DE1950359A1 - Alkalische Zelle - Google Patents

Description

Fuji Denki Kagaku Kabushiki Kaisha, Sokio/Japan

» Alkalische Zelle ·«

Die Erfindung betrifft abgedichtete alkalische Primär- und Sekundärbatteriezellen.

Bei herkömmlichen abgedichteten alkalischen Zellen dieser Art wurden zahlreiche Versuche unternommen, um einen durch die Kapillarwirkung des Anodenteiles der Zelle in dem Elektrolyten bewirkten Kriechstrom des alkalischen Elektrolyten zu verhindern. In schadhaften Zellen kann das Alkali zum äusseren Bereich das Anodenpoles wandern. Ein zweites schwieriges Problem bei

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derartigen Zellen ist, dass in den Primärzellen während ihrer Lagerung oder während des Entladen; gebildetes Wasserstoffgas sowie in den Sfcunaärzellen während des Ladens oder Entladens gebildetes Sauerstoff- oder Wasserstoffgag wirksam aus den Zellen entlassen werden sollte. Trotz der bisher unternommenen Yersuche zur Lösung dieser Probleme ist die Behauptung nicht übertrieben, dass eine befriedigende Lösung der beiden obengenannten Probleme noch nicht ge-funden wurde.

Gegenstand der Erfindung st eine abgedichtete alkalische Zelle, in- der ein Wandern bezw. Kriechen des alkalischen Elektrolyten bis zur Aussen-.seite des Anodenpoles verhindert wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die wirksame Abgabe der in der Zelle erzeugten Gase an die Atmosphäre, ohne dass dadurch die Abdichtwirkung bee inträehtigt wird.

Andere Ziele der Erfindung ergeben, sich aus der

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nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen .

In den Zeichnungen zeigen:

Fig.l eine Schnittanaioht durch eine erfindungsgemäse abgedichtete alkalische Zelle,

Fig.2, 31 4, 51 6, 7 und 8 Schnittansichten anderer Ausführungsformen, die Jeweils in ihren wesentlichen Teilen gezeigt sind.

In Fig.l ist ein elektrisch isolierendes Plastikgehäuse 10 gezeigt, das z.B. aus einem entsprechenden Plastikharz wie Polyäthylen, Polypropylen, ■Nylon oder "Teflon", DuPonts Warenzeichen für PoIytetrafluoräthylen sein kann. Des Gehäuse 10 umfasst ein erstes ringförmiges Teil 11, ein zweites ringförmiges Teil 12 und ein drittes ringförmiges Teil 13, welche miteinander einstückig sind. Das erste ringförmige Teil 11 des Gehäuses 10 ■weist eine zentrale Bohrung 14 auf, welche sich

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im wesentlichen"radial erstreckt* Das zweite und dritte ringförmige Teil des Gehäuses 10 erstrecken sicii jeweils in entgegengesetzter Richtung: konzentrisch zueinander von der Umfangsksnte des ersten ringförmigen Teiles 11. In das zweite ringförmige Teil 12 des Gehäuses 10 ist ein Metallgehäuse eingesetzt, welches auf einer· i>eite geschlossen ist. Eine einwärts gebogene offene Kante 21 des Gehäuses 20 grenzt an das Verbindungsstück zwischen dem ersten ringförmigen Teil 11 und dem zweiten ringförmigen Teil 12 des Gehäuses 10.

Innerhalb des Metallgehäuse3 20 befindet sich ein Kathodengemisch 1 aus Mangandioxyd und Graphit, eine Anode 2 aus einer einheitlicnen Mischung aus amalgamiertem Zinkpulver, Kaliumhydroxyd, V/asser, Zinkoxyd und einem Gelmittel, ein ionisch leitfähiger poröser Separator 3, der die Anode von der Kathode 1 elektrisch trennt, eine Isolierplatte 4 sue Polystyrol, die sich zwischen dem

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Boden des Separators 3 o*nd der inneren Böxkanfläehe des Metallgehauses 20 foeifindet, iiiad «in strom-Kollektor 5, z*M» airs Messing^ Zinn, Ei&fcel, Gadmiiim soien: BaJitrei» MBtS mit einer metallischen,, zu aTDalgaanisirenäen öibB^iacne, -wobei dieser Stromkollefctor 5 aii^fe dem amalgamieictem pulver irmerliali =de.r iinode 2 elelctri ist.

Der AnodenstromKollöktor 5 ist durch die Bohrung 14 eingesetzt, Eine metalliseiae Kappe 5Q drückt ein inneres zylindrisches Seil 15 radial zusammen, welches die Bohrung 14 τοη aussen umgrenzt,, um die Eingriffsverbindung des inneren zylindrischen Teiles 15 mit dem Stromköllöfctor 5 zn versteifen^ Die Oberfläche der metallenen Kappe besteht aus einem Metall, das mit Quecksilber amalgamiert sein kann, wie Messing, Zinn, Nickely Kadmium oder Silber.

liSöiSl

Das eine I2hde des Stfö'ffiko'liektörs" 3 lsi ad das Mittelstüök einer inneren se'heibenförmige'n Λήο-denplätte 40 elektrisch angeschlossen', ttöbei.die-■ 3e Verbindung vorzugsweise durch elektrisches Vefsenweisseri ausgeführt ist.- An der IJtnfängsfcante 41 der linieren Anödenplatxe 40 ist eine eietetrisch isolierte ringförmige Diciitung 50 befestigt» die" z.B. aus Polyäthylenj Nylon; Polypropylen, "Teflon" (HandelsBezeiehriung von DtiPont für Polytetraflüoräthylen) oder Kautschuk bestehen kann. Die ringförmige Dichtung 50 ist an derei Seiten von einem Anodenendglied 60 umgeben. Zwischen der inneren Änodenplatte 40 und dem Anodenendglied 60 ist eine schwach gekrümmte Metallfeder 70 eingesetzt, welche mittels Federkontakt zwischen diesen Teilen einen ständigen elektrischen Eontakt aufrechterhält-. Das innere Umfangsteil 62 des Anödenendgliedes 60 ist in die Innenseite des* ctritteh ringförmigen Teiles 13 des Plästikgehäiises 10 eingepasst/ und die einwärts gebogene Etänte 61 stösst gegen das 7er-

zwischen dem ersten ringförmigen Teil 11 des Gehäuses IO und dem zweiten ringförmigen Teil 12 des Gehäuses 10.

Die -.noderiseite wild dann durch ein ringförmiges Metallelement 30 von L-förmigem Querschnitt zusammengedrüqkt, welches au:' das dritte kreis- :"övr.ige Teil 13 des Gehäuses 10 einen im wesentlichen radialen Druck ausübt. Die axiale !''ederkrnft der Metallfeder 70 presst die Umfange-' kante 41 der inneren Anoienplatte 40 gegwen die einwiir;? ö^e^°6^erie Kante bl -ies Anoaenen vgliedes vO durch -lie Dichtung bO, so dass die Feder JiV nel'itivlage· zwischen der inneren Anodenplatte 40 una dem .inoaeuen iglied bO beibehält.

In ähnlicher Weise wird der Druck au: die Kathode durch ein riii^icrraiges Hetallelenieni 90 weitez· verstärkt, weicht ε auf den gebördelten Endabschniit des zweiten rii%fÖrxiLen ~e:.les 12

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des Gehäuses 10 einen im; wesentlichen radialen Druck ausübt.

In einer solchen alkalischen Zelle kann der alkalische-Elektrolyt längs den Metalloberflächen der Anodenseite wandern, wenn die Ana— ψ denseite durch Kapillarwirkung beeinflusst wird..

Gemäss der Erfindung wird ein Kriechen des alkali achen Elektrolyten durch folgende Phasen vermieden;

Eine erste Dichtungephase, in welcher der Anodenstromkollektor 5 fest in die Bohrung des inneren zylindrischen Bereichs 15 des Plastikgehäuses 10 eingepasst ist, eine zweite Dichtungsphase, in der die Umfangskante 41 der inneren Anodenplatte 40 mit der elektrisch isolierten ringförmigen Dichtung 50 eng anliegend umgeben wird, um ein Kriechen der alkalischen Elektrode längs der Innenfläche, der inneren Anodenplatte zu verhindern,

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eine dritte 3H.enitangsj>hase., in welcher die ringförmige Bidh-toiug 50 von dem Anodenendgiied 60 verengt wird,, welches zur Verhinderung des Kriechens längs der Innenfläche des Anodenendgliedes die Dichtung 50 auf drei Seiten umgiljt, und eine vierte Diehtungsphase, in welcher die äussere üaifangsfläche 62 des Anodenendgliedes 60 in das dritte ringförmige Teil 13 des Plastikgehäuses eingepasst ist, welches von dem ringförmigen Metallelement 80 eingeschnürt ist, um ein Kriechen des alkalischen Elektrolyten entlang der aus s er en TTmiangsf lache der Anodenendplatte zu verhindern,
ä

Wie oben "beschrielDen, ist die erfindungsgemässe Anodenseite der Zelle mit zahlreichen Dichtungsteilen versehen, wodurch die Kriechbewegung des alkalischen Elektrolyten natürlich ausserordentlich verlangsamt wird. Infolgedessen entweicht^ der.alkalische Elektrolyt nicht aus dem Anodenendbereioh.

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Um die Wirkung des während der Lagerung_f während des Ladens, oder Entladens der Zelle erzeugten _r Sauerstoff- und Wasserstoffgases auszuschalten, erfolgt mittels der in der Kathode 1 oder der Anode 2 erzeugten Grase eine beschleunigte axiale Trennung der offenen Kante 21 des Metallgehäuses 20 von dem ersten ringförmigen Element 11 des Plastikgehäuses 10, wenn der Gasdruck: erhöht wird. Die Gase strömen innerhalb eines zwischen der Uin fangs kante des Metallgehäuses 20 und dem zweiten ringförmigen Element 12 des Plastikgehäuses gebildeten ringförmigen Zwischenraumes und werden dann, da die Gase das gasdurchlässige zweite riengförmige Element 12 durchdringen können, langsam an die Atmosphäre abgegeben. In dieser Weise werden nur die Gase abgegeben, ohne alkalischen Elektrolyten, welcher gleichzeitig freigegeben wird» Überdies können die Gase, da das zweite ringförmige Teil. 12 in seiner ganzen Länge ■ aus gasdurchlässigem Material besteht, ohne Beeinträchtigung der Abdiohtwlrkung-des. .ringfö mn igen Elementes-von I-förmigem'-Querschnitt, ■diffundieren.

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Die in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung verwendete ringförmige Dichtung 50 und die Feder 70 sind keine wesentlichen Elemente. In der in Fig.2 gezeigten zweiten Ausführungsform eind diese Teile fortgelassen, und ein Paar von Teilen 40 und 60, die übereinandergelagert angeordnet sind, bildet einen Anodenendbereioh. Die übrigen Teile sind im wesentlichen die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

In der in Fig.3 gezeigten Ausführungsforra sind die Umfangskantenabsohnitte 41 und 61 jedes der Teile 40 und 60 der zweiten Ausführungsfortn axial verlängert und parallel zueinander angeordnet, und ein viertes ringförmiges Teil 16 des Plastikgehäuses 10 ist ,dazwischen eingeklemmt. Die übrigen Teile sind jedoch im wesentlichen die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform.

Die in Fig.4 gezeigte vierte Ausführungsform unter-

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scheidet sich von der dritten AusführungsTorm dadurch, dass das Glied 40 fortgelassen isi;, wobei lediglich das Glied 60 "beibehalten ist*

Ferner sind in Fig.5, 6 und 7 alkalische Zellen der Art gezeigt, bei welcher ein ringförmig ausgebildetes Eathodengeraiscli aus Hangandioxyd und Graphit in ein metallenes Gehäuse 20 eng eingepasst ist, und beispielsweise eine Zinkpulverlegierung, ist als Anode 2 ringförmig ausgebildet. Des erste ringförmige Teil des Plastikgehäuses erstreckt sich lediglich radial zwischen den Randbereichen der Platten 4 0 und 60 und dec Metallgehäuse 20. In diesen Ausführungsfcrmen entsprechen die Abdichtstrukturen jeweils denjenigen n-ich der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform.

In Fig.8 ist eine andere Ausführungsform der Zelle gezeigt, bei welcher sich das erste ringförmige

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Teil des Plastikgehäuses nur radial zwischen den Eandbereichen der Platte 60 wan dem Metallgehäuse 20 erstreckt. Die Abdientstruktur dieser Ausführungsform entspricht 'derjenigen der im Fig.l gezeigten.

Es versteht sich, dass die zum JPreilassen der in der Zelle erzeugten Gase an die 'Atmosphäre erforderlichen Arbeitsgänge der in 1^.2 Isis gezeigten Ausführungsformen vollkommen denjenigen der ersten Ausführungsform entsprechen.

Jede einzelne Zelle in diesen Ausführungsformen kann ausreichend ein Wandern des Alkalis nach ausserhalb der Zelle verhindern, trotz der Kriechbewegung des alkalischen Elektrolyten in der Anodenseite, die über kurz oder lang jede Zelle mit einbezieht.

Es lassen sich zweckmässige Abänderungen durchführen, ohne sich dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

Ansprüche:

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Claims (5)

Patentansprüche x

1. Hermetisch abgedichtete alkalische Zelle, gekennzeichnet durch ein elektrisch isolieren-

^ des, gasdurchlässiges Plastikgehäuse mit einem

sich im wesentlichen radial erstreckenden ersten ringförmigen Teil und einer zentralen Öffnung, mit einem sich axial von der Umfangskante . des ersten ringförmigen Teils erstreckenden zweiten ringförmigen Teil, dessen Viand relativ dünn ist, so dass Gase durchdringen können, und mit einem, in Bezug auf das zweite ringförmige Teil, in die entgegengesetzte Richtung axial sich erstreckenden dritten ringförmigen Teil, wobei

' diese drei Teile einstückig miteinander sind;

durch eine metallene Bodeneinfassung, welche einen der Endbereiche der Zelle bildet und in das zweite ringförmige Teil des Plastikgehäuses eingesetzt ist, wobei eine offene Kante an ein

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Verbindungsteil zwischen dem ersten ringförmigen Teil und dem zweiten ringförmigen Teil des Plastikgehäuses anstösst, durch ein Verschlussglied, welches einen underen Enibereich als die genannte metallene Bodeneinfassung bildet umi welches in das dritte ringförmige Teil des Plastik genäuses eingefügt; durch eine ringförmige Kappe mit L-förmigem Querschnitt, welche eine offene Umfangskante des zweiten ringförmigen T-iiles zusammendrückt; und durch eine andere ringförmige Kappe mit L-förmigera Querschnitt, welche eine offene U-nfangskante des dritten ringförmigen Teiles zusammendrüclct.

2. Hermetisch abgedichtete alkalische Zelle nach Anspruch 1, dadurcti gekennzeichnet, dass '.ay Verschlussglied eine äui:sere r.etillene riattp umfasst, welche einen Anoaenendbereich bildet, wobei di^se äussere Platte eine sich uxinl erstreckende zylinurische Umi'angskante

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und eine innere metallene Platte, welche einen inneren Anodenendbereioh bildet, aufweist, wobei diese innere blatte eich radial erstreckt und einen kleineren Durchmesser als die äussere Platte aufweist, dass eine Metallfeder zwischen die äussere Platte udd die innere Platte eingesetzt ist und diese beiden Platten elektrisch miteinander verbindet, und dass eine elektrisch isolierende ringförmige Dichtung zwischen die innere Umfangskante der äusseren Platte und die äussere Usifangskante der inneren Platte eingepresst ist.

3. Hermetisch abgedichtete alkalische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das er— \ . ■ ate ringförmige Teil des Plastikgehäuses einen

sich axial erstreckenden ringförmigen Ansatz um die drückbare Öffnung aufweist, durch welche ein sich axial erstreckender metallischer Kollektor eingepasst ist, wobei dieser metallische Kollektor mit einem Ende an dem Verschlussglied befestigt ist,

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4. Hermetisch abgedichtete alkalische Zelle nach Anspruch 1 bis 3, dadiroh gekennzeichnet, dass das Verschlussglied eine einzelne äussere metallische Platte, welche einen Anodenendbereioh bildet, wobei diese äussere Platte eine sich axial erstreckende zylindrische Umfangskante aufweist, eine einzelne innere metallische Platte, welche einen inneren Anodenendbereich bildet, wobei sich diese innere Platte radial erstreckt und einen kleineren Durohmesser als die äussere Platte aufweist, eine zwischen die äussere und innere Platte eingefügte Metallfeder, welche die beiden Platten elektrisch miteinander verbindet, und eine elektrisch isolierende ringförmige Dichtung umfasst, die zwischen die innere tJmfangskante der äusseren Platte und die äussere Umfangafcante der inneren Platte gepresst ist.

5. Hermetisch abgedichtete Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere metallische Platte an ihrer Umfangskante gebördelt ist.

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