DE2201811C3 - Primärelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Primärelement, insbesondere eine Knopfzelle, mit negativem und positivem, aktivem Material, mit einem napfartigen nach oben offenen Behälter mit im wesentlichen zylindrischer Außenwand des positiven aktiven Materials, mit einer Kappe zur Aufnahme des negativen Materials, welche einen nach unten weisenden Teil besitzt, der seinerseits einen sich nach außen erweiternden Bereich und einen sich daran anschließenden Endbereich aufweist, mit mindestens einem Separator, mit einem flexiblen dichtenden Fassungsring mit einer von zwei umlaufenden Flanschen begrenzten Ringnut, welcher der

ίο Aufnahme des Endbereichs der Kappe dient, wobei der äußere umlaufende Flansch des Fassungrings auf der Außenseite der Kappe liegt und der innere umlaufende Flansch auf der Innenseite derselben, wobei der obere Bereich der Außenwand des napfartigen Behälters

is umgepreßt ist und damit den äußeren umlaufenden Flansch des Fassungrings zwischen den umgepreßten Bereichen und der Außenseite der Kappe zur Dichtung der Zelle zusammenpreßt, so daß durch den umgepreßten Bereich der Außenwand, den äußeren Flansch des Fassungringes und die Kappe ein relativ langer Pfad gebildet wird, der ein Lecken verhindert, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Primärelements.
Die kleinen Primärelemente, die beispielsweise in Uhren und Hörhilfen verwendet werden, werden aufgrund ihrer Form und ihrer geringen Abmessungen im allgemeinen als Knopfzellen bezeichnet. Beispielsweise sind Typen derartiger runder Knopfzellen bekannt, die eine Höhe von etwa 5,3 mm und einen Durchmesser von etwa 11,4 mm besitzen. Diese Zellen sind im allgemeinen Alkali-Primärelemente. Ein typisches Primärelement dieser Art arbeitet mit einer Zinkamalgam-Anode (negative Elektrode), einer Quecksilberoxid-Kathode (positive Elektrode) und mit einem alkalischen Elektrolyten, wie z. B. Natriumhydroxid.

Natriumhydroxid als Elektrolyt ist eine stark korrodierende Flüssigkeit, welche zum Kriechen neigt, d. h. eine Flüssigkeit, welche an den Seitenwänden eines Gefäßes emporsteigt. Der alkalische Elektrolyt und die in dem Primärelement erzeugten Gase haben bei der Dichtung der Primärelemente zu ernsten Problemen geführt. Der alkalische Elektrolyt könnte nämlich bei seinem Austreten aus der Knopfzelle nicht nur die Zelle selbst zerstören, sondern auch das möglicherweise komplizierte und teuere Gerät, welches durch die Knopfzelle betrieben wird, beschädigen. In ähnlicher Weise können die Gase, die möglicherweise aus der Zelle austreten, korrodierend auf das Gerät wirken. Das

so Problem des Leckens der Zelle ist besonders bei Armbanduhren sehr schwerwiegend. Eine Armbanduhr enthält nämlich viele Teile, welche bei einer Korrosion infolge eines Leckens der Batterie im Inneren des Uhrengehäuses ungünstig beeinflußt werden könnten.

Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, das Problem der Dichtung kleiner Batterien vom Typ der Knopfzelle zu lösen. Beispielsweise beschreibt die DT-AS 12 70 144 ein Primärelement der eingangs beschriebenen Art, bei dem zur Erzielung einer ausreichenden Dichtwirkung ein verhältnismäßig komplizierter Dichtring verwendet wird, der im Querschnitt etwa S-förmig ausgebildet ist und mit seinem einen S-Bogen den Endbereich der Kappe umschließt, während in den anderen S-Bogen der obere Rand eines Stützrings eingreift, der in den napfartigen Behälter eingesetzt ist Nachteilig an dieser bekannten Knopfzellen-Konstruktion ist es, daß ein relativ komplizierter Dichiring benötigt wird und daß insbe-

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sondere ein besonderer Stützring erforderlich ist, da hierdurch nicht nur die Herstellungskosten erhöht sondern gleichzeitig bei gegebenen Außenabmessungen die Kapazität verringert wird, was auf das relativ große Volumen des Dichtringes bzw. Fassungsringes und des Stützrings zurückzufuhren ist

Auch andere vorbekannte Primärelemente der betrachteten Art haben sich als nicht voll zufriedenstellend erwiesen, wie z.B. die in der USPS 34 76 610 beschriebenen Knopfzelle, bei der zwar ein relativ einfacher Fassungsring verwendet wird und bei der auch auf einen besonderen Stützring verzichtet werden kann, bei der aber andererseits der napfartige Behälter mit einem relativ breiten Flansch versehen ist, welcher eine Stützfläche für den Fassungsring bildet Aufgrund dieses Flansches ergibt sich unter der Voraussetzung, daß für eine Knopfzelle normalerweise ein zylindrischer Raum vorgesehen ist, eine schlechte Ausnutzuhg des zur Verfugung stehenden Raumes beim Einsatz dieser bekannten Batterie und damit letztlich wieder eine reduzierte Batteriekapazität Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einer anderen bekannten Batterie (US-PS 30 15 681), wo der Fassungs- oder Dichtungsring wieder durch den zuerst nach außen und dann nach innen umgebördelten Rand des napfförmigen Unterteils des Batteriegehäuses gehalten wird, so daß auch diese Batterie einen Bereich beträchtlich vergrößerten Durchmessers aufweist, was zu den vorstehend genannten Nachteilen führt Diese Nachteile ergeben sich aus im wesentlichen den gleichen Gründen bei einer weiteren bekannten Primärzelle, welche in der US-PS 26 92 215 beschrieben ist

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wirklich gas- und flüssigkeitsdichte Primärzelle mit einem alkalischen Elektrolyten anzugeben, bei der die zur Erzielung der gewünschten Diohtwirkung getroffenen Maßnahmen vergleichsweise geringe Kosten verursachen und zu einer Primärzelle führen, welche sowohl hinsichtlich ihrer äußeren Form als auch bezüglich ihres inneren Aufbaus eine optimale Kapazität besitzt Außerdem soll ein geeignetes Verfahren zum Herstellen eines solchen Primärelements angegeben werden.

Die gestellte Aufgabe wird durch ein Primärelemet der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist daß der nach unten weisende Teil der Kappe mit der Schulter des inneren umlaufenden Flansches und der Endbereich der Kappe mit den Wänden der Ringnut verklebt ist und daß zum Trennen des negativen Materials von dem positiven Material am unteren Ende der öffnung des Fassungsringes mindestens ein Separator vorgesehen ist, der sich an dem Rand der öffnung abstützt sowie mindestens ein weiterer Separator, welcher sich oberhalb des positiven Materials in dem napfartigen Element befindet und sich an der Außenwand desselben abstützt und an deren Oberseite sich der Fassungsring und der Separator abstützen.

Gemäß der Erfindung werden in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeiten einer Klebverbindung ausgenutzt, wobei zu bemerken ist,, daß an sich das Arbeiten mit Klebverbindungen zum Erzielen eines dichtenden Abschlusses bei Batterien zum Stande der Technik gehört, wie dies beispielsweise durch die FR-PS 11 60 552 sowie durch die DT-AS 12 99 055 belegt ist. Andererseits wird der Klebstoff gemäß der genannten französischen Patentschrift bei einer Primärzelle in erster Linie dazu benutzt, Hohlräume im Inneren einer äußeren Ummantelung vollständig auszufüllen, während er gemäß einer weiter genannten Ausiegeschrift dazu dient bei einem Bleiakkumulator das Batteriegehäuse mit dem Batteriedeckel zu verkleben, wobei es jedoch in erster Linie darum ging, eine sichere Verbindung zwischen dem Batteriegehäuse und dem Deckel zu schaffen und die Ansammlung von Fremdstofen in einem Spalt zwischen diesen beiden Bauteilen zu verhindern.

ic Zum Herstellen eines Primärelementes gemäß der Erfindung hat sich ein Verfahren als besonders günstig erwiesen, welches dadurch gekennzeichnet ist daß zunächst der Endbereich der Kappe mit der Ringnut des Fassungsrings verklebt wird, daß dann die Klebverbindung zwischen der Kappe und dem Fassungsring auf ihre Dichtigkeit geprüft wird, daß danach das aktive negative Material in die Kappe und das aktive positive Material in den napfartigen Behälter eingebracht werden, daß daraufhin der Fassungsnng mit dem negativen Material in die öffnung des napfartigen Behälters eingesetzt werden, nachdem Separatoren zwischen den aktiven Materialien in der Kappe und in dem napfartigen Behälter angeordnet worden sind, und daß schließlich der obere freie Bereich der Außenwand des napfartigen Behälters über den äußeren Flansch des Fassungsrings umgepreßt wird.

Die erfindungsgemäße Primärzelle besitzt also einen ersten, behälterartigen Teil, der auf einer Seite offen ist; ferner sind eine Kappe und ein flexibler Fassungsring 3c vorgesehen, wobei die Kappe im wesentlichen konvex ist. Der Fassungsring besitzt eine Ringnut zwischen sich nach oben erstreckenden Wänden bzw. Flanschen. Die Kappe und der Fassungsring werden miteinander verklebt indem man den Endbereich der Kappe mit einem Klebstoff bestreicht und ihn dann in die Ringnut des Fassungsringes einsetzt In diese Baugruppe bitw. in das Innere der Kappe werden dann das AnodeniHiaterial, der Elektrolyt und eine Anzahl von geeigneten Separatoren eingebracht Eine Kathode und mindestens ein Separator sind in dem unteren, napfartigen Element angeordnet Die Anoden- und die Kathodenanordnung werden dann miteinander verbunden, indem zuriäichst die Anodenanordnung in das offene Ende des napfartigen Elements eingesetzt wird, so daß die Uasis des Fassungsrings auf den Separatoren über der Kathode aufliegt Der obere Bereich der Außemviinde des napfartigen Elementes wird dann umgepreßt, wodurch der äußere Flansch des Fassungsrings gegen die Außenseite der Kappe gepreßt wird.
Das erfindungsgemäße Primärelement besitzt den Vorteil, daß durch die zur Abdichtung getroffenen Maßnahmen keine wesentliche Verringerung des aktiven Materials, welches in die Zelle einbringbatr ist, erfolgt

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels einer Primär- oder Knopfzelle in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert
Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die zusammengebaute Knopfzelle,

Fig.2 einen Querschnitt durch die Anodenanordnung der Knopfzelle gemäß F i g. 1 vor dem Zusammenbau und

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Kathodenanordnung der Knopfzelle gemäß F i g. 1 vor dem Zusammenbau.

Die in F i g. 1 dargestellte Knopfzelle 9 besitzt eine Kappe 10 aus leitendem Material, beispielsweise aus

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rostfreiem Stahl und Phosphorbronze, die vorzugsweise als eine Doppelschicht übereinandergewalzt sind. Die Kappe 10 bildet den einen Pol der Knopfzelle 9, während der andere Pol von einem napfartigen Element

11 gebildet wird. Zwischen der Kappe 10 und dem s napf artigen Element U liegt ein Fassungsring 12, der die beiden Pole der Knopfzelle gegeneinander isoliert. Die Kappe 10 enthält das Anodenmaterial 13, welches beispielsweise ein Zinkamalgam sein kann, welches in die Kappe 10 eingepreßt ist. Vor dem endgültigen ι ο Zusammenbau der Knopfzelle 9 wird zu der Zinkamalgam-Anode ein alkalischer Elektrolyt hinzugegeben, wie beispielsweise Kalium- oder Natriumhydroxid.

Das napfartige Element 11 enthält in der in Fig.3 dargestellten Kathodenanordnung 30 ein der Depolarisation dienendes Kathodenmaterial 15, welches beispielsweise eine Mischung aus Quecksilberoxid und einem geringen Prozentsatz Graphit sein kann. Zwischen der Anode und der Kathode liegen ein oder mehrere Separatoren 31, die beispielsweise aus einem geeigneten mikroporösen Kunststoffmembranmaterial bestehen können.

Fig.2 zeigt die Anodenanordnung 25, wobei die Kappe 10 mit dem Fassungsring 12 verklebt ist Die Kappe 10 besitzt als integrierten Bestandteil einen nach außen sich erweiternden Bereich 18 und einen senkrecht nach unten ragenden Endbereich 19. Der Fassungsring

12 besitzt eine Basis 23, von der ein innerer und äußerer, umlaufender Flansch 24 bzw. 26 nach oben ragen und eine Ringnut 27 begrenzen. Der äußere Flansch 26 ist dabei zur Erzielung der gewünschten Dichtung beträchtlich höher als der innere Flansch 24.

Zum Zusammenbau wird der Endbereich 19 der Kappe 10 mit einem Klebstoff 20 bestrichen und in die Ringnut 27 des Fassungsrings 12 eingesetzt. Der überschüssige Klebstoff, der von dem Endbereich 19 beim Einsetzen in die Ringut abgestreift wird, sammelt sich zwischen der Schulter 21 des inneren Flansches 24 und dem gekrümmten, inneren Bereich 22 der Kappe 10. Auf diese Weise wird die Kappe sowohl im Bereich der Ringnut 27 als auch im Bereich der Schulter 21 fest mit dem Fassungsring verbunden. Als geeigneter Klebstoff 20 hat sich eine Mischung aus Epoxydharz und einem Polysulfid erwiesen. Die Kappe 10 wird für etwa eine Stunde unter einem Druck von beispielsweise 20 g gegen den Fassungsring 12 gepreßt und die Anordnung wird danach zum Aushärten des Klebers für eine vorgegebene Zeit auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt. Jede Anordnung wird nach 24 Stunden einzeln mit einem Druck von etwa 1,4 kg/m² auf ihre Dichtigkeit geprüft und zwar für etwa 10 Sekunden.

Wenn sich die Anordnung als dicht erwiesen hat wird sie umgedreht und das als Anodenmaterial dienende Zinkamalgam wird in der Kappe komprimiert Anschließend wird dann der Elektrolyt hinzugegeben, und die Kappe 10 wird dann beispielsweise in einer Halterung mit dem napfartigen Element 11 verbunden. Während dieser Phase des Zusammenbaus steht der äußere Flansch 26 des Fassungrings 12, wie dies Fig.2 zeigt immer noch aufrecht

Die Endphase des Zusammenbaus besteht darin, daß der obere Bereich der frei nach oben stehenden Außenwand 32 des napf artigen Elementes 11 umgepreßt wird, um im Zusammenwirken mit dem Fassungsring 12 einen dichten Verschluß zu bilden. Der Preßdruck kann dabei bei ungefähr 1,75 t liegen. Nach Beendigung des Umpressens wird der Fassungsring 12 bzw. der umlaufende Flansch 26 von dem umgepreßten oberen Bereich 33 der Außenwand 32 unter Druck gehalten, so daß eine sorgfältige Dichtung herbeigeführt wird.

Tatsächlich ergeben sich bei diesem Aufbau der Knopfzelle zwei getrennte Dichtungen, die beide ein Austreten von Gas und Flüssigkeit wirksam verhindern. Die eine dieser Dichtungen wird durch den Klebstoff zwischen dem Endbereich 19 der Kappe 10 und der Schulter 21 einerseits sowie der Innenwand der Ringnut 27 des Fassungsrings andererseits gebildet Die zweite dieser Dichtungen wird durch den Fassungsring 12 selbst gebildet der unter Druck zwischen der Außenseite des sich nach außen erweiternden Bereichs 18 der Kappe und der Innenseite des umgepreßten, oberen Bereichs 33 des napfartigen Elementes 11 liegt

In Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es ferner möglich, ein Silber-Zink-Element herzustellen, welches im wesentlichen den gleichen Aufbau besitzt wie das Quecksilber-Zink-Element welches vorstehend beschrieben wurde. Die Kathode würde bei einem solchen Element aus einer Mischung von Silberoxid und Graphit bestehen, und die Abmessungen der Elektroden und des Elementes wären anders.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

22 Ol 811 Patentansprüche:

1. Primärelement, insbesondere Knopfzelle, mit negativem und positivem aktivem Material, mit einem napfartigen nach oben offenen Behälter mit im wesentlichen zylindrischer Außenwand zur Aufnahme des positiven aktiven Materials, mit einer Kappe zur Aufnahme des negativen Materials, welche einen nach unten weisenden Teil besitzt, der seinerseits einen sich nach außen erweiternden Bereich und einen sich daran anschließenden Endbereich aufweist, mit mindestens einem Separator, mit einem flexiblen dichtenden Fassungsring mit einer von zwei umlaufenden Flanschen begrenzten Ringnut, weiche der Aufnahme des Endbereichs der Kappe dient, wobei der äußere umlaufende Flansch des Fassungrings auf der Außenseite der Kappe liegt und der innere umlaufende Flansch auf der Innenseite derselben, wobei der obere Bereich der Außenwand des napfartigen Behälters umgepreßt ist und damit den äußeren umlaufenden Flansch des Fassungrings zwischen den umgepreßten Bereichen und der Außenseite der Kappe zur Dichtung der Zelle zusammenpreßt, so daß durch den umgepreßten Bereich der Außenwand den äußeren Flansch des Fassungringes und die Kappe ein relativ langer Pfad gebildet wird, der ein Lecken verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß der nach unten weisende Teil der Kappe (10) mit der Schulter (21) des inneren umlaufenden Flansches (24) und der Endbereich (19) der Kappe (10) mit den Wänden der Ringnut (27) verklebt ist und daß zum Trennen des negativen Materials (13) von dem positiven Material (15) am unteren Ende der öffnung des Fassungsringes (12) mindestens ein Separator (14) vorgesehen ist, der sich an dem Rand der öffnung abstützt, sowie mindestens ein weiterer Separator (31), welcher sich oberhalb des positiven Materials (15) in dem napfartigen Element (11) befindet und sich an der Außenwand (32) desselben abstützt und an deren Oberseite sich der Fassungsring (12) und der Separator (14) abstützen.

2.Verfahren zur Herstellung eines Primärelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Endbereich (19) der Kappe (10) mit der Ringnut (27) des Fassungsringes (12) verklebt wird, daß dann die Klebverbindung zwischen der Kappe

(10) und dem Fassungsring (12) auf ihre Dichtigkeit geprüft wird, daß danach das aktive negative Material (13) in die Kappe (10) und das aktivie positive Material (15) in den napf artigen Behälter

(11) eingebracht werden, daß daraufhin der Fassungsring (12) mit dem negativen Material (13) in die öffnung des napfartigen Behälters eingesetzt werden, nachdem Separatoren zwischen den aktiven Materialen in der Kappe (10) und in dem napfartigen Behälter (11) angeordnet worden sind, und daß schließlich der obere freie Bereich (33) der Außenwand (32) des napfartigen Behälters (U) über den äußeren Flansch (26) des Fassungrings (12) umgepreßt wird.