DE10015189C1 - Galvanic cell centrifuge method has cell rotated about its axis at sufficient speed for causing powdered zinc anode to form hollow cylinder between cathode and cell outer wall - Google Patents

Galvanic cell centrifuge method has cell rotated about its axis at sufficient speed for causing powdered zinc anode to form hollow cylinder between cathode and cell outer wall

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Abstract

The centrifuge method allows the contents of a cylindrical galvanic cell (1) with a powdered zinc anode and a gas cathode to be centrifuged by rotation about its axis, at a speed sufficient for causing the zinc powder to form a hollow cylinder between the cathode and the outer wall of the cell. A magnetic force can be used for holding the cell against a rotary cylinder (2), or a continuous rotary band, used for the high speed rotation of the cell. An independent claim for a centrifuge device for a cylindrical galvanic cell is also included.

Description

Die DE 195 13 343 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bleiakkumulators, bei dem alle festen Komponenten zunächst in den Batteriekasten eingebaut werden. Danach wird der Elektrolyt eingegeben und die Formation durchgeführt. Sodann erfolgt die Zugabe des Gelbildners und dessen unkritische Durchmischung mit dem Elektroly­ ten, die sowohl durch Rotation des Akkumulators (Anspruch 2) als auch auf andere Weise (Gasblasenbildung in Anspruch 4) erfolgen kann. Die Wirkung der Rotation er­ streckt sich hierbei nur auf die flüssige Komponente "Elektrolyt" und bewirkt keine sonstigen Verschiebungen aktiver Massen innerhalb des Gehäuses.DE 195 13 343 C1 describes a method for producing a lead accumulator, where all fixed components are first installed in the battery box. Then the electrolyte is added and the formation is carried out. Then takes place the addition of the gel former and its uncritical mixing with the electrolyte ten, both by rotation of the accumulator (claim 2) and on others Way (gas bubble formation in claim 4) can be done. The effect of the rotation he stretches only to the liquid component "electrolyte" and does nothing other displacements of active masses within the housing.

Marktgängige galvanische Primärzellen der heute üblichen Systeme sind fast aus­ schließlich in Metallgehäusen untergebracht. Die meisten Systeme verwenden Zink­ pulver als Anodenmaterial und Braunstein, Silberoxyd oder auch Luftsauerstoff als Ka­ thodenmaterial. Das gilt besonders für sogenannte Knopfzellen, die aus einem Becher bestehen, in den der Deckel mit einer Kunststoffdichtung isolierend eingesetzt ist. Durch Umbördelung des Bechers werden die zwei Gehäuseteile elektrolytdicht ver­ bunden. Becher und Deckei bilden aber auch gleichzeitig Pluspol und Minuspol der Zelle. Hierzu gehören die sogenannten Zink/Luftzellen, die über eine Becheröffnung den von der Kathode benötigten Luftsauerstoff einatmen, und die Gasentwicklungszel­ len nach DE-PS 35 32 335, die das entwickelte Wasserstoff- oder Sauerstoffgas über eine Becheröffnung an die Umgebung abgeben. Wasserstoffentwicklungszellen sind im inneren geometrischen Aufbau den Zink/Luftzellen gleich. Sie enthalten im allge­ meinen die elektrochemisch aktiven Massen alle oder teilweise als feinteilige Festkör­ per oder als pulverförmige Komponenten.Marketable galvanic primary cells of the systems common today are almost out finally housed in metal housings. Most systems use zinc powder as anode material and manganese dioxide, silver oxide or atmospheric oxygen as Ka Thode material. This is especially true for so-called button cells made from a cup exist, in which the lid is insulated with a plastic seal. By flanging the cup, the two housing parts are electrolyte-tight prevented. The cup and the cover egg also form the positive pole and the negative pole of the Cell. These include the so-called zinc / air cells, which have a cup opening inhale the atmospheric oxygen required by the cathode, and the gas evolution cell len according to DE-PS 35 32 335, which the developed hydrogen or oxygen gas give a cup opening to the environment. Are hydrogen development cells the zinc / air cells have the same geometric structure. They generally contain mean all or some of the electrochemically active materials as finely divided solids by or as powdered components.

Bei der Herstellung dieser Zellen wird das als negative Elektrode wirkende Zink meist als Pulver zusammen mit dem Elektrolyten, oft als sogenanntes Zinkgel, in das Deckel­ teil eingefüllt, das meist schon mit der isolierenden Dichtung versehen ist. Das positive Elektrodenmaterial ist meist ein Metalloxidpulver, das gegebenenfalls mit Graphit oder einem anderem Leitmittel vermischt und zu Tabletten oder Granulat ausgeformt ist. Dieses Material wird in den Zellbecher eingelegt, eventuell direkt eingepresst. Zwi­ schen Anoden- und Kathodenmaterial wird ein Separator eingelegt, der auch einen Teil der erforderlichen Elektrolytlösung, meist 6 bis 7 molare Kalilauge, aufnimmt. Da­ mit das Zinkpulver nicht aus dem Deckel herausfällt, muss dieser während des Ferti­ gungsablaufs mit der Öffnung nach oben positioniert sein. Zum Zusammenfügen der Zellteile wird der Becher über den Deckel gestülpt und in ein Schließwerkzeug einge­ legt. In diesem wird die Zelle durch Umbördelung des Becherrandes verschlossen.Zinc, which acts as a negative electrode, is usually used in the manufacture of these cells as a powder together with the electrolyte, often as a so-called zinc gel, in the lid filled part, which is usually already provided with the insulating seal. The positive Electrode material is usually a metal oxide powder, optionally with graphite or is mixed with another conductive agent and shaped into tablets or granules. This material is placed in the cell cup, possibly pressed in directly. Zwi anode and cathode material, a separator is inserted, which also Part of the required electrolyte solution, usually 6 to 7 molar potassium hydroxide solution. because with the zinc powder does not fall out of the lid, this must be done during production be positioned with the opening upwards. To join the  The cup is put over the lid and inserted into a closing tool sets. In this, the cell is closed by flanging the rim of the cup.

Durch diese Art der Herstellung ist nicht immer gewährleistet, dass die einzelnen Kör­ ner der Zinkelektrode untereinander und mit dem Deckel elektronischen Kontakt haben und gleichzeitig am Separator gut und gleichmäßig anliegen. Dadurch kommt es zu willkürlichen Schwankungen des Innenwiderstandes der Zellen. Es wurde schon vor­ geschlagen, die Zellen in einer Zentrifuge chargenweise so zu schleudern, dass das Zinkpulver durch die Wirkung der auf den Becherboden gerichteten Zentrifugalkraft auf den Separator und die positive Elektrode aufgedrückt wird. Diese Verfahrensweise un­ terbricht den Fertigungsfluss der Zellen, der aus einer Aufeinanderfolge von einzelnen Fertigungsschritten an jeder Zelle besteht.This type of production does not always guarantee that the individual bodies ner of the zinc electrode with each other and with the lid have electronic contact and at the same time fit the separator well and evenly. This is what happens arbitrary fluctuations in the internal resistance of the cells. It was before beaten to spin the cells in a centrifuge in batches so that the Zinc powder due to the action of centrifugal force on the bottom of the cup the separator and the positive electrode is pressed on. This procedure un interrupts the manufacturing flow of the cells, which consists of a succession of individual There are manufacturing steps on each cell.

Deshalb entstand die Aufgabe, in einem in­ tegrierbaren Fertigungsschritt die einzelnen Zellen so zu behandeln, dass die räumli­ che Aufteilung des Zinks und des Elektrolyten auf den Zwischenraum zwischen dem Deckel als Ableiter und dem Separator in jeder Zelle reproduziert wird und ein gleich­ mäßig niedriger Innenwiderstand eingestellt wird.That is why the task arose in one in tegrable manufacturing step to treat the individual cells so that the spatial division of the zinc and the electrolyte into the space between the Lid as the arrester and the separator is reproduced in each cell and the same moderately low internal resistance is set.

Es wurde gefunden, dass die Rotati­ on der zylinderförmigen Zelle um die Zellachse diesen gewünschten Zustand einstellt, wenn eine hinreichende Drehzahl erreicht wird. Es zeigte sich, dass für eine Zelle mit 11,5 mm Außendurchmesser 500 min-1 keine ausreichende Drehzahl ist, dass jedoch oberhalb von 3000 min-1 bereits eine gleichmäßigere Anordnung der Zinkkörner er­ kennbar ist. Bei 10000 min-1 Rotationsgeschwindigkeit ordnet sich das Zinkpulver hohlzylinderförmig an.It has been found that the rotation of the cylindrical cell around the cell axis sets this desired state when a sufficient speed is reached. It was shown that a speed of 500 min -1 is not sufficient for a cell with an outer diameter of 11.5 mm, but that a more uniform arrangement of the zinc grains can be seen above 3000 min -1 . At 10,000 min -1 rotary speed, the zinc powder arranges a hollow cylinder.

Es wäre für eine wirtschaftliche Fertigung vermutlich zu teuer, wenn man jede einzelne Zelle in die Spannvorrichtung einer Drehbank oder Bohrmaschine einspannen und mit einer hinreichend großen Drehzahl schleudern würde. Deshalb sind die erfindungsge­ mäßen Arbeitsverfahren und Vorrichtungen für die Realisierung der Erfindung beson­ ders wichtig. Sie sollen beispielhaft im folgenden erläutert werden.It would probably be too expensive for an economic production if you looked at each one individually Clamp the cell in the clamping device of a lathe or drilling machine and use would spin at a sufficiently high speed. Therefore, the fiction According working methods and devices for realizing the invention important. They are to be explained by way of example below.

Zum Zentrifugieren von galvanischen Zelten mit zylindrischen Gehäusen werden die Zellen räumlich fixiert und durch Reibung der Gehäuse an einem sich bewegendem Band oder Zylindermantel als Antriebsfläche in Rotation um die eigene Achse versetzt. Es hat sich bewährt, die Zellen mit Hilfe eines Magnetfeldes am Ort zu halten und an die rotierende Zylinderfläche innen oder außen anzudrücken. Figur zeigt diese Arbeits­ weise. Der Zylinder 2 mit reibender Innenfläche rotiert - durch die Stütz- und/oder An­ triebszylinder 3 räumlich fixiert - in Pfeilrichtung. Im Zuführungstunnel 4 werden senk­ recht zur Zeichenfläche die Zellen zugeführt. Der Topfmagnet 5 zieht die Zelle 1 gegen das Band, so dass sie durch die Reibung der sich drehenden Innenfläche mitgenom­ men und in schnelle Rotation um die eigene Achse versetzt wird.For centrifuging galvanic tents with cylindrical housings, the cells are fixed in space and rotated around their own axis by friction of the housings on a moving belt or cylinder jacket as the drive surface. It has proven useful to hold the cells in place with the help of a magnetic field and to press them against the rotating cylinder surface inside or outside. Figure shows this way of working. The cylinder 2 with a rubbing inner surface rotates - spatially fixed by the support and / or drive cylinders 3 - in the direction of the arrow. In the feed tunnel 4 , the cells are fed perpendicular to the drawing area. The pot magnet 5 pulls the cell 1 against the belt, so that it is entrained by the friction of the rotating inner surface and is set in rapid rotation about its own axis.

Statt an einen rotierenden Zylinder kann die Zelle mit Hilfe eines Magnetfeldes auch an ein umlaufendes geschlossenes Band angedrückt werden. Sie dreht sich dann so schnell um die eigene Achse, dass das Produkt aus Zellumfang und Rotationsge­ schwindigkeit gleich der linearen Bandgeschwindigkeit ist. Diese Arbeitsweise ist in Fig. 2 beschrieben. Das Mitnehmerband 6 läuft zwischen den Walzen 21 und 22 ge­ spannt und versetzt die Zelle 1 in Rotation. Das erreicht man mit Hilfe des Topfmagne­ ten 5, der die im Tunnel 4 zu- und abgeführten Zellen gegen das Band zieht. Das Band muss eine Oberfläche mit hinreichend großer Reibung zur Zelle weisen, was man auch durch eine gewellte, gekeilte oder geriffelte Struktur erreichen kann.Instead of a rotating cylinder, the cell can also be pressed against an encircling closed belt with the help of a magnetic field. It then rotates around its own axis so quickly that the product of cell size and rotational speed is equal to the linear belt speed. This procedure is described in Fig. 2. The driving belt 6 runs between the rollers 21 and 22 ge and sets the cell 1 in rotation. This is achieved with the help of the Topfmagne ten 5 , which pulls the cells in and out of the tunnel 4 against the belt. The tape must have a surface with sufficient friction against the cell, which can also be achieved with a corrugated, wedge or corrugated structure.

Besonders einfach wird die Vorrichtung, wenn die Zellen mit Hilfe eines umlaufenden geschlossenes Bandes an einen sich gegenläufig drehenden Zylinder oder an ein sich gegenläufig bewegendes Band angedrückt und zur Eigenrotation angetrieben werden. Fig. 3 veranschaulicht diese Verfahren. Zwischen den Walzen 21 und 22 ist das Band 61 gespannt, zwischen den Walzen 23 und 24 das Band 62. Beide Bänder bewegen sich so, dass sie die Zellen in gleichsinnige Bewegung versetzen, wenn diese in den Spalt zwischen den Bändern kommen. Der Abstand der Bänder hat fast den Durch­ messer der Zellen, die damit im Spalt unter einer kleinen mechanischen Spannung stehen. Bei gleicher Bandgeschwindigkeit würde die Zellen im Spalt ortsfest rotieren.The device becomes particularly simple when the cells are pressed against a cylinder rotating in opposite directions or against a belt moving in opposite directions with the aid of a rotating closed belt and are driven to self-rotate. Figure 3 illustrates these methods. The belt 61 is stretched between the rollers 21 and 22 , the belt 62 between the rollers 23 and 24 . Both bands move in such a way that they move the cells in the same direction when they come into the gap between the bands. The distance between the strips is almost the same as the diameter of the cells, which are thus under a small mechanical tension in the gap. At the same belt speed, the cells in the gap would rotate stationary.

Man kann in diesem Fall die beiden gegenläufig sich bewegenden Bänder (bzw. ge­ genläufig sich bewegendes Band und Zylinder) mit unterschiedlichen Geschwindigkei­ ten laufen lassen und dadurch die um die eigene Achse rotierenden Zellen in der Be­ wegungsrichtung des schneller laufenden Bandes oder Zylinders translatorisch mitfüh­ ren. Durch diese Art der Bewegung wird gleichzeitig die Oberfläche des Zellmantels poliert.In this case, the two oppositely moving bands (or ge moving belt and cylinder) with different speeds and the cells rotating around their own axis in the container Take the direction of movement of the faster running belt or cylinder translationally Ren. This type of movement simultaneously becomes the surface of the cell jacket polished.

Es genügt, dass man die Zellen 2 s lang räumlich fixiert und durch Reibung des Ge­ häuses an dem sich bewegendem Band oder Zylindermantel als Antriebsfläche mit mehr als 3000 min-1, vorzugsweise 10000 min-1, in Rotation um die eigene Achse ver­ setzt. Dann werden sie aus der fixen Position durch nachfolgende Zellen verdrängt. Das geschieht am einfachsten dadurch, dass man die Zellen in die Drehposition und aus dieser heraus in Richtung der Zellachse bewegt. So lässt sich der erfindungsge­ mäße Vorgang einfach in eine Fertigungslinie der Zelle integrieren. Das gleiche gilt für die translatorische Bewegung der rotierenden Zellen zwischen zwei gegenläufig mit ungleicher Geschwindigkeit bewegter Bänder. Bei diesem Verfahren sind stets eine gewisse, vorbestimmte Anzahl von Zellen in der Zentrifuge, die sie nacheinander in Bewegungsrichtung senkrecht zur Achse durchlaufen.It is sufficient that the cells are spatially fixed for 2 s and, by rubbing the housing against the moving belt or cylinder jacket, as a drive surface with more than 3000 min -1 , preferably 10000 min -1 , is set in rotation about its own axis. Then they are displaced from the fixed position by subsequent cells. The easiest way to do this is to move the cells into and out of the rotational position in the direction of the cell axis. The process according to the invention can thus be easily integrated into a production line of the cell. The same applies to the translatory movement of the rotating cells between two belts moving in opposite directions at different speeds. In this method there is always a certain, predetermined number of cells in the centrifuge, which they pass through one after the other in the direction of movement perpendicular to the axis.

Claims (9)

1. Verfahren zum Zentrifugieren von galvanischen Zellen mit zylindrischen Gehäusen, insbesondere von Primärzellen mit pulverförmigen Zinkanoden und Gaskathoden des Zink/Luftsystems und von Gasentwicklungszellen, das auch einfach in einen kontinu­ ierlichen Fertigungsablauf integriert werden kann dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle so schnell in Rotation um die eigene Achse versetzt wird, dass sich das Zinkpulver als Hohlzylinder zwischen Kathode und Deckelwand, dem negativem Ableiter, anordnet.1. A method for centrifuging galvanic cells with cylindrical housings, in particular primary cells with powdered zinc anodes and gas cathodes of the zinc / air system and gas development cells, which can also be easily integrated into a continuous production process, characterized in that each cell rotates so quickly its own axis is offset so that the zinc powder is arranged as a hollow cylinder between the cathode and the cover wall, the negative conductor. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich fi­ xierte Zelle durch Reibung des Gehäuses an einem sich bewegendem Band oder Zy­ lindermantel als Antriebsfläche in Rotation um die eigene Achse versetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the spatially fi xiert cell by friction of the housing on a moving belt or Zy lindermantel is set as a drive surface in rotation around its own axis. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle mit Hilfe eines Magnetfeldes am Ort gehalten und an die rotierende Zylinderfläche in­ nen oder außen angedrückt wird. 3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the cell held in place with the help of a magnetic field and attached to the rotating cylinder surface NEN or pressed on the outside.   4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle mit Hilfe eines Magnetfeldes an ein umlaufendes geschlossenes Band angedrückt wird.4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the cell pressed with the help of a magnetic field on a rotating closed belt becomes. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle mit Hilfe eines umlaufenden geschlossenes Bandes an den sich gegenläufig drehen­ den Zylinder (Rad) oder an das sich gegenläufig bewegende Band angedrückt und zur Eigenrotation angetrieben wird.5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the cell with the help of an all-round closed belt that turns in opposite directions the cylinder (wheel) or pressed against the belt moving in opposite direction and to Self rotation is driven. 6. Verfahren nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei­ den gegenläufig sich bewegenden Bänder (bzw. gegenläufig sich bewegendes Band und Zylinder) sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und dadurch die um die eigene Achse rotierende Zelle in der Bewegungsrichtung des einen Bandes oder des einen Zylinders translatorisch mitführen.6. The method according to claim 1, 4 and 5, characterized in that the at the oppositely moving bands (or the oppositely moving band and cylinders) move at different speeds and thereby the cell rotating around its axis in the direction of movement of one band or carry one cylinder translationally. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle mindestens 2 s räumlich fixiert und durch Reibung des Gehäuses an einem sich bewegendem Band oder Zylindermantel als Antriebsfläche in Rotation mit mehr als 1000 min-1 um die eigene Achse versetzt wird und dass sie aus der fixen Position durch eine nachfolgende Zelle verdrängt wird.7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that the cell is spatially fixed for at least 2 s and is set in rotation with more than 1000 min -1 around its own axis by friction of the housing on a moving belt or cylinder jacket as the drive surface and that it is displaced from the fixed position by a subsequent cell. 8. Vorrichtung zum Zentrifugieren von galvanischen Zellen mit zylindrischem Gehäu­ se, insbesondere von Primärzellen mit pulverförmiger Zinkanode und Gaskathode des Zink/Luft-Typs und von Gasentwicklungszellen, durch schnelle Rotation um die eigene Zellachse nach den vorhergehenden Verfahren, gekennzeichnet durch ein sich bewegendes Band oder einen rotierenden Zylin­ dermantel als Antriebsfläche, eine mechanische oder magnetische Halte- und An­ druckvorrichtung, die die Eigenrotation der Zelle nicht behindert doch den Zellmantel zur reibenden Übertragung der Bandbewegung gegen das Band oder den Zylinder­ mantel drückt. 8. Device for centrifuging galvanic cells with a cylindrical housing se, especially primary cells with powdered zinc anode and gas cathode of Zinc / air type and gas development cells, by rotating quickly around their own Cell axis according to the previous methods, characterized by a moving belt or a rotating cylinder dermantel as drive surface, a mechanical or magnetic holding and on Pressure device that does not hinder the self-rotation of the cell but the cell jacket for the frictional transmission of the belt movement against the belt or the cylinder coat presses.   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Ent­ nahme und zur Einführung der Zellen in die Haltevorrichtung im Fertigungstakt.9. The device according to claim 8, characterized by a device for Ent took and to insert the cells in the holding device in the manufacturing cycle.
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