DE102010012977A1

DE102010012977A1 - Gegen Kurzschluss gesicherte Knopfzelle

Info

Publication number: DE102010012977A1
Application number: DE102010012977A
Authority: DE
Inventors: Rolf Brenner; Eduard Pytlik
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2011-09-22
Also published as: EP2550695A1; CN103038913A; WO2011117132A1; US20130196222A1

Abstract

Beschrieben wird eine Knopfzelle mit einem Gehäuse aus einem Becherteil und einem Deckelteil, die jeweils einen Bodenbereich und einen sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden Mantelbereich aufweisen. In dem Gehäuse sind eine positive und eine negative Elektrode, getrennt durch einen Separator, angeordnet. Das Becherteil und das Deckelteil sind räumlich und elektrisch durch eine Foliendichtung voneinander getrennt, wobei die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und über die Schnittkante des Deckelteils nach innen umgeschlagen ist. Der Separator ist dabei derart ausgebildet und im Gehäuse positioniert, dass er die nach innen umgeschlagene Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst. Des Weiteren wird ein Verfahren beschrieben, mit dem sich solche Knopfzellen herstellen lassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Knopfzelle mit einem Gehäuse aus einem napfartig ausgebildeten Becherteil und einem napfartig ausgebildeten Deckelteil, die durch eine Foliendichtung räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Innerhalb des Gehäuses sind eine positive und eine negative Elektrode angeordnet sowie zwischen den Elektroden ein Separator, der diese voneinander trennt.
Knopfzellen weisen üblicherweise ein Gehäuse aus zwei Gehäusehalbteilen, einem Becherteil und einem Deckelteil, auf. Diese können beispielsweise aus vernickeltem Tiefziehblech als Stanzziehteile hergestellt werden. Gewöhnlich ist das Becherteil positiv und das Deckelteil negativ gepolt. In dem Gehäuse können die verschiedensten elektrochemischen Systeme enthalten sein, beispielsweise Zink/Braunstein, primäre und sekundäre Lithium-Systeme oder sekundäre Systeme wie Nickel/Cadmium oder Nickel/Metallhydrid.
Der flüssigkeitsdichte Verschluss solcher Zellen erfolgt beispielsweise durch Umbördeln des Randes des Becherteils. Ein zwischen Becherteil und Deckelteil angeordneter Kunststoffring dient dabei in der Regel gleichzeitig als Dichtung und als Isolator, der das Becherteil räumlich und elektrisch vom Deckelteil trennt. Derartige Knopfzellen sind beispielsweise aus der DE 3113309 bekannt.
Die für Knopfzellen erforderlichen Dichtungselemente werden klassisch im Spritzgussverfahren, beispielsweise aus Polyamiden, hergestellt. Die dazu notwendigen Spritzwerkzeuge sind sehr aufwendig und teuer. Darüber hinaus ist es praktisch nicht möglich, Dichtungselemente mit Wandungen in einer Dicke von weniger als 0,3 mm im Spritzgussverfahren herzustellen, so dass die bekannten Dichtungen insbesondere bei sehr kleinen Knopfzellen ein verhältnismäßig großes Volumen beanspruchen und damit die Kapazitätsausnutzung der Zeile beinträchtigen.
In der DE 19647593 wird der Einsatz eines Dichtungselementes beschrieben, das durch Tiefziehen aus einer Folie hergestellt wird. Aus einer beheizten Folie wird mittels einer Ziehmatrize und eines Formstempels unter Vakuum ein becherförmiges Formteil gezogen. Als bevorzugtes Folienmaterial werden Polyamide angegeben. Die Verformung erfolgt, abhängig vom gewünschten Durchmesser/Höhenverhältnis, in einem oder mehreren gestuften Arbeitsgängen. Im Bodenbereich des durch Tiefziehen hergestellten becherförmigen Formteils erfolgt anschließend eine Ausstanzung mittels eines Schnittstempels und einer Schnittbuchse. Das so hergestellte Dichtungselement wird auf ein Deckelteil montiert, das dann in ein Becherteil eingesetzt werden kann. Da so hergestellte Foliendichtungen nur sehr geringe Dicken aufweisen, sind die resultierenden Knopfzellen kapazitätsoptimiert. Die Verwendung von Foliendichtungen bietet gegenüber dem klassischen Einsatz von Dichtungen aus Spritzgussteilen diesbezüglich klare Vorteile.
Die vorliegend beschriebene Erfindung baut auf der in der DE 19647593 beschriebenen Entwicklung auf. Ihr lag die Aufgabe zugrunde, Knopfzellen bereit zu stellen, die sich durch optimierte Kapazität, einen einfachen Aufbau und durch eine effiziente Trennung von positiver und negativer Elektrode innerhalb des Knopfzellengehäuses auszeichnen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Knopfzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Knopfzelle umfasst ein napfartig ausgebildetes Becherteil sowie ein napfartig ausgebildetes Deckelteil. Das Becherteil umfasst einen ersten ebenen Bodenbereich, an den sich ein sich bis zu einer ersten Schnittkante erstreckender Mantelbereich anschließt. Das Deckelteil umfasst einen zweiten ebenen Bodenbereich, an den sich ein sich bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckender zweiter Mantelbereich anschließt. Das Deckelteil ist mit der Schnittkante voran in das Becherteil eingeschoben und bildet mit diesem ein geschlossenes Gehäuse aus. Die Bodenbereiche von Becherteil und Deckelteil sind bei einer fertig montierten Knopfzelle parallel zueinander angeordnet und bilden im Gebrauchszustand die Ober- und Unterseite der Knopfzelle, an denen in der Regel die Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgt. Die Mantelbereiche bilden die Seitenwände der Knopfzelle. Becherteil und Deckelteil sind räumlich und elektrisch durch eine Dichtung voneinander getrennt. Neben ihrer isolierenden Funktion gewährleistet diese Dichtung in der Regel auch, dass das Gehäuse aus Deckelteil und Becherteil flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
Innerhalb des Gehäuses befindet sich eine positive und eine negative Elektrode. Die positive Elektrode steht dabei in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Becherteils, die negative Elektrode mitdem ebenen Bodenbereich des Deckelteils. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses dürfen sich die positive und die negative Elektrode wie das Becherteil und das Deckelteil nicht unmittelbar berühren. Aus diesem Grund ist zwischen der positiven und der negativen Elektrode ein Separator angeordnet, der diese räumlich voneinander trennt. Innerhalb des Gehäuses bildet der Separator vorzugsweise eine flache Schicht aus, die im Wesentlichen parallel zu den ebenen Bodenbereichen von Becher- und Deckelteil ausgerichtet ist. Der Separator teilt das Gehäuseinnere so in zwei Kompartimente auf, in denen die positive und die negative Elektrode getrennt voneinander angeordnet sind.
Als Separator werden bevorzugt innendurchlässige Materialien wie poröse Membranen aus Kunststoff oder Vliese eingesetzt. Dem Fachmann sind entsprechende für Knopfzellen geeignete Separatormaterialien bekannt.
Als Dichtung kommt bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle eine Foliendichtung zum Einsatz, wie sie eingangs bereits erwähnt wurde. Diese Foliendichtung umschließt bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich nach Art einer Manschette, weist gleichzeitig aber einen umlaufenden Abschnitt auf, der um die Schnittkante des Deckelteils herum nach innen umgeschlagen ist. Gleichzeitig ist bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle der Separator derart ausgebildet und im Gehäuse positioniert, dass er die nach innen umgeschlagene Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst. Die Foliendichtung und der Separator definieren so eine napfförmige Aufnahme für die positive Elektrode. In der fertigen Knopfzelle bilden sie zusammen mit dem Becherboden einen Hohlraum bzw. eine geschlossene Aufnahme für die positive Elektrode aus.
Die Foliendichtungen von Knopfzellen, wie sie aus der Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 102007003519 , bekannt sind, sind in aller Regel gerade so weit um die Schnittkante eines Zellendeckels herum umgeschlagen, dass die Schnittkante vollständig von der Folie abgedeckt wird. Dies dient der Vermeidung von Gasentwicklungen im Gehäuseinneren. Wie eingangs angesprochen, bestehen die Gehäuseteile von Knopfzellen oft aus Trimetall mit der Schichtfolge Nickel, Stahl und Kupfer, wobei Kupfer in der Regel die Innenseite des Knopfzellengehäuses bildet. An der Schnittkante des Knopfzellendeckels ist die vergleichsweise unedle, zwischen der Nickel- und der Kupferschicht befindliche Stahlschicht frei zugänglich. Dort kommt es deshalb besonders häufig zu Gasungsphänomenen, in deren Folge Knopfzellen auslaufen können und irreparabel geschädigt werden.
Im Gegensatz dazu ist die Foliendichtung einer erfindungsgemäßen Knopfzelle in der Regel so bemessen, dass sie zumindest größere Teilabschnitte der Innenseite des Mantelbereichs des Deckelteils abdecken kann bis hin zu einer Tiefe, in der der Separator an den Innenwänden des Deckelteils anliegt. Die Foliendichtung gewährleistet gemeinsam mit dem Separator somit eine vollständige und effiziente Trennung von Kathoden- und Anodenraum. Kurzschlussprobleme innerhalb der erfindungsgemäßen Knopfzelle werden dadurch weitestgehend ausgeschlossen.
Der Separator einer erfindungsgemäßen Knopfzelle ist in bevorzugten Ausführungsformen scheibenartig, insbesondere als kreisrunde Scheibe, ausgebildet. Die Ränder der Scheibe drücken die Foliendichtung an die Innenseite des Deckelteils. Dazu entspricht der Radius der Scheibe vorzugsweise im Wesentlichen dem Innenradius des Deckelteils im Mantelbereich oder überschreitet diesen sogar, bevorzugt um zwischen 1% und 25%.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann der Separator napfartig ausgebildet sein mit einer ebenen, als Scheibe ausgebildeten Grundfläche und einem sich daran anschließenden, bevorzugt senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich. Der Randbereich weist in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt in Richtung des Bodenbereichs des napfartig ausgebildeten Becherteils, während die Grundfläche bevorzugt parallel zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich von Becher- und Deckelteil ausgerichtet ist. Der Radius der Grundfläche entspricht bevorzugt im Wesentlichen dem Innenradius des Deckelteils im Mantelbereich. Der umlaufende Randbereich liegt vorzugsweise an der Innenseite des Deckels flach an und überlappt dort mit dem umgeschlagenen Abschnitt der Foliendichtung. Gebildet wird ein solcher napfartiger Separator beispielsweise durch Verwendung einer Separatorscheibe, deren Radius den Innenradius des Deckelteils deutlich überschreitet und deren Randbereich entsprechend beim Einschieben des Separators in das Deckelteil entgegen der Einschieberichtung umklappt.
Die Schnittkante des Deckelteils sitzt in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt im ebenen Bodenbereich des Becherteils auf. Alternativ ist auch die Verwendung eines Stützringes denkbar, etwa um eine Beschädigung der Foliendichtung an der Schnittkante des Deckelteils zu verhindern.
Bei der Foliendichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Dichtung aus einer thermoplastischen Folie, insbesondere aus Polyamid oder aus Polyetheretherketon (PEEK). Im Hinblick auf sonstige bevorzugte Merkmale der Foliendichtung wird auf die bereits erwähnten DE 102007003519 und DE 19647593 Bezug genommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Knopfzellen dient insbesondere zur Herstellung von Knopfzellen, wie sie oben beschrieben wurden.
Es umfasst stets die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Becherteils und eines napfartig ausgebildeten Deckelteils, wie sie oben bereits beschrieben wurden,
– Aufbringen einer Foliendichtung auf den Außenmantel des Deckelteils, so dass die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und ein umlaufender Abschnitt der Foliendichtung über die Schnittkante des Deckelteils hinaus ragt,
– Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Deckelteils herum ins Innere des Deckelteils,
– Einbringen von negativem Elektrodenmaterial in das Deckelteil,
– Positionieren eines Separators im Deckelteil, derart, das der Separator den umgeschlagenen umlaufenden Abschnitt der Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst,
– gegebenenfalls Einbringen von positivem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, insbesondere in eine von Foliendichtung und Separator gebildeten napfförmige Aufnahme,
– Einschieben des Deckelteils in das Becherteil und
– Verschließen der Zelle, insbesondere durch Umbördelung.

Betreffend die in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommende Foliendichtung sowie den Separator kann auf die obigen im Rahmen der Erläuterung der erfindungsgemäßen Knopfzelle gemachten Ausführungen Bezug genommen werden. Als Elektrodenmaterialien können sämtliche gängige Elektrodenmaterialien dienen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem negativen Elektrodenmaterial um eine Wasserstoffspeicherlegierung, beispielsweise um eine AB₅-Legierung, und beim positiven Elektrodenmaterial um Nickelhydroxid.
Das Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Deckelteils herum ins Innere des Deckelteils kann wie in der DE 102007003519 beschrieben erfolgen, also insbesondere mit Hilfe eines beheizten Stempels.
Neben den genannten Schritten kann das erfindungsgemäße Verfahren noch weitere Schritte umfassen, beispielsweise das Eindosieren von Elektrolyt, das jedoch mit dem Kern der vorliegenden Erfindung nichts zu tun hat.
Die genannten und weiteren Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung
1 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100 (schematische Darstellung). Ein napfartig ausgebildetes Deckelteil 101 ist in ein napfartig ausgebildetes Becherteil 102 eingeschoben. Der Deckelteil 101 weist einen ebenen Bodenbereich 103 sowie einen sich bis zu einer Schnittkante 104 erstreckenden Mantelbereich 105 auf. Der Gehäusebecher 102 weist den ebenen Bodenbereich 106 sowie den Mantelbereich 107 auf. Dessen oberer Teil mit der Schnittkante 108 ist nach innen umgebördelt, dies gewährleistet den Zusammenhalt von Becherteil 102 und Deckelteil 101. Zwischen dem Becherteil 102 und dem Deckelteil 101 ist die Foliendichtung 109 angeordnet. Diese ist um die Schnittkante 104 des Deckelteils 101 herum ins Innere des Deckelteils umgeschlagen und liegt an dessen Innenseite im Mantelbereich 105 an. Fixiert wird sie dort durch den Separator 110, der ebenfalls napfförmig ausgebildet ist. Der Separator 110 weist eine als kreisförmige Scheibe ausgebildete Grundfläche und einen sich daran anschließenden, im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich auf. Dieser Randbereich presst die um die Schnittkante 104 des Deckelteils 101 in dessen Inneres umgeschlagene Foliendichtung 109 an die Innenseite des Deckelteils. Der Separator 110 trennt die Elektroden 111 und 112 voneinander. Bei der Elektrode 112 handelt es sich um die positive Elektrode, bei der Elektrode 111 um die negative Elektrode. Zwischen der negativen Elektrode 111 und dem Deckelteil 101 ist eine Kontaktfeder 113 angeordnet, um gegebenenfalls auftretende Volumenänderungen der Elektroden kompensieren zu können. Der Separator 110, die Foliendichtung 109 und der Bodenbereich 106 des Zellenbechers definieren einen abgeschlossenen Hohlraum, in dem die positive Elektrode 112 angeordnet ist. Dieser ist gegenüber dem Anodenraum sauber getrennt, ein Kurzschluss ist somit nahezu unmöglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3113309 [0003]
DE 19647593 [0005, 0006, 0017]
DE 102007003519 [0012, 0017, 0021]

Claims

Knopfzelle, umfassend – ein napfartig ausgebildetes Becherteil mit einem ersten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden ersten Mantelbereich, – ein napfartig ausgebildetes Deckelteil, mit einem zweiten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckenden zweiten Mantelbereich, – wobei das Deckelteil mit der Schnittkante voran in das Becherteil eingeschoben ist und mit diesem ein geschlossenes Gehäuse ausbildet, – eine Dichtung, die das Becherteil und das Deckelteil räumlich und elektrisch voneinander trennt, – eine positive Elektrode, die in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Becherteils steht, – eine negative Elektrode, die in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Deckelteils steht und – einen Separator zwischen der positiven und der negativen Elektrode, der diese voneinander trennt, wobei als Dichtung eine Foliendichtung zum Einsatz kommt, die die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und über die Schnittkante des Deckelteils nach innen umgeschlagen ist, und wobei der Separator derart ausgebildet und im Gehäuse positioniert ist, dass er die nach innen umgeschlagene Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst.
Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator als Scheibe ausgebildet ist.
Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator napfartig mit einer ebenen, als Scheibe ausgebildeten Grundfläche und einem sich daran anschließenden, bevorzugt senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich, ausgebildet ist.
Knopfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkante des Deckelteils im ebenen Bodenbereich des Becherteils aufsitzt.
Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Foliendichtung um eine Dichtung aus einer thermoplastischen Folie, insbesondere aus Polyamid oder aus PEEK, handelt.
Verfahren zur Fertigung einer Knopfzelle, insbesondere einer Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Deckelteils mit einem ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer Schnittkante erstreckenden Mantelbereich, – Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Becherteils mit einem ersten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden ersten Mantelbereich, – Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Deckelteils mit einem zweiten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckenden zweiten Mantelbereich, – Aufbringen einer Foliendichtung auf den Außenmantel des Deckelteils, so dass die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und ein umlaufender Abschnitt der Foliendichtung über die Schnittkante des Deckelteils hinausragt, – Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Gehäusehalbteils herum ins Innere des Deckelteils, – Einbringen von negativem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, – Positionieren eines Separator im Deckelteil, derart, dass der Separator den umgeschlagenen umlaufenden Abschnitt der Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils drückt/presst, – Gegebenenfalls Einbringen von positivem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, insbesondere in eine von Foliendichtung und Separator gebildete napfförmige Aufnahme für die positive Elektrode, – Einschieben des Deckelteils in das Becherteil und – Verschließen der Zelle, insbesondere durch Umbördeln.