DE102005017682A1

DE102005017682A1 - Galvanisches Element

Info

Publication number: DE102005017682A1
Application number: DE102005017682A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Holl; Martin Dr. Krebs; Hartmut Weidenbacher; Magnus Berggren; Staffan Nordlinder; Linda Andersson; Bernd Kreidler; Hermann LÖFFELMANN; Dejan Dr. Ilic; Lars-Olof Hennerdal; Anurak Sawatdee
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH; Acreo AB
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH; Acreo AB
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US20100081049A1; EP1872426A1; CN101194385B; CN101194385A; JP2008535194A; WO2006105966A1; CN103000914A

Abstract

Die Erfindung umfaßt ein galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode (5, 6), wobei die positive und die negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat (1) angeordnet sind und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (7) miteinander verbunden sind. Dabei können entsprechende Einzelzellen miteinander verschaltet werden, indem eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl von positiven und negativen Elektroden paarweise nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen galvanischen Elements.
Galvanische Elemente und Batterien sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Darunter gibt es auch sogenannte gedruckte Batterien, bei denen Funktionsteile, insbesondere Elektroden und Leiterbahnen, auf ein entsprechendes Substrat aufgedruckt werden.

Bei herkömmlichen gedruckten Batterien befinden sich die Ableiter in verschiedenen Ebenen. Es gibt zwei Kollektorebenen, zwei Elektrodenebenen und eine Separatorebene. Eine solche Batterie ist in der US 4,119,770 beschrieben. Eine Zelle wird als Stapel der verschiedenen Komponenten gebildet, wobei sich die Stromableiter auf der Ober- bzw. Unterseite der Zelle befinden. Mehrere Zellen sind zu einer Batterie gestapelt. Dabei wird automatisch der Minuspol der unteren mit dem Pluspol der oberen Zelle verbunden.

In der US 4,195,121 werden flexible Elektroden beschrieben. Die Elektroden bestehen aus dem Aktivmaterial, einem Leitfähigkeitsmaterial und einem organischen Binder. Als Binder wird Ethylen-Acrylsäure vorgeschlagen.

Eine andere Zelle wird in der JP 60155866 dargestellt. Sie besteht aus je einem Ableiter mit auflaminierter Anode bzw. Kathode. Dazwischen befindet sich ein gelierter Elektrolyt in einem Faservlies. Das Verdickungsmittel ist Hydroxyethylcellulose.

US 4,623,598 beschreibt eine Kontaktvorrichtung für flache Batterien. Die Gehäusefolie besteht aus einer zweigeteilten leitenden Schicht und einer außen liegenden Isolationsschicht. Durch zwei Fenster in der Isolationsschicht werden der eine bzw. der andere Teil der leitenden Schicht verbunden. Diese Gehäusefolie wird so um den Elektrodenstapel montiert, daß der eine Teil der leitenden Folie die Anode, der andere die Kathode kontaktiert.

Eine offene Zelle mit wäßrigem Elektrolyt wird in der US 5,652,043 beschrieben. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt bestehend aus einem hygroskopischen Material, einer ionenleitenden Substanz und einem wasserlöslichen Polymer, das durch eine Klebewirkung die Elektroden zusammenhält. Die Zelle trocknet unter üblichen klimatischen Bedingungen nicht aus. Ferner kann eventuell entstehendes Gas an die Umwelt abgegeben werden, wodurch ein Schwellen der Zelle verhindert wird.

US 5,897,522 beschreibt den Einsatz der in der US 5,652,043 dargestellten flachen Zelle in verschiedenen dünnen Geräten wie Timer, Infusor, Thermometer, Zuckersensor und elektronisches Spiel. In der WO 0062365 wird eine weitere Verbesserung der flachen Batterie beschrieben. Hier verbessert ein in die Batterie oder auf die Batterie implemen tierter Chip die Funktionalität. Er gleicht über einen DC/DC-Wandler Spannungsschwankungen aus.

Alle genannten Konstruktionen weisen den klassischen Stapelaufbau auf, bei dem die Funktionsschichten, im allgemeinen fünf, übereinander angeordnet sind.

Die Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, die Konstruktion bestehender galvanischer Elemente und Batterien zu verbessern. Insbesondere soll eine möglichst dünne bzw. flache Batterie zur Verfügung gestellt werden, die einen möglichst einfachen Aufbau besitzt. Dabei soll die entsprechende Batterie auch möglichst einfach herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das galvanische Element mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Bevorzugte Ausführungsformen dieses galvanischen Elements und dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 bzw. im abhängigen Anspruch 17 dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element sind die mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat angeordnet und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem flächigen Substrat um eine Folie, wobei der Einsatz einer Kunststoffolie weiter bevorzugt ist.

Durch die Anordnung der positiven und der negativen Elektrode nebeneinander sind die Funktionsteile des galvanischen Elements im wesentlichen in drei Ebenen übereinander angeordnet. Es handelt sich dabei um das flächige, elektrisch nicht leitende Substrat, die auf dem Substrat angeordneten Elektroden und den ionenleitfähigen Elektrolyten, der die beiden Elektroden miteinander verbindet und dabei mindestens teilweise bedeckt. Dementsprechend läßt sich eine insgesamt sehr flache, dünne Konstruktion des galvanischen Elements verwirklichen.

In dieser Betrachtung wird die Ebene der Elektroden als eine Ebene aufgefaßt, wobei die Elektroden ihrerseits natürlich aus verschiedenen Teilen aufgebaut sein können, beispielsweise aus den entsprechenden Ableitern/Kollektoren sowie dem aktiven Elektrodenmaterial. Dies wird im folgenden noch näher erläutert.

Im Regelfall werden die positiven und negativen Elektroden nur auf einer Seite des flächigen Substrats angeordnet sein, was im folgenden ebenfalls noch beschrieben wird. Es ist jedoch erfindungsgemäß ebenfalls möglich, auf beiden Seiten des flächigen Substrats positive und negative Elektroden anzuordnen, um auf diese Weise entsprechende andere Konstruktionen eines galvanischen Elements zu realisieren. Erfindungsgemäß ist dabei jedoch entscheidend, daß positive und negative Elektrode nebeneinander (und nicht in verschiedenen Ebenen übereinander) angeordnet sind.

In Weiterbildung weist das erfindungsgemäße galvanische Element Leiterbahnen auf, die als Ableiter/Kollektoren dienen und die sinnvollerweise und vorzugsweise zwischen dem flächigen Substrat und den eigentlichen Elektroden bzw. dem (elektrochemisch) aktiven Elektrodenmaterial angeordnet sind.

Diese Leiterbahnen können auf verschiedene Weise realisiert werden. So ist es zum einen möglich und bevorzugt, elektrisch leitende Folien, insbesondere Metallfolien, als solche Leiterbahnen zu verwenden. Zum anderen kann es sich bei den Leiterbahnen vorzugsweise um dünne Metallschichten handeln, die mittels eines üblichen Metallisierungsverfahrens auf das Substrat aufbringbar sind. Schließlich ist noch als besonders bevorzugte Variante hervorzuheben, daß die Leiterbahnen als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind. Bei diesen Pasten kann es sich auch um übliche sogenannte Leitkleber handeln.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen galvanischen Elements sind die Elektroden bzw. das Elektrodenmaterial selbst als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht. Mit dieser Variante lassen sich die bereits geschilderten Vorteile der Erfindung besonders gut erreichen. Entsprechende Pasten können vergleichsweise einfach mit Standardverfahren auf entsprechende Substrate aufgebracht werden, und zwar gerade auch als dünne Schichten, was erfindungsgemäß bevorzugt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element sind die positiven und negativen Elektroden in einer Ebene angeordnet, jedoch räumlich voneinander getrennt. Die elektrische Verbindung der positiven mit der negativen Elektrode erfolgt ausschließlich über den ionenleitfähigen Elektrolyten. Bei dieser Anordnung ist es einerseits zwingend, daß sich die positive und die negative Elektrode nicht berühren. Auf der anderen Seite ist es zweckmäßig, den Abstand der beiden Elektroden nicht zu groß zu wählen, um eine möglichst platzsparende Konstruktion zu gewährleisten. Dementsprechend ist es bei der Erfindung bevorzugt, wenn die mindestens eine positive und die mindestens eine negative Elektrode auf dem Substrat in einem Abstand von 1 μm bis 10 mm voneinander angeordnet sind. Innerhalb dieses Bereichs sind Abstände zwischen 100 μm und 1 mm bevorzugt.

Erfindungsgemäß ist es ebenfalls bevorzugt, wenn als ionenleitfähiger Elektrolyt ein gelartiger Elektrolyt verwendet wird. Mit solchen Elektrolyten lassen sich flächige Konstruktionen, insbesondere dünne flächige Konstruktionen, besonders einfach realisieren. Um dem gelartigen Elektrolyten eine verbesserte mechanische Stabilität zu geben, ist es erfindungsgemäß weiter bevorzugt, wenn der Elektrolyt in einem Vlies festgelegt bzw. stabilisiert ist.

In Weiterbildung liegt der Elektrolyt erfindungsgemäß vorzugsweise als Schicht, insbesondere als dünne Schicht, vor. Diese Schicht muß so angeordnet sein, daß sie die notwendige Leitfähigkeit zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode gewährleistet. Dabei wird der Elektrolyt in diesen Fällen die Elektroden in der Regel mindestens teilweise überdecken, um eine ausreichende Leitfähigkeit bereitzustellen. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn der Elektrolyt bzw. die Elektrolytschicht die positive und die negative Elektrode vollständig bedeckt oder insbesondere sogar über die entsprechenden Elektrodenflächen hinausragt. Solche Anordnungen der Elektrolytschicht lassen sich auch fertigungstechnisch einfacher realisieren.

In Weiterbildung kann bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element eine weitere Kunststoffolie vorgesehen sein, die (unter Zugrundelegung des eingangs erwähnten Schichtaufbaus aus drei Ebenen) über der Ebene des Elektrolyten angeordnet ist und dementsprechend den Elektrolyten und/oder die Elektroden mindestens teilweise abdeckt. Auch hier ist es bevorzugt, wenn eine vollständige Abdeckung des Elektrolyten und der Elektroden erfolgt.

Diese weitere Kunststoffolie hat zum einen eine Schutzfunktion für den Elektrolyten/die Elektroden, um diese vor mechanischen Schädigungen oder vor dem Zutritt unerwünschter Substanzen oder Witterungseinflüssen zu schützen. Andererseits verleiht die weitere Kunststoffolie dem galvanischen Element insgesamt eine verbesserte mechanische Stabilität.

Bei derartigen Konstruktionen mit weiterer Kunststoffolie ist es weiter bevorzugt, wenn die Kunststoffolie mit dem Substrat zusammen eine Art Gehäuse bildet, das den Elektrolyten und die Elektroden dichtend umschließt. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.

Alternativ zu der weiteren Kunststoffolie kann auch in anderer Weise ein entsprechender Schutz bzw. eine entsprechende Stabilisierung realisiert werden, beispielsweise dadurch, daß man über der Ebene des Elektrolyten einen Film oder eine entsprechende Schicht aufbringt, vorzugsweise aufdruckt. Diese Schicht besteht in der Regel ebenfalls aus Kunststoff, d. h. ist zumindest polymerbasiert.

Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen galvanischen Elements liegt dann vor, wenn eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, von positiven und negativen Elektroden auf dem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat angeordnet sind. Diese Anordnung erfolgt sinnvollerweise insbesondere paarweise, d. h. jeweils eine positive und jeweils eine negative Elektrode sind paarweise nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise sind mehrere oder viele Einzelzellen (mit einer positiven und einer negativen Elektrode) miteinander verschaltbar. Auch dieser Gesichtspunkt wird später im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.

Bei den zuletzt genannten bevorzugten Ausführungsformen weist das Substrat insbesondere Leiterbahnen auf, über die die auf dem Substrat angeordneten Elektroden (d. h. die Mehrzahl oder Vielzahl der Elektroden) in Serien- und/oder Parallelschaltungen verbunden sind. Bezüglich des Aufbringens dieser Leiterbahnen kann auf die obige Beschreibung im Zusammenhang mit den Ableitern/Kollektoren verwiesen und Bezug genommen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements, wie es oben beschrieben wurde, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden bzw. die die Elektroden bildenden Funktionsteile auf ein als Substrat dienendes Endlosband aufgebracht werden. Auf diese Weise läßt sich eine Vielzahl von Einzelzellen mit jeweils einer positiven und einer negativen Elektrode herstellen, wobei gegebenenfalls entsprechende Leiterbahnen zur Verschaltung dieser Einzelzellen (in Serie oder parallel) in das Verfahren integriert werden können.

Bei bevorzugten Ausführungsformen dieses Verfahrens ist das Endlosband bereits mit den Ableitern/Kollektoren der Elektroden versehen, was den Verfahrensablauf insgesamt wesentlich vereinfacht. Weiter ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt, wenn die Elektroden in Form einer Paste, insbesondere einer druckförmigen Paste, auf das Substrat bzw. die entsprechenden Ableiter aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt werden.

Die bisherigen Ausführungen haben die Vorteile, die mit der Erfindung verbunden sind, nochmals verdeutlicht. Bei der Ausbildung des galvanischen Elements als Einzelzelle ergibt sich der Vorteil einer wesentlich dünneren und insgesamt unkomplizierten Konstruktion, da die Zahl der Ebenen, in denen Funktionsbauteile angeordnet sind, reduziert werden kann. Alle elektrischen Kontakte liegen in einer Ebene, so daß ein aufwendiges Durchkontaktieren über verschiedene Ebenen, insbesondere über weit voneinander getrennt liegende Ebenen, entfällt.

Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung auf einfache Weise, mehrere oder viele Einzelzellen miteinander zu verschalten. Dabei ist es zum einen möglich, bereits mehrere oder viele Elektroden paarweise auf dem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat anzuordnen und auf diesem Substrat bereits entsprechende Leiterbahnen zur Verschaltung der Einzelzellen vorzusehen. Zum anderen ist es möglich, bereits fertig hergestellte Einzelzellen auf einer weiteren Trägerfolie, die die zur Verschaltung von Einzelzellen notwendigen Leiterbahnen bereits aufweist, zu befestigen und über entsprechende Kontaktierungsmittel miteinander zu verbinden. Hier können zur Befestigung übliche Adhäsionskleber verwendet werden, zur Kontaktierung dient typischerweise ein üblicher Leitkleber oder Leitlack, beispielsweise ein entsprechender silberhaltiger Leitkleber. Nach Komplettierung der Gesamtbatterie aus den mehreren oder vielen Einzelzellen kann diese zum Abschluß mit einer (weiteren) Deckfolie abgedeckt werden. Diese kann beispielsweise aufgeklebt oder auflaminiert werden. Dadurch wird eine solche Batterie (wie im Fall der bereits beschriebenen weiteren Kunststoffolie) mechanisch stabilisiert und von äußeren Einflüssen, beispielsweise Witterungseinflüssen, geschützt. Die elektrischen Kontakte der Batterie werden auf der Trägerfolie herausgeführt und können mechanisch oder ebenfalls mit einem Leitkleber abgegriffen werden.

Die erfindungsgemäßen galvanischen Elemente sind sowohl in Form einer Einzelzelle als auch in Form von aus mehreren oder vielen Einzelzellen verschalteten Batterien im Vergleich mit galvanischen Elementen aus dem Stand der Technik besonders dünn und gegebenenfalls auch besonders flexibel. Deshalb kann das erfindungsgemäße galvanische Element bei solchen Anwendungen besonders gut eingesetzt werden, bei denen eine geringe Dicke und gegebenenfalls hohe Flexibilität gewünscht ist, d. h. beispielsweise bei sogenannten SmartCards oder SmartTags.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen besonderen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Auch die nachstehend beschriebenen Zeichnungen sind Bestandteil der vorliegenden Beschreibung, was hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme bekräftigt wird.

In den Zeichnungen zeigen:
1 den schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements als Einzelzelle mit nebeneinander liegenden Elektroden
2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements mit drei Einzelzellen
3 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements mit vier Einzelzellen (in Serie und parallel geschaltet)
4 schematischer Ausschnitt aus dem Produktionsprozeß zum Aufbau von Einzelzellen auf einem als Substrat dienenden Endlosband.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in Form einer sogenannten Einzelzelle. Dabei sind auf einem flächigen Substrat 1 in Form einer elektrisch nicht leitenden, dünnen Kunststoffolie 2 sogenannte Kollektoren/Ableiter 3, 4 aufgebracht. Diese wurden auf das Substrat 1 in Form elektrisch leitender Pasten (vorzugsweise Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium, Indium, Bismut oder Graphit) aufgetragen und anschließend getrocknet. Solche Pasten können üblicherweise Binder in Form von Polymeren enthalten, die beispielsweise thermisch oder chemisch verfestigt werden können.
Wie eingangs bereits erläutert, ist das Aufbringen der Kollektoren/Ableiter 3, 4 nicht auf das Aufbringen elektrisch leitender Pasten beschränkt. In vergleichbarer Weise kann es sich bei den Kollektoren/Ableitern 3, 4 um dünne elektrisch leitende Folien (Metallfolien, mit Leitmaterialien gefüllte Kunststoffolien) handeln. Die Verbindung dieser Folien mit dem Substrat 1 erfolgt vorzugsweise durch Kalt- oder Warmverklebung. Darüber hinaus können die Kollektoren/Ableiter 3, 4 auch durch übliche Metallisierungsverfahren (Vakuumabscheidung, Sputtern, galvanische Abscheidung) dargestellt werden.
Auf den Kollektor 3 ist gemäß 1 die Kathode 5 (d. h. das entsprechende Elektrodenmaterial) aufgebracht. Dieses Aufbringen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer druckfähigen Paste. Es ist jedoch auch möglich, eine separat hergestellte Kathodenfolie aufzubringen.
Auf den Kollektor 4 ist die Anode 6 (d. h. das entsprechende Elektrodenmaterial) aufgebracht. Sowohl die Kathode 5 als auch die Anode 6 sind mit den Kollektoren/Ableitern 3, 4 elektrisch kontaktiert. Hier kann ein loses Aufliegen bei entsprechender Gesamtkonstruktion des galvanischen Elements bereits ausreichen. Es kann auch eine feste Verbindung zwischen den Kollektoren/Ableitern 3, 4 und den Elektroden 5, 6 vorgesehen sein.
Über den Elektroden (Kathode 5 mit Ableiter 3; Anode 6 mit Ableiter 4) befindet sich ein gelartiger Elektrolyt 7, der mit einer Netzstruktur bzw. einem Vlies 8 festgelegt ist. Dabei überdeckt der Elektrolyt 7 mit dem Vlies 8 das aktive Elektrodenmaterial der Kathode 5 und der Anode 6.
Über dem Elektrolyt 7 mit Vlies 8 befindet sich eine weitere Kunststoffolie 2, die zum einen den Elektrolyten 7 vollständig bedeckt und zum anderen über die Abmessung des Elektrolyt 7 noch hinausragt. Auf diese Weise wird vom Substrat 1 und von der Kunststoffolie 2 ein dicht schließendes Gehäuse für die sich zwischen dem Substrat 1 und der Kunststoffolie 2 befindenden Funktionsbauteile, nämlich die eigentlichen Elektroden (5, 3; 6, 4), gebildet.
1 zeigt deutlich die verbesserte dünne Konstruktion des erfindungsgemäßen galvanischen Elements. Die eigentliche Konstruktion beinhaltet nur drei (übereinander angeordnete) Ebenen, nämlich die Ebene des Substrats 1, die Ebene der Elektroden (Kathode 5 mit Ableiter 3, Anode 6 mit Ableiter 4, nebeneinander angeordnet) und die Ebene des Elektrolyten oberhalb der Ebene der Elektroden. In 1 ist die bevorzugte Ausführung mit vier Ebenen dargestellt, bei der oberhalb der Ebene des Elektrolyten noch die weitere Kunststoffolie 2 eine eigene Ebene und zusammen mit dem Substrat 1 das dicht schließende Gehäuse für die eigentlichen beiden Ebenen mit den Funktionsbauteilen bildet.
2 zeigt den schematischen Aufbau eines galvanischen Elements (Batterie), bei dem drei Einzelzellen mit paarweise nebeneinander liegenden Elektroden (d. h. drei Einzelzellen gemäß 1) über elektrisch leitende Bahnen (Leiterbahnen 9) miteinander verbunden sind. Dadurch können höhere Spannungen realisiert werden. Solche Serienschaltungen können zu galvanischen Elementen mit Spannungen von 30 V und höher führen, die erfindungsgemäß besonders kostengünstig und einfach hergestellt werden können.
Gemäß 3 ist der schematische Aufbau eines galvanischen Elements (Batterie) bei vier Einzelzellen (siehe 1) mit paarweise nebeneinander liegenden Elektroden dargestellt. Dabei sind diese vier Einzelzellen sowohl in Serie als auch parallel geschaltet. Durch diese Konstruktion lassen sich verschiedene Gesamtspannungen und Kapazitäten bzw. Belastbarkeiten erzielen.
4 zeigt in schematischer Weise einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Produktionsprozeß. Dabei können die erfindungsgemäßen galvanischen Elemente auf einem als Endlosband ausgebildeten Substrat 12 (Trägerband) einreihig (wie dargestellt) oder auch mehrreihig (nicht dargestellt) endlos produziert werden. Die als Kollektoren/Ableiter dienenden Leiterbahnen 10 und 11 sind vor dem eigentlichen Produktionsprozeß der Einzelzelle bereits auf dem Substrat 12 aufgebracht. Dann werden (wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben) die eigentlichen Elektroden bzw. das entsprechende Elektrodenmaterial an den dafür vorgesehenen Stellen auf die Leiterbahnen 10 und 11 aufgebracht. Anschließend erfolgt das Aufbringen des Elektrolyten, der als gelartiger Elektrolyt mit einem Vlies stabilisiert ist. Aufgrund des Hinwei ses auf 1 sind die eigentlichen Elektroden und der Elektrolyt in 4 nicht mit Bezugszeichen versehen. Schließlich wird über den Elektrolyten eine weitere Kunststoffolie in Form einer Deckfolie 13 aufgebracht, die dann die jeweilige Einzelzelle auf dem Substrat 12 zusammen mit diesem in Form eines Gehäuses abschließt.
Am Ende können die Einzelzellen gegebenenfalls wieder vereinzelt werden oder auch zu mehreren weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt werden.
In diesem Zusammenhang soll noch erwähnt werden, daß man gemäß 4 und im übrigen ganz allgemein sowohl das Substrat 12 als auch die Deckfolie 13 aus selbstklebenden Folien fertigen kann. Dies erleichtert zum einen das Aufbringen der Deckfolie auf die jeweils fertiggestellte Einzelzelle. Zum anderen kann man, gegebenenfalls nach Vereinzeln der hergestellten Einzelzellen, das Substrat 12 direkt durch Aufkleben, beispielsweise auf eine Leiterplatte ohne zusätzlichen Kleber montieren.
Beispiel
Zur Herstellung eines 1,5 V-Batteriesystems wird zur Herstellung eines in 1 dargestellten galvanischen Elements wie folgt vorgegangen. Ziel soll dabei im vorliegenden Fall die Realisierung eines Zink-Kohle-Systems sein. Dieses System sei lediglich beispielhaft erwähnt, zeichnet sich jedoch durch vergleichsweise niedrige Kosten aus.
Zunächst werden für das Substrat und die als Deckfolie dienende weitere Kunststoffolie entsprechende Folien bereitgestellt. Hier sind Kunststoffolien mit geringer Gas- und Wasserdampf-Diffusionsrate bevorzugt, d. h. insbesondere aus PET, PP oder PE. Sofern beabsichtigt ist, diese Folien später heiß miteinander zu versiegeln, können die bereitgestellten Grundfolien mit einem niedrigschmelzenden weiteren Material kaschiert werden. Hier kann es sich z. B. um einen Schmelzkleber aus einem Copolymer auf Basis PE handeln.
Auf das Substrat wird dann zunächst zur Bereitstellung der negativen Elektrode (Anode) ein Kollektor in Form eines Leitklebers (Basis Silber, Kupfer oder Graphit) aufgedruckt. Für die positive Elektrode (Kathode) sind als Kollektor-/Ableitermaterialien Leitkleber auf Basis Silber, Nickel oder Graphit zu nennen, die ebenfalls aufgedruckt werden.
Will man besonders dünne Kollektoren/Ableiter bereitstellen, so bietet sich auch die Vakuumbeschichtung an. Hierbei wird als Kollektor/Ableiter für die Anode Kupfer und für die Kathode Nickel im Hochvakuum aufgedampft.
Anschließend wird das Elektrodenmaterial für die Anode auf den entsprechenden Kollektor/Ableiter aufgedruckt. Hierzu wird vorzugsweise ein Siebdruckverfahren verwendet. Das Elektrodenmaterial ist eine Zinkpaste, die aus Zinkpulver, einem geeigneten Binder und einem geeigneten Lösungsmittel besteht. In entsprechender Weise wird auch eine Paste für das Aufdrucken des Kathodenmaterials auf den anderen Kollektor/Ableiter verwendet. Dieses Kathodenmaterial besteht aus Braunstein (MnO₂), Ruß und/oder Graphit als Leitmaterial sowie einem geeigneten Binder und einem geeigneten Lösungsmittel. Auch hier wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren gearbeitet.
Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Elektrolyt aufgebracht. Bei dem Elektrolyten handelt es sich vorzugsweise um eine gelartige Paste. Diese besteht beispielsweise aus einer wäßrigen Lösung aus Zinkchlorid, wobei diese Lösung ganz oder teilweise vorgetrocknet werden kann. Das Aufbringen des Elektrolyten erfolgt ebenfalls vorzugsweise durch ein Druckverfahren. Vorzugsweise überdeckt der Elektrolyt (wie in 1 dargestellt) beide Elektroden vollflächig. Wie ebenfalls in 1 dargestellt, kann der Elektrolyt durch ein vliesartiges oder netzartiges Material verstärkt und stabilisiert sein.
Die so hergestellte Einzelzelle wird dann gemäß Beispiel mit Hilfe der zweiten (weiteren) Kunststoffolie überdeckt, d. h. nach Art eines Gehäuses verschlossen. Dies erfolgt, wie erwähnt, vorzugsweise mit Hilfe eines Heißsiegelverfahrens. Genauso können, wie im Zusammenhang mit 4 diskutiert, vorzugsweise selbstklebende Folien für das Substrat und die weitere Kunststoffolie eingesetzt werden. Dies ermöglicht auch ein besonders einfaches Aufbringen der Einzelzelle bzw. der aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie auf den entsprechenden Grundkörper der mit Strom zu versorgenden Baueinheit.

Claims

Galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode (5, 6), die nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat (1) angeordnet sind und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (7) miteinander verbunden sind.
Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem flächigen Substrat (1) um eine Folie, insbesondere um eine Kunststofffolie, handelt.
Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ableiter (3, 4) dienende Leiterbahnen aufweist, die vorzugsweise zwischen dem Substrat (1) und den Elektroden (5, 6) angeordnet sind.
Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Leiterbahnen elektrisch leitende Folien, insbesondere Metallfolien, aufweist.
Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Leiterbahnen dünne Metallschichten aufweist, die mittels eines üblichen Metallisierungsverfahren auf das Substrat aufbringbar sind.
Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Leiterbahnen aufweist, die als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Elektroden aufweist, die als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine positive und die mindestens eine negative Elektrode auf dem Substrat in einem Abstand von 1 μm–10 mm, vorzugsweise zwischen 100 μm–1 mm, voneinander angeordnet sind.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen gelartigen Elektrolyten aufweist.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in einem Vlies (8) festgelegt ist.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt als Schicht vorliegt, die vorzugsweise die Elektroden vollständig überdeckt.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine weitere Kunststoffolie (2) aufweist, die den Elektrolyten (7) und/oder die Elektroden (5, 6) mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, abdeckt.
Galvanisches Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kunststoffolie mit dem Substrat ein Gehäuse bildet, das den Elektrolyten und die Elektroden dichtend umschließt.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, von positiven und negativen Elektroden aufweist, die paarweise nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind.
Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Leiterbahnen (9) aufweist, über die auf dem Substrat angeordnete Elektroden in Serien- und/oder Parallelschaltungen verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf ein als Substrat dienendes Endlosband (12) aufgebracht werden, welches vorzugsweise durchgehend mit Ableitern (10, 11) versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aufgedruckt werden.