DE19724653A1 - Eine Gruppe von Wicklungselektroden - Google Patents

Eine Gruppe von Wicklungselektroden

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gruppe von Wicklungselektroden wie beispielsweise eine zylindrische Zelle oder einen Kondensator, und insbesondere eine solche, die einen Separator einer neuartigen Form, eine hohen Haltbarkeit und Kapazität und einen niedrigen Innendruck darin aufweist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Gruppe von Wicklungselektroden wie beispielsweise eine zylindrische Zelle und ein Kondensator weist einen Separator auf, um die Kathode und die Anode vor einem Kurzschluß zu bewahren. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie einer Gruppe von Wicklungselektroden, die eine Kathode, eine Anode und einen Separator aufweist. Eine zylindrische Zelle, vor allem eine zylindrische Nickel-Wasserstoff-Zelle, wird als ein Beispiel beschrieben.
Immer mehr tragbare elektronische Vorrichtungen wie beispielsweise eine Kamera, ein Camcorder, ein tragbarer CD-Spieler, ein Radio, eine Kassettenrecorder, ein Notebook-Computer, ein Pager und ein Mobiltelefon benötigen eine Zelle mit einer größeren Kapazität und längeren Haltbarkeit.
Im allgemeinen ist eine Zelle eine Vorrichtung, die chemische Energie mittels einer Kontaktpotentialdifferenz in elektrische Energie umwandelt, wobei es viele Arten davon gibt. Elektrochemische Zellen und Batterien sind technologisch in nicht-aufladbare Primärzellen, wiederaufladbare Sekundärzellen, in Brennstoffzellen, die Verbrennungswärme in elektrische Energie umwandeln, oder in Solarzellen, die Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln, eingeteilt. Elektrochemische Zellen und Batterien werden nach der Zusammensetzung des Elektrolyten und nach der Form der Zellen und Batterien klassifiziert. Die Zusammensetzung des Elektrolyten bzw. die Form kann entweder alkalische, feste oder nichtwässerige Zellen ausmachen, bzw. jeweils zylindrische, Knopf- oder Münzenartige.
In diesen Zellenarten entlädt eine zylindrische Zelle (vom Bisquitrollen-Typ) den Strom und setzt sich aus einer Kathode, einer Anode, einem Separator, der den Kurzschluß der Anode mit der Kathode verhindert, einem Elektrolyten, einer positiven Klemme und einer negativen Klemme zusammen. Um ihn spezifisch zu beschreiben, ist der Aufbau einer Nickel-Wasserstoff-Zelle in Fig. 8 veranschaulicht. Die zylindrische Nickel-Wasserstoff-Zelle besteht aus einer Kathode (13), die mit Ni(OH)₂ als positivem aktivem Material beschichtet ist, einer Anode (15) aus einer hydrierten Legierung, die mit einem negativen aktiven Material beschichtet ist, das sich vorwiegend aus einer LaNi₅, MmNi₅, Ti- Fe oder Ti-Ni-Legierung zusammensetzt, einem Separator (17), der aus einem Vliesstoff und einem Cellophanband hergestellt ist, um die Kathode (13) und die Anode (15) vor einem Kurzschluß zu bewahren, einem Deckel (19) als positive Klemme und einem Gehäuse (12) als negative Klemme und als Verpackungseinrichtung, und außerdem aus einer Dichtung (21), einem Sicherheits-Luftloch (23), einer Abdeckplatte (25), aus einem Isolierring (27) und einer Isolierplatte (29).
Das Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Nickel- Wasserstoff-Zelle ist wie folgt. Zuerst wird die Kathode hergestellt, indem eine Aufschlämmung eines positiven aktiven Materials aufgezogen, getrocknet und auf einen Metallträger aufgewalzt wird, und daraufhin wird eine Anode hergestellt, indem eine Aufschlämmung eines negativen aktiven Materials aufgezogen, getrocknet und auf einen Metallträger aufgewalzt wird. Danach wird ein Separator zwischen die Kathode und die Anode gelegt und es wird aufgewickelt. In diesem aufgewickelten Zustand werden die Elektroden und der Separator in ein Gehäuse eingesetzt. Danach wird ein Elektrolyt in das Gehäuse gegossen, und ein Deckelaufbau wird an der Öffnung des oberen Teils montiert.
Eine eingehende Beschreibung der Lade- und Entladereaktion der zylindrischen Nickel-Wasserstoff-Zelle, die gemäß dem obigen Verfahren hergestellt wird, lautet wie folgt.
Eine hydrierte Legierung wird als negatives aktives Material verwendet, Nickelhydroxid als positives aktives Material und wässerige Kaliumhydroxid-(KOH)-Lösung als Elektrolyt. Die hydrierte Legierung speichert Wasserstoffionen, die während des Ladevorgangs durch die Spaltung von Wasser im Elektrolyten erzeugt werden, und gibt während des Entladevorgangs die Wasserstoffionen in den Elektrolyten ab. Die Lade- und Entladereaktionen sind wie folgt.
In den obigen Reaktionen ist M eine hydrierte Legierung, die Wasserstoffionen absorbieren und abgeben kann, die als eine AB₅-Gruppe angegeben ist, die aus Elementen der seltenen Erden besteht, bzw. als eine AB₂-Gruppe angegeben ist, die aus Ti, Zr, V, usw. besteht. Gemäß der obigen Reaktion durchläuft eine Zelle mehr als hunderte von Malen eine Ladung und Entladung.
Beim Verfahren zum Herstellen der zylindrischen Nickel-Wasserstoff-Zelle, die die obige Funktion und Struktur aufweist, werden, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Kathode (13) und eine Anode (15) für die Aufwicklung unter Verwendung einer Spindel um den Mittelpunkt der Wicklungsachse (11) auf entgegengesetzte Seiten eines Separators (17) gelegt. Jedoch wird der Separator verwendet, um einen Kurzschluß der Kathode und der Anode zu verhindern, und nimmt viel Platz im Gehäuse ein, wodurch er das Einspritzvolumen des Elektrolytinnenraums der Zelle und die Kapazität der Zelle senkt. Zusätzlich entsteht, wenn die Kathode (13), die Anode (15) und der Separator (17) in der obigen Zelle gewickelt werden, insofern ein Problem, als daß der Separator reißen und ein Kurzschluß der Kathode und Anode auftreten kann.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wurde ein Verfahren zur Verwendung eines zusätzlichen Separators (31), der vom Anfangsteil der Kathode (13) aus bis hin zum Anfangsteil der Anode (15) abdeckt, entwickelt, um den Kurzschluß nach einem Sprung zu verhindern. Obwohl die Gefahr des Kurzschlusses infolge des Sprungs im Fall des Hinzufügens des zusätzlichen Separators (31) zum Separator (17) wie oben abnimmt, wird die Kapazität der Zelle aufgrund des zusätzlichen Platzes, der durch den zusätzlichen Separator eingenommen wird, stärker vermindert.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wurde dennoch eine Technik zur Verwendung eines zusätzlichen Separators (41), der von der Wicklungsachse aus bis hin zum Anfangsteil der Kathode (13) abdeckt, entwickelt, um das Problem der verminderten Kapazität einer Zelle zu beheben. Diese Technik weist jedoch immer noch das Problem auf, daß die Kapazität einer Zelle aufgrund der Einschränkungen bei der Verminderung des Volumens des Separators nicht allzusehr erhöht wird.
Der obige Fehler tritt bei allen Arten von Gruppen von Wicklungs-Pol-Platten einschließlich einer zylindrischen Zelle und eines zylindrischen Kondensators wie auch bei der zuvor erwähnten zylindrischen Nickel-Wasserstoff-Zelle auf.
ZUSAMMENFASSUNG
Um die Probleme des Standes der Technik zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gruppe von Wicklungselektroden bereitzustellen, die eine Kathode, eine mit der Kathode verbundene positive Klemme, eine Anode, eine mit der Anode verbundene negative Klemme, einen Separator, der sich zwischen der Kathode und der Anode befindet, und einen Elektrolyten umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator eine Vielzahl von Poren in dem Bereich aufweist, der nicht von der Kathode oder der Anode überlagert wird.
Die Gruppe von Wicklungselektroden umfaßt weiterhin vorzugsweise einen zusätzlichen Separator auf einer Seite des Separators.
Der zusätzliche Separator ist vorzugsweise so groß, daß er vom Anfangsteil der Kathode aus bis hin zum Anfangsteil der Anode abdeckt. Vorzugsweise weist der zusätzliche Separator eine Vielzahl von Poren im Bereich, der von der Kathode und der Anode nicht überlagert wird, auf.
Der zusätzliche Separator ist vorzugsweise so groß, daß er vom Anfangsteil der Kathode aus bis hin zur Wicklungsachse abdeckt. Vorzugsweise hat der zusätzliche Separator eine Vielzahl von Poren im Bereich, der von der Kathode oder der Anode nicht überlagert wird.
Eine Pore weist vorzugsweise eine oder mehrere Formen auf, die aus der Gruppe gewählt ist, die aus einem Kreis, einem Dreieck, einem Rechteck, einem Sechseck und einem Achteck besteht.
Die Gruppe von Wicklungselektroden ist vorzugsweise eine zylindrische Zelle oder ein zylindrischer Kondensator.
Die Gruppe von Wicklungselektroden ist vorzugsweise eine zylindrische Nickel-Wasserstoff-Zelle.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden teils in der folgenden Beschreibung dargestellt, teils sind sie für den Fachmann auf diesem Gebiet bei der Überprüfung des folgenden offensichtlich, oder sie können bei der Durchführung der Erfindung wahrgenommen werden. Die Aufgabe und die Vorteile der Erfindung werden mittels Gerätschaften und Kombinationen erhalten, die speziell in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt sind.
KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Kathode, Anode und Teile eines Separators vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 2 ein weiteres schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Kathode, Anode, Teile eines Separators und einen zusätzlichen Separator vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 3 das dritte schematische Diagramm, das eine herkömmliche Kathode, Anode, Teile eines Separators und einen zusätzlichen Separator vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kathode, Anode und Teile eines Separators vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm, das gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kathode, Anode, Teile eines Separators und einen zusätzlichen Separator vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm, das gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Kathode, Anode, Teile eines Separators und einen zusätzlichen Separator vor dem Wickeln zeigt;
Fig. 7 eine Darstellung der vielen Formen, Anzahlen und der Anordnung der Poren in einem Separator der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Darstellung eines Aufbaus einer zylindrischen Zelle.
In der folgenden eingehenden Beschreibung wird nur die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben, und zwar einfach durch Veranschaulichung der besten Ausführungsform, die von den Erfindern zur Ausführung der Erfindung erwogen wird. Wie erkenntlich wird, kann die Erfindung in verschiedener offensichtlicher Hinsicht abgeändert werden, ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu lösen. Demgemäß sind die Zeichnungen und die Beschreibung weniger als einschränkend, sondern vielmehr als rein veranschaulichend anzusehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BEISPIEL 1
Wie in Fig. 4 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Eine Vielzahl von Poren mit einem Radius von 1 mm wurde in einem Bereich des Separators angebracht, der von der Kathode und der Anode nicht überlagert wird. Die Kathode (13), die Anode (15) und der Separator (17) wurden um den Mittelpunkt der Wicklungsachse herum gewickelt und in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
BEISPIEL 2
Wie in Fig. 5 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Ein zusätzlicher Separator (31) einer Größe von 40 × 38 × 0,15 mm, die ausreicht, um die Anfangsteile der Kathode (13) und der Anode (15) abzudecken, wurde auf die Seite mit der Kathode (13) des Separators (17) gelegt. Eine Vielzahl von Poren mit einem Radius von 1 mm wurde in einem Bereich des Separators (17) und des zusätzlichen Separators (31) angebracht, der von der Kathode (13) und der Anode (15) nicht überlagert wird. Nachdem die Kathode (13), die Anode (15), der Separator (17) und der zusätzliche Separator (31) um die Wicklungsachse (11) gewickelt worden waren, wurde der Wicklungsaufbau in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
BEISPIEL 3
Wie in Fig. 6 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Ein zusätzlicher Separator (41) einer Größe von 26 × 38 × 0,15 mm, die ausreicht, um vom Anfangsteil der Kathode (13) aus bis hin zur Wicklungsachse (11) abzudecken, wurde auf die Seite mit der Kathode (13) des Separators (17) gelegt. Eine Vielzahl von Poren mit einem Radius von 1 mm wurde in einem Bereich des Separators (17) und des zusätzlichen Separator (41) angebracht, der nicht von der Kathode (13) und der Anode (15) überlagert wird. Nachdem die Kathode (13), die Anode (15), der Separator (17) und der zusätzliche Separator (41) um die Wicklungsachse (11) herum gewickelt worden waren, wurde der Wicklungsaufbau in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Wie in Fig. 1 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Nachdem die Kathode (13), die Anode (15) und der Separator (17) um die Wicklungsachse (11) herum aufgewickelt worden waren, wurde der Wicklungsaufbau in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
VERGLEICHSBEISPIEL 2
Wie in Fig. 2 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Ein zusätzlicher Separator (31) einer Größe von 40 × 38 × 0,15 mm, die ausreicht, um die Anfangsteile der Kathode (13) und der Anode (15) abzudecken, wurde auf die Seite mit der Kathode (13) des Separators (17) gelegt. Nachdem die Kathode (13), die Anode (15), der Separator (17) und der zusätzliche Separator (31) um die Wicklungsachse (11) herum gewickelt worden waren, wurde der Wicklungsaufbau in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
VERGLEICHSBEISPIEL 3
Wie in Fig. 3 gezeigt, wurden eine Kathode (13) einer Größe von 114 × 35 × 0,73 mm und eine Anode (15) einer Größe von 149 × 35 × 0,40 mm auf beiden Seiten eines Separators (17) einer Größe von 263 × 38 × 0,15 mm angeordnet und um die Wicklungsachse (11) herum zentriert. Ein zusätzlicher Separator (41) einer Größe von 26 × 38 × 0,15 mm, die ausreicht, um von den Anfangsteilen der Kathode (13) aus bis hin zur Wicklungsachse (11) abzudecken, wurde auf die Seite mit der Kathode (13) dem Separators (17) gelegt. Nachdem die Kathode (13), die Anode (15), der Separator (17) und der zusätzliche Separator (41) um die Wicklungsachse (11) herum gewickelt worden waren, wurde der Wicklungsaufbau in ein Gehäuse eingesetzt. Die Elektrolyt-Einspritzung, die Montage und die Formgebung zur Herstellung einer Zelle wurden durchgeführt.
Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Messung der Volumenabnahme eines Separators, der Einspritzmenge eines Elektrolyten, des Innendrucks und der Haltbarkeit gemäß den obigen Beispielen und Vergleichsbeispielen.
(Tabelle)
Wie in der obigen Tabelle gezeigt, wird das Volumen der Zelle mit einem Separator, der gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung viele Poren aufweist, im Vergleich zu einer Zelle gemäß den Vergleichsbeispielen mit einem Separator, der keine Poren aufweist, um ein Maximum von 7% verkleinert. Daher wird der Innenraum einer Zelle im Hinblick auf die Einspritzmenge an Elektrolyt um ein Maximum von 33% angehoben. Der größere Innenraum verhindert den Anstieg des Innendrucks des erzeugten Gases.
Wie oben gezeigt, ist die Qualität der Zelle, die einen Separator mit Poren gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist, aufgrund des großen Innenraums, der höheren Haltbarkeit als wenn das Einspritzvolumens eines Elektrolyten gesteigert wird, des niedrigeren inneren Gasdruckes und der viel höheren Haltbarkeit als derjenigen einer herkömmlichen Zelle ausgezeichnet.
Wie in Fig. 7 gezeigt, kann ein Separator gemäß der vorliegenden Erfindung Poren einer oder mehrerer verschiedener Formen und Anordnungsverfahren aufweisen. Die unterschiedlichen Formen der Poren sind folgende: ein Kreis, ein Dreieck, ein Rechteck, ein Sechseck und ein Achteck, usw.
Wie oben gezeigt, verhindert ein Separator mit Poren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Kurzschluß, erhöht den Innenraum der Zelle, vergrößert das Einspritzvolumen eines Elektrolyten und senkt den inneren Gasdruck ab, was eine längere Haltbarkeit ergibt. Die Auswirkung der vorliegenden Erfindung kann auf eine Gruppe von Wicklungselektroden wie beispielsweise nicht nur die zylindrische Nickel-Wasserstoff-Zelle, sondern auch an eine zylindrische Zelle bzw. einen Kondensator mit demselben Aufbau wie dem einer zylindrischen Nickel-Wasserstoff-Zelle angewendet werden.
In dieser Offenbarung wird nur die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben. Jedoch ist es, wie zuvor erwähnt, klar, daß die Erfindung in der Lage ist, in verschiedenen anderen Kombinationen und Umgebungen verwendet zu werden, und innerhalb des Schutzumfangs des hierin ausgedrückten Erfindungsgedankens verändert und modifiziert werden kann.

Claims (9)

1. Eine Gruppe von Wicklungselektroden, die folgendes umfaßt:
eine Kathode;
eine mit der Kathode verbundene positive Klemme;
eine Anode;
eine mit der Anode verbundene negative Klemme;
einen Separator, der zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist; und
einen Elektrolyten,
dadurch gekennzeichnet, daß der Separator eine Vielzahl von Poren in dem Bereich hat, der von der Kathode und der Anode nicht überlagert wird.
2. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 1, worin die Gruppe von Wicklungselektroden des weiteren einen zusätzlichen Separator auf einer Seite des Separators umfaßt.
3. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 2, worin der zusätzliche Separator eine Größe aufweist, die vom Anfangsteil der Kathode bis hin zum Anfangsteil der Anode abdeckt.
4. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 2, worin der zusätzliche Separator eine Größe aufweist, die vom Anfangsteil der Kathode aus bis hin zur Wicklungsachse abdeckt.
5. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 3, worin der zusätzliche Separator eine Vielzahl von Poren in dem Bereich aufweist, der von der Kathode und der Anode nicht überlagert wird.
6. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 4, worin der zusätzliche Separator eine Vielzahl von Poren in dem Bereich hat, der von der Kathode und der Anode nicht überlagert wird.
7. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 1, worin eine Form der Pore eine Form ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Kreis, einem Dreieck, einem Rechteck, einem Sechseck und einem Achteck besteht.
8. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 1, wobei die Gruppe von Wicklungselektroden eine zylindrische Zelle oder ein zylindrischer Kondensator ist.
9. Gruppe von Wicklungselektroden nach Anspruch 1, wobei die Gruppe von Wicklungselektroden eine zylindrische Nickel-Wasserstoff-Zelle ist.
DE19724653A 1996-06-11 1997-06-11 Eine Gruppe von Wicklungselektroden Withdrawn DE19724653A1 (de)

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