BG61487B1 - Electrochemical feed source with a state indicator - Google Patents

Electrochemical feed source with a state indicator Download PDF

Info

Publication number
BG61487B1
BG61487B1 BG98676A BG9867694A BG61487B1 BG 61487 B1 BG61487 B1 BG 61487B1 BG 98676 A BG98676 A BG 98676A BG 9867694 A BG9867694 A BG 9867694A BG 61487 B1 BG61487 B1 BG 61487B1
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
layer
power source
electrochemical
cell
status indicator
Prior art date
Application number
BG98676A
Other languages
English (en)
Other versions
BG98676A (bg
Inventor
Han C Kuo
Ignacio Chi
Lifun Lin
Louis L Wu
Jack Treger
Original Assignee
Duracell Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US07/764,610 external-priority patent/US5250905A/en
Priority claimed from US07/914,943 external-priority patent/US5355089A/en
Application filed by Duracell Inc filed Critical Duracell Inc
Publication of BG98676A publication Critical patent/BG98676A/bg
Publication of BG61487B1 publication Critical patent/BG61487B1/bg

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D7/00—Indicating measured values
    • G01D7/005—Indication of measured value by colour change
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/569—Constructional details of current conducting connections for detecting conditions inside cells or batteries, e.g. details of voltage sensing terminals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/50—Methods or arrangements for servicing or maintenance, e.g. for maintaining operating temperature
    • H01M6/5044—Cells or batteries structurally combined with cell condition indicating means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Primary Cells (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Tests Of Electric Status Of Batteries (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)

Description

Област на техниката
Изобретението се отнася до усъвършенствана комбинация от електрохимичен захранващ източник или акумулаторна батерия и неделимо свързан индикатор с дисплей за състоянието му, който непрекъснато показва експлоатационната годност на захранващия източник.
Предшестващо състояние на техниката
Известни са първични електрически клетки, които включват средства за визуална индикация на състоянието или разреждането на клетката. Без това да се счита като ограничение, известните средства за индикация съдържат разположени извън батерията химични индикатори, реагиращи с веществото в него. Те включват елементи, поместени в електродите, които стават видими по време на разреждане, и термохромни материали в термичен контакт със съпротивителен елемент, който може да бъде свързван към батерията. За много от тези индикатори е проблем, че съгласуването по време на тяхната индикация зависи чувствително от конструктивната форма на индикатора, разположен върху или в батерията. Следователно, естествените толеранси при производството водят до различия от батерия до батерия по време на разреждане, когато се извежда индикацията.
Предпочитан батериен индикатор е този, който измерва напрежението на батерия (основната клетка), тъй като измерването на напрежението само по себе си не се влияе от конструктивната форма. Един такъв индикатор, при който индикацията е пропорционална на напрежението, съдържа термохромен материал в топлинен контакт със съпротивителен елемент. Няколко примера за такива индикатори са разкрити в патенти на US №№ 4835467, 4726661, 4835475, 4702564, 4737020, 4006414, 4723656 и заявка на US № 652165, подадена на 07.02.1991 г. Тези индикатори работят добре за периодични тестувания на батерията по време на нейната експлоатация. Те са по-сложни в случай на постоянно свързване към батерията, тъй като визуалният индикатор е от термохромен материал. Трябва да се обърне внимание на термичната изолация между инди5 катора и корпуса на батерията, за да се предотврати топлообменът, който би повлиял на точното показание на индикатора. Освен това тези индикатори съдържат съпротивление, което е свързано последователно на батерията 10 по време на измерването на напрежение. Поради това електрическите контакти на индикатора не могат да бъдат непрекъснато свързани с клемите на батерията при липса на ключ. В противен случай батерията би се раз15 реждала непрекъснато през индикатора.
От пат. на US 5015544 е известен електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му, визуализиращ степента на разряд чрез промяна в цвета при определено 20 напрежение. Индикаторът е изпълнен като течен кристал или окислително-редукционна клетка, оформена в кухина между два диелектрични пласта и свързана и захранвана от електрохимичния източник през ключ. По този на25 чин за ориентиране на потребителя за експлоатационната годност на електрохимичния източник избирателно, чрез ключа, индикаторът се свързва към източника, активира се от напрежението му и цветът му показва контролно 30 състоянието на батерията.
Недостатък на това известно решение е, че индикаторът не дава възможност за непрекъсната индикация на състоянието на електрохимичния източник, тъй като захранването 35 е от проверявания източник. Така индикаторът действа като последователно включен резистор. За да се предотврати непрекъснатото черпене на ток, индикаторът се включва само кратковременно, чрез вградения електрически 40 ключ. Конструктивно индикаторът е изпълнен по принципно различен начин - на базата на течни кристали или окислително-редукционна клетка, съдържаща състав, променящ цвета си при определено напрежение. Това обус45 лавя необходимостта от захранване на индикатора от контролирания източник и преждевременното му разреждане.
Техническа същност на изобретението 50
Задачата на изобретението е да се създаде електрохимичен захранващ източник с ин дикатор за състоянието му, който да осигури възможност за непрекъснато следене и точно определяне експлоатационната годност на електрохимичния източник, без да се черпи ток и да се предизвиква разреждане от индикатора.
Задачата е решена с електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му, като захранващият източник е с положителен и отрицателен извод, към които е свързан индикаторът. Индикаторът включва дисплей за визуализиране степента на годност на захранващия източник и е изпълнен като електрохимична клетка, която е свързана паралелно на захранващия източник. Напрежението на празен ход на електрохимичната клетка е по същество съизмеримо с напрежението на празен ход на контролирания захранващ източник.
Целесъобразно е захранващият източник да е вграден в контейнер, а електрохимичната клетка да има дебелина, по-малка от 2,5 mm, и да е прикрепена към външната повърхност на контейнера.
Възможно е захранващият източник да бъде електрохимична клетка.
Възможно е последователно на захранващия източник и електрохимичната клетка да е свързан поне един съпротивителен елемент.
Целесъобразно е електрохимичната клетка да има напрежение при отворена верига между около 80 и 120% от напрежението при отворена верига на захранващия източник.
Целесъобразно е също електрохимичната клетка на индикатора да има импеданс поне 100 пъти по-голям от импеданса на електрохимичната клетка на захранващия източник.
В предпочитано изпълнение индикаторът включва дисплей, който има видим, електрохимично изчерпващ се слой.
Целесъобразно е дисплеят да включва активен катоден слой, електрически свързан с положителния извод, активен аноден слой, електрически свързан с отрицателния извод, и електролитен слой, разположен между поне част от катодния и анодния слой. При това поне един от слоевете се променя видимо по време на разреждане на електрохимичната клетка, за да се индицира състоянието на захранващия източник.
Възможно е индикаторът за състоянието да съдържа и защитен слой, който да изолира електрически поне един от активните аноден и катоден слой от външната повърхност на контейнера.
Целесъобразно е всяка част от индикатора по същество да съответства на формата на съседната част на външната повърхност на контейнера.
В предпочитан вариант дисплеят е разположен надлъжно на част от външната повърхност на контейнера и съдържа обвивка с надпис около външната повърхност на контейнера. При това една прозрачна част от обвивката покрива дисплея, който съдържа цветен или индикаторен слой, откриващ се, когато активният катоден или активният аноден слой е изчерпан електрохимично по време на разреждане на електрохимичната клетка.
Възможно е активният катоден слой да включва съединение, избрано от групата, състояща се от СоО2, NiO2 и λ МпО2. Активният аноден слой може да съдържа цинк, а електролитният слой да има проводимост поне 1x10 7 Ω'1 cm*.
Възможно е електролитният слой да съдържа порьозно полимерно свързващо вещество, задържащо течен електролитен разтвор. Това порьозното полимерно свързващо вещество е избрано от групата, състояща се от поливинилиден флуорид, полиакрилонитрил, полиетилен, полипропилен, поликарбонат, полиетилен терефталат, поливинилиден хлорид и полиестер, а течният електролитен разтвор може да съдържа йоногенна сол, разтворена в органичен разтворител, като йоногенната сол е избрана от групата, съдържаща LiCF3SO3, LiC104, Zn(CF3SO3)2, Zn(C104)2, LiN(CF3SO2)2, а органичният разтворител е избран от групата, съдържаща етиленкарбонат и пропиленкарбонат или техни смеси.
Целесъобразно е поне един от катодния и електролитния слой да съдържа монтморилонит.
Възможно е клетката да съдържа активен аноден слой, активен катоден слой и електролитен слой като електролитният слой да свързва поне част от активните аноден и катоден слой, които са странично отделени един от ДРУГ.
За предпочитане е никаква част от активния аноден слой да не препокрива каквато и да е част от активния катоден слой.
Целесъобразно е електролитният слой да е в контакт с поне част от активния аноден и активния катоден слой.
Възможно е анодният и катодният слой да са от различни страни на електролитния слой.
Целесъобразно е анодният и катодният слой да са електрически изолирани от съседните части от външната повърхност на електрохимичната клетка.
Възможно е анодният слой да има дебелина, нарастваща от едната крайна част към противоположната част.
За предпочитане е влагозащитният слой, който покрива индикатора, да има степен на пропускливост на водни пари, по-малка от 0,02 gm Н2О х mm/ (m2 χ 24 h), и дебелина, помалка от 0,13 mm, при която индикаторът да е видим през влагозащитния слой.
Възможно е влагозащитният слой да включва свързващо вещество, полагано между периферна част на влагозащитния слой и външната повърхност на контейнера, при което да е обхванат и индикаторът.
Целесъобразно е влагозащитният слой да е избран от групата, състояща се от слюда полипараксилилен или полимерен слой със стъклено покритие.
Възможно е влагозащитният слой да съдържа слюда.
За предпочитане е адхезионният слой да съдържа стопилково слепващо вещество, избрано от групата, състояща се от полиетилен, полипропилен, полибутен и полихексен или техни съполимери.
В предпочитан вариант адхезионният слой съдържа свързващо вещество на каучукова основа, избрано от групата, състояща се от бутил, полихлоропрен, нитрил, полиизопрен, полиизобутилен, полисулфид, стирен-бутадиен, стирен-изопренстирен блокови съполимери и акрилонитрил-стирен-бутадиен блокови съполимери.
Настоящото изобретение решава проблемите, свързани с описаните по-горе известни прибори за тестуване, като е използван прибор за тестуване на батерия, включващ електрохимично захранван дисплей, който е непрекъснато електрически свързан паралелно на батерията. Топлообменът не е проблем, тъй като принципът на действие е електрохимичен, а не термохромен. Преждевременното разрежда не също не е проблем, тъй като електрохимичният прибор за тестуване е свързан паралелно на батерията и поради това не действа като серийно съпротивление. Напрежението на електрохимичната клетка, което захранва дисплея, следи напрежението на батерията по време на разреждане, при което се получава точно определяне на оставащия експлоатационен живот на батерията.
Индикаторът е така конструиран, че няма негова част, която да е разположена така, че да затруднява вмъкването на батерията в едно устройство, както би било, в случай че са използвани проводници или клеми за свързване на изводите от единия или от двата края на една клетка. Освен това не се изискват допълнителни химически вещества за функционирането му.
Пояснения за приложените фигури
Признаците и предимствата на изобретението са разкрити по-долу в съответствие с приложените фигури, от които:
фигура 1А представлява аксонометрично изображение на катоден електролитен слой за индикаторната клетка, направен в съответствие с изобретението;
фигура 1В - разрез на индикаторна клетка;
фигура 2 - разрез на възможно изпълнение на анодния слой на индикаторна клетка;
фигура 3 - разрез на друго изпълнение на анодния слой за индикаторна клетка;
фигура 4 - схематично изображение на индикаторен слой, който се използва с анодите, изобразени на фигури 2 и 3;
фигура 5 - батерия с неделимо свързан индикатор за състоянието в съответствие с изобретението;
фигура 5А - уголемен разрез на индикатор за състоянието, неделимо свързан към батерия;
фигура 6 - друго изпълнение на индикатор за състоянието в уголемен разрез, свързан с батерия;
фигура 7 - батерия с друго изпълнение на неделимо свързан индикатор за състоянието (уголемен);
фигура 8 - изглед отпред на изпълненията от фигури 6 и 7.
Примери за изпълнение на изобретението
В следващото по-долу изложение електрохимичната клетка или батерията, която се подлага на тестуване, ще се нарича “главна или основна клетка”, а електрохимичната клетка, която генерира захранване за дисплея, ще се нарича “индикаторна клетка”. В съответствие с изобретението батерията е неделимо свързана с индикатора за състоянието, съдържащ индикаторна клетка, свързана паралелно към основната клетка. Индикаторната клетка показва състоянието на основната клетка чрез електрохимично захранван дисплей, който е конструиран по следния начин.
Индикаторната клетка от изобретението съдържа активен катоден слой и активен аноден слой, между които има слой електролит. Активните катодни и анодни слоеве са така подбрани, че индикаторната клетка има напрежение по същество еднакво с напрежението на основната клетка, за предпочитане малко по-малко от напрежението й. Това осигурява разреждане на индикаторната клетка едновременно с разреждането на основната клетка. Анодът и катодът на индикаторната клетка се подбират същите както анода и катода на основната клетка, например цинк и манганов диоксид. Могат да бъдат използвани анод и катод, различни от тези на основната клетка, при условие, че напрежението на индикаторната клетка е такова, че тя ще започне да се разрежда преди напрежението на основната клетка да падне до стойност, при която тя не е вече използваема. В противен случай индикаторната клетка не би се разреждала и не би могла да захранва дисплея преди края на експлоатационния живот на основната клетка.
Както се пояснява по-долу, капацитетът на индикаторната клетка е много по-малък от капацитета на основната клетка. Например капацитетът на индикаторната клетка може да бъде около 1/1000 от капацитета на основната клетка. Поради това за предпочитане е импедансът на индикаторната клетка да бъде поне 10 пъти, по-добре 100 пъти и най-добре 1000 пъти по-голям от импеданса на основната клетка. Един висок импеданс предизвиква разреждане на индикаторната клетка при по-ниска стойност от тази на основната клетка, така че разреждането на индика торната клетка съвпада по време с разреждането на основната клетка. Всъщност импедансът на основната клетка може да се настрои точно чрез последователно свързване на съпротивление, при което комбинацията от индикаторна клетка и съпротивление предизвиква разреждане на индикаторната клетка при предварително определена стойност, която е пропорционална на стойността на разреждане на основната клетка. За промяна на импеданса на батерията може също да бъде добавено впоследствие последователно свързано съпротивление.
Желателно е графиката на изменението на индикаторното напрежение по време на разреждане да е подобна на графиката на напрежението на основната клетка. Следователно анодният, катодният и електролитният слой на индикаторната клетка се избират така, че да се постигне това съвпадение. По време на разреждане на индикаторната клетка анодът и катодът постепенно намаляват, разтваряйки се електрохимически. Следователно степента на разреждане на основната клетка се определя чрез следене изчерпването на анода и катода в индикаторната клетка най-общо чрез наблюдение на намаляването и изчезването на анода в индикаторната клетка.
Една предпочитана индикаторна клетка е тази, при която при изчерпване на анода се получава видим дисплей. Дисплеят е оформен чрез включване на индикаторен слой зад анодния слой. Индикаторният слой може да бъде обвивка от фини гранули от флуоресцентен материал по повърхността на катодния слой върху разделителната повърхност електролит/ катод. Индикаторният слой може да е с флуоресцентен цвят или да предава съобщение на наблюдателя, например думата “смяна” или други. Слоевете между анодния слой и индикаторния слой трябва да бъдат прозрачни, така че индикаторът или цветът да могат да се наблюдават веднага щом анодният слой изчезне. Количеството метал върху анода на индикаторната клетка се избира така, че да се отдели достатъчно метал за откриване на индикатора за времето, през което основната клетка достига края на своя експлоатационен живот.
За предпочитане е индикаторната клетка да се прави много тънка, така че да бъде непрекъснато свързана към външната повърхност на основната клетка без забележимо уве личение на размерите й. Ако дебелината на индикаторната клетка стане значително поголяма, диаметърът на основната клетка би трябвало да се намали, за да може външният размер да остане почти същият. Това разбира 5 се би предизвикало намаление на капацитета на основната клетка. Поради това е желателно индикаторната клетка да бъде много тънка. Анодният, катодният и електролитният слой, които оформят индикаторната клетка, могат да бъдат стеково подредени. По-специално анодният и катодният слой могат да бъдат странично разделени един от друг чрез електролит, контактуващ поне с част от повърхността на всеки от тях. Последното описано изпълнение осигурява подвижна граница по време на разреждане, при което се създава ефектът “показател за разхода” (fuel gauge). Стековата или странично разделената конструкция на индикаторната клетка от изобретението по желание може да има дебелина, по-малка от 2,5 mm, но може да бъде направена много тънка - по-малко от 0,4 mm и по-малко от 0,25 mm. Дебелината на индикаторната клетка обикновено е между 0,1 и 0,4 mm.
За свързване на катода към положителния извод на основната клетка и анода към отрицателния извод на основната клетка може да бъде използвана тънка лента от метално фолио или жица и други. Анодният слой е видим отвън или през прозрачна част от обвивката на основната клетка, която е в непосредствена близост до индикаторната клетка, или през прозрачен слой, който покрива външната повърхност на индикаторната клетка. Специфичните изпълнения са коментирани по-долу.
Признаците и предимствата на настоящото изобретение ще бъдат изложени във връзка с дадено специфично изпълнение в съответствие с приложените фигури. Един индикатор за състоянието, включващ електрохимично захранван дисплей за алкална клетка тип “АА” цинково-манганов диоксид, има следната конструкция. Всички части са определени тегловно, освен ако това не е направено по друг начин.
Катодният слой на индикаторната клетка може да бъде получен при смесване на прах от манганов диоксид и около 6 т. % проводимо вещество, например въглеродни сажди (ацетиленови сажди) и/или графит с 5 т.% прах от поли-тетрафлуоретилен. В куха кръгла форма за отливка с плоско дъно и диаметър около
0,5 инча се изсипва 200 mg от сместа за катода. Една точно напасвана матрица с гладка повърхност се поставя в кухия съд и ръчно се притиска, за да се пресова и изравни катодната смес. По време на пресоването се оформя дискообразна катодна гранула с дебелина приблизително 0,5 mm, която вече лесно се отделя от формата.
За предпочитане е анодният слой на индикаторната клетка да бъде направен чрез парни отлагания или електрохимично нанасяне на покритие от цинк върху чист субстрат, например полиестерен слой. Ако анодният слой е електрохимично нанесен, субстратът е прозрачен проводник. Такъв може да бъде полиестерен слой, покрит с индиево-калаен окис, какъвто е означеният като “Altair” М-5, производство на Southwall Technology Inc., Калифорния. Една правоъгълна част от този слой се напластява с цинк в галванична баня за около 2 до 4 min при плътност на тока 10 mA/ cm2. Галваничната баня е приготвена от воден разтвор на 1 mol ZnSO4, като чрез използване на сярна киселина pH е около 1,5 до 2. Найобщо прозрачният проводников слой може да има дебелина от около 0,025 mm, а отложеният цинков слой - между 0,03 и 0,04 μ. Могат да се използват и други методи, например анодно разпрашване върху слой субстрат.
Съгласно фиг. 1А и 1В индикаторната клетка 10 представлява тънък ламинат, съдържащ аноден слой 20 върху подложка 18, електролитен слой 12 и катоден слой 14 с индикация 40 на разделителната повърхност катод/електролит. Под използвания тук термин “ламинат” се разбират слоести структури, които могат да съдържат тънък филм, метален или покрит слой или каквато и да е друга комбинация от тях.
Индикаторът 10 може да се свърже с батерията 50 по следния начин. Описаният по-горе катод от катоден слой 14 може да бъде първо с едната си страна към кутията 56 на батерията 50. Катодният слой 14 може да бъде директно свързан електрически с положителния извод 57 или чрез свързване на катодния слой 14 с кутията 56, която на свой ред е електрически свързана с положителния извод 57. Ако катодният слой 14 включва гранули, както беше описано по-горе, той може да има дебелина между 0,3 mm и 1 mm, като обикновено е около 0,5 mm. Дебелината на катодния слой 14 може да се намали, като се използва покритие, съдържащо активен катоден материал в разтворима смес. Предпочитаното изпълнение на това покритие е описано по-долу. След като покритието се положи например направо върху кутията 56 или върху тънък филм, например полиестер MYLAR, разтворът се изпарява. Получената дебелина на сухия катоден слой 14 е 0,025 mm, а обикновено е между 0,025 и 0,13 mm. Слоят електролит 12, за предпочитане електролитен филм (описан по-долу), е положен върху откритата повърхност на катодния слой 14.
Обикновено слоят електролит 12 може да бъде с дебелина между 0,05 и 0,25 mm. Поради това за поддържане на слоя електролит 12 се използва пласт подложка от полиестерен слой 18 с нанесен цинков слой 20. Полиестерният слой подложка 18 обикновено има дебелина около 0,025 mm, а цинковият слой е с дебелина между 0,03 и 0,04 μ. Цинкът може да покрива цялата повърхност на стоя електролит 12. Цинковият слой може да се издава и извън повърхността на слоя електролит, като издаващата се част изпълнява ролята на част от електрическата връзка при свързване на анода на индикаторната клетка към отрицателния извод на батерията. Цялата клетка има импеданс между около 500 и 1000 Ω. Цинковият анод на индикаторната клетка е електрически свързан с отрицателния извод на алкалната клетка тип “АА” цинково/манганов диоксид, а катодът е електрически свързан с положителния извод на клетката тип “АА”. Към изводите на батерията е свързан товар. Когато батерията достигне края на експлоатационната си годност, цинковият анод на индикаторната клетка изчезва и по този начин показва на потребителя, че батерията трябва да се подмени.
Описаната по-горе индикаторна клетка освен за цитираната единичната индикация може да бъде конструирана и да действа като “показател за разхода”. На фиг.2 и 3 е показан разрез на анод 26 и 36 на индикаторна клетка, като дебелината на анода нараства от единия край към другия. Този вид анод ще изчезне най-напред откъм тънкия си край, а краят с най-голяма дебелина ще изчезне последен. Един индикаторен слой 40 може да се положи например между електролита 12 и катода 14. Тъй като цинковият слой на анода 20 изчезва при разреждането на индикаторната клетка 10, индикаторният слой 40 става видим. Когато тази индикаторна клетка е непрекъснато свързана с батерия, потребителят получава непрекъсната индикация за разреждането на батерията по същия начин, както показателя за разход на гориво в колата. Едно друго, но по-малко предпочитано изпълнение за постигането на ефекта “показател за разхода”, е да се променя дебелината на катодния слой (подобно на анодите, показани на фиг.2 и 3), докато дебелината на анодния слой се поддържа по същество еднаква.
На фиг.5 е показано изпълнение на индикаторна клетка 60 (по същество индикаторна клетка 10), която е непрекъснато свързана с батерия 50. Индикаторната клетка 60 представлява ламинат, включващ анод 20, слой електролит 12, катоден слой 14, какъвто е показан на фиг. 1В и може да включва или да не включва полиестерна подложка 18 за анодния слой 20. За предпочитане индикаторът 60 е свързан с батерията 50 през катоден слой 14, който е по-близо разположен до стената на клетката 56, отколкото анодния слой 20, както най-добре е показано на фиг.5А. Анодният слой 20 може да бъде щампован, отложен електролитно или прикрепен по друг начин към вътрешната повърхност на обвивката 52 на клетката. Обикновено анодът 20 е тънък слой цинк, напластен върху полимерен субстрат, например върху полиестерен филм 18.
На фигурите от 5А до 8 са показани няколко изпълнения за постигане на желания ефект “показател за разхода”. Както е изобразено на фиг.5А, индикаторът 60 представлява тънък ламинат, образуван от аноден слой 20, катоден слой 14 и електролитен слой 12 в стеково оформление, като електролитният слой 12 е в контакт с анодния слой 20 и с катодния слой 14. Анодният слой 20 на индикаторната клетка 60 е непрекъснато свързан с отрицателния извод 54 на клетката 50 чрез проводников елемент 62, както е показано на фиг.5А. Проводниковият елемент 62 може да бъде продължение на отложения аноден слой 20, както е описано по-горе, или може да бъде друг проводников материал, прикрепен към вътрешната страна на обвивката, както да бъде и изолиран проводник. Ако проводниковият елемент 62 не е изолиран, между него и стената на кутията 56 трябва да бъде поставен електрически
Ί изолиращ слой (не е показан), за да не се предизвика късо съединение между индикаторната клетка и батерията. Катодният слой 14 е електрически свързан с положителния извод 57 чрез проводник 63 или по подобен начин (фиг. 5А), както и чрез директен контакт с кутията 56, която е електрически свързана с положителния извод 57. Ако катодният слой 14 е в контакт със стената на кутията 56, тогава анодният слой 20 ще изчезва равномерно по цялата си дължина по време на разреждането на клетка 60. Катодният слой 14 може да бъде свързан по друг начин непосредствено към единия край (А) на положителния извод 57 посредством изолиран проводник 63 (фиг. 5А) и да няма контакт със стената на кутията 56 поради наличието на изолационен субстрат 73, например полимерен слой от полиестер MYLAR или друг материал (фиг. 5А). При последното изпълнение, докато индикаторната клетка 60 се разрежда, анодният слой 20 започва да изчезва най-напред в точка А (фиг. 5А), а след това към точка В, свивайки анодния слой 20. По този начин по време на разреждането колкото повече изчезва анодният слой 20, толкова повече се открива лежащият отдолу индикаторен слой 40. Това предизвиква получаването на ефекта “показател за разхода”, позволяващ на потребителя да определя по всяко време оставащия капацитет на основната клетка 50 само от показването на останалата част от анодния слой или като прочита съобщението върху открития индикаторен слой 40. Общата дебелина на индикаторната клетка 60 (фиг. 5А) е по-малка от 2,5 mm, за предпочитане е да бъде по-малка от 0,4 mm или по-малка от 0,25 mm, като обикновено е между 0,1 и 0,4 mm.
Съгласно изпълнението на фиг. 5А индикаторната клетка 60 има електроден слой 12 от електролитно покритие с порьозен полимерен слой, поемащ течния електролит. Електролитното покритие е описано по-подробно понататък. Анодният слой 20 представлява цинков слой с дебелина между 0,03 и 0,04 рие положен върху подложка 18 от полиестерно покритие MYLAR и обикновено е с дебелина 0,025 mm. Катодният слой 14 включва активен катоден материал и проводимо вещество, като например смес от въглерод на прах и графит. За предпочитане е проводимото вещество да бъде поне 4% от общата маса на катода. Подготвянето на катодния слой е описано по-под10 робно по-нататък. Той се нанася като основно разтворимо покритие около полимерен субстрат 73, след което се изсушава. Сухият катоден слой 14 обикновено има дебелина между 0,008 и 0,08 mm, като най-добре е тя да бъде между 0,013 и 0,025 mm. Индикаторният слой 40 заедно с нанесения или отложен мастилен слой обикновено има дебелина приблизително между 0,025 и 0,05 mm.
Един влагозащитен слой, за предпочитане от слюда може да се положи между обвивката 52 и индикаторния слой 60, за да го предпази от вредното влияние на влажността на околната среда. Тази заявка тук е спомената като позоваване. Влагозащитният слой може да бъде адхезионно закрепен по края на кутията 56, както е описано в цитираната по-горе заявка. Покритие, обикновено от поливинилхлорид, може след това да бъде плътно положено около кутията 56 и върху индикатора 60, за да го капселова заедно с влагозащитния слой спрямо кутията 56.
На фиг. 6 е показано друго изпълнение на индикаторна клетка, в случая обозначена с 92, която също представлява тънък ламинат. Катодният слой 74 и анодният слой 76 са странично разделени, вместо стековото подреждане от фиг. 1В. По този начин в индикаторната клетка 92 никаква част от анодния проводников слой няма да препокрие част от катодния проводников слой. Електролитният слой 77 е положен отгоре и е в контакт с катодния слой 74 и с анодния слой 76, както е илюстрирано на фиг.6. Катодният слой 74 е странично разделен от анодния слой 76 чрез междина 85. При изпълнението, показано на фиг.6, електролитният слой 77 е преместен от страната на катодния слой 74 и анодният слой 76 не е в контакт с батерията 50. Батерията 50, показана на фиг.6, представя стандартна първична клетка - типична алкална клетка с отрицателен извод 54, положителен извод 57 и кутия 56. Обикновено кутията 56 е в електрически контакт с положителния извод 57. Индикаторната клетка 92 може да съдържа също така цветен или индикаторен слой 83, който може да бъде подходящо разположен срещу кутията 56 на батерията 50. Цветният или индикаторният слой 83 могат да бъдат от цветен полимерен слой, например цветен полиестерен слой MYLAR. Друга възможност е слоят 83 да бъде от чист полимерен слой, за предпочитане слой MYLAR, на който от едната страна е напечатано съобщение. За предпочитане е напечатаната страна на слоя 83 да е разположена откъм кутията 56. Слоят 83 също така функционира и като електролитен бариерен слой, т.е. предпазва кутията 56 от контакт и корозия от електролитния слой 77. Затова слоят 83 трябва да бъде непропусклив за електролита от слоя 77 и да бъде достатъчно топлоустойчив, за да не се измести, ако е изложен на топлина по време на стандартно поставяне на обвивка на кутията 56. Обикновено дебелината на слоя 83 с щампованите отгоре слоеве е между 0,013 и 0,025 mm.
Както е показано на фиг.6, анодният слой 76 е електрически свързан с отрицателния извод 54, например чрез изолиран проводник 81. Катодният слой 74 е електрически свързан с положителния извод 57, за предпочитане чрез изолиран проводник 82, който го свързва директно с положителния извод 57 или с кутията 56, която също е свързана с положителния извод 57. Най-често анодният слой 76 представлява тънък метален слой, например от електролитно отложен цинк. В този случай е желателно да се осигури подложка, например слой 75, върху който се отлага металът. За предпочитане е подложката 75 да бъде чист полиестерен слой, например MYLAR. Както е показано на фиг.6, подложката 75 може да е в контакт с индикаторния стой 83. Подходящи са катодни материали, които не са високо проводими, за да се използва метален токов колектор 73 в контакт с катодния слой 74. Ако се използва, за предпочитане е токовият колектор 73 да бъде тънък лист от неръждаема стомана, алуминий или проводим пластичен материал, за да бъде в контакт с вътрешната повърхност на катодния слой 74, както е показано на фиг.6. При използване на токов колектор, катодният слой 74 може да бъде електрически свързан чрез изолиран проводник 82, който го свързва с положителния извод 57 или с кутията 56. Желателно е да се използва влагозащитен слой 98 (фиг. 8) над индикаторния слой 92, точно над електролитния слой 77, за да се предпазва индикаторната клетка 92 от вредното влияние на околната влажност. За предпочитане е влагозащитният слой 98 да е тънък лист адхезионен подсилващ слой от слюда, както е обяснено в цитираната по-горе заявка. Индикаторната клетка 92 може да бъде разположена срещу клетката 50 чрез рамка 99 (фиг.8). Обикновено рамката 99 е защитен слой от поливинилхлорид, който се свива при нагряване и е разположен около клетката 50 и индикаторната клетка 92. При прилагане на топлина рамката 99 се свива плътно, обхващайки индикатора 92 (и влагозащитния слой 98) срещу кутията 56.
По време на работа, докато основната клетка 50 се разрежда, индикаторната клетка 92 се разрежда пропорционално. По време на разреждането на индикаторната клетка 92 анодният слой 76, обикновено от цинк, електрохимически ерозира и изчезва, като започва от точка А в този край на анодния слой 76, който е най-близо до междината 85. Междината 85 се увеличава, докато анодният слой изчезва постепенно от точка А към точка В, разкривайки разположения отдолу индикаторен слой 83. Това предизвиква визуален ефект като “показател на разхода”. Върху индикаторния слой 83 могат да се напечатат думи, отразяващи степента на изтощаване на основната клетка 50 в който и да е момент на цикъла на разреждане. За предпочитане е електролитният слой 77 и подложката 75 да са прозрачни, за да се вижда лесно индикаторният слой 83, докато междината 85 се уголемява. Общата дебелина на индикаторната клетка 92 е по-малка от 0,4 mm, обикновено между 0,1 и 0,4 mm.
В друго изпълнение индикаторната клетка съгласно изобретението има странично разделени аноден и катоден активен слой и на фиг.7 е обозначена с 93. Индикаторът 93 представлява ламинат, по същество еднакъв като индикатора 92 (фиг.6), с тази разлика, че тази част от електролитния слой 77, която е найблизко до анодния слой 76, е разположена между анодния слой 76 и кутията 56. За да се компенсира това различие, подложката 75 за анодния слой 76 се поставя откъм външната повърхност на анодния слой, т.е. по-далече от кутията 56, както е показано на фиг.7. В индикатора 93 никаква част от активния аноден слой 76 не покрива части от активния катоден слой 74. Индикаторът 93 е свързан паралелно към главната клетка 50. По този начин анодният слой 76 е електрически свързан към отрицателния извод 54, за предпочитане чрез изолиран проводник 81, както и катодният слой 74 е електрически свързан с положителния извод 57, за предпочитане чрез изолиран проводник 82 или чрез метален токов колектор 73,
който при работа е свързан с положителния извод 57. Както е описано по-горе по отношение на индикатора 92, над индикаторната клетка 93 е желателно да се използва влагозащитен слой, за предпочитане от слюда. Влагозащитният слой може да бъде поставен над индикатора 93 чрез адхезионно закрепване по дължината на кутията 56. Индикаторът 93 и какъвто и да е влагозащитен слой над него могат да бъдат плътно прикрепени срещу кутията 56 чрез рамка 99, която се свива при топлина и е разположена около основната клетка 50 (фиг.8).
За предпочитане е влагозащитният слой 98 да бъде във формата на гъвкав тънък, оптически прозрачен или поне полупрозрачен слой, който има степен на пропускане на пари, пониска от 0,02 gm Н20 х mm дебелина/ (м2 х 24 h), за предпочитане по-малко от 0,0004 gm Н20 х mm/ (ш2 х 24 h). Подходящо е дебелината на влагозащитния слой да бъде по-малка от 0,13 mm, за предпочитане по-малка от 0,05 mm, а най-добре между 0,0025 и 0,05 mm. Подходящ влагозащитен слой 98, който удовлетворява посочените изисквания, се състои от тънки слоеве естествена минерална слюда, например мусковит. Други подходящи видове слюда са съдържащите флогопит, биотит, лепидолит, роскоелит, фуксит, флуорофлогопит и парагонит. Друга възможност е влагозащитният слой да е съставен от полипараксилилен или полимерен слой със стъклено покритие, за предпочитане полипропиленов слой със стъклено покритие. Използваното стъкло съдържа натронкалк, боров силикат, алуминосиликат, флинтглас (оловно стъкло), боратно стъкло, фосфатно стъкло, стъклообразни силикатни и флуорофосфатни стъкла, например оловно-калаен флуорофосфат. Може да бъде използвано хидрофобно слепващо вещество за свързване на влагозащитния слой към външната повърхност на клетката. Слепващо вещество може да бъде поставено по края на тази страна на влагозащитния слой, която е към външната повърхност на клетката. Адхезионно покритият филм след това може да бъде свързан към външната повърхност на клетката. Влагозащитният слой плътно покрива прибора за тестване на батерията и го задържа към повърхността на батерията.
За свързване на влагозащитния слой със стената на основната батерия на клетка е подходящо да се използва хидрофобно слепващо вещество с относително ниска степен на пропускане на пари, за предпочитане по-ниска от 2 gm Н20 х mm/(m2 х 24 h), по-добре пониска от 0,2 gm Н20 х mm/ (m2 x 24 h). Степента 5 на пропускане на пари на слепващото вещество не трябва да е толкова ниска, колкото тази на слоя, защото дълбочината на дифузионното проникване през слепващото вещество може да бъде по-голяма от дълбочината на 10 дифузионното проникване през слоя.
Подходящи слепващи вещества, които имат посочените качества, могат да бъдат избирани измежду стопилковите лепила, например стопилково полиолефиново лепило, което 15 съдържа хомополимери или съполимери от полиетилен, полипропилен, полибутен и полихексен и техни смеси. Също така може да бъде използвано лепило на основата на хидрофобен разтворител, който има желаната нис20 ка степен на пропускливост на влажни пари. За предпочитане е такива лепила да са на каучукова основа, например такива, които съдържат компоненти на каучукова основа като бутил, полихлоропрен (NEOPRENE), нитрил, 25 полиизопрен, полиизобутилен, полисулфид, стирен-бутадиен, стирен-изопрен-стиренови (SIS) блокови съполимери, стирен-бутадиенстирен блокови съполимери (SBS), акрилонитрил-стирен-бутадиен блокови съполимери 30 (ASB) и техни смеси. Хидрофобни слепващи вещества могат да бъдат избирани и от класа на олефиновите термореактивни полимерни лепила. Едно особено подходящо лепило от този клас е полибутадиен, който може да бъде 35 втвърден ефективно чрез бензоилен прекис.
По време на разреждането на основната клетка 50 индикаторната клетка 93 се разрежда съответно пропорционално. Когато индикаторната клетка 93 се разрежда, анодният 40 слой 76 започва да изчезва постепенно откъм края си (точка А), който е най-близо до междината 85. Когато в индикатора 92 се получава визуален ефект “показател за разхода”, в индикатора 93 по време на изчезването на 45 анодния слой 76 междината 85 се увеличава постепенно от точка А към точка В. Общата дебелина на индикаторната клетка 93 е помалка от 2,5 mm, за предпочитане по-малка от 0,4 mm, обикновено между 0,1 и 0,4 mm. 50 Изненадващо е, че толкова тънка индикаторна клетка 60, 92 или 93 може да бъде направена така, че да отразява състоянието на ос новната клетка 50.
Индикаторните клетки 92 и 93 имат анодни и катодни слоеве, които не се препокриват, както е показано съответно на фиг. 6 и 7. Това са предпочитаните изпълнения. Но възможни са и изпълнения на индикаторните клетки 92 и 93, при които катодните и анодните слоеве се препокриват и по този начин индикаторът има ефекта “показател на разхода, описан по-горе. Ако се използва такава слоеста конфигурация, желателно е да се увеличи съпротивлението на катодния слой и да се следи електролитният слой да има достатъчна дебелина между анодния и катодния слой, така че да не се получи късо съединение в индикаторната клетка.
За предпочитане е активният аноден слой 76 на индикаторните клетки 92 и 93 да е от цинк, който може да бъде парно или електрохимично отложен върху прозрачен субстрат, например подложката 75. Ако е галванично отложен, подложката 75 е прозрачен проводников субстрат, за предпочитане полиестерен слой с покритие от индиево-калаен оксид. Съставът на галваничната вана и методът на наслояване, които могат да бъдат използвани, е описан по-горе и като цяло се използва за приготвяне на активния аноден слой 76. Обикновено дебелината на активния аноден слой 76 е между 0,03 и 0,04 μ, а дебелината на подложката 75 е около 0,025 mm.
Катодният слой 74 на индикаторите 92 и 93 или катодният слой 14 на индикаторите 10 и 60 могат да съдържат който и да е от познатите активни катодни материали. За предпочитане е катодните слоеве 74 и 14 да съдържат активен катоден материал, който дава напрежение при отворена верига при индикаторите, което е по същество подобно на напрежението на празен ход на основната клетка 50 по време на полезния й живот. Желателно е катодният слой 74 на индикаторите 92 и 93 или катодният слой 14 на индикатора 10 и 60 да съдържа активни катодни вещества, които за тези индикатори дават напрежение при отворена верига между 80% и 120% от напрежението при отворена верига на основната клетка 50 по време на полезния й живот. Ако напрежението на индикатора е много ниско по отношение на напрежението на батерията, индикаторът няма да започне навреме да се разрежда по време на работа на батерията. Ако напрежението на индикатора е много високо по отношение на напрежението на батерията, могат да възникнат корозионни проблеми, тъй като батерията ще се стреми да разрежда индикатора, когато той самият се разрежда. Катодният слой 74 може да бъде направен като разтворимо покритие върху тънък лист на металния токов колектор 73. След това покритието се изсушава, за да се изпари разтворителят, след което остава тънък сух слой, съдържащ манганов диоксид. Предпочитаният катоден слой 74 може да бъде приготвен като смес, съдържаща: а) активен катоден материал, б) проводников елемент, в) свързващо вещество и г) разтворител. За предпочитане е активният катоден материал да съдържа СоО2, NiO2, λ МпО2 или техни смеси. (Тези смеси могат да бъдат получени чрез химическо или електрохимическо проникване съответно на LiCoO2, LiNiO2, или LiMn204). Подходящо е активният катоден материал да съдържа СоО2, NiO2 или λ МпО2 (или техни смеси), поотделно или в смес с втори активен материал, избран от LiNiO2, LiCoO2 или LiMn204 (или техни смеси). Те са предпочитани пред катодните материали, съдържащи монтморилонит, защото са по-съвместими с предпочитаните електролитни слоеве, описани тук, и защото те могат да доведат до по-тънки индикатори. Типични примери на подходящи активни катодни материали, съдържащи посочените компоненти, са (в тегловни части): 1) СоО2, NiO2 или λ МпО2, или техни смеси (100 т.%), 2) Со02, NiO2 или λ МпО2 или техни смеси (100 части) и LiMn204 (10 към 50 части), 3) СоО2, NiO2 или λ МпО2 или техни смеси (100 части) и LiCoO2 (10 към 50 части) и 4) СоО2, NiO2 или λ МпО2 или техни смеси (100 части) и LiNiO2 (10 към 50 части). За предпочитане е проводниковият елемент да бъде смес от въглероден прах (ацетиленови сажди) и графит. Свързващото вещество може да бъде избрано сред полимерните споители като полиакрилнитрил, полиетилен терефталат, полибутилен терефталат, поливинилиден флуорид (хомополимер и съполимер) и поливинил флуорид. Разтворителят може да бъде избран сред: N-метил пиролидинон, пиролидон, диметил формамид (DMF), ацетон, ацетонитрил, тетрахидрофуран, метилетилкетон (МЕК), тетраметил карбамид, диметил сулфоксид и триметил фосфат.
За предпочитане е активният катоден слой 74 или 14 да бъде приготвен чрез смесване на която и да е от посочените по-горе активни катодни съставки с проводящ агент (въглеродни сажди или графит) във вид на прах. Желателно е проводящият агент да бъде от 2 5 до 50 тегл.% от получената смес. След това свързващият агент (веществата, които могат да се използват, са изброени по-горе) се разтваря в съотношение 1 част свързващ агент към 10 части разтворител, за да се получи раз- 10 твор на свързващия агент. След това сместа във вид на прах се смесва с разтворения свързващ агент обикновено при температурата на околната среда в електрически смесител до получаването на хомогенна смес (оцветител). 15 Съгласно изобретението оцветяващата смес може директно да се нанесе върху подложка 73, за предпочитане катоден колектор от лист от неръждаема стомана или алуминий с дебелина от около 0,008 до 0,025 mm. Когато количест- 20 вото проводящ агент надвиши 10 т. % в сместа проводящ агент и активен катоден материал, листът неръждаема стомана или алуминий може да бъде заменен с непроводящ полимерен слой като подложка 73 на индикатора 92 или 25 93. Такъв непроводящ полимерен слой може да бъде например полиестер (MYLAR), полиетилен, полипропилен или флуорополимери с дебелина обикновено 0,025 mm. Оцветяващата смес може да бъде положена върху подложка- 30 та 73 обикновено при околна температура, като се използват традиционни методи, например чрез намазване или чрез напръскване. След това подложката 73 се изсушава чрез конвекция на въздуха при температура между 25° и 35 300°С до изпаряване на разтворителя. Полученото сухо покритие има дебелина от около 0,008 до 0,08 mm и оформя активния катоден слой 74 за индикатора 92 и 93 или активния катоден слой 14 за индикатора 60. Описаното по- 40 горе катодно покритие, при което количеството проводящ агент в сместа от проводящ агент и активен катоден материал надвишава 10 т. %, се използва за катодния слой 14 от фиг. 5А.
(Което и да е катодно покритие, както описано- 45 то по-горе, може да се използва за катодния слой 14 в индикаторната клетка 10 от фиг. 1 В).
Слоят електролит 12 на индикаторната клетка 10 или 60 или слоят електролит 77 за индикатора 92 или 93 е желателно да има про- 50 водимост поне 1 χ 10 7 Ω'1 cm1, за предпочитане 1 х 104 и 1 х 103 Ω 1 cm 1 и дори по-висока.
Дебелината може да бъде между 0,05 и 0,25 mm. Предпочитан слой електролит за слоевете 12 или 77 е електролитен филм, съставен от основно вещество порьозен полимерен филм, съдържащ електролитен разтвор на йоногенна сол в органичен разтворител. Желателно е йоногенните соли да имат висока разтворимост в органичните разтворители и електролитният разтвор да има висока точка на кипене, така че да не се изпарява по време на приготвяне или действие на индикаторната клетка. Всяка сол, която е подходяща за електрохимичните клетки, би била подходяща за индикаторната клетка. Без да се счита като ограничение, това биха могли да бъдат например такива соли, които включват LiCF3SO3, LiClO4, Zn(CF3SO3)2, Zn(C104), LiN(CF3SO2)2 и техни комбинации. Желателно е органичните разтворители да повишават електрическата проводимост на електролита, но основно трябва да бъдат разтворители на йоногенните соли и да позволяват на електролита като цяло да остане течност при температурата на околната среда и при температура до около -20°С.
Органичните разтворители трябва да остават в течно състояние по време на функциониране на индикаторната клетка, обикновено между -20°С и 54°С. Един предпочитан органичен разтворител е съставен от етилен карбонат или пропилея карбонат или по-добре смес от тях. Етилен карбонатът чувствително подобрява електрическата проводимост на електролита, докато добавянето на пропилея карбонат осигурява запазването на електролита в течно състояние при температурата на околната среда и при по-ниска температура до -20°С.
За предпочитане е основното порьозно полимерно свързващо вещество да абсорбира електролита, при което се получава електролит от полимерен тип. Този тип свързващо вещество се предпочита, за да се сведе до минимум или даже да се предотвратят утечки на електролит по време на съхранение или работно функциониране на основната клетка. Желателно е порьозното полимерно свързващо вещество да има голям свободен обем спрямо общия обем, като свободният обем да съставлява поне 50%. Полимерното свързващо вещество има мрежа от микроскопични пори, където се задържа течният електролит. Предпочитано полимерно свързващо вещест12 во е микропорьозен слой от поливинилиден флуорид (PVDF) или полиакрилонитрил. Други подходящи вещества за микропорьозен слой са полиетилен, полипропилен, поликарбонат, полиетилен терефталат, поливинилиден хлорид (SARAN) и полиестер (MYLAR). Изборът на филма зависи от конфигурацията на индикаторната клетка и желаното ниво на електролитна проводимост. Описаният по-горе електролитен филм има по-добра проводимост спрямо електролитите, съдържащи монтморилонит (описани в другата цитирана заявка).
За приготвянето на електролитния слой най-напред се прави смес от около 2 тегловни части пропилен карбонат и 1 тегловна част етилен карбонат, за да се оформи йоноразтварящият пластификатор. Избраната от посочените по-горе вещества йоногенна сол, за предпочитане LiCF3SO3 (трифлуорметансулфоиат) след това се разтваря в органичен разтворител. Това обикновено може да се направи при температурата на околната среда чрез разбъркване на солта и органичния разтворител с механична или електрическа бъркалка, докато се получи хомогенен електролитен разтвор. Желателно е концентрацията на разтворените йони да бъде около 0,5 до 1,5 mol/ί. След това към електролитния разтвор се добавя поливинилиден флуорид (PVDF), за да се получи концентрация около 27% чрез теглото на PVDF. След това компонентите се смесват при температурата на околната среда чрез механична или електрическа бъркалка, докато се получи хомогенна смес, която се нагрява до около 150’С за около 10 min, при което сместа се превръща в прозрачен разтвор като слепваща консистенция. След това горещият разтвор се извлича чрез пресоване между две прегряти плочки от неръждаема стомана (150°С), като се използва двойка валяци. Полученият горещ екструдат се оставя да изстине до температурата на околната среда, при което поливинилиден-флуоридът се освобождава от разтвора, за да се оформи микропорьозен полимерен слой или свързващо вещество, съдържащо в порите електролитен разтвор в течна форма. Обикновено микропорите са във вид на отворена свързана клетъчна конструкция. Електролитният филм, включващ течен електролит, може да бъде разположен директно между катодния индикатор и анодния слой, така че да бъде в контакт с целите или поне с част от тези слоеве.
Могат да бъдат използвани и други композиции за електролитния и катодния слой. Например може да се направи твърд електролит, включващ цинков катион, съдържащ монтморилонит, чрез добавяне на около 250 части от воден разтвор на 1 мол ZnSO4 към 20 части монтоморилонит. Сместа се разбърква при нагряване до кипене, след което се оставя за 3-4 h в пещ при температура 60-70°С. След това избистрената течност се отлива и се добавя пресен разтвор на ZnSO4, както е описано по-горе. Сместа се разбърква, нагрява и третира, както е описано по-горе, като процесът се повтаря 3-4 пъти. След последното третиране с ZnSO4 полученият цинков монтморилонит се измива няколко пъти с дестилирана вода и се изсушава при температура 75-85°С.
Катодната смес върху твърдия електролит може да се приготви чрез смесване на 65 части манганов диоксид във вид на прах, 30% цинков монтморилонит във вид на прах, приготвен, както е описано по-горе, и 5% политетрафлуоретилен на прах. Гранули или таблетки от слой от твърд електролит и слой от катодна смес могат да бъдат приготвени по следния начин. В куха кръгла форма за отливки с плоско дъно и диаметър около 1,3 cm се поставя 200 mg цинков монтоморилонит. В кухината се поставя плътно прилепваща матрица с равнинна повърхност и механично се притиска към изравнената повърхност на електролитния слой. Матрицата се отстранява и 200 mg от катодната смес се полага върху електролитния слой. След това матрицата отново се поставя върху сместа и се притиска с налягане около 5000 psi. Получената електролитно/катодна таблетка или гранула е с дебелина около 1 mm и включва компресиран електролитен слой, в този случай слоя 12, и компресиран катоден слой - слоя 14.
Индикаторната клетка 92 или 93 трябва да бъде монтирана така, че междината 85 между анодния и катодния слой е възможно наймалка без индикаторната клетка да се дава накъсо. Обикновено междината 85 е между' 0,5 mm и 13 mm, като най-често е 1 mm. Така конфигурирана индикаторната клетка 92 или 93, съставена от описаните по-горе предпочитани реализации на аноден, катоден и електролитен слой, има напрежение по същество еднакво с напрежението на традиционните основни клетки, т.е. около 1,5 V, което ги прави иде ален индикатор за тях. Въпреки че индикаторните клетки 92 и 93 са описани в контекста на едно специфично изпълнение, което се присъединява и свързва паралелно с главна клетка 50, не може да се счита, че тези индикаторни клетки се ограничават само до това изпълнение. Например индикаторните клетки 92 и 93 могат да бъдат монтирани и предложени за продажба като отделни единици и да бъдат свързани впоследствие паралелно към клемите на основната клетка 50.
Описаните по-горе изпълнения служат само като илюстрация на изобретението. Специфичната конфигурация на индикаторната клетка за състоянието зависи от размера и волтажа на свързаната основна клетка. В обхвата на изобретението са възможни и други реализации за закрепване на индикаторната клетка към основната клетка. В обхвата на изобретението за индикаторната клетка могат да се използват и други аноди, катоди и електролити, различни от разкритите в настоящото описание.

Claims (26)

1. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му, като захранващият източник е с положителен и отрицателен извод, към които е свързан индикаторът, включващ дисплей за визуализиране степента на годност на захранващия източник, характеризиращ се с това, че индикаторът на състоянието е изпълнен като електрохимична клетка (12, 14, 20) и е свързан паралелно на захранващия източник (50), като напрежението на празен ход на електрохимичната клетка (12, 14, 20) е по същество съизмеримо с напрежението на празен ход на контролирания захранващ източник (50).
2. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че захранващият източник (50) включва контейнер (56), а електрохимичната клетка (12, 14, 20) има дебелина, по-малка от 2,5 mm, и е прикрепена към външната повърхност на контейнера (56).
3. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че захранващият източник (50) е електрохимична клетка.
4. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че последователно на захранващия източник (50) и електрохимичната клетка (12, 14, 20) е свързан поне един съпротивителен елемент.
5. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че електрохимичната клетка (12, 14, 20) има напрежение при отворена верига между около 80 и 120% от напрежението при отворена верига на захранващия източник (50).
6. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че електрохимичната клетка (12, 14, 20) на индикатора (60) има импеданс поне 100 пъти поголям от импеданса на електрохимичната клетка на захранващия източник (50).
7. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че индикаторът (60) включва дисплей (40), който има видим електрохимично изчерпващ се слой.
8. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че дисплеят (40) включва активен катоден слой (14), електрически свързан с положителния извод (57), активен аноден слой (20), електрически свързан с отрицателния извод (54), и електролитен слой (12), разположен между поне част от катодния (14) и анодния (20) слой, при което поне един от слоевете (14, 20) се променя видимо по време на разреждане на електрохимичната клетка, за да се индицира състоянието на захранващия източник (50).
9. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че индикаторът за състоянието (60) съдържа и защитен слой, който изолира електрически поне един от активните аноден (20) и катоден (14) слоеве от външната повърхност на контейнера (56).
10. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че всяка част от индикатора (60) по същество съответства на формата на съседната част на външната повърхност на контейнера (56).
11. Електрохимичен захранващ източ14 ник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че дисплеят (40) е разположен надлъжно на част от външната повърхност на контейнера (56) и съдържа и обвивка с надпис (52) около външната повърхност на контейнера (56), при което една прозрачна част от обвивката покрива дисплея (40), и дисплеят съдържа цветен или индикаторен слой, който се открива, когато активният катоден (14) или активният аноден (20) слой е изчерпан електрохимично по време на разреждане на електрохимичната клетка (12, 14, 20).
12. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че активният катоден слой (14) включва съединение, избрано от групата, състояща се от СоО2, NiO2 и λ МпО2, активният аноден слой съдържа цинк, а електролитният слой има проводимост поне 1 х 10 7 Ω 1 cm1.
13. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 12, характеризиращ се с това, че електролитният слой съдържа порьозно полимерно свързващо вещество, задържащо течен електролитен разтвор като порьозното полимерно свързващо вещество е избрано от групата, състояща се от поливинилиден флуорид, полиакрилонитрил, полиетилен, полипропилен, поликарбонат, полиетилен терефталат, поливинилиден хлорид и полиестер, а течният електролитен разтвор съдържа йоногенна сол, разтворена в органичен разтворител, като йоногенната сол е избрана от групата, съдържаща LiCF3SO3, LiClOv Zn(CF3SO3)2, Zn(C104)2, LiN(CF3SO2)2, а органичният разтворител е избран от групата, съдържаща етилен карбонат и пропилея карбонат или техни смеси.
14. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че поне единият от катодния (14) и електролитния (12) слой съдържа монтморилонит.
15. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че клетката съдържа активен аноден слой (20), активен катоден слой (14) и електролитен слой (12), като електролитният слой (12) свързва поне част от активните аноден (20) и катоден слой (14), които са странично отделени един от друг.
16. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 15, характеризиращ се с това, че никаква част от активния аноден слой (20) не препокрива каквато и да е част от активния катоден слой (14).
17. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 16, характеризиращ се с това, че една и съща страна на електролитния слой (12) е в контакт с поне част от активния аноден (20) и активния катоден (14) слой.
18. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 16, характеризиращ се с това, че анодният (20) и катодният (14) слой са от различни страни на електролитния слой (12).
19. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 16, характеризиращ се с това, че анодният (20) и катодният (14) слой са електрически изолирани от съседните части от външната повърхност (56) на електрохимичната клетка.
20. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 8, характеризиращ се с това, че анодният слой (20) има дебелина, нарастваща от едната крайна част към противоположната част.
21. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че съдържа влагозащитен слой (98), който покрива индикатора (60) и има степен на пропускливост на водни пари, по-малка от 0,02 gm Н20 х mm/(m2 х 24 h) и дебелина, по-малка от 0,13 mm, при която индикаторът (60) е видим през влагозащитния слой (98).
22. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 21, характеризиращ се с това, че влагозащитният слой (98) включва свързващо вещество, полагано между периферна част на влагозащитния слой (98) и външната повърхност на контейнера (56), при което е обхванат и индикаторът (60).
23. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 21, характеризиращ се с това, че влагозащитният слой (98) е избран от групата, гч-.
състояща се от слюда полипараксилилен или полимерен слой със стъклено покритие.
24. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 21, характеризиращ се с това, че вла- 5 гозащитният слой (98) съдържа слюда.
25. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно претенция 22, характеризиращ се с това, че адхезионният слой съдържа стопилково слепващо 10 вещество, избрано от групата, състояща се от полиетилен, полипропилен, полибутен и полихексен или техни съполимери.
26. Електрохимичен захранващ източник с индикатор за състоянието му съгласно пре- 15 тенция 22, характеризиращ се с това, че адхезионният слой съдържа свързващо вещество на каучукова основа, избрано от групата, състояща се от бутил, полихлоропрен, нитрил, полиизопрен, полиизобутилен, полисулфид, стиренбутадиен, стирен-изопрен-стирен блокови съполимери и акрилонитрил-стирен-бутадиен блокови съполимери.
BG98676A 1991-09-24 1994-03-22 Electrochemical feed source with a state indicator BG61487B1 (en)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/764,610 US5250905A (en) 1991-09-24 1991-09-24 Battery with electrochemical tester
US07/914,900 US5396177A (en) 1991-09-24 1992-07-22 Battery with electrochemical tester
US07/914,944 US5339024A (en) 1991-09-24 1992-07-22 Battery with electrochemical tester
US07/914,943 US5355089A (en) 1992-07-22 1992-07-22 Moisture barrier for battery with electrochemical tester
PCT/US1992/007757 WO1993006474A1 (en) 1991-09-24 1992-09-11 Battery with electrochemical tester

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BG98676A BG98676A (bg) 1995-01-31
BG61487B1 true BG61487B1 (en) 1997-09-30

Family

ID=27505699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG98676A BG61487B1 (en) 1991-09-24 1994-03-22 Electrochemical feed source with a state indicator

Country Status (22)

Country Link
EP (1) EP0605599B1 (bg)
JP (1) JPH06511106A (bg)
KR (1) KR100249116B1 (bg)
AT (1) ATE169115T1 (bg)
AU (1) AU659683B2 (bg)
BG (1) BG61487B1 (bg)
BR (1) BR9206367A (bg)
CA (1) CA2119577C (bg)
CZ (1) CZ60594A3 (bg)
DE (1) DE69226439T2 (bg)
DK (1) DK0605599T3 (bg)
ES (1) ES2118829T3 (bg)
FI (1) FI941352A (bg)
HU (1) HUT68043A (bg)
IL (1) IL102794A (bg)
MY (1) MY109290A (bg)
NO (1) NO940871D0 (bg)
NZ (1) NZ244326A (bg)
PT (1) PT100887A (bg)
RO (1) RO114046B1 (bg)
RU (1) RU2119702C1 (bg)
WO (1) WO1993006474A1 (bg)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9017668D0 (en) * 1990-08-11 1990-09-26 Kodak Ltd Batteries
US5737114A (en) * 1991-01-31 1998-04-07 Eveready Battery Company, Inc. Label having an incorporated electrochromic state-of-charge indicator for an electrochemical cell
CA2056139C (en) * 1991-01-31 2000-08-01 John C. Bailey Electrochromic thin film state-of-charge detector for on-the-cell application
US5672440A (en) * 1991-01-31 1997-09-30 Eveready Battery Company Cell tester device employing a cathodically depositable metal ion electrolyte solution
US5389458A (en) * 1993-05-03 1995-02-14 Eveready Battery Company, Inc. Battery with tester label and method for producing it
US5393618A (en) * 1993-05-03 1995-02-28 Eveready Battery Company, Inc. Battery with tester label and method for producing it
US5830596A (en) * 1993-05-03 1998-11-03 Morgan Adhesives, Inc. Method for producing battery tester label and resulting label and battery assembly
US5418086A (en) * 1993-08-09 1995-05-23 Eveready Battery Company, Inc. Battery with coulometric state of charge indicator
DE19818716A1 (de) * 1997-04-28 1998-10-29 Wisconsin Label Corp Elektrochemische Anzeigezelle mit fokussiertem Feld
US6243192B1 (en) 1997-04-28 2001-06-05 Timer Technologies, Llc Electrochemical display and timing mechanism with migrating electrolyte
US6156450A (en) * 1997-07-24 2000-12-05 Eveready Battery Company, Inc. Battery tester having printed electronic components
US6154263A (en) 1997-07-25 2000-11-28 Eveready Battery Company, Inc. Liquid crystal display and battery label including a liquid crystal display
US6285492B1 (en) 1998-07-02 2001-09-04 Timer Technologies, Llc Interactive electrochemical displays
US6483275B1 (en) * 1999-04-23 2002-11-19 The Board Of Trustees Of The Univesity Of Illinois Consumer battery having a built-in indicator
EP2071658A1 (de) * 2007-12-14 2009-06-17 Fortu Intellectual Property AG Elektrolyt für eine elektrochemische Batteriezelle
US20140302349A1 (en) * 2013-04-03 2014-10-09 The Gillette Company Electrochemical cell including an integrated circuit
US9793542B2 (en) * 2014-03-28 2017-10-17 Duracell U.S. Operations, Inc. Beta-delithiated layered nickel oxide electrochemically active cathode material and a battery including said material
CN105137298B (zh) * 2015-08-25 2017-10-27 国家电网公司 一种输电线路悬式绝缘子串外绝缘状态评估方法
US10608293B2 (en) * 2016-11-01 2020-03-31 Duracell U.S. Operations, Inc. Dual sided reusable battery indicator
US10151802B2 (en) 2016-11-01 2018-12-11 Duracell U.S. Operations, Inc. Reusable battery indicator with electrical lock and key
EP3621923B1 (en) 2017-05-09 2021-03-03 Duracell U.S. Operations, Inc. Battery including beta-delithiated layered nickel oxide electrochemically active cathode material
ES2882779T3 (es) 2018-01-18 2021-12-02 Carrier Corp Dispositivo electrocrómico para detector de seguridad

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2980754A (en) * 1959-03-23 1961-04-18 Union Carbide Corp Cell exhaustion indicator
US3431481A (en) * 1965-11-19 1969-03-04 Canadian Patents Dev Coulometer
US3514338A (en) * 1968-04-12 1970-05-26 Korneliske Shakour Electrical primary element
US3563805A (en) * 1969-02-20 1971-02-16 Union Carbide Corp Thin,flat primary cells and batteries
US3773563A (en) * 1972-02-22 1973-11-20 Carbone Corp Life indicator for primary carbon zinc batteries
FR2290047A1 (fr) * 1974-10-31 1976-05-28 Accumulateurs Fixes Pile electrique comportant un indicateur visuel de son etat de charge
FR2307380A1 (fr) * 1975-04-10 1976-11-05 Accumulateurs Fixes Indicateur de l'etat de decharge d'une pile electrique
US4052695A (en) * 1976-02-17 1977-10-04 Warner Electric Brake & Clutch Company Breakaway protection for electrically controlled trailer brakes
US4408194A (en) * 1981-02-02 1983-10-04 Continental Disc Corporation Capacitive pressure relief rupture disc monitor
US4497881A (en) * 1983-01-31 1985-02-05 Bertolino Renee Z Battery charge indicator
US4723656A (en) * 1987-06-04 1988-02-09 Duracell Inc. Battery package with battery condition indicator means
US5015544A (en) * 1989-02-08 1991-05-14 Strategic Energy Ltd. Battery with strength indicator
US5005410A (en) * 1989-12-20 1991-04-09 Kellogg Company High temperature humidity determining device and process
US5059895A (en) * 1990-04-04 1991-10-22 Eastman Kodak Company Battery voltmeter

Also Published As

Publication number Publication date
FI941352A0 (fi) 1994-03-23
HUT68043A (en) 1995-03-20
ATE169115T1 (de) 1998-08-15
DE69226439D1 (de) 1998-09-03
CA2119577A1 (en) 1993-04-01
RU2119702C1 (ru) 1998-09-27
FI941352A (fi) 1994-03-23
EP0605599A1 (en) 1994-07-13
ES2118829T3 (es) 1998-10-01
EP0605599B1 (en) 1998-07-29
KR100249116B1 (ko) 2000-04-01
CA2119577C (en) 2000-11-07
MY109290A (en) 1996-12-31
AU2675592A (en) 1993-04-27
IL102794A (en) 1995-06-29
IL102794A0 (en) 1993-01-31
RO114046B1 (ro) 1998-12-30
DE69226439T2 (de) 1998-12-10
AU659683B2 (en) 1995-05-25
CZ60594A3 (en) 1994-11-16
NO940871L (no) 1994-03-11
HU9400095D0 (en) 1994-06-28
NO940871D0 (no) 1994-03-11
PT100887A (pt) 1994-05-31
JPH06511106A (ja) 1994-12-08
EP0605599A4 (en) 1995-01-04
BG98676A (bg) 1995-01-31
NZ244326A (en) 1995-01-27
BR9206367A (pt) 1995-06-13
WO1993006474A1 (en) 1993-04-01
DK0605599T3 (da) 1999-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
BG61487B1 (en) Electrochemical feed source with a state indicator
US5339024A (en) Battery with electrochemical tester
US6358651B1 (en) Solid gel membrane separator in rechargeable electrochemical cells
CA2231106C (en) Condition tester for a battery
US7119126B2 (en) Polymer matrix material
RU2182712C2 (ru) Тестер состояния для батареи
EP0616381A1 (en) Lithium-based polymer electrolyte electrochemical cell
JP3623050B2 (ja) 高分子電解質および電気化学デバイス
US20020012848A1 (en) Electrochemical cell incorporating polymer matrix material
WO2003092094A2 (en) Polymer matrix material and electrochemical cell incorporating polymer matrix material
Sun et al. Performance characteristics of lithium-ion cells using in situ polymerized electrolytes
US20060019169A1 (en) Separators for electochemical devices having an Ionically conductive solid compound therein
JPS60225361A (ja) 電解液用電極材料
WO2004042853A1 (en) Separators for electrochemical devices having an ionically conductive solid compound therein
MXPA98001828A (en) Condition tester for a bate
JP2004207127A (ja) 鉛蓄電池