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Stromanschlussteil für gasdicht verschlossene Primär- oder
Sekundärzellen und-batterien
Die Erfindung betrifft einen Stromanschlussteil für gasdicht verschlossene elektrochemische Primär- oder Sekundärzellen und -batterien.
Bekanntlich entstehen bei der Anordnung von Stromanschlüssen für Zellen und Batterien, die flüssige und halbflüssige Elektrolyte enthalten, erhebliche Schwierigkeiten. So ist es beispielsweise bekannt, Anschlussorgane mit dem Zellengehäuse durch Ringe od. dgl., keramische Stoffe, Elastomere oder synthe- tische Kunststoffisolierteile und sogar durch die Gehäuseteile des Zellengehäuses selbst abzudichten. Wenn auch diese Herstellungsweise trotz der hohen Kosten weitverbreitet Anwendung gefunden hat, so war der Nachteil in Kauf zu nehmen, dass infolge einer begrenzten Wirksamkeit bei hermetisch abgeschlossenen
Zellen und Batterien häufig Undichtheiten bei Verwendung flüssiger Elektrolyte entstehen, wie z. B. in alkalischen Systemen (z. B. Silber-Zink-und Silber-Kadmium-Zellen).
Eine ausreichende Versiegelung ist deshalb nicht erreicht worden, weil zwischen dem Metall der Anschlusselemente und dem Kunststoff des Zellengehäuses keine ausreichende Verbindung entsteht.
Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die mit den Elektroden leitend verbundenen, durch Öffnungen des aus Kunststoff bestehenden Gehäuses hindurchführenden Stromleiter mit einem porösen gesinterten Körper verbunden sind, der mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff überzogen und durch diesen im Bereich der Gehäuseöffhung abdichtend mit dem Gehäuse zusammengeschweisst ist.
In vorteilhafter Weise erlaubt dieser mit Kunststoff überzogene Körper nicht nur eine dichte, sondern auch eine gut haftende und dauerhafte Verbindung, so dass ein Durchfluss von Flüssigkeiten oder ein Durchströmen von Gasen verhindert wird.
Erfindungsgemäss ist es auch möglich, dass der Stromleiter im Bereich der Gehäuseöffnung mit einem ringförmigen porösen und aufgesinterten Aussenmantel versehen ist, der mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff überzogen ist. Ausserdem ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass der dem Stromleiter zugeordnete gesinterte Körper einen ringförmigen Kragen bildet, der im Bereich der Gehäuseöffnung flächig gegen die Kunststoff-Gehäusewandung anliegt und durch den Kunststoffüberzug mit dieser verschweisst ist. Nach einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der poröse gesinterte Körper aus Metall oder Keramik bestehen.
Schliesslich kann die Erfindung auch darin erblickt werden, dass der metallische gesinterte und poröse Körper, der mit Kunststoff überzogen und in die Gehäuseöffnung eingeschweisst ist, auf der oberen und unteren Fläche nach Beseitigung des Kunststoffüberzuges mit je einem metallischen Kontaktstreifen versehen ist und den Stromleiter bildet.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, u. zw. zeigen: Fig, 1 einen mittleren Längsschnitt durch eine Knopfzelle, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. l, wobei Teile teilweise fortgelassen sind, Fig. 3 einen mittleren Querschnitt durch ein Anschlusselement für eine Knopfzelle, Fig. 4 den Teil eines Querschnittes durch ein Zellengehäuse mit einer abgedichteten Anschlusseinrichtung, wobei die Stromleiter die Elektroden mit den An-
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schlusselementen verbinden, Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3 von einer etwas abgewandelten Aus- führung und Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch den Anschlussteil eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In den Fig. l und 2 ist eine Knopfzelle dargestellt, welche aus einem äusseren Zellengehäuse 10, aus einem synthetischen Kunststoffmaterial, z. B. aus einem thermoplastischen, schlagfesten StyrolAcrylnitril-Butadien-Mischpolymerisat besteht, in dem eine Anodenmasse 16 (z. B. Silberoxyd) enthalten ist, wobei das Gehäuse 10 eine Öffnung 11 hat, durch welche der Schaftteil 13 eines Anschluss elementes 12 hindurchführt. Dieses Anschlusselement ist mit einem Kragen 14 versehen, welcher auf dem Boden des Gehäuses 10 aufliegt und die Öffnung 11 umgibt.
Zwischen der Anodenmasse 16 und der Kathodenmasse 26 (welche aus einem elektrochemischen aktiven Zink oder Kadmium bestehen kann) ist eine Separatorschicht 17 aus Zellulosematerial angeordnet ; die letztere ist von einem oberen Gehäuseteil 18 umgeben, der innerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und mit üblichen Mitteln mit dem letzteren verschlossen ist. Ein Deckelteil 20 des Gehäuses 18 ist mit einer zentralen Öffnung versehen, durch welche der Schafftteil eines Anschlusselementes 21 hindurchragt. Der Anschlusskörper 23 hat einen ringförmigen Kragen 25, welcher auf dem Deckelteil 20 aufliegt und an diesem befestigt ist.
Die Anschlusselemente 12 und 23 bestehen beide aus einem gesinterten Stoff, der mit synthetischem Kunststoff imprägniert ist und durch Schweissung, thermische Behandlung oder durch Ultraschallschweissung an den Gehäuseteilen 10 und 20 entlang der ringförmigen Kragen zu befestigen ist. Da das Imprägnieren des porösen Körpers mit dem synthetischen Kunststoff einen nichtleitenden Kunststoffüberzug an den Anschlusselementen verursacht, sind die einander gegenüberliegenden Flächen 231 und 231 1 des Körpers 23 von dem synthetischen Kunststoff, z. B. durch Abreiben mit Schmirgelpapier freigelegt und an Leitungsdrähte 22 und 24 anschweissbar, die eine äussere Kontaktstelle für die Batterie bilden und eine elektrische Verbindung mit der Kathodenmasse 26 herstellen.
Auf ähnliche Weise können die korrespondierenden Flächen des Anschlusselementes 12 freigelegt und mit Kontaktdrähten 15 und 27 versehen werden, die mit der Anodenmasse 16 in Eingriff kommen und eine äussere Kontaktstelle bilden.
Beispiel l : Die Anschlusseinrichtung der in Fig. 3 dargestellten und einen Durchmesser von etwa 2 cm besitzenden Ausführung wird durch Verformung einer Masse aus Silberteilchen mit einer Korngrösse zwischen etwa 10 und 50 li zu der in Fig. 3 dargestellten Gestalt gebildet. Die geformte Masse der Teile wird in einenSinterofen eingeführt und bei einer Temperatur von etwa 6000C zu einer zusammenhängen-
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Acrylnitril-Butadien wird durch Lösen des Granulats in Methyläthylketon bei einer etwas unterhalb des Verdampfungspunktes des Lösungsmittels liegenden Temperatur hergestellt.
Der poröse Anschlusskörper wird dann mit der Lösung durch Eintauchen imprägniert, nachdem er einem Unterdruck ausgesetzt war (etwa 25 mm Quecksilbersäule, 5 Minuten lang), woraufhin die Lösung tief in die Poren eindringt, so dass eine Gewichtszunahme von etwa 80 bis 90 % erfolgt. Das Lösungsmittel wird langsam entfernt, so dass der Kunststoffteil des Körpers keine erhebliche Porosität erhält. Durch eine Ultraschallimprägnierung wird das Eindringen des synthetischen Kunststoffes in die Poren des Metalles erleichtert. Dabei können die porösen Anschlusskörper einer Hochfrequenzschwingung (10. 000 - 500. 000 Schwingungen pro Sekunde) beim Eintauchen in die synthetische Kunststofflösung ausgesetzt werden.
Sobald die Verdampfung des Lösungsmittels abgeschlossen ist, wenn also kein weiterer Gewichtsverlust stattfindet, werden die oberen und unteren Flächen 231 und 2311 der Anschlusskörper mit einer Drahtbürste oder einer Schmirgelscheibe poliert, um die betreffenden sauberen Metallflächen freizulegen, auf denen eine dünne Lage Silber oder Kupfer aufgebracht ist. Die Befestigung kann durch Punktschweissung oder Ultraschallschweissung auf übliche Art ausgeführt werden, wobei die Auflagen eine Dicke von etwa 10 J1. haben. Hiedurch werden die Anschlusskörper in ihren vorgesehenen Stellungen in den Zellen 10 und 18 gehalten, die ebenfalls aus Styrol-Acrylnitril-Butadien-Kunststoff bestehen.
Die Elektroden, der Separator und die innere Zelle 19 werden dann auf übliche Art und Weise in die beiden Gehäuseteile 10 und 18 eingebaut, welche durch Anwendung eines Lösungsmittels dicht mit-
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durch Verwendung von Methyläthylketon daran dichtend befestigt werden, das zwischen den Flächen fliesst und wobei ein Druck aufgewendet wird, der praktisch eine üblicherweise als Lösungsmittelschweissung bezeichnet Verbindung schafft. Sintertemperaturen zwischen 300 und 8000 C wurden als geeignet für die Silberteilchen ermittelt.
Beispiel 2 : Ein zylindrisches Anschlusselement aus Kupfer, das durch eine Öffnung eines Polyäthy- Len-Zellengehäusespasstund einen Durchmesser von etwa 1 cm und eine Länge von etwa 2,5 cm hat, ist
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Der Sinterkörper wird mit flüssigem Polyäthylen bei einer Temperatur imprägniert, bei welcher dieses leicht in die Zwischenräume des Anschlusskörpers fliesst. Der imprägnierte Körper wird dann zur Herstellung der erforderlichen Kontaktflächen poliert und anschliessend an das Zellengehäuse durch Heissversiegelung angeschlossen.
Beispiel 3 : Auf ähnliche Art und Weise, wie für Beispiel 2 beschrieben, werden Nickelteile von
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Behandlung mit verflüssigtem Nylon eine Gewichtszunahme von etwa 90% und wurde dann an einem
Nylongehäuse durch Ultraschallschweissung (bei einer Frequenz von etwa 3 Millionen Schwingungen/sec) befestigt. Gewöhnlich liegt die Gewichtszunahme der mit dem synthetischen Kunststoff imprägnierten porösen Elemente zwischen 80 und 900/0 ; Sintertemperaturen von 800 bis 8500C bzw. 600-1200 C er- wiesen sich für Kupfer bzw. Nickel erfolgreich. Übliche Nylonkleber lassen sich ebenfalls zur hermetisch dichten Verbindung der mit Nylon imprägnierten Körper an die Zellengehäuse verwenden. Es ist festge- stellt worden, dass Korngrössen zwischen 10 und 50 für die Ausführung der Erfindung geeignet sind.
In Fig. 4 ist eine Abwandlung dargestellt, bei der ein durchlaufender Metallkern 41 ein Paar metallische Leiter 43 und 45 besitzt, die durch Punktschweissung bei 44 daran befestigt sind. Die
Leiter 43,45 und die Teile des Kernes 41 innerhalb des Zellengehäuses 40 sind in eine Hülle 46 aus einem gesinterten Material eingeschlossen, das mit einem synthetischen Kunststoff imprägniert ist, wodurch ein Isolationsüberzug 47 auf der Hülle gebildet und so ein Brüchigwerden der Leiter und ein Wandern des Aktivmaterials verhindert wird. Die Leiter 43 und 45 sind auf übliche Art und Weise mit den Gitterträgem 50,51 befestigt, auf denen das Aktivmaterial der Elektroden 48,49 gelagert wird.
Die Separatoren 52 halten das Anodenmaterial im nötigen Abstand von lem Kathodenmaterial 53. Die positiven Elektroden bestehen vorzugsweise aus Silber/Silber-Oxyd, während das negative Material Zink oder Kadmium enthalten kann und die Separatoren 52 eine Zellulosemembran umfassen. Die Umhüllung 46 ist an dem Zellengehäuse 40 bei 42 in der vorbeschriebenen Art und Weise befestigt. In den Fig. 5 und 6 sind weitere Anordnungen gezeigt, bei denen die gleichen Grundgedanken zur Anwendung gelangen.
In Fig. 5 ist die aus porösem Material bestehende Umhüllung 62 an dem Kern 61 beim Sintern des Kernes angebracht worden und die mit synthetischem Kunststoff imprägnierte Hülle wird dann mit dem Zellengehäuse 60 verbunden. Die Fig. 6 zeigt, wie der poröse Körper 62 mit zwei Kernteilen 64 und 65 verbunden werden kann, die Vorsprünge 66,67 besitzen, um eine grössere Festigkeit zu erhalten. Der Körper 68 wird nach dem Imprägnieren mit Kunststoff mit dem Zellengehäuse 63 verbunden.
Beispiel 4 : Eine Anschlusseinrichtung der in Fig. 4 dargestellten Ausführung wird durch Punktver- schweissung eines Paares von Silberleitern 43,45 an einen Anschlussträger 41 aus Kupfer hergestellt.
Der Träger und die Leiter werden dann in eine Masse aus Silberpulver mit einer Korngrösse zwischen 10 und 50 li eingebracht, die zur Bildung der Hülle 46 bei einer Temperatur von etwa 8000C gesintert wird. Die Umhüllung hat eine Dicke von etwa 20 tt und ist mit gelöstem Styrol-Acrylnitril-Butadien in Lösungsmittel imprägniert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wird die Anschlusseinrichtung am Gehäuse 40 durch eine Lösungsschweissung befestigt.
Beispiel 5: Die Verfahrensweise nach Beispiel 4 wird mit dem Unterschied ausgeführt, dass die Teile zur Bildung einer Umhüllung aus gesinterter Keramik (Aluminiumoxyd) bestehen. Für die Teilchen, welche eine Grösse von etwa 30 haben, wird eine Sintertemperatur etwas unter 1000 C bei einem Druck von etwa 600 kg/cm2 verwendet. Der poröse Teil oder Bereich wird mit einem synthetischen Kunststoff imprägniert und an das Zellengehäuse in der Art, wie sie im Beispiel 4 beschrieben ist, angeschlossen, um eine hermetische Abdichtung zu erzielen.
Die Erfindung bleibt nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Änderungen durchführbar, ohne dass der Rahmen der Erfindung überschritten wird. So ist insbesondere auch eine Anwendung nicht nur für Akkumulatoren od. dgl., sondern auch für alle andem Anschlüsse, Rohre od. dgl. möglich.
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