DE1496360C - Stromleitende Anschlußeinnchtung fur gasdichte galvanische Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stromleitende Anschlußeinrichtung für gasdichte galvanische Elemente, bestehend aus zwei als Zellenpole dienenden elektrisch leitenden Kunststoff teilen, die durch öffnungen eines Kunststoffgefäßes hindurchführen, mit ihm verschweißt und im Inneren des Kunststoffgefäßes mit den Elektroden leitend verbunden sind, und hat eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung zum Gegenstand, durch welche eine besonders dichte Durchführung der Stromanschlußelemente durch das Zellengefäß erreicht wird.

Es wird davon ausgegangen, daß für die Durchführung der Stromanschlußteile durch Zellengefäße galvanischer Elemente, welche gasdicht verschlossen sind, erhebliche Schwierigkeiten bei der Abdichtung entstehen. Es ist bekannt, hierfür Ringe, Isolationsteile aus Kunststoff, Elastomere oder keramische Stoffe zu verwenden. Diese Ausführungen sind jedoch relativ teuer und haben den Nachteil, daß sie bei Verwendung flüssiger Elektrolyte, wie sie beispielsweise bei alkalischen Silber-Zink- oder Silber-Cadmium-Zellen Verwendung finden, nur eine begrenzte Abdichtung ergeben. In allen Fällen fehlt zwischen den metallischen Anschlußelementen und dem Kunststoff des Zellengefäßes eine ausreichende flüssigkeits- und gasdichte Verbindung.

Zur Beseitigung dieser Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden, fertige elektrische Geräte mit einer Kunststoffumhüllung zu versehen, wobei diese

ίο taschenförmig ausgebildet und die öffnung verschweißt ist. Zur Stromdurchführung nach außen sind elektrisch leitende Kunststoffstreifen auf Polyäthylengrundlage vorgesehen, die in den Beutel bei der Herstellung des Verschlusses eingeschweißt sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile und Schwierigkeiten zu beseitigen und eine stromleitende Anschlußeinrichtung für galvanische Elemente zu entwickeln, bei der eine wirksame flüssigkeits- und/oder gasdichte Verbindung zwischen den Zellenpolen und dem Zellengefäß erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Zellenpoi aus einem porösen Sinterkörper aus elektrisch leitendem Material besteht, der mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff imprägniert und die Kunststoffimprägnierung im Bereich der Öffnung des Zellengefäßes dicht mit dem Zellengefäß verschweißt ist.

Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß der mit einem Kunststoff imprägnierte Sinterkörper sowohl besonders dicht ist als auch eine gut haftende und dauerhafte Verbindung zu dem Zellengefäß darstellt, so daß ein Durchfluß von Flüssigkeiten oder ein Durchströmen von Gasen mit Sicherheit vermieden wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Zellenpole erfindungsgemäß eine besonders gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Verbindung zwischen dem porösen Sinterkörper und dem Kunststoff ist durch die große Oberfläche des Sinterkörpers besonders fest. Hinzu kommt, daß der Kunststoff eine große Oberflächenspannung besitzt. Auch hat der Sinterkörper eine saubere Oberfläche, die keine wei-

-' tere Behandlung zur Annahme des synthetischen Kunststoffes erforderlich macht. Eine besonders gute Haftung wird dadurch erreicht, daß der poröse Sinterkörper des Zellenpoles einen ringförmigen Kragen hat, der im Bereich der Gefäßöffnung flächig gegen die Wand des Zellengefäßes anliegt und durch die Kunststoffimprägnierung mit diesem verschweißt ist.

Die neuartige stromleitende Anschlußeinrichtung ist besonders für Akkumulatoren geeignet, bei denen die Elektroden mit den Zellenpolen über metallische Leiter verbunden sind, welche dem Angriff des Elektrolyten ausgesetzt sind. Hierfür ist in weiterer Entwicklung des Grundgedankens vorgesehen, daß jeder positive oder negative Zellenpol einen Metallkern aufweist, wobei der positive und durch seine Kunststoffimprägnierung mit dem Zellengefäß verschweißte Sinterkörper einen ringförmigen Mantel bildet, der im Bereich der Gefäßöffnung den Metallkern umgibt. Dieser Mantel kann gleichzeitig so verlängert werden, daß er auch die den Elektroden zugeordneten metallischen Leiter umschließt. Hierdurch werden zusätzlich Zellenkurzschlüsse verhindert, die durch Brückenbildung auf den metallischen Leitern oder Kriechströme entstehen. Darüber hinaus wird die Versprödung der metallischen Leiter durch einen elektrochemischen Angriff des Elektrolyten verhindert.

Als Kunststoff zum Imprägnieren des porösen Sinterkörpers sind alle Kunststoffe wie Polyacrylsäureester, Polyamid, Polyäthylen oder Polystyrol geeignet. Die Sinterkörper lassen sich aus Metallen wie Silber, Kupfer, Nickel oder Eisen herstellen.

Für die Fertigung ist es vorteilhaft, wenn der poröse, aus elektrisch leitendem Material bestehende, mit Kunststoff imprägnierte und mit der Gehäuseöffnung verschweißte Sinterkörper des Zellenpoles an seinen einander gegenüberliegenden Flächen nach Freilegung dieser Flächen vom Kunststoff mit einem Metallkontakt versehen ist.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Knopfzelle,

F i g. 2 eine Teil-Draufsicht auf den Gegenstand der Fig. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt eines Zellenpoles einer Knopfzelle,

F i g. 4 einen Teilquerschnitt einer Zelle mit einer abgedichteten Anschlußeinrichtung, wobei metallische Leiter die Elektroden mit den Zellenpolen verbinden,

F i g. 5 eine abgewandelte Ausführungsform nach F i g. 3 und

F i g. 6 einen Teil-Querschnitt durch den Zellenpol eines weiteren Ausführungsbeispieles.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Knopfzelle dargestellt, welche aus einem Zellengefäß 10, aus einem sythetischen Kunststoff, z. B. aus einem thermoplastischen, schlagfesten Styrol-Acrylnitril-Butadien-Mischpolymerisat besteht, dem ein Deckel 20 zugeordnet ist. Das Zellengefäß 10 enthält eine Anodenmasse 16 (z. B. Silberoxyd) und besitzt im Boden eine Öffnung 11, durch welche der Schaft 13 eines Zellenpoles 12 hindurchragt. Dieser Zellenpol ist mit einem ringförmigen Kragen 14 versehen, welcher auf dem Boden des Zellengefäßes 10 aufliegt. Zwischen der Anodenmasse 16 und der Kathodenmasse 26 (welche aus einem elektrochemisch aktiven Zink oder Cadmium bestehen kann), ist ein Separator 17 aus Zellulosematerial angeordnet. Die Kathodenmasse ist von einem oberen Ring 19 umfaßt. Das Zellengefäß 10 ist von einem Deckel 20 verschlossen, der mit seinem Rand 18 eingreift und auf übliche Weise mit der Gefäßwandung verschlossen ist. Dieser Deckel 20 besitzt ebenfalls eine zentrische Öffnung 11', durch welche der Schaft 23 eines Zellenpoles 21 hindurchragt. Der Zellenpol 21 hat einen ringförmigen Kragen 25, welcher auf dem Deckel 20 aufliegt und an diesem befestigt ist.

Die Zellenpole 12 und 21 bestehen beide aus einem gesinterten Stoff, der mit synthetischem Kunststoff imprägniert ist und durch Schweißung, thermische Behandlung oder durch Ultraschallschweißung an dem Zellengefäß 10 und Deckel 20 entlang der ringförmigen Kragen zu befestigen ist. Da das Imprägnieren des porösen Körpers mit dem synthetischen Kunststoff einen nichtleitenden Kunststoffüberzug an den Zellenpolen verursacht, sind die einander gegenüberliegenden Flächen 23' und 23" des Zellenpoles 21 von dem synthetischen Kunststoff z. B. durch Abreiben mit Schmirgelpapier freigelegt und mit je einem Metallkontakt 22 bzw. 24 verschweißt. Der Metallkontakt 22 bildet die äußere Anschlußfläche für die Batterie und der Metallkontakt 24 stellt eine elektrische Verbindung mit der Kathodenmasse 26 her.

Auf ähnliche Weise sind auch die einander gegenüberliegenden Flächen 12', 12" des Zellenpols 12 freigelegt und mit je einem der Metallkontakte 15 bzw. 27 versehen, die mit der Anodenmasse 16 verbunden sind bzw. eine äußere Anschlußstelle bilden.

Beispiel I:

Der in F i g. 3 dargestellte und einen Durchmesser von etwa 2 cm aufweisende Zellenpol 21 wird aus

ίο einer Masse aus Silberteilchen mit einer Korngröße zwischen etwa 10 und 50μ zu der in Fig. 3 dargestellten Gestalt geformt. Die geformte Masse wird in einen Sinterofen bei einer Temperatur von etwa 600° C zu einer zusammenhängenden Masse erhitzt, wobei ein Druck von 140 kg/cm² aufgewendet wird. Die ermittelte Dichte des gesinterten porösen Anschlußkörpers beträgt etwa 3,5 g/cm³. Eine wäßrige Lösung eines Kunststoffes aus Styrol-Acrylnitril-Butadien wird durch Lösen dieses Materials in Methyläthylketon bei einer etwas unterhalb des Verdampfungspunktes des Lösungsmittels liegenden Temperatur hergestellt. Der poröse Zellenpol wird dann durch Eintauchen mit der Lösung imprägniert, nachdem er einem Unterdruck ausgesetzt war (etwa 25 mm Quecksilbersäule 5 Minuten lang), so daß die Lösung tief in die Poren eindringt eine Gewichtszunahme von etwa 80 bis 90 % erfolgt. Das Lösungsmittel wird langsam entfernt, so daß der Kunststoffanteil des Zellenpols praktisch porenfrei ist. Durch eine Ultraschallimprägnierung wird das Eindringen des Kunststoffes in die Poren des Metalles erleichtert, indem die porösen Zellenpole einer Hochfrequenzschwingung (10 000 bis 500 000 Schwingungen pro Sekunde) ausgesetzt werden können. Sobald die Verdampfung des Lösungsmittels abgeschlossen ist, also kein weiterer Gewichtsverlust stattfindet, werden die oberen und unteren Flächen 23' und 23" der Zellenpole mit einer Drahtbürste oder einer Schmirgelscheibe poliert, um die betreffenden blanken Metallflächen freizulegen, auf denen ein dünner Metallkontakt 22 bzw. 24 aus Silber oder Kupfer aufgebracht wird. Die Befestigung kann durch Punktschweißung oder Ultraschallschweißung auf übliche Art ausgeführt werden, wobei die Metallkontakte eine Dicke von etwa 10 μ haben. Schließlich werden die auf diese Art und Weise hergestellten Zellenpole 12, 21 in die Öffnungen 11, 11' des Zellengefäßes 10 und Deckels 20 eingesetzt. Zellengefäß 10 und Deckel 20 bestehen ebenfalls aus Styrol-Acrylnitril-Butadien-Kunststoff.

Die Elektroden und der Separator werden dann auf übliche Art und Weise in das Zellengefäß 10 und den Deckel 20 eingebaut, welche durch ein Lösungsmittel dicht miteinander verbunden werden. Die ZeI-lenpole haben Kragen 14, 25, welche auf dem Boden des Zellengefäßes bzw. dem Deckel aufliegen und mit Hilfe von Methyläthylketon daran dichtend befestigt werden, indem dieses zwischen die Flächen fließt und ein Druck aufgewendet wird, der eine als Lösungsmittelschweißung bezeichnete Verbindung schafft. Für die Silberteilchen wurden Sintertemperaturen zwischen 300 und 800° C als geeignet ermittelt.

Beispiel II:

Ein zylindrischer Zellenpol aus Kupfer, der durch eine Öffnung eines Polyäthylen-Zellengefäßes paßt und einen Durchmesser von etwa 1 cm und eine Länge von etwa 2,5 cm hat, wird aus Kupferteilchen,

die eine Korngröße von etwa 40 μ haben, bei einer Temperatur von 700° C und einem Druck von etwa 500 kg/cm² gesintert, so daß eine Dichte von 8 g/cm³ erhalten wird. Der Sinterkörper wird mit flüssigem Polyäthylen bei einer Temperatur imprägniert, bei 5 welcher dieses leicht in die Zwischenräume des Sinterkörpers fließt. Der imprägnierte Körper wird dann zur Herstellung der erforderlichen Kontaktflächen poliert und anschließend als Zellenpol an das Zellengefäß und den Deckel durch Heißversiegelung ange-

schlossen. .

Beispiel ΙΠ:

Ähnlich dem Beispiel II werden Nickelteile von einer durchschnittlichen Korngröße von 25 μ bei einer Temperatur von etwa 1000° C zu einer Dichte von etwa 4 g/cm³ bei einem Druck von 700 kg/cm² gesintert. Der rechteckige Sinterkörper hat eine Dicke von 60 μ und eine Kontaktfläche von etwa 2 cm². Der poröse Nickelkörper erlangt nach der Behandlung mit verflüssigtem Polyamid eine Gewichtszunähme von etwa 90% und wird dann an ein Zellengefäß und einen Deckel aus Polyamid durch Ultraschallschweißung (bei einer Frequenz von etwa 3 Millionen Schwingungen/sec) befestigt. Gewöhnlich liegt die Gewichtszunahme der mit dem synthetischen Kunststoff imprägnierten porösen Elemente zwischen 80 und 90%; Sintertemperaturen von 800 bis 850° C bzw. 600 bis 1200° C erweisen sich für Kupfer bzw. Nickel als geeignet. Übliche Polyamidkleber lassen sich ebenfalls zur hermetisch dichten Verbindung der mit Polyamid imprägnierten Körper an die Zellengehäuse verwenden. Es ist festgestellt worden, daß Korngrößen zwischen 10 und 50 μ für diese Ausführung geeignet sind.

In F i g. 4 ist eine Abwandlung dargestellt, bei der ein leitender Metallkern 41 mit metallischen Leitern

43 und 45 durch Punktschweißung bei Schweißstelle

44 befestigt ist. Die metallischen Leiter 43, 45 und der Metallkern 41 sind innerhalb des Zellengefäßes 40 in einen ringförmigen Mantel 46 aus einem gesinterten Material eingeschlossen, der mit einem synthetischen Kunststoff imprägniert ist, wodurch eine Isolierung 47 des Mantels 46 entsteht, der ein Brüchigwerden der metallischen Leiter und ein Wandern aktiven Materials verhindert. Die metallischen Leiter 43 und 45 sind auf übliche Art und Weise an den Gittern 50, 51 befestigt, die die aktive Masse 48, 49 der Elektroden tragen. Die Separatoren 52 halten die Anodenmasse im nötigen Abstand von der Kathodenmasse 53. Die positiven Elektroden bestehen vorzugsweise aus Silber/Silber-Oxyd, während das negative Material Zink oder Cadmium enthalten kann und die Separatoren 52 aus einer Zellulosemembran bestehen. Der Mantel 46 ist bei Öffnung 42 am Zellengefäß 40 in der vorbeschriebenen Art und Weise befestigt. In den F i g. 5 und 6 sind weitere Ausführungen gezeigt, bei denen der gleiche Grundgedanke zur Anwendung gelangt. In F i g. 5 ist der aus porösem Material bestehende Mantel 62 auf dem Metallkern 61 bei dessen Sinterung angebracht worden und der mit synthetischem Kunststoff imprägnierte Mantel wird dann mit dem Zellengefäß 60 verbunden. Die F i g. 6 zeigt, wie der poröse Sinterkörper 68 mit zwei Kernteilen 64 und 65 verbunden werden kann, die Zapfen 66, 67 besitzen, um eine größere Festigkeit zu erhalten. Der Sinterkörper 68 wird nach dem Imprägnieren mit Kunststoff mit dem Zellengefäß 63 verbunden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stromleitende Anschlußeinrichtung für gasdichte galvanische Elemente, bestehend aus zwei als Zellenpole dienenden elektrisch leitenden Kunststoffteilen, die durch öffnungen eines Kunststoffgefäßes hindurchführen, mit ihm verschweißt und im Inneren des Kunststoffgefäßes mit den Elektroden leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zellenpol (12, 21) aus einem porösen Sinterkörper aus elektrisch leitendem Material besteht, der mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff imprägniert und durch die Kunststoffimprägnierung im Bereich der öffnung (11, 11') des Zellengefäßes dicht mit dem Zellengefäß verschweißt ist.

2. Stromleitende Anschlußeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Sinterkörper des Zellenpoles (12, 21) einen ringförmigen Kragen (14, 25) hat, der im Bereich der Gefäßöffnung (11, 11') flächig gegen die Wände von Zellengefäß und Deckel (10, 20) anliegt und durch die Kunststoffimprägnierung mit diesem verschweißt ist.

3. Stromleitende Anschlußeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder positive oder negative Zellenpol einen leitenden Metallkern (41) aufweist, wobei der poröse und durch seine Kunststoffimprägnierung mit dem . Zellengefäß verschweißte Sinterkörper einen ringförmigen Mantel (46) bildet, der im Bereich der Gefäßöffnung (11, 11') den Metallkern (41) umgibt.

4. Stromleitende Anschlußeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse, aus elektrisch leitendem Material bestehende, mit Kunststoff imprägnierte und mit der Gehäuseöffnung (11, 11') verschweißte Sinterkörper des Zellenpoles (12, 21) auf seinen einander gegenüberliegenden Flächen (12', 12", 23', 23") nach Freilegung dieser Flächen vom Kunststoff mit einem Metallkontakt (22, 24, 15, 27) versehen ist.