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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompaktbatterie mit einem Stapel aus mindestens zwei Knopfzellen mit bevorzugt identischer Geometrie, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils ein Gehäuse aus zwei metallischen, den Plus- und den Minuspol der Zellen bildenden Gehäusehalbteilen und einer zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Dichtung aufweisen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kompaktbatterie.
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Portable Geräte wie Kameras, mobile Audioplayer und Diktiergeräte werden häufig durch mehrzellige Kompaktbatterien mit integrierten Kontaktelementen zur elektrischen Verbindung der in der Kontaktbatterie enthaltenen Einzelzellen mit Strom versorgt. Als Einzelzellen weisen solche Batterien häufig Knopfzellen auf, die in Form von einem oder mehreren Stapeln angeordnet und innerhalb des oder der Stapel elektrisch in Reihe geschaltet sind. Umgeben werden der oder die Stapel durch ein Außengehäuse mit Anschlüssen zur externen Kontaktierung der Batterie.
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Bei der Montage einer solchen Kompaktbatterie ist insbesondere das Verbinden der erwähnten Einzelzellen zu einem Stapel mit erheblichem Aufwand verbunden. Üblicherweise finden dazu napfförmige Kontaktelemente Verwendung. In einem ersten Schritt wird der Boden eines solchen Kontaktelements mit der Oberseite einer ersten Knopfzelle verschweißt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt eine zweite Knopfzelle in das napfförmige Kontaktelement eingesetzt und mit dessen Seitenwand verschweißt. Über weitere Kontaktelemente kann der entstehende Stapel aus der ersten und der zweiten Zelle nach Bedarf vergrößert werden. Diese Vorgehensweise gewährleistet eine zuverlässige Kontaktierung der Einzelzellen innerhalb eines Stapels, ist aber produktionstechnisch nicht einfach zu realisieren. So sind zum Kontaktieren der Zellen mehrere Teilschritte erforderlich, darunter mehrere getrennte Schweißschritte und Fügeoperationen. Darüber hinaus werden mit den napfförmigen Kontaktelementen Bauteile benötigt, die aus elektrochemischer Sicht „Ballast” darstellen und die Energiedichte der mehrzelligen Kompaktbatterie negativ beeinflussen.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Kompaktbatterien bereitzustellen, die eine hohe Energiedichte aufweisen und einfacher herzustellen sind als aus dem Stand der Technik bekannte mehrzellige Kompaktbatterien.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kompaktbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren zur Herstellung einer Kompaktbatterie mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kompaktbatterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Eine erfindungsgemäße Kompaktbatterie weist einen Stapel aus mindestens zwei Knopfzellen mit bevorzugt identischer Geometrie auf. Diese sind elektrisch in Reihe geschaltet und weisen jeweils ein Gehäuse aus zwei metallischen, den Plus- und den Minuspol der Zellen bildenden Gehäusehalbteilen auf. Darüber hinaus umfassen die Gehäuse jeweils noch eine elektrisch isolierende Dichtung, die zwischen den Gehäusehalbteilen angeordnet ist.
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Die metallischen Gehäusehalbteile bestehen in der Regel aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise ein Stahlblech. Nach innen hin weisen sie gegebenfalls eine Lage Kupfer auf, ihre Außenseite kann vernickelt sein.
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Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Kompaktbatterie dadurch aus, dass innerhalb des Stapels entgegengesetzt gepolte Gehäusehalbteile benachbarter Zellen über mindestens eine gemeinsame Schweißnaht und/oder mindestens einen gemeinsamen Schweißpunkt miteinander verbunden sind. Die gemeinsame Schweißnaht und/oder der gemeinsame Schweißpunkt sind gleichzeitig Bestandteil beider Gehäusehalbteile und bilden somit eine Verbindung aus, über die die Gehäusehalbteile direkt miteinander in elektrischem und mechanischem Kontakt stehen. Separate Kontaktelemente, wie sie aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt sind, sind also zwischen den miteinander verbundenen Gehäusehalbteilen der mindestens zwei identischen Knopfzellen des Stapels einer erfindungsgemäßen Kompaktbatterie keine angeordnet.
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Bevorzugt sind die Gehäusehalbteile der mindestens zwei Knopfzellen napfförmig ausgebildet. Dabei weisen sie vorzugsweise einen im Wesentlichen ebenen Bodenbereich auf. Bevorzugt stehen innerhalb des Stapels die ebenen Bodenbereiche der miteinander verbundenen napfförmigen Gehäusehalbteile in direktem flächigen Kontakt zueinander.
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In Weiterbildung ist es bevorzugt, dass die im Wesentlichen ebenen Bodenbereiche der miteinander verbundenen Gehäusehalbteile die mindestens eine gemeinsame Schweißnaht und/oder den mindestens einen gemeinsamen Schweißpunkt aufweisen. Mit anderen Worten, die Gehäusehalbteile sind über ihre im Wesentlichen ebenen Bodenbereiche miteinander verbunden.
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Bei den verwendeten Knopfzellen handelt es sich bevorzugt um zylindrische oder ovale Knopfzellen. Entsprechend weisen die im Wesentlichen ebenen Bodenbereiche der napfförmigen Gehäusehalbteile bevorzugt einen kreisförmigen oder ovalen Umriss auf. Innerhalb des Stapels sind die Knopfzellen bevorzugt derart angeordnet, dass der Stapel als Ganzes prismatisch oder zylindrisch ist.
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Insbesondere bei kreisförmigen Umriss ist es weiter bevorzugt, dass sich die Radien der in direktem flächigen Kontakt zueinander stehenden Böden unterscheiden. Das bedeutet, dass bevorzugt zwei kreisförmige Bodenbereiche miteinander in flächigem Kontakt stehen, die unterschiedlich groß sind, so dass der eine Bodenbereich den anderen nur teilweise abdeckt. Bei sich unterscheidenden Radien der in direktem flächigen Kontakt zueinander stehenden Bodenbereiche lässt sich der größere Bodenbereich somit in zwei Unterbereiche einteilen lässt, nämlich einen zentralen, kreisförmigen Teil, der vom kleineren Bodenbereich vollständig abgedeckt wird und einen freien, unbedeckten Bereich, der sich ringförmig um den zentralen Bereich erstreckt. Die mindestens eine gemeinsame Schweißnaht und/oder der mindestens eine gemeinsame Schweißpunkt liegen dabei bevorzugt auf der Kreisumfangslinie des Bodenbereichs mit dem kleineren Radius.
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Hergestellt werden können solche Kompaktbatterien mit einem Stapel aus elektrisch in Reihe geschalteten Knopfzellen insbesondere, indem die Knopfzellen mittels eines Lasers miteinander verbunden werden. Es werden also zwei Knopfzellen mit bevorzugt identischer Geometrie mittels eines Lasers über mindestens eine gemeinsame Schweißnaht und/oder mindestens einen gemeinsamen Schweißpunkt zu einem Stapel aus Knopfzellen verbunden. Auch ein entsprechendes Verfahren ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Eine weitere, alternative Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe liegt darin, zur Herstellung einer Kompaktbatterie mit einem Stapel aus Knopfzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und jeweils ein Gehäuse aus zwei metallischen, den Plus- und den Minuspol der Zellen bildenden Gehäusehalbteilen und einer zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Dichtung aufweisen, zwei Kopfzellen mit bevorzugt identischer Geometrie zu verbinden, indem ein scheibenförmiges Kontaktelement (an Stelle des gemäß Stand der Technik verwendeten napfförmigen Kontaktelements) in einem ersten Schritt mit der Oberseite einer der Knopfzellen verschweißt wird und anschließend in einem zweiten Schritt die andere Knopfzelle auf das scheibenförmige Kontaktelement aufgesetzt und mit diesem verschweißt wird. Über weitere scheibenförmige Kontaktelemente kann der entstehende Stapel aus der ersten und der zweiten Zelle nach Bedarf vergrößert werden. Auch eine solche Vorgehensweise ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiches gilt für nach der Alternativlösung hergestellte Kompaktbatterien.
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Es ist bevorzugt, dass das scheibenförmige Kontaktelement in dem ersten Schritt mittels Widerstandsschweißen verschweißt wird und in dem zweiten Schritt mittels eines Lasers. Die Verschweißung des scheibenförmigen Kontaktelements im ersten Schritt erfolgt bevorzugt mittig, im zweiten Schritt wird hingegen bevorzugt der Rand des scheibenförmigen Kontaktelements verschweißt. Der resultierende Zellenstapel weist entsprechend die Sequenz Knopfzelle – scheibenförmiges Kontaktelement – Knopfzelle auf. Innerhalb des Stapels entgegengesetzt gepolte Gehäusehalbteile benachbarter Zellen sind in diesem Fall nicht über mindestens eine gemeinsame Schweißnaht und/oder mindestens einen gemeinsamen Schweißpunkt miteinander verbunden.
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Das scheibenförmige Kontaktelement besteht bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff wie Stahlblech.
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Näher erläutert werden die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäßen Kompaktbatterien anhand der Zeichnungen, in denen die erfindungsgemäßen Gegenstände schematisch dargestellt sind und die im Folgenden beschrieben werden. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Kompaktbatterien oder der erfindungsgemäßen Verfahren jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt die Fertigung eines Stapels aus identischen Knopfzellen gemäß Stand der Technik.
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2 illustriert die Fertigung eines Stapels aus identischen Knopfzellen für eine erfindungsgemäße Kompaktbatterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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3 illustriert die Fertigung eines Stapels aus identischen Knopfzellen, wobei diese über ein scheibenförmiges Kontaktelement verbunden werden.
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In 1 ist eine Vorgehensweise zur Montage eines Stapels aus identischen Knopfzellen illustriert, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei wird im Schritt (a) ein napfförmiges Kontaktelement 103 (Querschnittsdarstellung) auf die Oberseite einer zylindrischen Knopfzelle 100 (Querschnittsdarstellung) aufgesetzt. Die Knopfzelle 100 umfasst als erstes napfförmiges Gehäusehalbteil den Zellenbecher 101 und als zweites napfförmiges Gehäusehalbteil den Zellendeckel 102. Zwischen dem Zellenbecher 101 und dem Zellendeckel 102 ist die Dichtung 110 angeordnet. Nach dem Aufsetzen des Kontaktelements 103 auf die Oberseite der Knopfzelle 100 wird der Boden des Kontaktelements an der mit dem Pfeil S1 markierten Stelle mit dem der Knopfzelle 100 verschweißt, beispielsweise mittels Widerstandsschweißen.
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Das Produkt aus Schritt (a) wird in Schritt (b) weiter verarbeitet. Dazu wird die Knopfzelle 104 (Querschnittsdarstellung) mit der Bodenseite voran in das auf die Knopfzelle 100 aufgeschweißte napfförmige Kontaktelement 103 eingeschoben. Die Knopfzelle 104 ist identisch mit der Knopfzelle 100. Wie diese weist sie als erstes napfförmiges Gehäusehalbteil einen Zellenbecher 105 und als zweites napfförmiges Gehäusehalbteil einen Zellendeckel 106 auf, die voneinander durch eine Dichtung 111 getrennt sind. Anschließend wird an den mit den Pfeilen S2 und S3 markierten. Stellen das Kontaktelement 103 mit den Seitenwänden des Zellenbechers 105 der Knopfzelle 104 verschweißt.
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Das resultierende Produkt ist in 1(c) dargestellt. Gut zu erkennen sind die Schweißpunkte 107, 108 und 109. Über den Schweißpunkt 107 ist die Knopfzelle 100 mit dem Kontaktelement 103 verbunden. Über die Schweißpunkte 108 und 109 ist die Knopfzelle 104 mit dem Kontaktelement 103 verbunden. Die Knopfzellen 100 und 104 weisen keine gemeinsamen Schweißpunkte auf, über die sie direkt miteinander verbunden sind.
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Anhand von 2 wird die Fertigung eines Stapels aus identischen Knopfzellen für eine erfindungsgemäße Kompaktbatterie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert. Dabei wird gemäß 2(a) eine zylindrische Knopfzelle 201 (Querschnittsdarstellung) auf eine zylindrische Knopfzelle 200 (Querschnittsdarstellung) aufgesetzt. Beide Knopfzellen sind identisch ausgebildet. Sie weisen als erstes napfförmiges Gehäusehalbteil die identischen Zellenbecher 202 und 205 und als zweites napfförmiges Gehäusehalbteil die identischen Zellendeckel 203 und 206 auf. Zellenbecher und Zellendeckel sind dabei jeweils durch die identischen Dichtungen 204 und 207 voneinander getrennt.
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Die Zellenbecher 202 und 205 und die Zellendeckel 203 und 206 weisen jeweils einen ebenen Bodenbereich mit kreisförmigem Umriss auf, wobei die Bodenbereiche der Zellendeckel 203 und 206 einen kleineren Radius aufweisen als die Bodenbereiche der Zellenbecher 202 und 205. Entsprechend deckt der ebene Bodenbereich des Zellenbechers 205 den ebenen Bodenbereich des Zellendeckels 203 komplett ab. Begrenzt wird der im Wesentlichen ebene Bodenbereich des Zellenbechers 205 durch die Kreisumfangslinie 213, die der Kante zwischen dem Bodenbereich und der senkrecht dazu stehenden Seitenwand des Zellenbechers 205 folgt. Der im Wesentlichen ebene Bodenbereich des Zellendeckels 203 wird begrenzt durch die Kreisumfangslinie 214, die der Kante zwischen dem Bodenbereich und der Wand des napfförmigen Zellendeckels 203 folgt.
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Die beiden Gehäusehalbteile 203 und 205 stehen über ihre Bodenbereiche in direktem flächigen Kontakt zueinander. Mit Hilfe der Laserstrahlen 208 und 209 können sie miteinander verschweißt werden. Geeignete Laser sind beispielsweise kommerziell erhältliche Faserlaser, also Festkörperlaser, bei denen der dotierte Kern einer Glasfaser das aktive Medium bildet. Die Betriebsparameter der Laserstrahlen müssen möglichst exakt an die Dicke der Gehäusehalbteile 203 und 205 angepasst werden. Die Leistung der Laserstrahlen lässt sich beispielsweise durch Variation der Pulsfrequenz modulieren. Schließlich sollen die Laserstrahlen lediglich für eine Verschweißung der beiden Gehäusehalbteile sorgen und diese idealerweise nicht durchschlagen.
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Die Verschweißung der Gehäusehalbteile 203 und 205 erfolgt dabei bevorzugt entlang der Kreisumfangslinie 214. Bevorzugt erfolgt die Verschweißung über zwei Schweißpunkte auf dieser Linie, gegebenenfalls auch über drei oder mehr Schweißpunkte. Auch die Ausbildung einer linienförmigen Schweißnaht ist denkbar. Im vorliegenden Fall werden mittels der Laserstrahlen 208 und 209 die beiden gemeinsamen Schweißpunkte 210 und 211 gebildet, über die die Gehäusehalbteile 203 und 205 und damit auch die Knopfzellen 200 und 201 miteinander verbunden sind.
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Um die Positionierung der Schweißpunkte weiter zu erläutern, wurde das Segment 212 aus der Querschnittsdarstellung. 2(a) als Draufsicht, dargestellt in 2(b), dargestellt (Blickrichtung von oben, also aus Richtung der Knopfzelle 201). Dargestellt ist der ebene Bodenbereich 215 des Gehäusehalbteils 205, der durch die Kreisumfangslinie 213 begrenzt wird, sowie der darunter liegende ebene Bodenbereich 215 des Gehäusehalbteils 203, der durch die in gestrichelter Ausführung dargestellte Kreisumfangslinie 214 begrenzt wird. Die Schweißpunkte 210 und 211 liegen genau auf der Linie 214.
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Nach der Verschweißung bilden die Knopfzellen 200 und 201 einen Stapel von zylindrischer Form aus, der sich zu einer erfindungsgemäßen Kompaktbatterie verbauen lässt.
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In 3 ist die Fertigung eines Stapels aus identischen Knopfzellen beschrieben, bei der die Knopfzellen in mehreren Schritten über ein scheibenförmiges Kontaktelement 303 (Querschnittsdarstellung) verbunden werden. Dazu wird das scheibenförmige Kontaktelement 303 auf die Oberseite einer zylindrischen Knopfzelle 300 (Querschnittsdarstellung) aufgesetzt. Die Knopfzelle 300 umfasst als erstes napfförmiges Gehäusehalbteil in Zellenbecher 301 und als zweites napfförmiges Gehäusehalbteil den Zellendeckel 302. Zwischen dem Zellenbecher 301 und dem Zellendeckel 302 ist die Dichtung 310 angeordnet. Nach dem Aufsetzen des Kontaktelements 303 auf die Oberseite der Knopfzelle 300 wird der Boden des Kontaktelements an der mit dem Pfeil S4 markierten Stelle mit dem der Knopfzelle 300 verschweißt. Die Verschweißung erfolgt mittels Widerstandsschweißen.
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Das Produkt aus Schritt (a) wird in Schritt (b) weiter verarbeitet. Dazu wird die Knopfzelle 304 (Querschnittsdarstellung) mit der Bodenseite voran in das auf die Knopfzelle 300 aufgeschweißte scheibenförmige Kontaktelement 303 aufgesetzt. Die Knopfzelle 304 ist identisch mit der Knopfzelle 300. Wie diese weist sie als erstes napfförmiges Gehäusehalbteil einen Zellenbecher 305 und als zweites napfförmiges Gehäusehalbteil einen Zellendeckel 306 auf, die voneinander durch eine Dichtung 311 getrennt sind. Anschließend wird an den mit den Pfeilen S5 und S6 markierten Stellen das Kontaktelement 303 an seinen Rändern mit dem Boden des Zellenbechers 305 der Knopfzelle 304 verschweißt. Diese Verschweißung erfolgt mittels Laser.
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Das resultierende Produkt ist in 3(c) dargestellt. Gut zu erkennen sind die Schweißpunkte 307, 308 und 309. Über den Schweißpunkt 307 ist die Knopfzelle 300 mit dem Kontaktelement 303 verbunden. Über die Schweißpunkte 308 und 309 ist die Knopfzelle 304 mit dem Kontaktelement 303 verbunden. Die Knopfzellen 300 und 304 weisen keine gemeinsamen Schweißpunkte auf, über die sie direkt miteinander verbunden sind.
