DE1696569C3 - Wiederaufladbare Akkumulatorenzelle mit einem spiralig um einen Kern gewickelten Elektrodenpaket - Google Patents

Description

4. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 2 oder zwei Hälften gefalteten Separatorstreifens in nächster 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbin- 35 Nähe des Kerns befindet, wobei die umhüllte Elekdungsstreifen (17) ein Klebeband ist. trade am entgegengesetzten Ende nur mit dem Ablei-

5. Akkumulatorenzelle nach einem der vorher- terstreifen über die Separatorstreifenhälften vorsteht gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, und die positive Elektrode unumhüllt der umhüllten daß die umhüllte negative Elektrode (20) einen negativen Elektrode anliegt.

auf beiden Seiten von Zinkstreifen (28, 30) beleg- 40 Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die inten Ableiterstreifen (26) aus Kupfer beinhaltet. nere Kante der negativen Elektrode gegenüber dem

6. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 5, da- Kern mechanisch und galvanisch isoliert ist und die durch gekennzeichnet, daß der Ableiterstreifen positive Elektrode unmittelbar gegen einen stromlci-(26) mit seinem vorstehenden Ende um das üb- tenden Kern anliegt. Eine Brückenbildung durch rige Elektrodenpaket gewickelt ist. 45 Zinkablagerung und hierdurch verursachte Kurz-

7. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 6, da- Schlüsse werden hierdurch verhindert. Der Elektrodurch gekennzeichnet, daß das vorstehende Ende dcnwickel ist darüber hinaus von besonders einfades Kupferstreifens durch ein Klebeband (48) in chem Aufbau und schnell auf den Kern aufwickelseiner Lage festgehalten wird. bar.

50 Vorzugsweise ist der Elektrodenwickel an der Bug-

stelle durch einen Verbindungsstreifen an den Kern

angeschlossen. Auch kann der Kern stromleitend

Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Ak- ausgebildet und mit der nicht umhüllten positiven

kumulatorenzelle mit einem spiralig innerhalb eines Elektrode verbunden sein. Als Verbindungsstreifen

Gehäuses um einen Kern gewickelten Elektrodenpa- 55 kann ein einfaches Klebeband Verwendung finden,

ket, das im wesentlichen aus wenigstens zwei strei- Die umhüllte negative Elektrode beinhaltet hingegen

fenförmigen Elektroden entgegengesetzter Polarität vorzugsweise einen auf beiden Seiten von Zinkstrei-

und einem oder mehreren diese trennenden, quellba- fen belegten Ableiterstreifen aus Kupfer. Dabei kann

ren und elektrolytdurchlässigen Separatoren besteht, dieser Ableiterstreifen mit seinem vorstehenden Ende

wobei der Elektrodenwickel das Gehäuse unter 60 um das übrige Paket gewickelt sein, welches durch

Druck ausfüllt und hat eine besonders zweckmäßige ein Klebeband in seiner Lage festgehalten wird.

Ausgestaltung zum Gegenstand, durch weiche die Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeich-

Lebensdauer der Zelle wesentlich vergrößert wird. nung an Hand mehrerer Beispiele näher erläutert,

Akkumulatorenzellen dieser Art, bei denen das und zwar zeigt

Elektrodenpaket um einen Kern gewickelt ist, haben 65 F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Akkumuladen Nachteil, daß besonders schwierige Maßnahmen torenzelle,

zur Isolierung der Innenkanten der Elektrodenstrci- F i g. 1 A eine seitlich«; Ansicht einer weiteren

fen und zu ihrem stromleitenden Anschluß an den Ausführung mit einem dielektrischen Gehäuse,

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F i g. 2 ein Elektrodenpaket vor dem Aufwickeln in einem Grundriß,

F i g. 3 ein E'iektrodenpaket vor dem Aufwickeln in einer seitlichen Ansicht,

F i g. 4 ein Elektrodenpaket nach dem Aufwickeln in einer seitlichen Ansicht und

F i g. 5 den Gegenstand der F i g. 1 in einem Querschnitt.

Der in den F i g. 1 bis 5 dargestellte Akkumulator besteht aj3 einem becherförmigen Zeilengehäuse 10, der von einem Deckel 12 verschlossen und in dem ein Elektrodenpaket 14 angeordnet ist. Das Elektrodenpaket 'besteht aus länglichen, streifenförmigen Elektroden und Separatoren, die flach aufeinander liegen und unter Bildung eines mehrschichtigen Zylinders spiralförmig um den Kern 16 gewickelt sind. Vorzugsweise ist das Elektrodenpaket an einem Ende des Kerns 16 mechanisch oder mittels eines Verbindungsstreifens 17, z. B. eines Klebebandes befestigt und zylinderförmig aufgewickelt. Der Kern füllt dabei den zentralen Hohlraum im Zylinder aus. Der Zylinder muß wenigstens eine Windung haben, hat aber vorzugsweise eine größere Anzahl von Windungen. Während der abgebildete Zylinder einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, können auch elliptische und anders geformte Querschnitte Verwendung finden.

Das Elektrodenpaket umfaßt eine negative Elektrode 20 aus Zink bzw. Zinkoxid, Separatoren 22, weiche den Elektrolyt absorbieren, jedoch keine Elektrodenmasse durchlassen und eine positive Elektrode 24, welche Silberoxid enthält. Ein geeigneter Elektrolyt ist Alkali-, Natrium- oder Kaliumhydroxid. Die negative Elektrode 2« ^μ?«*«·Μ aus einem Ableiterstreifen 26 aus amalgamiertem Kupfer, zwei Zinkstreifen 28, 30, welche den Kupfcrs'^eifen bcdekken und zwei Zinkoxidstreifen 32, 34, welche 0,5 bis 5°/o Quecksilberoxid enthalten. Es können auch ähnliche Systeme aus Quecksilberoxid und Zink. Silbeioxid und Cadmium, Nickeloxid und Zink und Mangandioxid und Zink hergestellt sein.

Der Separator 22 kann aus mehreren Schichten semipermeabler Separatorstreifen 36, 38 und 40 bestehen, z. B. aus Cellophan, Wursthüllenhaut sowie aus einem benetzbaren Material 42. Jedes Teil des Separators ist vorzugsweise von gleicher Dicke und Kompressibilität.

Die Separatorstreifen sind zum Teil quellbar, z. B. aus Material regenerierter Cellulose und Polyvinylalkohol. Als nicht quellbares Material 42 ist Nylon, Perlon, Polyäthylen, Polypropylen u. dgl. geeignet.

Die schnialstreifige Zinkelektrode hat ein niedriges Verhältnis Höhe zur Länge und insbesondere ein Verhältnis nicht überl, damit eine Formänderung der Elektrode auf ein Mindestmaß gehalten wird. Die Zinkelektrode ist höher als die Silberelektrode und hat einen gegenüber der Silberelektrode nach oben überstehenden Randteil aus Zink-Zinkoxid. Der Separator 22 überragt sogar beide Elektrodenstreifen, um die Randteile zwischen den benachbarten Elektroden an Kopf und Boden voneinander zu isolieren.

Die Zink- bzw. Zinkoxidstreiieii sollten etwa 1,6 bis 6,3 mm über die Silberstreifen vorstehen. Der Separator hingegen soll über den Silberstreifen oben 9,5 bis 12,7 mm und am unteren Rand etwa 1,6 mm überstehen.

In einer 5Ah-ZeIIe sind die Elektrodenstreifen etwa 254 mm lang und etwa 38,1 mm hoch. Die Zinkelektrode ist etwa 1,06 mm dick. Die Silberelektrode entspricht dem in der Länge, hat aber eine geringere Höhe, wie vorstehend bereits ausgeführt ist.

Ihre Dicke beträgt etwa 0,4 mm.

Zellen mit größeren Kapazitäten haben entsprechend größere Abmessungen, und z. B. eine 250-Ah-Zelle müßte eine Vergrößerung der Elektrodenfläche im Verhältnis von 1 : 50 (5 Ampere-Stunden : 250 Ampere-Stunden) erfahren.

Das trockene Elektrodenpaket sitzt spannungsfrei fest in der Kammer zwischen Kern und Zellengehäuse. Ein isolierter Stromleiter 44, z. B. ein mit einem Isolierüberzug aus Polyäthylen oder Nylon versehener Kupfer-, Silber- oder versilberter Draht, ist elektrisch leitend, z.B. durch Schweißung mit dem negativen Ableiterstreifen 26 und ein isolierter Stromleiter 46 aus Silber, Nickel oder versilbertem Kupfer in ähnlicher Weise mit der positiven Elektrode 24 verbunden. Das Elektrodenpaket ist spiralförmig um den Kern 16 im Zylinder gewickelt und ist in dieser Form mittels geeigneter Einrichtungen befestigt, beispielsweise durch ein Klebeband 48.
Das zylindrische Elektrodenpaket kann kurz in eine Einbettmasse SO, z.B. aus Epoxyharz, gehalten werden, welche den Boden des Elektrodenpaketes abschließt und den Raum zwischen den unteren Elektrodenrändern ausfüllt. Hierdurch kann keine auf den Boden des Elektrodcnpaketes fallende Elektrodenmasse zwischen benachbarten Elektroden Strombrücken bilden. Ein becherförmiger Boden 52 au« einem Isoliermaterial wie beispielsweise Polystyrol ist unter dem Elektrodenwickel befestigt und hält die Einbettmasse fest, bis diese erhärtet ist. Eine Einbettmasse kann auch teilweise am Kopf angebracht werden, doch müssen Vorkehrungen für den Gasausgleich getroffen werden. Die Einbettmasse am Kopf verhindert ebenfalls eine Brückenbildung von Zink und dadurch Kurzschlüsse.

Am Kopf des Elektrodenwickels ist ein becherförmiges Kopfstück 54 aus Isoliermaterial befestigt. Es hat einen ringförmigen Wulst 54 a, welcher die mittlere Platte 55 des Kopfstücks 54 umgibt. In der Platte 55 sind ein, jedoch vorzugsweise mehrere verteilte Perforationen 54 b angeordnet, welche die Benetzung des Elektrodenpaketes erleichtern. Vorzugsweise sind die Perforationen gleichmäßig angeordnet, so daß beim Einfüllen des Elektrolyten auf die Platte eine gleichmäßige Verteilung über die Länge der Se-

paratorteile des Elektrodcnpaketes erfolgt. Die Scheibe hat außerdem einen Schlitz 56, durch den der Stromleiter 46 hindurchführt.

Das in der Zeichnung dargestellte Zellengchäuse besteht aus Metall, beispielsweise aus Kupfer, und

bildet den negativen Pol des Akkumulators. In ihm ist die becherförmige Isolierung 58 aus einem flexiblen Material, beispielsweise einer Gummifolie, angeordnet. Ein Stromleiter 60 ist am Boden innerhalb des Gehäuses befestigt und führt durch einen Schlitz 61 der Isolierung 58. Die Isolierung 58 hat die Aufgabe, eine lokale Reaktion zwischen Zink und dem Metallgehäuse zu verhindern und hierdurch eine Gasbildung zu verhüten. Die Schlitzränder sind über, dem Leiter mittels eines Epoxyharzes 51 wirksam abgedichtet. Das Elektrodenpaket mit Boden 52 und Kopfstück 54 ist innerhalb der becherförmigen Isolierung 58 angeordnet. Der Stromleiter 60 ist an den Stromleiter 44 angeschlossen.

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Wie F i g. 1 A Jieigt, kann an Stelle eines Metallge- paket und ist hermetisch mit dem Rand des Zellengehäuses ein Gehäuse 10 β aus einem geeigneten häuses versiegelt In der dargestellten Ausführung Kunststoff bestehen und äußere Kontaktteile 10 b besteht er aui einer Isolierscheibe 62 mit einer zenaufweisen, an welche die Stromleiter 44 angeschlos- tralen Bohrung 64, durch welche ein Ventil führt, sen sind. Auch besteht die Möglichkeit, ein Metallge- 5 Dieses Ventil besteht aus einem Metallniet, mit häuse an der Innenfläche mit einem Material zu ver- einem Schaft 66 und einem vergrößerten Kopf 68, sehen, welches beim Kontakt mit Elektrode und der die Bohrung 64 übergreift sowie 'einem die Boh-Elektrolyt keine lokale, zu einer Gasbildung füh- rung unterfassenden Kreuzstück 70. Ein Dichtungsrende Reaktion hervorruft. Wenn weder Kunststoff ring 72 ist zwischen dem Kopf 68 und der Isoliernoch Metall verwendet werden, wird als Gehäusema- io scheibe 62 angeordnet und liegt in einer Ausnehterial ein solches ausgewählt, welches fest genug ist, mung 74, welche mehrere radiale Erweiterungen 76 um dem vorbestimmten Druck innerhalb der Zelle besitzt. Der Dichtungsring 72 trägt für eine gute Abstandzuhalten. Wenn der vorbestimmte Druck über- dichtung zwischen Kopf und Scheibe Sorge. Der schritten wird, wird sich das Gehäusematerial ela- Gasdruck des Zcllengchäuses wirkt über die Bohrung stisch ausdehnen, und der innere Druck bleibt im we- 15 64 auf den Dichtungsring, und bei einem vorbesentlichen konstant. Diese Ausführung dürfte vorteil- stimmten Druck wird dieser zerstört und das Gehaft sein, weil, wie Versuche zu erkennen gaben, der häuse geöffnet. Der obere Teil der becherförmigen Druck innerhalb der Zelle mit zunehmender Anzahl Isolierung 58 liegt zwischen den Rändern des Dekerfolgter Lade- und Entladezyklen ansteigt, was auf kels 12 und des Zellengehäuses 10 und verursacht nicht umkehrbare, in der aktiven Aktivmasse stattfin- 20 beim Einsetzen und Einbördeln im Bereich 78, 80 dende Reaktionen zurückzuführen zu sein scheint. einen luftdichten Verschluß. Der Stromleiter 46 der

In Abwandlung kann das Elektrodenpakei mittels positiven Elektrode ist an das Ventil angeschlossen,

eines in der Zeichnung nicht dargestellten Gurtes zu- welches als positiver Kontaktpol der Akkumulato-

sammengehalten werden und in einem festen Ge- renzelle dient. Der Deckel 12 besitzt ebenfalls eine in

häuse angeordnet sein. Auch hier kann eine Siehe- »5 der Zeichnung nicht dargestellte Füllöffnung für den

rungsfunktion erhalten werden, wenn der Gurt nur Elektrolyten. Diese ist durch einen Stopfen aus

bis zu einer vorbestimmten Spannung fest bleibt und einem gleichen Material verschlossen,

um diesen herum Mittel vorgesehen sind, welche eine An Stelle des Ventils können natürlich auch an-

Dehr.ung ermöglichen. . dere Polkontakte verwendet werden, und gegebenen-

Der Deckel 12 befindet sich über dem Elektroden- 30 falls kann das Gasventil auch ganz fortfallen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

i 696 569 1 2 betreffenden Anschlußpol getroffen werden müssen. Patentansprüche: Bei einer bekannten Ausführung sind in einem Hohlkern aus elektrisch nichtleitendem Material Ausneh-

1. Wiederaufladbare Akkumulatorenzelle mit mungen für besondere metallische Polstangen und einem spiralig innerhalb eines Gehäuses um einen 5 zum Einstecken der inneren Elektrodenenden vorge-Kern gewickelten Elektrodenpaket, das im we- s^hen (schweizerische Patentschrift 279 7.17). Bei sentlichen aus wenigstens zwei streifenförmigen einer anderen bekannten Ausführung ist um den Elektroden entgegengesetzter Polarität und einem Kern eine Lage des positiven Elektrodenstreifens ge- oder mehreren diese trennenden, quellbaren und wickelt und die über eine Anschlußfahne mit einem elektrolytdurchlässigen Separatoren besteh», wo- xo zentralen Polbolzen verbunden (deutsche Auslegebei der Elektrodenwickel das Gehäuse unter schrift 1 165 Ii 2). Weiter sind auch Elektrodenwik-Druck ausfüllt, dadurch gekennzeich- kel ohne ein Kernelement bekannt (USA.-Patentnet, daß die verhältnismäßig kurze, sich in schrift 2487499). Die bekannten Akkumulatorenzel-Achsrichtung erstreckende Kante der negativen len mit Wickelelektroden zeigen bei wiederholten Elektrode (20) von dem oder den angrenzenden 15 Lade- und Entladevorgängen schon frühzeitig einen Separaiorstreifen (36, 38, 40) so umhüllt wird, Kapazitätsverlust, weil ts im Bereich der Innenkandaß sich der Bug des bzw. jedes in zwei Hälften ten der Elektrodenstreifen zu mechanischen Zerstögefalteten Separatorstreifens in nächster Nähe des rungen und auch häufig zu Kurzschlüssen durch Kerns (16) befindet, wobei die umhüllte Elek- Dendritenbildung kommt. Diese Erscheinungen tretrode (20) am entgegengesetzten Ende nur mit 20 ten besonders bei alkalischen Silber-Zink-Akkumuladem Ableiterstreifen (26) über die Separatorstrei- toren auf.

fenhälften vorsteht und die positive Elektrode Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe unumhüllt der umhüllten negativen Elektrode an- zugrunde, diese Nachteile und Schwierigkeiten ausliegt, zuschalten und unter Vermeidung einer Elektroden-

2. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 1, da- 25 zerstörung an den Innenkanten bei einfachem Aufdurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenwickel bau für eine Aufrechterhaltung der Kapazität bei an der Bugbtelle durch einen Verbindungsstreifen einer Vielzahl von Lade- und Entladevorgängen (17) an den Kern angeschlossen ist. Sorge zu tragen.

3. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 2, da- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gedurch gekennzeichnet, daß der Kern (16) strom- 30 löst, daß die verhältnismäßig kurze, sich in Achsrichleitend ist und über den .Verbindungsstreifen (17) tung erstreckende Kante der negativen Elektrode von leitend mit der nicht umhüllten positiven Elek- dem oder den angrenzenden Separatorstreifen 10 tiode (24) verbunden ist. umhüllt wird, daß sich der Bug des bzw. jedes in