DE2163363C3 - Galvanisches Element - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit v>
einer positiven Elektrode aus einer jodhaltigen Verbindung, mit einer negativen Elektrode aus Lithiummetall,
mit Lithiumjodid als Festelektrolyt, mit an Elektroden angeschlossenen Stromableitern.
Solche galvanischen Elemente werden unter anderem (>o
zusammen mit Herzschrittmachern in den menschlichen Körper eingepflanzt und dienen zur Zufuhr von
elektrischer Energie zu diesen Herzschrittmachern. Galvanische Kiemente dieser Art mit Lithiumjodid als
l'estelcktrolyt sind bekannt (US-I1S 34 55 742). Gegen- ">
über galvanischen !',lementen, die mit Quecksilber
arbeiten, haben sie den Vorteil einer etwa zweifachen Ktihcspnnmmg. Hin weiterer Vorteil liegt tiarin, dall 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 Stromableiter zu bilden.
Hieraus stellt sich für vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein galvanisches Element so auszubilden, daß
ein solches Fließen des Jodids unterbunden wxd. 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 nositive Elektrode von dem Lithiummetall der negativen
Elektrode eingeschlossen und das Jodid 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 ragende Schulter aufweisender hohler Körper ist und ein VerschluBstopfen aus Lithiummetall
in das offene Ende eingesetzt ist und an der Schulter anliegt Diese TopiTorm 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 Hegenden 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
Isolierschlauch umfassen, bis in die positive Elektrode hineinreichen und der Leiter innerhalb der
Elektrode mit dem Stromsammler verbunden ist.
Schließlich is. noch vorgesehen, daß der Verschlußstopfen
und die negative Elektrode selbsttätig miteinander verschweißt sind.
Am lieispiel der in der Zeichnung gezeigten
Ausführungsform wird diß Erfindung nun weiter
erläutert. In der Zeichnung ist
F i g. I ein Schnitt durch ein Lithium-Jodid-Element in
konventioneller Ausführung und
Fig.2 ein Schnitt durch das erfindungsgemäße -i
galvanische Element
Das in Fig. 1 dargestellte Element 10 enthält eine negative Elektrode 11 in der Form einer Platte aus
Lithium, weiche an die positive Elektrode 12 angepreßt ist, die aus einer jodhaltigen Verbindung besteht Das ι ο
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 ausgedehnten 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 positives 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 11 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 U.S. Army Signal Corps. Power Sources Conferences, Atlantic City,
1970.
Ein Lithii'm-Jodid-Element ist nicht vollständig frei
von Betriebsproblemen. 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 die Neigung, um die Platte herum zu fließen und einen
Kurzschlußweg 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
Stromsammlers 13 mit Polyester, die Anordnung der Polyesteranhüllung innerkalb eines Gefäßes aus nichtrostendem
Stahl und das Eingießen von Expoxyharz in alle Hohlräume, sowie die Anordnung der beiden
Elektroden 11 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 f>o
einteiligen Behälters aus nichtrostendem Stahl, der an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist.
Innerhalb des Behälters 21 ist eine Schicht aus Lithiumm^tall in Form einer Auskleidung für die
Innenseite! des Behälters angeordnet. Diese Schicht wird *'<
auf die Innenseite des Behälters 21 entweder gepreßt
oder mit dieser verbund::!. Die Schicht kann beispielsweise
gegen den Behälter 21 gepreßt werden, indem ein Kern aus hartem Stahl in die Mitte einer Lithiumauskleidung
gedruckt wird, welche vorher in dem Behälter 21 angeordnet wurde. Wenn der Kern hineingedrückt 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 Moiekularbindung zwischen Lithium
und einem Substrat wie zum Beispiel nichtrostendem Stahl, ist von der Firma Foote Metal Company in
Philadelphia, Pennsylvania, entwickelt worden. Die Lithiumauskieidung 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 negatives 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 das Jodid für die in F i g. 1 gezeigte Elektrode 12 so ausgewählt
daß das am besten leitende LitJhiumsalz 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 ΊΆ 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 Teflon, Glas, Epoxyharz oder Polyester bestehen. Außerdem ist der
Schlauch 32 an dem Ende abgedichtet, das den Verbindungspunk,' der Leitung 31 mit dem Stromsammler
29 berührt.
Die Schulter 23 wird so ausgebildet, daß sich eine glatte Oberfläche 34 ergibt, die gegen da1; oifene Ende
des Behälters 21 gerichtet und in einer Ebene angeordnet ist, welche im wesentlichen zu dessen
Längsmittellinie sei.l;recht steht. In jedem Fall ist die
Oberfläche 34 im allgemeinen unter einem rechten Winkel relativ zur angrcn/cnden Oberfläche 35 der
Elektrode 22 angeordnet. Die Schulter 2.3 ergibt
infolgedessen einen Präzisionspaßsitz, 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 zweckmäßig und
genau erfolgen, indem ein Kern von entsprechender Größe in das offene Ende des Behälters gedruckt wird,
so daß die Formung des in der Elektrode 22 durch die Oberflächen 34, 35 begrenzten Sitzes in einer dem
Gesenkschmieden ähnlichen Weise erfolgt.
Die Kappe 38 ist in oder fast in der Mitte mit einer Ausnehmung verschen, welche den Isolierschlauch 32
und die von diesem abgedeckte Leitung 31 dich! passend aufnimmt. Zwischen der Kappe 38 und den
Oberflächen 34,35 ist ein l'räzisionspaßsitz vorgesehen.
Wenn diese sich berührenden Oberflächen sauber sind, ergibt sich zwischen der Elektrode 22 und der Kappe 38
eine sich selbst verschweißende Verbindung.
Die Umhüllune 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
Unifangskante des Deckels 42 wird an der angrenzenden Endkantc des Behälters 21 durch eine Umfangsschwcißung
43 abgedichtet, welche durch das bekannte HcI iumschut/gas-Plasma-Sch weiß verfahren ausgeführt
wird. Der Behälter 21 und der Deckel 41 bilden demgemäß ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse für
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 mindestensfeiichtigkeitssichcr
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 Fpoxyhar/en oder
anderen Kunststoffen.
Im Betrieb bildet sich ein l.iihium-|udid-Klektrolyt.
sobald die Elektroden 22 und 28 in Beziehung zueinander stehen, wie E ig. 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-Elcktrnlylen.
Die Schicht nimmt an Dicke zu in (tem MaBc, in den'
das Element 20 betrieben wird. Das Element 20 hat eine Ruhcspannung von ungefähr 2,8 V.
Die Umhüllung verhindert in vorteilhafter Weise, dall
die positive Elektrode 28, welche während des Betriebes viskos ist, in irgendeiner Weise leckt und einen
Kurzschlußweg bildet. Die Elektrode 28 wird vollstän dig von der Elektrode 22 aus Lithium umschlossen, so
daß die Wanderung von |odionen beschrnkl ist. Die
Kappe 38 und die Elektrode 22 sind infolge des l'räzisionsprcßsitzes zwischen ihren Oberflächen 34, 15
selbsttätig miteinander verschweißt.
Bei Recktcckform 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 i·1 einer zu seiner fläche senkrechten Richtung
und in zwei Richtungen fließt, statt nur in einer Richtung, wir bei dem bekannten Element gemaU
I ι L'. I Außerdem ist die wirksame Oberfläche dir
Elektrode 22 mehr als doppelt so groll ,«.ic die
entsprechende (-"lache gemäß Fig. I. Infolgedessen wird
die Impedanz auf ein Vierte! 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 (7)
1. Galvanisches Element mit einer positiven Elektrode aus einer jodhaltigen Verbindung, mit
einer negativen Elektrode aus Lithiummetall, mit ϊ Lithiumjodid als Festelektrolyt, mit an Elektroden
angeschlossenen Stromableitern, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Lithiummetall
bestehende Elektrode (22) den größeren Teil der Oberfläche der positiven Elektrode (28) umschließt ι ο
2. 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 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 (2S) ein Stromsammler (29) angeordnet ist und dieser in einer zu der Stromnußrichtung 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 über diese hinausragt, eine Dichtmasse (40) aus Epoxyharz in
dem offenen Ende über der Elektrode (22) angeordnet ist und ein Deckel (41) auf die
Dichtmasse (40) aufgelegt and entlang einer Umfangskante (43) mit dam Metallbehälter (21)
abgedichtet ist
5. Galvanisches Element 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 -to
(29) mit dem Stromableiter verbindenden Einrichtungen einen Leiter (3i) und einen diesen einschließenden
Isolierschlauch (32) umfassen, bis in die positive Elektrode (28) hineinreichen und der Leiter
(31) innerhalb der Elektrode (28) mit dem Strom- « sammler (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
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