DE1596146B1 - Galvanisches lagerelement bei welchem eine elektrode durch eine isolierschicht vom elektrolyten getrennt ist die bei der aktivierung durch mechanische kraefte zerstoert wird - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein galvanisches Grund der regelmäßig thermischen Vorgängen an-Lagerelement, bei welchem eine Elektrode durch eine haftenden Trägheit eine große Zeitverzögerung, die Isolierschicht vom Elektrolyten getrennt ist, die bei die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Beder Aktivierung des Elementes durch mechanische dingungen, z. B. kurzzeitige Aktivierung, nicht zuKräfte zerstört wird. 5 läßt.

Lagerelemente werden im inaktivierten Zustand Bekannt ist schließlich eine Trockenzelle, mit der

hergestellt und vor der Verwendung aktiviert. Der- gegen die Erscheinung Abhilfe geschaffen werden artige Elemente müssen in spezieller Anwendbarkeit, soll, daß derartige Trockenzellen durch Leckströme z. B. in der Raketentechnik und beim Militär, in der nach einigen Monaten Lagerung unbenutzbar wer-Lage sein, 90 °/o ihrer Spitzenspannung bei Nenn- io den. Bei der bekannten Zelle wird Zink auf der mit strom etwa über den gesamten Temperaturbereich der anderen Elektrode in Kontakt zu bringenden von ungefähr —54 bis +74° C in 1 oder 2 Sek. nach Fläche mit einer beständigen Isolation abgedeckt, der Auslösung freizugeben. Man unterscheidet bisher Als Isolations- oder Trennmaterialien stehen durch drei Gruppen von Lagerelementen: Wärme oder mechanische Kräfte zerstörbare Stoffe,

1. Flüssigkeitsaktivierte, 2. gasaktivierte und 3. 15 unter anderem auch Glasmaterialien zur Verwenwärmeaktivierte Elemente. dung. Auch diese bekannte Trockenzelle ist in nach-

Flüssigkeitsaktivierte Lagerelemente erfordern die teiliger Weise nicht in einer ausreichend kurzen Zeit Zugabe des Elektrolyten oder Elektrolytlösungsmit- aktivierbar.

tels zu dem im übrigen vollständigen Element. Gas- Es besteht daher die Aufgabe der vorliegenden

aktivierte Elemente erfordern die Zugabe eines Ga- 2° Erfindung, ein galvanisches Lagerelement der einses. Die vorgenannten Elementenarten besitzen wegen gangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine plötzder Aktivierungsmethode Nachteile, denn jedes die- liehe kurzzeitige und vollständige Aktivierung ermögser Elemente erfordert einen getrennten Aufbewah- licht wird, wobei das Lagerelement baulich klein gerungsbehälter für die Aktivierungsflüssigkeit oder das halten und kompakt ist und eine hohe Energiedichte Aktivierungsgas, entweder als Teil des Elementen- 25 im aktivierten Zustand gewährleistet ist.
Systems oder von diesem gesondert. Ein solcher Auf- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch ge-

bewahrungsbehälter nimmt jedoch wertvollen Raum löst, daß die vom Elektrolyten getrennte Elektrode ein und erhöht das Gewicht. Solch ein Aufbewah- innerhalb des Gehäuses beweglich angeordnet ist, so rungsbehälter kann 50% des Gesamtgewichtes und daß die Isolierschicht bei der Bewegung der Elek-Gesamtvolumens ausmachen. Außerdem führt bei 30 trode zerstört wird. Durch diese Maßnahme ist erst-Batterien, die aus mehreren Elementen bestehen, der mais eine hohe Energieleistung mit einem geringen übliche Lösungsmittel-Elektrolytweg zu Undichtig- Gewicht und kleinem Volumen des Lagerelementes keiten zwischen den Elementen, ungeachtet der Vor- kombiniert, wobei das neue Lagerelement im Temsichtsmaßnahmen, die hierfür getroffen werden. peraturbereich zwischen etwa —54 und +74° C

Es sind bereits Elemente bekannt, in denen als 35 90 % seiner Spitzenspannung bei geschlossenem Elektrolytlösungsmittel-flüssiger Ammoniak verwen- Stromkreis abgibt, und zwar in weniger als 10 MiIIidet wird. Diese Lagerelementsysteme können durch Sekunden nach Auslösung. Es ist auch kein äußerer Einführung flüssigen Ammoniaks, z. B. durch Zu- Behälter für Aktivierungsflüssigkeit oder -gas mehr gäbe von flüssigem Ammoniak als solchem, oder erforderlich. Ein wesentlicher Gedanke der Erfindurch Zugabe von Ammoniak im Dampfzustand, der 40 dung besteht darin, daß sich der Elektrolyt und die dann in situ in der Zelle zur Flüssigkeit kondensiert, daran angrenzende positive Elektrode sich zueinander aktiviert werden. In nachteiliger Weise sind diese be- in ihrer Arbeitslage befinden, wobei das aktive Makannten Systeme raumaufwendig und nicht schnell terial mit dem flüssigen Elektrolyten benetzt und in genug. innigem Kontakt ist, und daß ferner die vom Elektro-

Das gleiche trifft auch für die bekannten Elemente 45 lyten getrennte negative Elektrode sich ebenfalls im vom Lechlanche-Typ zu, die sogenannte Trocken- wesentlichen in ihrer Betriebslage befindet, lediglich zellen sind. Außer dem Nachteil, daß sie keine sehr durch die Isolierschicht getrennt, die innerhalb sehr schnelle Aktivierung ermöglichen, sind sie ferner kurzer Zeit durchbrochen werden kann. Die Zerstönicht zur Fernaktivierung geeignet und können auch rung der Isolierschicht kann beispielsweise dadurch nicht in den gewünschten Temperaturbereichen ver- 50 erreicht werden, daß sie über ihre Festigkeit hinaus wendet werden. beansprucht wird. In vorteilhafter Weise bewegt sich

Es ist weiterhin eine Vorrichtung bekannt, mit der der Elektrolyt von der positiven Elektrode nicht in einer elektrochemischen Zelle eine innere Kriech- wesentlich fort, und die negative Elektrode bewegt Stromsperre erreicht wird, so daß die elektrischen sich nicht wesentlich in den Elektrolyten hinein. Die Verluste der Zelle selbst dann vermieden werden, 55 Berührung des positiven aktiven Materials mit dem wenn der äußere Stromkreis über nicht vermeidbare flüssigen Elektrolyten bietet ein vorgefertigtes Lager-Kriechstromwege geschlossen ist. Mit den bekannten element, das lediglich eine Berührung der negativen Maßnahmen wird es möglich, der regelmäßig bei Elektrode mit dem flüssigen Elektrolyten zur Aktivieelektrochemischen Zellen beobachteten Alterung ent- rung erfordert, wobei die zeitliche Verzögerung der gegenzuwirken. Dies geschieht dadurch, daß die Ver- 60 Aktivierung infolge der Benetzungszeit der positiven bindung zwischen dem Elektrolyten und den beiden Elektrode ausgeschaltet wird.

Elektroden im Ruhezustand der Zelle unterbrochen Der Elektrolyt ist also bereits in seiner Betriebsund erst bei deren Aktivierung hergestellt wird. Zu lage im Element in innigem Kontakt mit der posidiesem Zwecke wird bei der bekannten Vorrichtung tiven Elektrode, und es ist kein wesentliches Fließen der negative Pol im Ruhezustand der Zelle durch 65 des Elektrolyten nötig, um den Kontakt mit der negaeine ausschließlich thermisch zerstörbare Trenn- tiven Elektrode herzustellen. Durch die beschriebeschicht gegen den Elektrolyten isoliert. In nachteili- nen sehr geringen Relativbewegungen kann das Voger Weise ergibt sich bei der bekannten Zelle auf lumen des Lagerelementes gemäß der Erfindung sehr

ORIGINAL INSPECTED

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klein gehalten werden, es braucht zumindest nach der Einrichtung betreffen. Das Elementengehäuse 1 der Aktivierung nicht größer zu sein als vor der Akti- besteht z. B. aus Stahl. In der gezeigten Konstruktion vierung. Das einzige zusätzliche Gewicht besteht in dient die negative Elektrode als Deckel des Gehäuder Isolierschicht, das jedoch in der Regel klein ist. ses, obwohl selbstverständlich die negative Elektrode Das erfindungsgemäße Lagerelement kann aus der 5 auch eingeschlossen sein kann. Mit dem Ansatz 3 Entfernung aktiviert werden, etwa mit Hilfe von kann ein Bleidraht oder eine andere elektrische Leihohen G-Kräften, die bei der Beschleunigung, so- tung verbunden werden. Die negative Elektrode 2 ist wohl bei Linear- als auch Drehbewegung, mit Hilfe von dem Gehäuse 1 durch einen nicht leitfähigen positiver oder negativer Beschleunigung, Stoß oder Kunststoff 4, wie Polyäthylen, isoliert. Die andere Detonation, auftreten. Hierdurch wird die Isolier- io Elektrode ist durch das positive Material dargestellt, schicht zerstört. das von dem Gehäuse 1 ebenfalls durch ein nicht-

Bei vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist leitendes Material 4 isoliert ist. Ein leitender gegen die Isolierschicht einen zentralen, membranartigen das Gehäuse 1 isolierter Ansatz 6, der von dem Ma-Abschnitt verminderter Dicke nahe der Grundfläche terial 5 wegführt, ist zur Herstellung einer elektrider negativen Elektrode auf, und diese ist durch die 15 sehen Verbindung vorgesehen. Flüssiger Elektrolyt 7 Elektrode zerstörbar und verschiebbar angeordnet. kann durch die schließbare Öffnung 8 in das Element Diese Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise eingegeben werden. Eine membranartige Isoliereine noch kürzere Aktivierungszeit ergeben, da die schicht 9, welche die negative Elektrode 2 von dem zylinderförmige Führung oder isolierende Hülse um Elektrolyten 7 trennt, wird durch einen Ring 10 gedie negative Elektrode herum durch Füße starr mit 20 halten, der von Armen 11 getragen wird. Die Isolierdem Gehäuse des Lagerelementes verbunden ist, schicht 9 kann aus dem gleichen Material wie der während die negative Elektrode beweglich angeord- Ring 10 bestehen und lediglich eine verdünnte Zone net ist und bei einem entsprechenden Stoß sofort besitzen. Wie gezeigt, erstreckt sich die Isolierden membranartigen Abschnitt verminderter Dicke schicht 9 im wesentlichen über die Bodenfläche der durchstoßen bzw. zerstören wird. Die Beschädigung 25 negativen Elektrode 2. Der Raum zwischen der Elek- oder Zerstörung der Isolierschicht und des mem- trode2 und der Isolierschicht 9 wurde zum Zweck branartigen Abschnittes kann durch Zerschneiden, der Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt, doch Durchstoßen, Zerbrechen oder Zerreißen erreicht kann die negative Elektrode 2, solange das Element werden. Als Material für die Isolierschicht kann bei- gelagert wird und nicht aktiviert ist, in unmittelbarer spielsweise getempertes Glas, das leicht zerbrechlich 30 Berührung mit der Isolierschicht 9 liegen. Die posiist, zerbrechliche Harze od. dgl., verwendet werden. tive Masse besteht aus Depolarisationsmaterial, so Ein elastischer Kunststoff kann zerschnitten, durch- daß im wesentlichen jedes Teilchen in inniger Bestoßen oder zerrissen werden, wenn man auf ihn eine netzungsberührung mit dem flüssigen Elektrolyten Kraft ausübt, die größer als seine Dehnfestigkeit ist, steht und somit eine Benetzungsverzögerung an der so daß auch diese Materialien für die Isolierschicht 35 positiven Elektrode bei Aktivierung des Lagerelemenin Frage kommen. Ferner kann man auch einen tes ausgeschaltet wird. Obwohl die Konstruktion und Filmüberzug aus einem Elastomer verwenden, der Formgebung der positiven Elektrode variieren kann, auf der negativen Elektrode aufgebracht und so aus- ist in der Zeichnung eine spezielle Form durchlässigeführt ist, daß er sich von der Oberfläche abschält ger Struktur dargestellt. Bei dieser steht jedes Teiloder von ihr wegfließt, wenn hohe G-Kräfte ausgeübt 40 chen ganz in Berührung mit dem flüssigen Elektrowerden. Selbstverständlich muß das genannte Ma- lyten, wodurch sich eine bessere und schnellere Aktiterial der Isolierschicht für den Elektrolyten un- vierung und Leistung ergeben.

durchlässig und inert gegenüber ihm sein, so daß die Die Aktivierung des in den F i g. 1 und 2 gezeigten

negative Elektrode von dem flüssigen Elektrolyten Elementes nach deren elektrischer Verbindung zu

physikalisch und chemisch getrennt ist. 45 einem Stromkreis, d. h. zur Energiegewinnung bei der

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmög- Aktivierung, wird in der Weise durchgeführt, daß

lichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich man auf die Isolierschicht 9 eine vorbestimmte Be-

aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang anspruchung ausübt, die deren Festigkeit übersteigt,

mit den Zeichnungen. Es zeigt Dies kann durch G-Kräfte erfolgen, die bei der

F i g. 1 die Draufsicht eines Lagerelementes nach 50 schnellen Beschleunigung aus dem Haltezustand auf-

der Erfindung, treten. Beispielsweise werden in einer Rakete oder

Fi g. 2 einen senkrechten Schnitt des Elementes in einem Geschoß in wenigen Millisekunden Kräfte von

F i g. 1 entlang Linie 2-2 in vergrößerter Darstellung, mehreren Tausendfachen der Erdbeschleunigung

F i g. 3 eine Draufsicht eines anderen Lagerelemen- gegenüber der Ruhelage erreicht. Eine ähnliche Be-

tes nach der Erfindung, 55 anspruchung kann durch Zentrifugalkräfte erreicht

F i g. 4 einen senkrechten Schnitt des Elementes in werden, wenn das Lagerelement Teil einer sich dre-

F i g. 3 entlang der Linie 4-4 in vergrößertem Maß- henden Konstruktion ist. Die Isolierschicht 9 kann so

stab, ausgeführt sein, daß sie bei Erreichen einer Kraft

F i g. 5 einen senkrechten Schnitt durch eine zer- vorbestimmter Größe zerbricht. Solch eine Beansprustörbare Isolierschicht zwischen einer Elektrode und 60 chung kann auch durch plötzliches Abstoppen erdem Elektrolyten, einer weiteren Ausführungsform reicht werden, z. B. wenn eine Rakete in die Atmoder Erfindung in vergrößerter Darstellung und Sphäre eintritt oder mit einem anderen Gegenstand

F i g. 6 einen vergrößerten senkrechten Schnitt zusammenstößt. Die G-Kräfte können direkt auf die einer weiteren Ausführungsform einer zerstörbaren Isolierschicht 9 einwirken und deren Zerbrechen verIsolierschicht zwischen einer Elektrode und dem 65 Ursachen, wenn sie zerbrechlich ist, z. B. aus getem-Elektrolyten. pertem Glas oder einem zerbrechlichen Harz besteht.

Die Fig. 1 und 2 können zusammen betrachtet Eine Beanspruchung der Isolierschicht9, die durch

werden, da gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente die negative Elektrode 2, die gegen sie gepreßt ist,

durch G-Kräfte oder eine andere äußere Kraft abwärts auf die negative Elektrode 2 verursacht wird, kann ebenfalls dazu beitragen, die Isolierschicht 9 ganz oder teilweise zu zerstören. Andererseits können auch Beanspruchungen, die unabhängig von G-Kräften oder Druck von der Elektrode 2 sind, auf die Isolierschicht 9 einwirken, wie etwa Hitzeschock, piezoelektrische Wirkungen od. dgl. Auf jeden Fall liefert eine Zerstörung der Isolierschicht 9, wenn diese einer vorbestimmten Beanspruchung ausgesetzt wird, eine im wesentlichen augenblickliche Berührung zwischen der negativen Elektrode 2 und dem Elektrolyten 7 und damit eine im wesentlichen augenblickliche Aktivierung des vorgefertigten Lagerelementes.

In den F i g. 3 und 4 ist eine Ausführungsform gezeigt, in der die Isolierschicht infolge von Scherkräften zerbrochen werden kann, die von der negativen Elektrode ausgeübt werden. Das Gehäuse 21 des Elementes, die nichtleitende Isolation 24, das positive Material 25, der Kontaktansatz 26 und der flüssige Elektrolyt 27 können ähnlich jenen Elementen sein, die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurden. Die negative Elektrode 22, die mit einem Kontaktansatz 23 versehen ist, wird von dem elastischen Teil 28 getragen und in einer zylindrischen Hülse 30 aus isolierendem Material gehalten. Die Isolierschicht 29 kann einfach aus einem verdünnten Teil des Materials bestehen, aus dem die Hülse 30 gefertigt ist, oder sie kann auch aus einem anderen Material bestehen. Die Hülsen-Isolierschicht-Konstruktion kann etwa durch Arme 31 abgestützt sein, so daß ein mit dem Elektrolyten 27 gefüllter Raum zwischen dem zentralen, membranartigen Abschnitt 29 und der Isolationswand des Elementenbodens gebildet wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Aktivierung dadurch erreicht, daß man eine Kraft abwärts über die negative Elektrode 22 ausübt. Der resultierende Druck, der durch den Boden der negativen Elektrode 22 auf den zentralen, membranartigen Abschnitt 29 ausgeübt wird, drückt den Abschnitt 29 von der Hülse 30 weg und bewirkt einen augenblicklichen Kontakt zwischen der negativen Elektrode 22 und dem Elektrolyten 27 unter gleichzeitiger Aktivierung des vorgefertigten Lagerelementes.

In F i g. 5 ist eine weitere Einrichtung zur Zerstörung der Isolierschicht zwischen der negativen Elektrode und dem flüssigen Elektrolyten gezeigt. Die negative Elektrode 42, die etwa durch ein elastisches Teil 43 getragen wird, besitzt Keilform und sitzt in einem ähnlich geformten Isolierschichtteil 44 aus zerbrechlichem Material. Eine Kraft, die abwärts auf die Elektrode 42 ausgeübt wird, liefert nach außen auf die Wände des Teils 44 wirkende Kräfte, bis dessen Dehnfestigkeit überschritten wird. Ein Zerbrechen der Isolierschicht 44 liefert wieder eine augenblickliche Berührung zwischen der Elektrode 42 und dem Elektrolyten 45 unter gleichzeitiger Aktivierung des vorgefertigten Lagerelementes.

F i g. 6 erläutert noch eine weitere Einrichtung zur Zerstörung der Isolierschicht zwischen der negativen Elektrode und dem Elektrolyten. Bei dieser Ausführungsform ist die negative Elektrode 52 fest montiert, so daß sie in die Masse des flüssigen Elektrolyten 54 hineinragt. Die Elektrode 52 ist mit einem die Isolierschicht darstellenden Trennüberzug 53 aus Kunststoff versehen, der sich unter hohen G-Kräften ablösen kann. Läßt man auf eine solche überzogene negative Elektrode hohe G-Kräfte in Abwärtsrichtung einwirken, so verursacht dies ein Abschälen der Isolierschicht oder ein Ablösen nach unten, so daß die Elektrode 52 dem Elektrolyten 54 ausgesetzt wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Galvanisches Lagerelement, bei welchem eine Elektrode durch eine Isolierschicht vom Elektrolyten getrennt ist, die bei der Aktivierung des Elementes durch mechanische Kräfte zerstört wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Elektrolyten getrennte Elektrode (2,22,42, 52) innerhalb des Gehäuses (1) beweglich angeordnet ist, so daß die Isolierschicht (9) bei der Bewegung der Elektrode zerstört wird.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (9) einen zentralen, membranartigen Abschnitt (29) verminderter Dicke nahe der Grundfläche der negativen Elektrode (22) aufweist und diese durch die Elektrode (22) zerstörbar und verschiebbar angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen