DE2055638C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschließen einer elektrochemischen Zelle und nach dem Verfahren hergestellte elektrochemische Zelle - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verschließen einer elektrochemischen Zelle und nach dem Verfahren hergestellte elektrochemische ZelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen einer elektrochemischen Zelle mit einem aus Metall
bestehenden becherartigen Gehäuse, wobei in das offene Ende des Gehäuses ein Deckel aus Kunststoff
eingesetzt und zwischen einem in das Gehäuse des Deckels ragenden Wulst und dem nach innen umgelegten
äußeren Rand des Gehäuses formschlüssig befestigt wird, Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zum Durchführen dieses Verfahrens und eine nach diesem Verfahren hergestellte elektrochemische Zelle.
Bekanntlich ist das Völlige Abdichten elektrochemischer
Zellen gegen Austreten des Elektrolyten sehr schwierig, da alkalische Elektrolyte eine einzigartige
Netzfähigkeit für Flächen aufweisen, so daß sie an Flächen entlangkriechen können. Dieses Kriechen wird
noch erleichtert, wenn die Fläche, wie bei elektrochemischen Zellen, polarisiert ist Obwohl man die Abdichtung
elektrochemischer Zellen immer mehr verbessert hat, ist es bisher nicht gelungen, eine das Austreten vom
Elektrolyt sicher verhindernde Abdichtung zu erzielen.
Aus der US-PS 30 69 489 ist es bekannt, zum
Abdichten eine aus Kunststoff bestehende Dich:ung
ίο durch Aufbringen radialer Druckkräfte zwischen dem
Gehäuse und dem Deckel der Zelle anzubringen, jedoch läßt sich auf diese Weise keine sichere Abdichtung
erzielen, weil nach Aufheben der radialen Druckkräfte sich eine gewisse Rückstellung aufgrund der Rückstelleigenschaften
des Gehäuses selbst und der eingelegten Dicntung ergibt
Ähnliche Versuche zur Verbesserung der Abdichtung mit ähnlichen Nachteilen sind aus den FR-PS 13 38 353,
14 25 525 und 14 98 816 bekannt, wobei versucht wird, die Abdichtung durch Eindrücken des oberen Endes des
Gehäuses und Umbördeln des oberen Randes desselben über den eingelegten Deckel mit Dichtung zu
verbessern. Aber auch hierbei ist ein Rückstellen des um den Deckel mit Dichtung geformten Teiles des
Gehäuses nach Aufheben der von außen auf das Gehäuse aufgebrachten Druckkraft nicht zu vermeiden,
was zu Leckstellen führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gehäuse elektrochemischer Zellen so mit einem
eingesetzten Deckel zu verschließen, daß eine absolut leckdichte und dauerhafte Abdichtung erzielt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des
Kennzeichens des Hauptanspruches gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens, eine zum
Durchführen des Verfahrens geeignete Vorrichtung und eine mit dem Verfahren hergestellte elektrochemische
Zelle sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zum bisher Bekannten wird gemäß der vorliegenden Erfindung zum Erzielen der Abdichtung
zwischen Gehäuse und Deckel nicht das Gehäuse durch einen von außen ausgeübten Druck auf die Dichtung
und den Deckel gedrückt, sondern der Deckel übt nach dem Freigeben einen nach außen gerichteten Druck auf
die Gehäusewand aus, so daß die Rückstellkräfte die Abdichtung unterstützen und nicht, wie beim Stand der
Technik, der Abdichtung entgegenwirken. Dabei ist der Deckel so eingesetzt, daß er auch in axialer Richtung des
Gehäuses festgehalten wird.
In der Zeichnung ist zur weiteren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar
zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch das Gehäuse
und den Deckel einer elektrochemischen Zelle vor dem Einsetzen des Deckels, der radial zusammengedrückt in
einer Reduzierform steckt,
F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch das Gehäuse und den Deckel der Zelle, wobei der Deckel schon
eingesetzt, aber noch nicht endgültig befestigt ist,
Fig. 3 einen Schnitt wie in Fig. 2, wobei eine Sehließform zu erkennen ist, mit deren Hilfe der obere
Rand des Gehäuses auf die Oberseite des Deckels umgefalzt werden soll, und
Fig.4 einen senkrechten Schnitt durch die vollständig
zusammengebaute und geschlossene elektrochemische Zelle,
Die elektrochemische Zelle weist ein nach oben offenes zylindrisches Gehäuse aus Metall wie beispieis-
weise Stahlblech oder nickelplatiertem Stahl mit einer
Dicke von 0,2 bis 0,5 mm und einen Deckel aus einem Material auf, das von alkalischen Elektrolyten nicht
angegriffen wird und das, was besonders wichtig ist, eine hohe Druck- und Schubfestigkeit hat und erheblichen
Kräften widerstehen kann, ohne daß durch Kaltfließen eine Formänderung eintritt Ein Beispiel für ein
derartiges Material ist ein Hartnylongemisch, jedoch können auch Hart.polyäthylene benutzt werden. Zur
Verstärkung kann der Deckel einen metallischen Einsatz enthalten.
F i g. 1 zeigt wie der überwiegend aus Kunststoff bestehende Deckel 10 in einer Reduzierform 11 vor dem
Einsetzen in das offene Ende des Gehäuses 12 radial zusammengepreßt wird. Das Gehäuse 12 wird mittels
einer Hülse 13 festgehalten, während ein Kolben 14 den Deckel 10 durch die Reduzierform 11 hindurchdrückt,
um im Deckel 10 eine radial gerichtete Kraft zu erzeugen. In den Deckel 10 ist ein metallischer Pol 15
eingegossen oder eingepreßt, der mit einer der Elektroden der Zelle in elektrischem Kontakt steht Der
Deckel 10 enthält vorzugsweise als Verstärkung noch einen mit dem Pol 15 nicht in Verbindung stehenden
metallischen Einsatz 16, um den teilweise erheblichen, sich im Gehäuse 12 der elektrochemischen Zelle
bildenden Drücken standhalten zu können.
Wenn der Kolben 14 den Deckel 10 aus der Reduzierform 11 ausstößt dehnt er sich augenblicklich
so aus, daß er mit dem Gehäuse 12 in Kontakt kommt wobei seine Unterseite vorzugsweise mit einem in das
Gehäuse 12 eingerollten Wulst 17 in Berührung steht Falls der Deckel 10 beim Einsetzen in das Gehäuse nicht
mit dem Wulst 17 in Berührung kommen sollte, wird er während des nachfolgenden Umfalzens des oberen
Gehäuserandes in Berührung mit dem Wulst gedrückt
Beim Hindurchdrücken des Deckels 10 durch die Reduzierform wird er in radialer Richtung zusammengedrückt,
so daß in ihm eine erhebliche Druckspannung entsteht. Diese ist vorzugsweise von ausreichender
Größe, um den oberen Rand des Gehäuses 12 nach außen zu verformen, wenn das Gehäuse mit dem
eingesetzten Deckel aus der Hülse 13 herausgenommen ist. Aus F i g. 2 ist zu erkennen, wie der Deckel 10 das
obere Ende des Gehäuses 12 verformt Die Verformung kann eine bleibende oder nichtbleibende Verformung
des Gehäuses 12 sein. Die im Deck:I 10 erzeugte Druckspannung kann in Abhängigkeit von der Größe
der Ausstoßöffnung der Reduzierform verändert werden, das heißt, eine engere Ausstoßöffnung erhöht
die radiale Druckspannung :m Deckel 10. Obwohl ein Teil der radialen Druckspannung des Deckels 10 durch
das Verformen des Gehäuses 12 abgebaut wird, wird diese Druckspannung während des anschließenden
Umfalzens des oberen Gehäuserandes im wesentlichen wieder hergestellt
In F i g. 3 ist eine sich an der Innenseite konisch verjüngende Schließform 18 zu erkennen, mit deren
Hilfe der obere Rand des Gehäuses 12 auf die Oberseite des Deckels 10 umgefalzt wird. Die Schließform 18 wird
zu diesem Zweck an die Oberkante des Gehäuses 12 angesetzt, die dann beim weiteren Vorschieben der
Schließform in axialer Richtung auf die Oberseite des Deckels 12 gepreßt wird. Die Schließform 18 drückt
dabei auch die Seiten des Gehäuses 12 radial zusammen, so daß das Gehäuse irrt Wesentlichen wieder die Form
erhält, die es vor dem Einsetzen des Deckels 10 aufwies. Das axiale Zusammenpressen erzeugt im Deckel 10 eine
axiale Spannung zwischen dem Wulst 17 und dem umgefalzten oberen Rand des Gehäuses 12. Diese axiale
Spannung erhöht auch die vom Deckel 10 auf die Seitenwände des Gehäuses 12 ausgeübte radiale Kraft
oder Spannung. Auch wird die Dichtung zwischen dem Gehäuse 12 und dem Deckel 10 durch das Umfalzen der
oberen Kante des Gehäuses 12 verbessert, denn es steht sowohl in radialer als auch in axialer Richtung des
Deckels 10 eine Dichtfläche zur Verfügung. Der Deckel 10 übt also sowohl eine radiale als auch eine axiaie Kraft
ίο auf das Gehäuse aus, wodurch man eine sehr
wirkungsvolle Dichtung erhält
Fig.4 zeigt eine elektrochemische Zelle, deren Gehäuse 12 durch einen aus Kunststoff bestehenden
Deckel 10 dicht verschlossen ist der auf das Gehäuse 12 sowohl eine radiale als auch eine axiale Kraft ausübt
Die Zelle enthält eine die Kathode bildende Füllung 19, eine die Anode bildende Füllung 20 aus einem
Elektrolyt-Gelgemisch und einen zwischen Kathode und Anode angeordneten Separator 21. In der Anode ist
ein Kollektor 22 in Form einer metallischen Feder angeordnet, der an dem Pol 15 befestig beispielsweise
an diesen angeschweißt ist. Das aktive Material der Kathode kann beispielweise aus Mangansuperoxid
(MnO2) bestehen, während das aktive Material der Anode aus amalgierten Zinkpartikeln bestehen kann,
die in eimern alkalischen, als Elektrolyt dienenden Karboxy-Methylcellulose-Gel dispergiert sind. Der
Separator 21 kann aus Cellophan bestehen.
Der Decke! 10 verschließt die Zelle völlig dicht. Eine
Entlüftung für die sich in der Zelle bildenden Gase ist nicht vorgesehen, kann jedoch im Deckel 10 enthalten
sein.
Die Erfindung wird weiterhin anhand von Beispielen erläutert.
Eine elektrochemische Zelle von der Abmessung C wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dicht
verschlossen. Das mit einem Wulst 17 versehene Gehäuse 12 bestand aus nickelplattiertem kaltgewalztem
Stahl und hatte eine Wandstärke von 0,28 mm und einen Außendurchmesser von 24,765 mm. Ein kreisförmiger
Nylon-Deckel 10 aus »Zytel 101« wurde als Verschluß verwendet. Der Deckel enthielt einen
kreisförmigen, aus kaltgewalztem Stahi bestehenden Einsatz 16 und einen metallischen Pol 15. Die Dicke des
Einsatzes betrug 0,635 mm, seine Höhe 2,286 mm und sein Außendurchmesser 22,758 mm. Der unverformte
Deckel hatte einen Außendurchmesser von 24,333 mm, und der Innendurchmesser des Gehäuses betrug an
seinem offenen Ende 2'M81 mm.
Der Deckel wurde in eine Reduzierform 11 eingeführt, in dieser unter Erzeugung einer radialen
Druckspannung zusammengepreßt und dann in das Gehäuse eingeführt. Die Reduzierform hatte an ihrem
unteren Ende einen innendurchmesser von 24,08 mm, und der Außendurchmesser des zusammengepreßten
Deckels entsprach beim Eindrücken in das Gehäuse diesem Durchmessender Reduzierform.
Sobald der Deckel aus der Reduzierform ausgestoßen war, dehnte es sieh augenblieklieh so weit aus, daß er an
dem mit Wulst versehenen Gehäuse zur Anlage kam. Die von der Reduzierform im Deckel erzeugte radiale
Druckspannung war so groß, daß der obere Rand des
6"> Gehäuses nach atiße^ verfnrmt wurde. Vor dem
Einsetzen des Deckels betrug der Außendurchmesser des Gehäuses 24,765 mm, und nach dem Einsetzen des
Deckels hatte sich der AußendurGhmesser des Gehäuses
auf 24,816 mm vergrößert.
Das den eingesetzten Deckel enthaltende Gehäuse wurde in eine innen konische Schließform 18 gestellt,
um den oberen Rand des Gehäuses axial auf die Oberseite des Deckels umzufalzen. Die axiale Falzkraft
betrug 1,5 t und wurde zum Vollenden der radial-axialen Abdichtung des Gehäuses benutzt. Die prozentuale
radiale Zusammendrückung des Dichtteils, d. h. des zwischen dem Gehäuse und dem metallischen Einsatz
befindlichen Abschnittes des Deckels, wurde durch Bestimmung der Differenz zwischen dem nichtzusammengedrückten
und dem zusammengedrückten Durchmesser des Deckels, dividiert durch den nichtzusamrhengedrückten
Durchmesser des Deckels berechnet. Für die spezielle Zelle der Größe Cbetrug der Wert 5%,
Beispiel II
Eine elektrochemische Zelle der Größe D wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dicht verschlossen.
Das mit Wulst versehene Gehäuse der Zelle bestand aus nickelplattiertem kaltgewalztem Stahl und hatte eine
Wandstärke von 0,33 mm und einen Außendurchmesser von 32,842 mm. Ein kreisförmiger Nylon-Deckel aus
»Zytel 101« wurde als Verschluß verwendet. Der Deckel enthielt einen kreisförmigen, aus kaltgewalztem Stahl
bestehenden Einsatz und einen metallischen Pol. Der Einsatz hatte eine Dicke von 0,635 mm und eine Höhe
von 2,286 mm und einen Außendurchmesser von 30,81 mm. Der unverformte Deckel hatte einen Außendurchmesser
von 32,487 mm, und der Innendurchmesser des Gehäuses betrug an seinem offenen Ende
32,131 mm.
Der Deckel wurde in eine Reduzierform eingeführt, in dieser unter Erzeugung einer radialen Druckspannung
zusammengepreßt und dann in das Gehäuse eingeführt. Die Reduzierform hatte an ihrem unteren Ende einen
Innendurchmesser von 32,03 mm, und der Außendurchmesser des zusammengepreßten Deckels entsprach
beim Eindrücken in das Gehäuse diesem Durchmesser der Reduzierform.
Sobald der Deckel aus der Redüzierform ausgestoßen war, dehnte er sich augenblicklich so weit aus, daß er an
dem mit Wulst versehenen Gehäuse zur Anlage kam. Die von der Reduzierform im Deckel erzeugte radiale
Druckspannung war so groß, daß der obere Rand des Gehäuses nach außen verforml wurde. Der Außendurchmesser
des Gehäuses betrug vor dem Einsetzen des Deckels 32,842 mm, und nach dem Einsetzen des
Deckels hatte sich der Außendurchmesser des Gehäuses auf 32,893 mm vergrößert.
Das den eingesetzten Deckel enthaltende Gehäuse wurde in eine innen konische Schließform gestellt, um
den oberen Rand des Gehäuses axial auf die Oberseite des Deckels umzufalzen. Die axiale Falzkraft von 1,5 t
wurde benutzt, um die radial-axiale Abdichtung des
Gehäi'ies zu vollenden. Die prozentuale radiale Zusammendrückung des Dichtteils wurde mit 15% für
die Zelle der Größe D bestimmt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Verfahren zum Verschließen einer elektrochemischen Zelle mit einem aus Metall bestehenden
becherartigen Gehäuse, wobei in das offene Ende des Gehäuses ein Deckel aus Kunststoff eingesetzt
und zwischen einem in das Innere des Gehäuses ragenden Wulst und dem nach innen umgelegten
äußeren Rand des Gehäuses formschlüssig befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein im
entspannten Zustand eine größere Grundfläche als das offene Ende des Gehäuses aufweisender
elastischer Deckel radial zusammengepreßt eingesetzt und dann freigegeben wird, wobei durch das
Ausdehnen des Deckels das Gehäuse nach außen verformt wird, und beim nachfolgenden Umlegen
des Randes der Deckel und der ihn umfassende Gehäuseabschnitt radial nach innen gepreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel während des Freigebens in
Anlage an den 'Wulst gedrückt wird.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Reduzierform (11) für den Deckel (10)
und einen kolbenförmigen Ausdrückstempel (14), der axial gegenüber der Reduzierform verschiebbar
ist, aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine das Gehäuse (12) der Zelle
während des Einsetzens des Deckels (10) wenigstens im Bereich des offenen Endes haltende und
umschließende H jlse (13) aufweist
5. Vorrichtung nach Ampruch "" oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß sie ehe in axialer Richtung verschiebbare und an der Innenseite konische
Schließform (18) aufweist, die mit der Oberseite des den Deckel (10) enthaltenden Gehäuses (12) in
Kontakt kommt und die Oberseite des Gehäuses beim Schließen auch radial zusammenpreßt.
6. Elektrochemische Zelle, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Deckel (10) aus hartem, kaltkriechfestem Kunststoff besteht.
7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (10) aus Nylon besteht.
8. Zelle nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (10) als Verstärkung
einen metallischen Einsatz (16) enthält.
9. Zelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (10) im entspannten
Zustand einen konischen Rand aufweist.
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