DD233691A1 - Galvanische zelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft galvanische Zellen, insbesondere Knopfzellen. Diese Zellen werden vorwiegend in mikroelektronische Geraete eingesetzt. Die Anwendungsgebiete verlangen Stromquellen mit hoher Energiedichte und konstanter Entladespannung. Knopfzellen, die ueber diese Eigenschaften verfuegen, wie Silberoxid-Zink- und Quecksilberoxid-Zink-Zellen sind aufgrund des Katodenmaterials entweder sehr kostenaufwendig oder umweltgefaehrdend. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Zelle, die kostenguenstig hergestellt werden kann und die Forderungen nach hoher Energiedichte und konstanter Entladespannung erfuellt. Die Voraussetzung ist bei Metalloxiden mit besonderen strukturellen Eigenschaften wie z. B. Braunsteinen der a Modifikationen mit neutralen oder sauren Elektrolyten gegeben. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, durch Verwendung eines Materials, das im neutralen und sauren Medium gegenueber der elektrochemisch aktiven Katodenkomponente resistent ist und zugleich elektronenleitend ist und zur Herstellung oder Beschichtung des Zellengehaeuses dient, eine Zelle zu schaffen, die ohne zusaetzlichen konstruktiven Aufwand fuer elektrochemische System mit neutralen oder sauren Elektrolyten geeignet ist. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine galvanische Zelle, insbesondere eine Knopfzelle, bestehend aus den elektrochemisch aktiven Komponenten, einem neutralen oder sauren Elektrolyten, einem Elektrolytträger, einem Separator, einem becherförmigen metallischen Gehäuse, das ganz oder auf der Innenseite aus einem im neutralen und sauren Elektrolyten gegenüber dem elektrochemisch aktiven Katodenmaterial chemisch resistenten und elektronenleitenden Material besteht und einem metallischen Deckel, der mit dem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial eine konstruktive Einheit bildet. Kleine galvanische Zellen, aufgrund ihrer Form und geometrischen Abmessungen im allgemeinen als Knopfzellen bezeichnet, werden vorwiegend in Geräten der Mikroelektronik eingesetzt. Dieses Anwendungsgebiet erfordert als Stromquellen galvanische Zellen mit hoher Energiedichte und weitgehend konstanter Entladespannung, die konstengünstig gefertigt werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Forderung nach einer galvanischen Zelle, die die genannten Eigenschaften, hohe Energiedichte bei weitgehend konstanter Entladespannung, aufweist und zugleich kostengünstig hergestellt werden kann, wird von den bekannten Knopfzellen nicht

erfüllt. ,

Silberoxid-Zink-Zellen zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte und konstante Entladespannung aus, erfordern jedoch ein sehr teures Anodenmaterial.

Quecksilberoxid-Zink-Zellen mit Eigenschaften, die den Silberoxid-Zink-Zellen entsprechen, sind wegen der Umweltgefährdung nicht geeignet. Alkalische Braunstein-Zink-Zellen haben niedrige Materialkosten, sind jedoch durch eine fallende Entladespannung und damit verbunden durch eine geringe Energiedichte gekennzeichnet.

Während bei üblichen Braunsteinen und ähnlichen Oxiden, reaktionskinetisch bedingt, die Entladespannung im stark alkalischen Medium grundsätzlich nicht horizontal verläuft, ist bei Metalloxiden mit bestimmten strukturellen Eigenschaften im neutralen und sauren Elektrolyten eine konstante Entladespannung erreichbar. In den Begriff neutraler Elektrolyt ist dabei der schwach alkalische Bereich einbezogen.

Bei Braunsteinen sind strukturelle Eigenschaften der α Modifikation und ähnliche Strukturen Voraussetzung für eine horizontale Entladespannung. Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Patentschrift DD-WP 79338 beschrieben.

Der bei Knopfzellen mit alkalischen Elektrolyten angewendete übliche konstruktive Aufbau, der durch eine in einen vernickelten Stahlbecher eingepreßte Katode und eine in einen metallischen Deckel befindliche Anode aus Zinkpulver gekennzeichnet ist, kann bei elektrochemisch aktiven Komponenten mit neutralen oder sauren Elektrolyten aus Korrosionsgründen nicht angewendet werden.

In der US-Patentschrift 2812377 wird für Braunstein-Zink-Knopfzellen mit neutralem Elektrolyten eine Lösung vorgeschlagen.

Sie beruht auf einem Plastbehälter, der Braunstein-Katode, Separator, Elektrolyt und Zinkanode enthält, katodenseitig mit einer Leitfolie abgedichtet ist und in das becherförmige Metallgehäuse eingesetzt wird. Die vorgeschlagene Lösung weist erhebliche Nachteile auf, da durch den zusätzlichen konstruktiven Aufwand die Energiedichte der Zelle verringert wird und ihre Herstellungskosten durch die aufwendige Technologie verteuert werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer galvanischen Zelle, insbesondere einer Knopfzelle, die bei einfachem konstruktivem Aufwand den Einsatz elektrochemisch aktiver Komponenten in Verbindung mit neutralen oder sauren Elektrolyten ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Dervorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Zelle, insbesondere eine Knopfzelle zu schaffen, deren Gehäusematerial für die Verwendung von Katoden mit neutralem oder saurem Elektrolyten ohne zusätzlichen konstruktiven Aufwand geeignet ist und deren Deckel eine konstruktive Einheit zwischen Deckelmaterial und elektrochemisch aktivem Anodenmaterial bildet.

Der Grundgedanke der Erfindung ist die Verwendung eines Materialsfür das becherförmige metallische Gehäuse, das gegen das elektrochemisch aktive Katodenmaterial im neutralen und sauren Elektrolyten resistent und gleichzeitig elektronenleitend ist.

Es wurde gefunden, daß Titan solche Eigenschaften aufweist und aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften zum Ziehen der becherförmigen Gehäuse geeignet ist. Aus Kostengründen ist es zweckmäßig, ein becherförmiges Gehäuse aus üblichem Metall zu verwenden und dieses mit Titan mindestens auf der Innenseite des Bechers zu beschichten. Die Beschichtung kann durch Laminierung, physikalische Verfahren, wie zum Beispiel Vakuumbedampfung oder durch chemische Dampfabscheidungsverfahren erfolgen. Die physikalischen und chemischen Abscheidungsverfahren können dabei zur Beschichtung der becherförmigen Gehäuse oder zum Beschichten des Bandmaterials vor dem Ziehen der Gehäuse angewendet werden.

Eine weitere Lösung des Grundgedankens der Erfindung ist die Beschichtung des becherförmigen Gehäuses durch Titanverbindungen, insbesondere Titankarbid oder Titannitrid. Diese Verbindungen sind ebenfalls chemisch resistent und ausreichend elektronenleitend. Die Aufbringung erfolgt zweckmäßigerweise durch chemische Dampfabscheidungsverfahren auf den bereits gezogenen Becher.

Eine Lösung des Problems besteht auch in der Erzeugung einer Kohlenstoffschicht unter Anwendung von Beschichtungsverfahren, die zu Schichten mit Grafitstruktur führen. Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht darin, daß der metallische Zellendeckel eine konstruktive Einheit zwischen dem äußeren und der elektrochemisch aktiven Anodenkomponente bildet.

Der Vorteil besteht in einer optimalen Volumenausnutzung zur Erreichung einer hohen Energiedichte der Zelle und einem einfachen technologischen Verfahren zu ihrer Herstellung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das aktive Anodenmaterial vor der Montage der Zelle mit dem Deckelmaterial verbunden wird, indem der Becher aus einem Verbundmaterial bestehend aus dem äußeren Deckelmaterial und dem elektrochemisch aktiven Anodenmaterial hergestellt wird.

Die Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß das chemisch aktive Anodenmaterial in schmelzflüssigem Zustand in den metallischen Zellendeckel dosiert wird.

Eine weitere Lösung besteht darin, daß der Zellendeckel ausschließlich aus dem elektromechanisch aktiven Anodenmaterial gefertigt wird, wobei dessen Wandstärke so gewählt wird, daß nach Entladung der Zelle eine mechanische Stabilität gewährleistet ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein für elektrochemisch aktive Komponenten mit neutralen oder sauren Elektrolyten geeignet ist, lassen sich besonders günstige Werte in bezug auf Energiedichte und Spannungskonstanz erreichen, wenn die katodische elektrochemisch aktive Komponente aus einem Braunstein mit strukturellen Eigenschaften die der α Modifikation entsprechen oder mit ähnlichen strukturellen Eigenschaften besteht und die anodische eletrochemisch aktive Komponente Zink

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1: die Ausführungsform einer vollständigen Knopfzelle

Figur 2: die Ausführungsform des Zellendeckels

Figur 3: die Entladekennlinie einer erfindungsgemäßen Braunstein-Zink-Knopfzelle im Vergleich zu einer herkömmlichen alkalischen Braunstein-Zink-Knopfzelle

Das Zellengehäuse 1 der in Figur 1 dargestellten Knopfzelle besteht aus einem Stahlbecher, dessen Innenseite mitTintan, Titankarbid oder Titannitrid beschichtet ist. Das Zellengehäuse 1 enthält die zu einer Tablette gepreßte Katode 2, den Elektrolytträger 3 und den Separator 4.

Die Katode 2 wird aus einer Mischung von 76 Teilen Braunstein mit strukturellen Merkmalen der α Modifikation und. 6 Teilen Leitmaterial in Form von Ruß und Grafit hergestellt. Der Elektrolyt mit den Bestandteilen Ammoniumchlorid, Zinkchlorid, Quecksilberchlorid und Wasser ist in der Katode 2 und im Elektrolytträger 3 gebunden.

Das Verhältnis Elektrolytmasse zur Trockenmasse der Katode beträgt 18 Teile zu 82 Teilen. Der Zellendeckel 5 besteht aus einem Verbundmaterial, dessen äußere Schicht Stahlblech und dessen innere Schicht Zink als anodische elektrochemisch aktive Zellkomponente bildet. Die Dicke der Zinkschicht ist zur Vermeidung einer Wasserstoffbildung durch Korrosion so dimensioniert, daß die Zinkmenge der doppelten Amperestundenkapazität der Katode entspricht. Zellengehäuse 1 und Zellendeckel 5 sind über eine Dichtung 6 verbunden. Die Zeile wird durch Bördeln des Gehäuserandes geschlossen.

In Figur 2 sind weitere Ausführungsformen des Zellendeckels dargestellt. Der Zellendeckel 7 besteht aus einer Kappe aus Stahlblech 8 in die die anodische elektrochemisch aktive Komponente 9, welche aus Zink besteht, in schmelzflüssiger Form eindosiert worden ist. Bei einer weiteren Ausführungsform bildet die Zinkanode zugleich den Zelldeckel 10. In Figur 3 ist die Entladekennlinie 11 einer den Ausführungsbeispielen entsprechenden Knopfzelle mit den geometrischen Maßen Zellendurchmesser 11,6mm und Zellenhöhe 5,4mm für eine Entladung über einen äußeren Widerstand von 10Kn dargestellt. Die Entladekennlinie 12 gilt für eine herkömmliche Knopfzelle zum Beispiel Braunstein-Zink-Knopfzelle mit alkalischen Elektrolyten.

Claims (12)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Galvanische Zelle, insbesondere Knopfzelle, mit katodischem und anodischem elektrochemisch aktivem Material, neutralem oder saurem Elektrolyten, Elektrolytträger, Separator, einem aus einem Metallbecher bestehendem Zellengehäuse zur Aufnahme des katodischen elektrochemischen aktiven Materials und einem Zellendeckel, der das anodische elektrochemisch aktive Material enthält, gekennzeichnet dadurch, daß das Zellengehäuse (1) aus einem gegenüber dem elektrochemisch aktiven Katodenmaterial im neutralen und sauren Elektrolyten resistenten, elektronenleitenden Material besteht.
2. 2. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Zellengehäuse (1) aus Titanblech besteht.
3. 3. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Zellengehäuse (1) aus einem Metallbecher aus Stahl oder einem anderen üblichen Material besteht, der mindestens auf der Innenseite mit einem gegenüber dem elektrochemisch aktiven Katodenmaterial resistenten, elektronenleitenden Material beschichtet ist.
4. 4. Galvanische Zelle nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschichtung aus Titan besteht.
5. 5. Galvanische Zelle nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschichtung aus einer Titanverbindung besteht.
6. 6. Galvanische Zelle nach Punkt 1,3 und 5,gekennzeichnet dadurch, daß die Titanverbindung Titankarbid oder Titannitrid ist.
7. 7. Galvanische Zelle nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Beschichtung aus Kohlenstoff mit Grafitstruktur besteht.
8. 8. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Zellendeckel (5) aus einem Verbundmaterial geformt ist, dessen äußere Schicht aus Stahlblech und dessen innere Schicht aus dem Metall besteht, das die anodische elektrochemische Komponente bildet.
9. 9. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Zellendeckel (7) aus einer Kappe aus Stahlblech besteht, in die die elektrochemisch aktive Anodenkomponente (9) in schmelzflüssiger Form dosiert wird.
10. 10. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die elektrochemische aktive Anodenkomponente den Zellendeckel (10) bildet.
11. 11. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die elektrochemisch aktive Katodenkomponente aus einem Braunstein mit strukturellen Eigenschaften der aModifikation oder mit ähnlichen strukturellen Eigenschaften besteht.
12. 12. Galvanische Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die elektrochemisch aktive Anodenkomponente (9) aus Zink besteht.

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