkumulatoren gemacht:

  • 1. ein normales Element mit 14 positiven und 14 negativen Platten, wie oben beschrieben;
  • 2. zwei kleine Elemente mit je 4 Platten, von denen jede nur aus einem Kästchen mit Masse bestand.

Die beiden Elemente verhalten sich demnach wie (28 . 24) : 4 = 168 : 1. Dieses Verhältnis ist bei der Kapazität nahezu erreicht.

I. Aenderung der elektromotorischen Kraft, während der Entladung.

Textabbildung Bd. 319, S. 478

Ein soeben stark geladenes Element zeigt 1,7 Volt, nach zwei bis drei Minuten nur mehr 1,58 Volt, eine Spannung, die stundenlang konstant bleibt. Entlädt man nun mit dem normalen Entladestrom von 20 Amp. (das ist 3,1 Amp. für das kg des Gesamtgewichts), so fällt die Spannung von 1,53 zu Beginn nach fünf Minuten auf 1,42 Volt und sinkt in 6 Stunden und 25 Minuten d.h. nach ungefähr 160 Amp. Stunden ganz langsam auf 2,2 Volt; von da ab fällt die Spannung in 20 Minuten auf 0,75 Volt. (Fig. 8). Treibt man die Entladung weiter, was der Edison-Akkumulator ungefährdet erträgt, so hält sich die Spannung während einer Zeit, die etwa 10 bis 30 v. H. der Entladezeit beträgt auf 0,75 Volt, und fällt dann rasch auf 0,3 Volt. Dieser zweite Absatz der Kurve ist charakteristisch für das Edison-Element (Fig. 9).

Textabbildung Bd. 319, S. 478

Aus praktischen Gründen, z.B. für Elektromobile |479| ist diese Eigenschaft von grosser Bedeutung, da sie bei entladenen Akkumulatoren ein Weiterkommen mit halber Geschwindigkeit ermöglicht.

Textabbildung Bd. 319, S. 479

Den Einfluss des Entladestromes zeigt Fig. 10. Als Abszissen sind die dabei die aus dem Elemente genommenenWattstunden aufgetragen. Die Kurven sind für 25, 100 und 200 Amp. aufgenommen. Alle drei Kurven zeigen ganz denselben Charakter, jedoch findet der Abfall der Spannung um so eher statt, je grösser die Stromstärke ist.

II. Aenderung der elektromotorischen Kraft während der Ladung.

Unterbricht man die Entladung, wenn die Klemmspannung nur mehr 0,75 Volt ist, so steigt die elektromotorische Kraft sofort auf 1,15 Volt und nimmt während einer Viertelstunde bis 1,3 Volt zu. Beginnt man dann die Ladung mit einem Strom von 60 Amp. so ist zu Beginn die Spannung 1,65 Volt und steigt während einiger Minuten bis 1,7 Volt. Diese Spannung bleibt bestehen, bis man 200 Amp.-Stunden in den Akkumulator geschickt hat, alsdann steigt die Spannung auf 1,8 Volt, und dieser Betrag bleibt bei weiterem Laden ständig stehen. (Vergl. oben).

(Schluss folgt.)

Nach Revue industrielle vom 19. Dez. 1903. S. 503.

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