DE2155931C3 - Festelektrolytelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festelektrolytelement mit wenigstens einer in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse angeordneten Festelektrolytzelle, wobei das Gehäuse zwei voneinander elektrisch isolierte Anschlußkontaktwände aufweist, die jeweils mit einer Zellenelektrode in elektrischer Verbindung stehen.

In den letzten Jahren hat die Miniaturisierung auf dem Gebiet der Elektronik rasche Fortschritte gemacht und zu einem erhöhten Bedürfnis nach besonderen Stromquellen geführt, die ein den kleinen in der Schaltung verwendeten elektronischen Bestandteilen entsprechendes geringes Volumen und Gewicht besitzen.

Man hat dieses Bedürfnis zum Teil durch die Verwendung von Festelektrolytzellen und Festelektrolytbatterien befriedigt, die sehr klein ausgeführt werden können, die verschiedensten Konstruktionen ermöglichen und eine sehr große Lagerfähigkeit von etwa 5 bis 10 Jahren besitzen.

Dabei ist es jedoch schwierig, einen guten, widerstandsarmen Kontakt zwischen einer Elektrode der Zelle und einer Oberfläche eines Gehäuses herzustellen, in dem eine Festelektrolytzelle angeordnet wird. Es muß ein einwandfreier elektrischer Kontakt mit jenen Außenflächen des Gehäuses hergestellt werden, die als Anschiußteile für die Verbindung mit einem Außen-Stromkreis dienen sollen. Derzeit ist es üblich, diesen Kontakt zwischen der Elektrode und einer ausgewählten Fläche des Gehäuses mit Hilfe einer Schraubenfeder herzustellen, deren Druckkraft einen guten, widerstandsarmen Kontakt gewährleistet. Eine derartige An Ordnung hat jedoch den Nachteil, daß ein guter Druckkontakt nur mit Hilfe einer starken Federkraft erzeugt werden kann und daß die Druckkraft der Feder in einer solchen Richtung wirkt, daß sie das Gehäuse zu öffnen trachtet.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Schaffung von Gehäusen für derart miniaturisierte Zellen oder Batterien besteht darin, daß Festelektrolytzellen und Festelektrolytbatterien mit aktiven Elektrolyten und/oder mit hygroskopischen Elektrolyten, z. B. Li/LiJ/CuJ-, Li/LLA/CuJ-Zellen (wobei »LLA« einen Festelektrolyten bezeichnet, der LiJ, LiOH und AI2O3 enthält), hermetisch dicht abgeschlossen sein müssen, damit Luft und Feuchtigkeit nicht in das Innere der Zelle oder Batterie eindringen. Es ist daher ein Gehäuse erforderlich, das hermetisch dicht verschlossen werden kann, damit die Festelektrolytzelle vor dem Eintritt von Luft und Feuchtigkeit geschützt wird.

Durch die US-Patentschrift 31 84 342 ist bereits ein Festelektrolytelement bekanntgeworden, bei dem eine Elektrolytzelle in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse angeordnet ist, das aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten besteht, die durch einen Abstandsring im Abstand voneinander gehalten werden und durch diesen Ring elektrisch voneinander isoliert sind Die Platten des Gehäuses dienen jeweils als äußere Anschlußkontakte, und sie stehen jeweils über in

ίο dem Gehäuse angeordnete federnde Bleche mit den entsprechenden Elektroden der Elektrolytzelle in elektrischer Verbindung. Ein derartiges Festelektrolytelement ist jedoch insbesondere wegen der federnden elektrischen Verbindungskontaktteile umständlich her zustellen, was sich insbesondere dann nachteilig be merkbar macht, wenn die betreffenden Batterien in miniaturisierter Form hergestellt werden sollen. Darüber hinaus wird oft nur eine unzureichende elektrische Verbindung zwischen der Elektrolytzelle und den äußeren

Anschlußkontakten hergestellt, so daß die Elektrolytzelle nicht die gewünschten und erwarteten Leistungen zeigt.

Aus der US-Patentschrift 34 68 709 ist auch bereits ein Festelektrolytelement bekannt, bei dem zwei scha-

lenfcrmige Metallgehäuse vorgesehen sind, in denen eine aus mehreren Platten bestehende Zelle zusammengeklemmt gehalten wird. Zwischen den Elektroden der Zelle und den Innenseiten der als äußere Kontaktanschlüsse dienenden Metallschalen sind jeweils Schraubenfedern angeordnet, die die Zelle in dem Batteriegehäuse haltern und gleichzeitig einen elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden der Elektrolytzeile und den äußeren Kontaktanschlüssen des Batteriegehäuses herstellen. Ein derartiges Festelektrolytelement weist ebenfalls die bereits genannten Nachteile auf.

Aus der US-Patentschrift 31 17 035 ist auch ein Festelektrolytelement bekannt, das mit einem äußeren isolierenden Schutzmantel versehen ist. Auf die Elektroden der Festelektrolytzelle sind Metallplatten aufge- bracht, die mit elektrischen Anschlußdrähten verbunden sind. Eine derartige Festelektrolytzelle weist jedoch nur eine geringe mechanische Widerstandsfähigkeit auf und bringt die Gefahr mit sich, daß die chemisch aktiven Bestandteile der Zelle bereits bei einer normalen Behandlung freigesetzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Festelektrolytelement der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem auf einfache Weise ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Anschluß kontaktwänden und den Zellenelektroden herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Festeiektrolytelernent der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil wenigstens einer der elektrischen Anschlußkontaktwände federnd verformbar ist und unter einem in dem Gehäuse herrschenden Unterdruck fest in elektrischem Kontakt gegen die zu geordneten Zellenelektrode anliegt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Festelektro-

<>° lytelementes bringt den Vorteil mit sich, daß auch ohne die bisher verwandten Druckfedern ein einwandfreier elektrischer Kontakt zwischen den Anschlußkontaktwänden und den Zellenelektroden hergestellt wird. Zugleich wird die Herstellung vereinfacht, was insbeson- dere einen wesentlichen Vorteil bei miniaturisierten Festelektrolytelementen mit sich bringt. Gleichzeitig wird auch erreicht, daß mit dem Wegfall der Federn auch solche Kräfte entfallen, die das Batteriegehäuse

zu sprengen trachten. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anwendung eines Unterdrucks werden derart gerichtete Kräfte erzeugt, die das Gehäuse geschlossen zu halten trachten. Durch die Erfindung werden insgesamt Festelektrolytelemente erreicht, die "sich durch eine sehr große Lagerbeständigkeit um! die Fähigkeit zu kontinuierlicher Abgabe von elektrischer Energie in eine' in bezug auf die Größe des Elementes großen Menge auszeichnen.

Vorzugsweise weist das Gehäuse eine einfache, vorzugsweise kreisförmige Scheibe auf, an der ein hohlzylindrischer Ring aus elektrisch isolierendem Material angeordnet und zweckmäßig mit der Bodenplatte aus Metall verbunden ist, wobei auf der oberen Fläche des Isolierringes eine Ringscheibe aus Metall sitzt, die mit dieser oberen Fläche verbunden ist. Die genannten Teile begrenzen einen Innenraum zur Aufnahme der aktiven Bestandteile einer Festelektrolytzelle unter einem Unterdruck. Bei der Herstellung des Festelektrolytelementes wird auf die Ringscheibe ein scheibenförmiger Deckel aufgesetzt und zum Verschließen auf geeignete Weise hermetisch dicht mit der Ringscheibe verbunden, während der Unterdruck aufrechterhalten wird, so daß die Bodenplatte und der Deckel unter der Wirkung des Druckunterschiedes zwischen dem Unterdruck im Inneren des Gehäuses und dem normalen atmosphärischen Druck auf der Außenseite des Gehäuses einwärts gegen die Elektroden gedrückt werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene Schnittansicht von Teilen einer Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Gehäuses für eine Festelektrolytzelle,

F i g. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Festelektrolytelements, dessen aktive Bestandteile zum Zusammenbau bereitgestellt sind, und

F i g. 3 eine Ansicht eines zusammengesetzten Festelektrolytelements.

F i g. 1 zeigt auseinandergezogen die Teile eines Gehäuses 10, und zwar eine Bodenplatte 12 aus dünnem Blech, einen zylindrischen Ring 14 aus elektrisch isolierendem Material, eine Ringscheibe 16 aus Metall und einen scheibenförmigen Deckel 18 aus Metall. Der zylindrische Ring 14 ist so bemessen, daß er auf der Bodenplatte 12 sitzt, mit welcher er an seiner unteren Fläche 14-/4 hermetisch dicht verbunden ist. Der Isolierring 14 umschließt einen zentralen Raum 22, der einen solchen Durchmesser und ein solches Volumen hat, daß er zusammen mit dem zentralen Raum in der Ringscheibe 16 gemäß F i g. 2 eine Festelektrolytzelle 24 von solchem Volumen aufnehmen kann, daß sie bei geschlossenem Gehäuse den Raum 22 ausfüllt. Mit gestrichelten Linien 18-D und 12-D ist angedeutet, daß der Deckel 18 und die aus Blech bestehende Bodenplatte 12 sich einwärtszuwölben trachtet, wenn im Innern des Gehäuses infolge seiner Evakuierung ein Unterdruck herrscht.

Zum Zusammenbau des Gehäuses wird die Ringscheibe 16 auf den Isolierring 14 aufgesetzt und mit dessen oberer Fläche 14- B hermetisch dicht verbunden. Die Festelektrolytzelle 24, welche die Form einer Scheibe oder Tablette hat, wird dann in den zentralen Raum 22 im Innern des Ringes 14 eingesetzt. Danach wird der Metalldeckel 18 auf die Ringscheibe 16 aus Metall aufgesetzt Während des Zusammensetzens wird die Luft aus dem Gehäuse 10 evakuiert. Der Dek kel 18 wird durch ein Kalt-Preßschweißverfahren hermetisch dicht mit der oberen Fläche 16-ß der Ringscheibe 16 aus Metall verbunden. Der mittlere Bereich 18-/4 des Deckels 18 wird beim Zusammensetzen des Gehäuses etwas eingedrückt, so daß der Deckel in diesem Bereich unter leichtem Druck an der Elektrode angreift. Dieser Druck ist von dem später wirksamen Druckunterschied unabhängig. Das jetzt fertiggestellte Element kann jetzt aus der Druckeinrichtung herausgenommen werden, in der das Element zusammengesetzt worden ist.

F i g. 2 zeigt schematisch das Verfahren und die mechanische Anordnung zum Zusammensetzen des evakuierten Gehäuses des Elements und eine Vorrichtung zum Zusammensetzen des Gehäuses für die Zelle in der an Hand der F i g. 1 erläuterten Weise. Zunächst wird üer Ring 14 mit der Bodenplatte 12 einerseits und der Ringscheibe 16 andererseits hermetisch dicht zu einer Baugruppe 26 verbunden, die dann auf einen Stützring 28 aufgesetzt wird, an dem sich der Randbereich der Ringscheibe 28 abstützt. Dieser Stützring 28 ist in einem Hohlraum 30 einer Form 35 angeordnet, die einerseits als Preßform und andererseits als Evakuierungskammer dient, in welcher während des Schließens des Gehäuses 10 durch Anbringen des Deckels 18 ein Unterdruck herrscht.

Nach dem Aufsetzen der Baugruppe 26 auf den Stützring 28 wird der Deckel 18 auf die Baugruppe 26 aufgesetzt und der Raum 30 in der Druckform 35 durch einen kolbenartigen Deckel 40 verschlossen. Dieser ist mit einer Dichtung in Form eines O-Ringes 42 versehen, so daß er satt passend wie ein Kolben in dem ihn umgebenden Matcl 44 der Preßform sitzt.

Nach dem Schließen der Preßform 35 durch den dicht darin sitzenden Kolben 40 wird der Raum 30 über eine geeignete Evakuierungsleitung 46 evakuiert. Gleichzeitig wird die Luft abgesaugt, welche die Festelektrolytzelle in der Baugruppe 26 umgibt, obwohl der Deckel 18 schon leicht auf der Ringscheibe 16 aufliegt. Man kann den mittleren Bereich 18-/4 des Deckels so weit verformen, daß der Deckel mit diesem Bereich leicht auf der Elektrode aufliegt, so daß sich der Deckel etwas über der Ringscheibe befindet. Jedenfalls muß die Evakuierung durchgeführt sein, ehe der Deckel 18 mit der Ringscheibe verschweißt wird. Der mittlere Bereich 18-/4 des Deckels hat eine gewisse Elastizität, so daß er mit der Elektrode in Berührung gebracht werden und sich dem zum Verbinden des Deckels mit der Ringscheibe durch Kaltschweißen ausgeübten Druck und danach dem Druckunterschied zwischen dem evakuierten Innenraum des Gehäuses und dein Atmosphärendruck an der Außenseite des Gehäuses anpassen kann.

Nach dem Evakuieren des Raums 30 auf den gewünschten Unterdruck wird der Kolben 40 bei der normalen Umgebungstemperatur abwärtsgedrückt, so daß der Deckel 18 mit der Ringscheibe 16 kaltverschweißt wird. Zu diesem Zweck verwendet man eine übliche Preßeinrichtung, wie durch Pfeile 50 angedeutet ist.

Nach dem Kaltschweißen wird die Evakuierung beendet, und in dem Raum 30 der Form wird der normale Druck wieder hergestellt. Jetzt kann der Kolben 40 herausgezogen werden, so daß das fertige Element zugänglich wird und aus der Form 35 herausgenommen werden kann. F i g. 3 zeigt das fertige Element, wobei die Bodenplatte und der Deckel des Gehäuses mit den

aktiven Bestandteilen der Zelle in Druckberührung stehen, und zwar zuerst infolge des beim Zusammensetzen ausgeübten Druckes und später infolge des Druckunterschiedes, der nach dem dichten Verschließen des Gehäuses zwischen dem Unterdruck im Inneren des Gehäuses und dem normalen atmosphärischen Druck auf der Außenseite des Gehäuses vorhanden ist.

Die vorstehend beschriebene Konstruktion ermöglicht ein leichtes, einfaches und wirtschaftliches Herstellen und Zusammensetzen der Teile der Baugruppe außerhalb des Evakuierungs- und Preßraumes in der Form, worauf des Zusammensetzen in der Form mit einem einzigen Arbeitsvorgang schnell durchgeführt

werden kann.

Die in F i g. 1, 2 und 3 gezeichneten, gestrichelten Linien deuten die in dem Deckel 18 und der Bodenplatte 12 auftretenden Innenspannungen an, welche diese beiden Teile einwärtszuwölben trachten und damit eine gute Druckberührung mit den beiden Elektrodenflächen herstellen.

Der Deckel 18 und die Bodenplatte 12 können aus Kupfer oder einem anderen angesichts ihrer Funktion geeigneten Metall bestehen. Der Isolierring 14 kann aus Glas oder Keramik bestehen sowie unter Wärme- und/oder Druckeinwirkung hermetisch dicht mit der Bodenplatte und dem Deckel verbunden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Festelektrolytelement mit wenigstens einer in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse angeordneten Festelektrolytzelle, wobei das Gehäuse zwei voneinander elektrisch isolierte Anschlußkontaktwände aufweist, die jeweils mit einer Zellenelektrode in elektrischer Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil (18-Λ) wenigstens einer der elektrischen Anschlußkontaktwände (18,12) federnd verformbar ist und unter einem in dem Gehäuse (tO) herrschenden Unterdruck fest in elektrischen Kontakt gegen die zugeordnete Zellenelektrode anliegt.