DE10313006A1

DE10313006A1 - Reservebatterie, Verfahren zu deren Herstellung und Betriebsverfahren für eine derartige Reservebatterie

Info

Publication number: DE10313006A1
Application number: DE2003113006
Authority: DE
Inventors: Edith Dr. Carl; Alexander Dr. Hahn; Barbara Schricker; Manfred Dr. Waidhas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: DE10313006B4

Abstract

Eine Reservebatterie aus Anorde und Kathode als Elektroden und einem dazwischen liegenden Elektrolytraum ist bekannt. Für den Einsatz der Batterie wird der Elektrolytraum mit Elektrolyt gefüllt. Gemäß der Erfindung beträgt die Dicke der Elektroden 5 bis 500 mum, vorzugsweise zwischen 10 und 100 mum. Derartige Elektrodenschichten lassen sich durch geeignete Herstellungsverfahren, beispielsweise Siebdrucken, Sprühen oder Tauchen, herstellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathode als Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Reservebatterie und weiterhin auf ein Betriebsverfahren für diese Reservebatterie.

Eine Reservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmal nutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolyten aktiviert. Für eine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweise Körperflüssigkeit sein.

Reservebatterien sind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterien aus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als bei solchen Primärbatterien ist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nicht mit Elektrolyt gefüllt. Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolyten gefüllt.

Reservebatterien finden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswesten oder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. In beiden Fällen werden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteil von Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit, da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichen Sinne nicht möglich ist.

Die bisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massiven Elektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einen flachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierter Aufbau notwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Reservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondere auch preiswert ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Herstellungsverfahren für eine solche Reservebatterie ist im Patentanspruch 11 angegeben. Der Patentanspruch 17 enthält schließlich ein geeignetes Betriebsverfahren für eine solche Reservebatterie. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterie, des zugehörigen Herstellungsverfahrens und des Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Reservebatterie sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Reservebatterie ist in Dünnschicht-Planartechnik aufgebaut. Vorteilhafterweise ist eine Interdigitalstruktur realisiert. Die damit gebildete Reservebatterie kann aufgrund ihres besonders einfachen Aufbaus auch sehr einfach hergestellt werden. Dadurch ist der Aufbau so preiswert, dass er insbesondere auch für sog. Disposable-Anwendungen, z.B. in der Medizindiagnostik, in Frage kommt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Schnittdarstellung

1 das Prinzip einer Dünnschicht-Reservebatterie,

2 eine Reservebatterie mit zwei hintereinander geschalteten Zellen,

3 eine Reservebatterie mit zwei parallelgeschalteten Zellen und

4 eine spezifisch ausgebildete Reservebatterie.

Gleichwirkende Einheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.

In 1 ist eine Dünnschichtstruktur dargestellt, die von zwei Substratschichten 1a und 1b abgeschlossen ist. Auf dem Substrat ist jeweils ein Stromkollektor 2 aufgebracht, wobei der Stromkollektor 2 auf der oberen Substratschicht 1a eine Kathode 3 trägt. Ganz entsprechend trägt der Stromkollektor 2 auf der unteren Substratschicht 1b eine Anode. Zwischen den beiden Schichten ist ein Freiraum 4 vorhanden, der als Elektrolytraum bezeichnet ist. In diesem Freiraum kann bei Bedarf ein Elektrolyt eindringen, der die Zelle zu einer Batterie aktiviert.

Bei der Anordnung gemäß 1 sind die Elektroden 3 und 5 als dünne Schichten, beispielsweise mit einer Dicke von 50 μm, ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen 10 und 500 μm betragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage. Der Abstand a der Elektroden liegt jeweils in der gleichen Größenordnung.

Die Herstellung von dünnen Elektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekannten Siebdruckverfahren. Möglich ist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrat aufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschicht des Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direkt die Stromanschlüsse angebracht werden.

Derart dünne Schichten können auch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit für die Herstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere der sogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahren oder auch das sogenannte Schlickergießen.

In der 2 ist eine Anordnung gemäß 1 dargestellt, bei der ein mittig liegender Stromkollektor 2 als bipolarer Kollektor dient. Dies bedeutet im Einzelnen, dass der Kollektor 2 auf der einen Seite eine Anodenschicht 3 und auf der anderen Seite eine Kathodenschicht 4 trägt. Durch eine solche Anordnung mit den Substratschichten 1a und 1b ergibt sich eine elektrische Reihenschaltung zweier Zellen für die Gesamtbatterie. Zwischen den Schichtanordnungen sind zwei Elektrolyträume 4 vorhanden.

In Abwandlung zu 2 ist in 3 die elektrische Parallelschaltung zweier Zellen dargestellt. Hierfür ist beidseitig auf dem Stromkollektor 2 eine Anodeschicht 5 aufgebracht, denen jeweils das Substrat mit weiterem Kollektor und einer Kathodenschicht gegenübersteht. Es ergeben sich wieder Elektrolyträume 4 in der Schichtanordnung.

In 4 ist eine spezifische Anordnung dergestalt ausgebildet, dass ein Substrat 1 zwei Stromkollektoren 2 in Abstand trägt, die in einem Teilbereich einerseits eine Kathode 3 und andererseits eine Anode 5 aufweisen. Zwischen Kathode 3 und Anode 5 befindet sich wiederum ein Elektrolytraum 4. Der Elektrolytraum 4 kann poröses Material zur Aufnahme des Elektrolyten aufweisen und insbesondere eine Kapillarwirkung haben.

Insbesondere hat der Stromkollektor 2 im Bereich der Kathode 3 einen elektrolytdurchlässigen Bereich 21. Oberhalb dieses Bereichs 21 befindet sich eine Öffnung 11.

Bei letzterer Anordnung stellt die nach außen gerichtete Elektrode eine Deckelelektrode dar, welche porös ist. Bei Kontakt eines Elektrolyten mit der Deckelelektrode dringt der Elektrolyt aufgrund von Kapillarwirkung durch die poröse Deckelelektrode ein und kann somit den Elektrolytraum 4 füllen. Damit ist die Batterie funktionsfähig.

Nach dem Prinzip der 1 bis 4 können Reservebatterien aufgebaut werden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu liefernden Stromes den vorgegebenen Bedingungen genügen. Dabei kann die Anzahl n der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinen gilt: n ≥ 2. Wesentlich ist dabei, dass der Elektrolytraum 4 so gestaltet werden kann, dass er eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten aufweist. Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumes an sich oder durch einen porösen Körper in direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcher Körper mit Kapillarwirkung ist beispielsweise ein Vlies.

Bei den beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden, dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, der den Separatar darstellt, ein lösliches Salz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches, elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigen Lösungen oder aber auch ein Leitsalz für organische Flüssigkeiten.

Zur Aktivierung anhand der 1 bis 4 beschriebenen Reservebatterien wird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir wird der Elektrolyt in den Elektrolytraum gedrückt und damit die Batterie betriebsbereit gemacht.

Als Elektrolyt sind alle Flüssigkeiten geeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeit aufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit, wie Blut, Urin oder Speichel, sein.

Der Elektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeit sein. Dies ist vorteilhaft für den Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik. Für solche Disposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatz und die einfache Fertigung vorteilhaft. Bei Kontakt mit einer Flüssigkeit aktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltung selbständig. Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie ein intelligenter Schalter.

Claims

Reservebatterie aus Anode und Kathode als Elektroden und einem dazwischen angeordneten Elektrolytraum, dadurch gekennzeichnet , dass die Dicke der Elektroden (3, 5) 5 bis 500 μm, vorzugsweise zwischen 10 und 100 μm, beträgt.
Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Anode (5) und Kathode (3) jeweils Stromkollektoren (2) zugeordnet sind.
Reservebatterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mehrzelligen Aufbau in bipolarer Anordnung, wobei die Anzahl der Zellen n ≥ 2 beträgt.
Reservebatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zellen zu einem Stapel geschichtet sind.
Reservebatterie nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet sind und der Stromkollektor (2) bipolar ausgebildet ist.
Reservebatterie nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen parallel geschaltet sind.
Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (4) eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten hat.
Reservebatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Kapillar wirkung der Elektrolytraum (4) eine geringe Dicke mit Abdeckung aufweist und/oder ein poröser Körper mit Kapillarwirkung vorhanden ist.
Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 5) auf einem Substrat (1a, 1b) aufgebracht sind, wobei das Substrat (1a, 1b) zur Benetzung der Elektrodenoberflächen (3, 5) in den Elektrolyten tauchbar ist.
Reservebatterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor (2) und/oder eine der Elektroden (3, 5) teilweise elektrolytdurchlässig sind.
Reservebatterie nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Substrat (1) eine Öffnung (11) zum Einschluss des Elektrolyten vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Siebdrucken auf ein Substrat aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Sprühen auf ein Substrat aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sprühen ein sogenannter Ink-Jet-Drucker verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Drucken, vorzugsweise einem Tampondruck, auf ein Substrat aufgebracht werden.
Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Tauchen oder Schlickergießen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Elektroden oder ggf. den porösen Körper zwischen den Elektroden ein lösliches Leitsalz zugesetzt wird.
Betriebsverfahren für eine Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die nach einem der Ansprüche 12 bis 17 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung mit einem angeschlossenen Elektrolytreservoir erfolgt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir in den Elektrolytraum gedrückt wird.