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Gasdicht verschlossener Kleinstakkumulator Die Erfindung betrifft
einen gasdicht verschlossenen Kleinstakkumulator, der aus einer oder mehreren Zellen
besteht und bei dem der alkalische Elektrolyt im wesentlichen festgelegt ist.
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Gasdichte kleine Akkumulatoren, z. B. in Form von Knopfzellen oder
Rundzellen, sind bekannt und werden für viele Zwecke, beispielsweise Transistorempfangsgeräte,
Hörhilfen, Taschenlampen, elektrische Rasierapparate u. dgl., verwendet. Auch kleine
Primärbatterien sind bereits konstruiert worden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese bekannten Akkumulatorentypen
für viele Anwendungsgebiete nicht brauchbar sind, da sie noch zu groß sind. Außerdem
war die Herstellung vollkommen druckfester und funktionstüchtiger Kleinstakkumulatoren
für besondere Zwecke, insbesondere auf dem medizinischen und biologischen Sektor,
beispielsweise für Körperradiosonde.n, in der medizinischen Diagnostik, zur Medikamentenforschung
u. dgl. bisher nicht möglich. Primärzellen, die nicht wiederaufladbar sind, müssen
nach ihrer Entladung aus dem menschlichen Körper entfernt werden.
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Es ist bekannt, bei alkalischen Zellen, insbesondere gasdichten Akkumulatoren,
die Kapazität der negativen Elektrode wesentlich größer zu machen als die der positiven.
Bei gasdichten galvanischen Zellen hat es sich auch als erforderlich erwiesen, der
negativen Elektrode eine Ladereserve zu erteilen.
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Es sind auch gasdicht verschlossene Akkumulatoren bekanntgeworden,
deren Innenraum durch die aktive Masse und den Separator voll ausgefüllt ist.
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Aufgabe der Erfindung war es, einen gasdichten Kleinstakkumulator
zu entwickeln, der durch seine Wiederaufladbarkeit diese Nachteile nicht aufweist
und infolge seiner geringen Größe insbesondere für die obengenannten Zwecke anwendbar
ist und der trotz kleinster Abmessungen gas- und flüssigkeitsdicht ist, so daß er
auch ohne Gefahr im menschlichen Körper eingesetzt werden kann.
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Die Aufgabe wurde durch die erfindungsgemäße Kombination gelöst, nach
der das Verhältnis der Kapazität der negativen Elektrode zur Kapazität .der positiven
Elektrode 2: 1 oder mehr beträgt und damit bei Aufladung des Akkumulators bis zur
vollen Auftadung der positiven Elektrode die negative Elektrode eine Ladereserve
hat, die 50 % ihrer Kapazität oder mehr .ausmacht, und .der Innenraum des Akkumulators
durch die aktive Masse und den Separator voll ausgefüllt ist, und der Stromableiter
mittels eines direkt in die aktive Masse eingreifenden Kontaktdornes in unmittelbarer
großoberftächiger Berührung mit der aktiven Masse mindestens einer Elektrode steht.
Dadurch konnte ein gasdichter Kleinstakkumulator geschaffen werden, dessen Volumen
zwischen etwa 0,05 und 0,2 cm3 liegt.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination wird ein besonders guter Kontakt
zwischen dem als Stromableiter dienenden Deckel und -dem stromliefernden System
erzielt, was bei Akkumulatoren von so geringen Diapensionen besonders wichtig ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kleinstakkumulator ist der Elektrolyt in
bekannter Weise im Scheider und in den Poren der Elektroden durch Kapillarkraft
festgelegt, wobei -der Scheider gasdurchlässig ist. Obwohl der erfindungsgemäße
Akkumulator keine besonderen Mittel für den Gasverzehr aufweist, wird bei ihm der
bei der Ladung und Überladung an der positiven Elektrode entstehende Sauerstoff
bei einem bestimmten, nicht übermäßig hohen Druck an der negativen Elektrode verzehrt,
wobei die Wasserstoffentwicklung an dieser Elektrode unterbunden wird. Der Sauerstoffverzehr
mit Verhinderung der Wasserstoffentwicklung läuft bei den erfindungsgemäßen Kleinstakkumulatoren
mit so hoher Geschwindigkeit ab, daß ein Arbeiten mit Lade- und Entladeströmen von
beispielsweise 300 Mikro-Ampere durchaus möglich ist.
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Insbesondere ist der erfindungsgemäße Akkumulator für solche medizinischen
Zwecke geeignet, bei denen er in den menschlichen Körper eingebracht wird. Dabei
braucht er nicht nach seiner Entladung entfernt zu werden, da er durch Induktion
von außen aufladbar ist.
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Um eine besonders gute Abdichtung des Zellenbehälters zu erzielen,
weist der Zellendeckel nach einer bevorzugten Ausführungsform einen umlaufenden
als Schneide ausgebildeten Rand auf, der mit
dem Gehäuserand und
einer Dichtung zusammengebördelt ist. Dabei wird die Abdichtung vorzugsweise so
ausgebildet, daß der Rand des Behälters zusammen mit der Dichtung in eine vorgesehene
Hinterschneidung im Deckel einkrallt, so daß bei Druckanstieg im Inneren der Zellen
durch Anpressen des Behälterrandes an den Deckel die Abdichtung verbessert wird.
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Der erfindungsgemäße Akkumulator kann jedoch nicht nur einzellig,
sondern auch in mehrzelligen Ausführungen verwendet werden. In .diesem Falle sind
je zwei Zellen durch Kontaktstücke mit zwei Dornen verbunden, wobei die Dorne in
Elektroden .der beiden Zellen eingreifen. Durch diese Ausbildung der Kontaktstücke
wird ein besonders guter Kontakt zwischen den einzelnen Zellen erzielt, der wesentlich
zur Betriebssicherheit des Akkumulators beiträgt. Bei so kleinen Zellen müssen die
Kontakte besonders gut sein, damit alle Widerstände möglichst niedrig sind und die
Leistungsfähigkeit des Akkumulators nicht beeinträchtigt wird.
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Zweckmäßige:rweise besitzt ein aus mehreren Zellen bestehender Kleinstakkumula'tor
nach der Erfindung an den Kontaktstücken eine umlaufende, im Querschnitt schwalbenschwanzförmige
Nut, in welche die umgebogenen Ränder der beiden Zellengehäuse unter Zwischenlegen
einer Dichtung eingreifen.
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Um zwischen zwei benachbarten Zellen einen Druckausgleich zu erzielen,
weist das zwischen den Zellen befindliche Kontaktstück einen Gaskanal auf.
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Bei Verwendung mehrerer Zellen kann die Verbindung je zweier Zellen
auch dadurch hergestellt sein, daß der mit einem Kontaktdorn versehene Deckel der
einen Zelle eine Aussparung aufweist, in die ein im wesentlichen zylindrischer,
mit einer Spitze versehener Ansatz des ebenfalls mit einem Kontaktdom versehenen
Deckels der anderen Zelle eingreift. Die Kontaktkörper können aus Stahl, Nickel
oder vernickeltem Stahl hergestellt sein. Es ist auch möglich und für manche Zwecke
vorteilhaft, bei Verwendung mehre- , rer Zellen die Verbindung je zweier Zellen
dadurch herzustellen, daß die beiden mit Kontaktdornen versehenen Deckelscheiben
mit einer verhältnismäßig großen Berührungsfläche aneinanderhegen. Auch durch diese
Anordnung wird der übergangswiderstand möglichst niedrig gemacht, wodurch Stromverluste
vermieden werden.
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Der Kleinstakkumulator nach der Erfindung ist 'in seinen verschiedenen
Ausführungsformen in den Fig. 1 bis 5 dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine einzelne
Kleinstzelle, Fig.2 bis 5 Kleinstakkumulatoren, die aus zwei Einzelzellen bestehen,
wobei in diesen Figuren vor allem die verschiedenen Möglichkeiten zur betriebssicheren
Vereinigung zweier Zellen veranschaulicht sind.
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In dieser Weise können auch Batterien hergestellt werden, die aus
mehr als zwei Zellen bestehen. Die in Fig. 1 gezeigte Kleinstzelle besteht aus dem
elektrisch leitenden Behälter, beispielsweise aus Nickel, vernickeltem Stahl oder
Stahl, der an seiner offenen Seite in den Behälter eingeführten Kunststoffauskleidung
2, der positiven aktiven Mässe 3, :dem Scheider 4, der den Elektrolyten durch Kapillarkraft
festhält und für Gase durchlässig ist, der negativen aktiven Masse 5 und dem auf
die Hülse aufgesetzten Metalldeckel 6 mit dornartigem Fortsatz 7. Der Dom 7 .des
Metalldeckels greift in die negative Masse 5 ein. Am unteren Teil der Fig. 1 wird
gezeigt, wie durch Umbördelung des Randes des Behälters unter Verdrängung der dort
befindlichen Kunststoffschicht 2 und unterEinkrallung des Behälterrandes 1 in die
Hinterschneidung des Metalldeckels 6 ein gas- und flüssigkeitsdichter Verschluß
erzielt wird.
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Fig.2 stellt einen aus zwei Zellen bestehenden Kleinstakkumulator
dar, wobei im oberen Teil der Figur die ursprüngliche Form des Behälters 1 und der
Kunststoffauskleidung 2 vor dem Umbördeln gezeigt ist, während im unteren Teil .dieser
Figur der Abschluß nach der Einbördelung des Behälterrandes zusammen mit der Dichtung
in eine im Deckel befindliche umlaufende, im Querschnittvorzugsweise schwalbenschwanzförmige
Nut 10 zu sehen ist. Die Zellen sind in Fig. 2 durch .den Kontaktkörper 6 miteinander
verbunden, der zwei Dorne 7 und 8 besitzt, welche jeweils in die Elektroden verschiedener
Polarität 3, 5 eingreifen. In dem Kontaktstück 7 befindet sich der zum Druckausgleich
dienende Gaskanal 9.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls .die Verbindung zweier Kleinstzellen, bei der
die Ränder des Zellenbehälters 1 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 2 in eine
im Kontaktkörper befindliche umlaufende, im Querschnitt schwalbenschwanzförmige
Nut 10 eingebördelt sind. Die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungen unterscheiden
sich dadurch voneinander, daß in Fig. 2 eingemeinsamer ausIsoliermaterialbestehe-nderRing2
mit dem eingespritzten Kontaktkörper 6 für den Zusammenbau zweier Kleinstzellen
verwendet wird, während in Fig. 3 jede der beiden symmetrisch aufgebauten Kleinstzellen
einen eigenen Isolierring 2 aufweist und der Kontaktkörper 6 erst beim Zusammenbau
des erfindungsgemäßen Kleinstakkumulators eingesetzt wird. Durch den Druckausgleichskanal9
ist eine Verbindung zwischen den beiden Zellen geschaffen, die dem Ausgleich der
Drucke dient, wodurch der Gasverzehr erleichtert wird.
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Durch den Kontaktkörper 6 sind die beiden Zellen im zweizelligen Kleinstakkumulator
in Serie geschaltet. Durch Bördelung der Gehäusemäntel und anschließendes Kalibrieren
sind beide Zellen zu einer gas- und flüssigkeitsdichten Einheit verbunden. Die Abmessungen
einer solchen Doppelzelle liegen bei etwa 8 bis 10 mm Länge und etwa 4 mm Durchmesser.
Bei einem Druckanstieg innerhalb der Zelle werden die relativ dünnen Zellengehäuse
gedehnt, wodurch sich die umgebördelten Ränder .dicht an die Wandungen der ringförmigen,
im Querschnitt schwalbenschwanzförmigen Aussparung des Kontaktkörpers anpressen.
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Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit, um zwei symmetrische Kleinstzellen
miteinander zu verbinden, bei der der eine Deckel 11 so ausgebildet ist, daß er
den im wesentlichen zylindrischen, mit einer Spitze versehenen Teil 13 des
anderen Deckels 12 in sich aufnehmen kann.
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In Fig. 5, die eine weitere Verbindungsmöglichkeit für zwei Zellen
aufzeigt, sind die Deckel 14 und 15 einander völlig gleich und stellen den Kontakt
,durch ihre gemeinsame verhältnismäßig große Berührungsfläche 16 sicher. Da sich
eine in die Hinterschneidung des Deckels anliegende Umbördelung bisher nur bei Einzelzellen
- wie in Fig. 1 gezeigt - durchführen ließ,müssen besondereMaßnahlnen getroffen
werden, um bei zwei oder mehreren Zellen einen zuverlässigen Abschluß zu erzielen.
Es ist zweckmäßig, die durch die Umbördelung entstehenden Ausnehmungen
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mit einem Isoliermaterial, beispielsweise durch Vergießen, auszufüllen, um eine
Korrosion an den Verbindungsstellen zu verhindern.
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Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man zwei nebeneinander stehende
Zellen, .die durch einen Steg aus dem gleichen Material miteinander verbunden sind,
nach der Einkrallung der Hülsenränder und Zusammenpressen durch Umbiegen des Steges
um 180° in eine Lage bringt, in der sie hintereinanderliegen.
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Bei dieser Konstruktion eines Kleinstakkumulators ist die Gewähr für
eine einwandfreie Abdichtung gegeben. Durch die Stromabnahme mittels der an den
Deckeln angeordneten Dorne ist ein guter Kontakt sichergestellt. Zur Stromabnahme
dienen außer den Deckeln die Zellenbehälter, die zu diesem Zweck mit Stromableitern
versehen sein können.