DE2163363B2 - Galvanisches Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einer positiven Elektrode aus einer jodhaltigen Verbindung, mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall, mit Lithiumiodid als Festelektrolyt mit an Elektroden angeschlossenen Stromableitern.

Solche galvanischen Elemente werden unter anderem zusammen mit Herzschrittmachern in den menschlichen Körper eingepflanzt Und dienen zur Zufuhr von elektrischer Energie zu diesen Herzschrittmachern. Galvanische Elemente dieser Art mit Lithiumiodid als Festelektrolyt sind bekannt (US-PS 34 55 742). Gegenüber galvanischen Elementen, die mit Quecksilber arbeiten, haben sie den Vorteil einer etwa zweifachan Ruhespannung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die elektrochemischen Vorgänge ohne Gasbildung ablaufen. Ein Problem ergibt sich jedoch aus der Viskosität des Jodids, Dieses hat das Bestreben, innerhalb des Elementes zu fließen und einen Kurzschlußweg zu dem an die negative Elektrode angeschlossenen Stromableiterz» bilden.

Hieraus stellt sich für vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein galvanisches Element so auszubilden, daß ein solches Fließen des Jodids unterbunden wird. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einem galvanischen Element der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung dadurch, daß die aus Lithiummetall bestehende Anode den größeren Teil der Oberfläche der positiven Elektrode umschließt Damit wird die positive Elektrode von dem Lithiummetall der negativen Elektrode eingeschlossen und das Iodid daran gehindert durchzulecken und einen Kurzschlußweg zu bilden. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, daß die beiden Elektroden auf einer maximalen Fläche miteinander in Kontakt stehen. Entsprechend sinkt der Innenwiderstand des galvanischen Elementes.

Erwähnt sei an dieser Stelle noch, daß unter der positiven Elektrode die Kathode und unter der negativen Elektrode die Anode verstanden wird.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die negative Elektrode ein an einem Ende geschlossener, am anderen Ende offener und dort eine nach innen ra&inde Schulter aufweisender hohler Körper ist und ein Verschlußstopfen aus Lithiummetall in das offene Ende eingesetzt ist und an der Schulter anliegt Diese Topfform läßt sich einfach herstellen. Gleichzeitig erleichtert sie ein Umhüllen der negativen Elektrode bzw. des gesamten galvanischen Elementes mit einem Material, mit dem das Element gegenüber Körperfeuchtigkeit und dergleichen abgedichtet wird.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß mitten in der positiven Elektrode ein Stromsammler angeordnet ist und dieser in einer zu der Stromflußrichtung in. der Elektrode im allgemeinen unter einem rechten Winkel liegenden Ebene verläuft Mit dieser Anordnung und Lage des Stromsammlers läßt sich der Strom mit geringsten Eigenverlusten abführen.

Die Abdichtung des galvanischen Elementes gegenüber seiner Umwelt zum Beispiel gegenüber der Feuchtigkeit des menschlichen Körpers, in die es eingepflanzt ist, wird gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform in vorteilhafter Weise dadurch erreicht daß ein an einem Ende geschlossener und am anderen Ende offener Metallbehälter die negative Elektrode dicht umschließt und mit seinem offenen Ende über diese hinausragt eine Dichtmasse aus Epoxyharz in dem offenen Ende über der Elektrode angeordnet ist und ein Deckel auf die Dichtmasse aufgelegt und entlang einer Umfangskante mit dem Metallbehälter abgedichtet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Stromsammler eine ebene Oberfläche aufweist Als zweckmäßig hat sich dabei herausgestellt, daß die den Stromsammler mit dem Stromableiter verbindenden Einrichtungen einen Leiter und einen diesen einschließenden Isolierschläüch UiTifässeri, bis in die positive Elektrode hineinreichen und der Leiter innerhalb der Elektrode mit dem Stromsammler verbunden int.

Schließlich ist noch vorgesehen, daß der Verschlußstopfen und die negative Elektrode selbsttätig miteinander verschweißt sind.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten

AusfUhrungsform wird die Erfindung nun weiter erläutert In der Zeichnung ist

F i g, 1 ein Schnitt durch ein Lithium-Jodid-Element in konventioneller Ausführung und

Fig,2 ein Schnitt durch das erfindungsgemäße galvanische Element

Das in Fig. 1 dargestellte Element 10 enthält eine negative Elektrode 11 in der Form einer Platte aus Lithium, welche an die positive Elektrode 12 angepreßt ist die aus einer jodhaltigen Verbindung besteht Das Jodid für die positive Elektrode 12 ist so ausgewählt daß das am besten leitende Lithiumsalz LiI der Elektrolyt ist der bei der Entladung gebildet wird. Das Element 10 enthält ferner einen Stromsammler 13 in Form eines Schirmes oder eines aasgedehnten Metallelements, das in die negative Elektrode 11 eingebettet ist Eine Leitung 14 verbindet den Stromsammler 13 mit einer äußeren Klemme, an welcher negatives Potential ansteht Ähnlich ist ein Stromsammler 15 in der Form eines Schirmes oder eines ausgedehnten Metallelements auf der positiven Elektrode 12 aufgebracht Eine Leitung 16 verbindet den Stromsammler 15 mit einer äußeren Klemme, an welcher positive Potential ansteht Die Umhüllung für das Element 10 ist ein Behälter 19 aus Kunststoff, in den das Element eingekapselt ist

Der Betrieb des Elementes 10 beginnt mit der Bildung eines Lithium-Jodid-Elektrolyten. Die Wanderung von Jodionen von der Elektrode 12 zu der Elektrode U veranlaßt das Fließen eines elektrischen Stromes in einem äußeren Stromkreis, der mit dem Element 10 durch die Leitungen 14,16 verbunden ist Eine genauere Beschreibung der Konstruktion und Wirkungsweise eines Lithium-Jodid-Elementes kann aus der folgenden Veröffentlichung entnommen werden: Schneider et al, »A New High Energy Density Solid Electrolyte Cell with a Lithium Anode«, Proceedings of the US. Army Signal Corps. Power Sources Conferences, Atlantic City, 1970.

Ein Lithium-Jodid-Element ist nicht vollständig frei von Betr'ebsproblemen. Das Jodid, das die positive Elektrode 12 bildet ist eine viskose Substanz, die eine Konsistenz aufweist welche jener von warmem Asphalt ähnlich ist Bei bekannten Umhüllungen, wie zum Beispiel dem dargestellten Behälter 19, zeigt das Jodid 4S die Neigung, um die Platte herum zu fließen und einen Kurzsc&lußweg zum Stromsammler 13 an der Elektrode 11 zu bilden. Es sind verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, wie zum Beispiel das Vergießen der Oberfläche der Elektrode 11 durch Umhüllen des so Stromsammlers 13 mit Polyester, die Anordnung der Polyesterumhüllung innerhalb eines Gefäßes aus nichtrostend ?m Stahl und das Eingießen von Expoxyharz in alle Hohlräume, sowie die Anordnung der beiden Elektroden U und 12 in einem Behälter aus Epoxyharz. Diese verschiedenen Vorschläge ergeben jedoch nur teilweise Lösungen für das Problem.

In Fig.2 ist das erfindungsgemäße Element 20 dargestellt Die Umhüllung besteht aus einem Gehäuse oder Behälter 21, vorzugsweise in der Form eines einteiligen Behälters aus nichtrostendem Stahl, der an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist. Innerhalb des Behälters 21 ist eine Schicht aus Lithiummetall in Form einer Auskleidung für die Innenseite des Behälters angeordnet. Diese Schicht wird auf die Innenseite des Behälters 21 entweder gepreßt oder mit dieser verbunden. Die Schicht kann beispiels weise gegen den Behl" lter 21 gepreßt werden, indem ein Kern aus hartem Stahl in die Mitte einer Uthiumausklel· dung gedrückt wird, welche vorher in dem Behälter 21 angeordnet wurde, Wenn der Kern bmemgedruckt ist wird das Lithium zu einer verhältnismäßig dünnen Wand zusammengedrückt und unter Druck an die Innenseite des Behälters 21 angepreßt Es kann aber auch eine verhältnismäßig dünne Lithiumauskleidung mit dem Behälter 21 verbunden werden. Ein Verfahren zum Erzielen einer Molekularbindung zwischen Lithium und einem Substrat wie zum Beispiel nichtrostendem Stahl, ist von der Firma Foote Metal Company in Philadelphia, Pennsylvania, entwickelt worden. Die Lithiumauskleidung erstreckt sich über die ganze Innenseite des geschlossenen Endes des Behälters 21 und längs eines größeren Teils von dessen Länge. Außerdem wird in der Nähe des offenen Endes des Behälters 21 in der Auskleidung eine Schulter 23 gebildet Die Lithiumauskleidung bildet die negative Elektrode 22 des Elementes 20. Eine Leitung 25 verbindet die Elektrode 22 mit einer äußeren Batterieklemme, von welcher ein negativem Potential abgeleitet wird.

Das Element 20 enthält ferner eine positive Elektrode 28 aus einer entsprechenden jodhaltigen Verbindung. Das Jodid für die Elektrode 28 ist ebenso wie aas Jodid für die in F i g. 1 gezeigte Elektrode 12 so ausgewählt daß das am besten leitende Lithiumsalz LiI den Elektrolyten bildet Ein Stromsammler 29 ist innerhalb der Elektrode 28 in der Mitte oder fast in der Mitte angeordnet Bei der dargestellten Ausführungsform hat der Stromsammler 29 die Form eines ausgedehnten oder gewellten Metallelements. Das ausgewählte Metall ist nicht korrodierend.

Die positive Elektrode 28 und der Stromsamler 29 können in dem Element 20 auf folgende Weise vereinigt werden. Vor der Bildung der Schulter 23 auf der Elektrode 22 wird eine geschichtete Anordnung des Stromsammlers 29 zwischen zwei Platten der die Elektrode 28 bildenden jodhaltigen Verbindung in das offene Ende des Behälters 21 und der Elektrode 22 eingeführt Ein Kern kann verwendet werden, um die Anordnung längs des Behälters 21 nach unten zu drücken. Dadurch wird eine dichte Verbindung unter Druck zwischen der Elektrode 22 und der Elektrode 28 gewährleistet Infolgedessen umschließt die Elektrode 22 die Elektrode 28 über den größeren Teil von deren Außenseite. Eine elektrische Verbindung wird mit dem Stromsammler 29 durch eine Leitung 31 hergestellt welche an einem Ende mit dem Stromsammler 29 an einer entsprechenden Stelle verschweißt ist vorzugsweise tief innerhalb der Elektrode 28, und welche am anderen Ende mit einer äußeren Klemme verbunden ist von welcher ein positives Potential abgenommen wird. Die Leitung 31 liegt in einem Isolierschlauch 32, der auch für Jodid und Lithium undurchlässig ist Der Schlauch 32 kann beispielsweise aus Tefloh, Glas, Epoxyharz oder Polyester bestehen. Außerdem ist der Schlauch 32 an dem Ende abgedichtet das den Verbindungspunkt der Leitung 31 mit dem Stromsammler 29 berührt

Die Schulter 23 wird so ausgebildet daß sich eine glatte Oberfläche 34 ergibt, die gegen das offene Ende des Behälters 21 gerichtet und in einer Ebene angeordnet ist, welche im wesentlichen zu dessen Längsmittellinie senkrecht steht. In jedem Fall ist die Oberfläche 34 ϊιλ allgemeinen unter einem rechten Winkel relativ zur angrenzenden Oberfläche 35 der Elektrode 22 angeordnet. Die Schulter 23 ergibt

infolgedessen einen PräzisionspaOsitz für eine Kappe 38 aus Lithium. Im allgemeinen ist diese eben und weist eine Umfangsform auf, welche der Oberfläche 35 entspricht. Die Anordnung und Ausrichtung der benachbarten Oberflächen 34,35 kann zweckmä Big und genau erfolgen, indem ein Kern von entsprechender Größe in das offene Ende des Behälters gedrückt wird, so daß die Formung des in der Elektrode 22 durch die Oberflächen 34, 35 begrenzten Sitzes in eine, dem Gesenkschmieden ähnlichen Weise erfolgt. in

Die Kappe 38 ist in oder fast in der Mitte mit einer Ausnehmung versehen, welche den Isolierschlauch 32 und die von diesem abgedeckte Leitung 31 dicht passend aufnimmt. Zwischen der Kappe 38 und den Oberflächen 34,35 ist ein Präzisionspaßsitz vorgesehen. Wenn diese sich berührenden Oberflächen sauber sind, ergibt sich zwischen der Elektrode 22 und der Kappe 38 eine sich selbst verschweißende Verbindung.

Die Umhüllung wird vervollständigt durch eine Dichtung 40 aus Epoxyharz oder ähnlichem Material, welche über der Kappe 38 und der angrenzenden Endfläche der Elektrode 22 gebildet wird, sowie durch einen Deckel 41 in Form eines im allgemeinen schalenförmigen Teils aus nichtrostendem Stahl. Die Utnfangskante des Deckels 42 wird an der angrenzenden Endkante des Behälters 21 durch eine Umfangsschweißung 43 abgedichtet, welche durch das bekannte Heliumschutzgas-Plasma-Schweißverfahren ausgeführt wird. Der Behälter 21 und der Deckel 41 bilden demgemäß ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für j<> das Element 20. Ein Teil 44 aus elektrisch isolierendem Material trennt die Leitung 31 vom Deckel 41 und ist in dem Gehäuse hermetisch abgedichtet Zwischen dem Metallbehälter 21 und dem Deckel 41 ist infolgedessen eine wirklich hermetische Abdichtung vorgesehen. Während eine hermetische Abdichtung beabsichtigt ist, ist es wichtig, daß die Abdichtung mindestens feuchtigkeitssicher ist. In dieser Beziehung ist zu bemerken, daß eine wirklich hermetische Abdichtung mit Metall, Glas oder keramischen Materialien möglich ist, aber nicht mit den bekannten Epoxyharzen oder anderen Kunststoffen.

Im Betrieb bildet sich ein Lithium-Jodid-Elektrolyt, sobald die Elektroden 22 und 28 in Beziehung zueinander stehen, wie F i g. 2 zeigt Bei der Bildung einer dichten Verbindung unter Druck zwischen der Elektrode 22 und der Elektrode 28 bildet sich sofort eine monomolekulare Schicht des Lithium-Jodid-Elektrolyten. Die Schicht nimmt an Dicke zu in dem Maße, in dem das Element 20 betrieben wird. Das Element 20 hat eine Ruhespannung von ungefähr 2.8 V.

Die Umhüllung verhindert in vorteilhafter Weise, daß die positive Elektrode 28, welche während des Betriebes viskos ist, in irgendeiner Weise leckt und einen Kurzschlußweg bildet. Die Elektrode 28 wird vollständig von der Elektrode 22 aus Lithium umschlossen, so daß die Wanderung von Jodionen beschränkt ist. Die Kappe 38 und die Elektrode 22 sind infolge des Präzisionspreßsitzes zwischen ihren Oberflächen 34, 35 selbsttätig miteinander verschweißt.

Bei Reckteckform des Elementes ist der Stromsammler 29 in der Mitte der Elektrode 28 oder fast in deren Mitte angeordnet. Der Sammler 29 verläuft so, daß der Strom in einer zu seiner Fläche senkrechten Richtung und <·! zwei Richtungen fließt, statt nur in einer Richtung, wie bei dem bekannten Element gemäß Fig. 1. Außerdem ist die wirksame Oberfläche der Elektrode 22 mehr als doppelt so groß wie die entsprechende Fläche gemäß Fig. 1. Infolgedessen wird die Impedanz auf ein Viertel vermindert, wobei die eine Hälfte durch Verringerung der Stärke der positiven Elektrode und die andere Hälfte durch Vergrößerung der Oberfläche der negativen Elektrode bewirkt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   J. Galvanisches Element mit einer positiven Elektrode aus einer jodhaltigen Verbindung, mit einer negativen Elektrode aus üthiwnmetall, mit s Lithiumiodid als Festelektrolyt, mit an Elektroden angeschlossenen Stromableitern, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Lithiummetall bestehende Elektrode (22) den größeren Teil der Oberflache der positiven Elektrode (28) umschließt to

   Z Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode (22) ein an einem Ende geschlossener, am anderen Ende offener und dort eine nach innen ragende Schulter (23) aufweisender hohler Körper ist und ein is Verschlußstopfen (38) aus Lithiummetall in das offene Ende eingesetzt ist und an der Schulter (23) anliegt

   3. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mitten in der positiven Elektrode (28) ein Stromsammler (29) angeordnet ist und dieser in einer zu der Stromflußrichtung in der Elektrode (28) im allgemeinen unter einem rechten Winkel liegenden Ebene verläuft

   4. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an einem Ende geschlossener und am anderen Ende offener Metallbehälter (21) die negative Elektrode (22) dicht umschließt und mit seinem offenen Ende Ober diese hinausragt, eine Dichtmasse (40) aus Epoxyharz in dem offenen Ende Ober der Elektrode (22) angeordnet ist und ein Deckel (41) auf die Dichtmasse (40) aufgelegt und entlang einer Umfangikante (43; mit ium Metallbehälter (21) abgedichtet ist

   5. Galvanisches Elemen. nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsammler (29) eine ebene Oberfläche aufweist

   6. Galvanisches Element nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die den Stromsammler (29) mit dem Stromableiter verbindenden Einrichtungen einen Leiter (31) und einen diesen einschließenden Isolierschlauch (32) umfassen, bis in die positive Elektrode (28) hineinreichen und der Leiter (31) innerhalb der Elektrode (28) mit dem Stromsammler (29) verbunden ist

   7. Galvanisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Verschlußstopfen (38) und die negative Elektrode (22) selbsttätig miteinander verschweißt sind. so