DE2215341C3 - Galvanische gasdichte Knopfzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische, gasdichte Knopfzelle, bestehend aus einem metallischen Zellennapf und einem metallischen Zellendeckel, der unter Zwischenlage einer Isolierung gasdicht mit dem Rand des Zellennapfes verbunden ist, einem Elektrodenpaar mit zwischengelagertem Separator und einem Elektrolyten, wobei die eine Elektrode mit dem Zellennapf und die andere mit dem Zellendeckel elektrisch leitend verbunden ist, und hat eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung zum Gegenstand, durch welche die Knopfzellen nach einer trockenen Lagerung durch Einfüllen eines Elektrolyten aktiviert werden können.

Bei den bekannten gasdichten Knopfzellen ist der Elektrolyt von vornherein in dem Gehäuse eingelagert. Sie haben daher den Nachteil, daß sie bereits unmittelbar bei ihrer Herstellung aktiviert und nur beschränkt lagerungsfähig sind. Sie altern bzw. entladen sich selbst, auch wenn ihnen kein Strom entnommen wird, in Abhängigkeit von den äußeren Einflüssen wie Temperatur mehr oder weniger schnell.

Andererseits sind Batterien aus Akkumulatorenzellen mit vorgeladenen trockenen Elektroden bekannt, die nach Lagerung durch Einfüllen eines Elektrolyten aktiviert werden. Zum Aktivieren solcher Batterien sind zwei Systeme bekannt. Bei dem einen System sind die Elektrodenpaare als Paket oder Stapel in einem gemeinsamen Batteriegehäuse angeordnet, welches mit einer zentralen Elektrolytkammer versehen ist, deren Inhalt bei der Aktivierung in das Batteriegehäuse eingeleitet wird. Das Einleiten des Elektrolyten kann auch mit Hilfe einer zentralen Füllvorrichtung erfolgen, wobei lediglich entsprechende Leitungen zum Einführen des Elektrolyten in das Batteriegehäuse zusätzlich vorgesehen sind. Diese Ausführungen haben den Nachteil, daß die Zellen durch die gemeinsamen Elektrolytkanäle einen elektrolytischen Nebenschluß bilden, der über längere Zeit zu Kapazitätsverlusten und Erwärmungen führt. Das zweite Aktivierungssystem sieht zwecks Vermeidung elektrolytischer Nebenschlüsse vor, daß jede Einzelzelle des Batterieblocks einen eigenen Elektrolytvorrat in einem Vorratsgefäß hat und diese Vorratsgefäße von einem zentralen Gastank bzw. einer Gaspatrone beaufschlagt werden. Dabei ist im Batteriegehäuse für jede Einzelzelle ein besonderer Elektrolyt tank vorgesehen, der über eine Elektrolytleitung mit der entsprechenden Einzelzelle verbunden ist. Eine solche Ausführung erfordert jedoch in nachteiliger Weise einen umständlichen Aufbau mit einem sehr großen Platzbedarf, so daß sie in der Regel nur für spezielle Aufgaben gefertigt wird.

Für Trockenelemente (Leclanche-Zellen) älteren Typs ist zwecks Trockenlagerung vorgeschlagen worden, den Elektrolyten in einem im Gehäuse verschiebbaren Behälterteil anzuordnen, der zum Zweck der Aktivierung gegen einen Dorn des Kohlestiftes gedrückt und dabei zertrümmert wird. Dabei sind auch Ausführungen mit einem flexiblen Gehäuseboden bekannt.

Bei einer zu einem Flachelement weiterentwickelten Ausführung ist ein Elektrolytbeutel zwischen zwei gegeneinander verschiebbare, die Elektroden tragenden Deckelteile angeordnet, deren Randteile mit einer elastischen Hülle abgedichtet sind. Durch Zusammendrükken beider Gehäuseteile wird der Beutel zerstört. Zur gleichzeitigen Aktivierung mehrerer Elemente können deren Deckelteile durch Streben mechanisch gekoppelt werden.

Alle bekannten Ausführungen für vorgeladene trokkene Akkumulatorenzellen oder Trockenelemente sind jedoch nicht für gasdichte Knopfzellen geeignet, die wegen ihrer Größe und ihrer gasdicht abgeschlossenen Bauweise eine nachträgliche Aktivierung nicht ohne weiteres möglich erscheinen lassen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gasdichte Knopfzelle zu entwickeln, die

nach Lagerung aktiviert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß in der Zelle vorgeladene tiockene Elektroden und über dem mit Schlitzen ocw Perforationen versehenen Zellendeckel ein mit Elektrolyt gefüllter Elektrolytbehälter aus einer Folie und darüher ein kappenförmig über den Rand des Zellenkopfes vorstehender Membrandeckel angeordnet sind, wobei die Deckelwand und der Membrandeckelrand aufeinanderliegend in die Tasche eines Dichtungsringes greifen, der mit seiner Außenfläche gegen die Napfwand anliegt.

Die neuartige Knopfzelle mit vorgeladenen trockenen Elektroden kann in vorteilhafter Weise lange gelagert und unmittelbar vor Ingebrauchnahme aktiviert werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, den Membrandeckel einzudrücken, wodurch der Elektrolytbehälter platzt bzw. zerstört wird und dor Elektrolyt in die Etektrodenkammer der Knopfzelle gedruckt wird, wo er seine elektrochemische Aufgabe übernimmt. Die Knopfzelle ist dabei von besonders einfachem Aufbau, wobei der übliche Aufbau einer Knopfzelle erhalten bleibt. Zur Erhaltung der Gasdichtigkeit der Knopfzelle greifen die Deckelwand und der Membrandeckel aufeinanderliegend in die Tasche eines Dichtungsringes, der mit seiner Außenfläche gegen die Napfwand anliegt. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die nach Lagerung aktivierbare Knopfzelle nicht nur als Einzelzelle brauchbar, sondern auch für B^aerien geeignet ist, bei denen durch eine zentrale Druckerzeugung alle der Batterie zugeordneten Zellen aktiviert werden können. Die Mittel zur Druckerzeugung können verschieden sein. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, mechanische Mittel vorzusehen, welche auf mehrere nebeneinander angeordnete oder übereinander gestapelte Knopfzellen einen Druck erzeugen, durch den die Membrandeckel jeder Knopfzelle eingedrückt bzw. eingestülpt werden. Weiterhin besteht aber auch die Möglichkeit, auf pneumatischem oder hydraulischem Weg einen Druck zu erzeugen, der über geeignete Kanäle im Batteriegehäuse auf den Membrandekkel geführt wird.

Vorzugsweise besteht der Elektrolytbehälter aus einer Kunststoffolie aus einem napfförmigen Unterteil und einem an dessen Rand angeschweißten Deckelteil. Ein solcher kissenförmiger Elektrolytbehälter ist besonders geeignet, bei einem Eindrücken bzw. Einstülpen des Membrandeckels zu reißen bzw. zu platzen. Um die Reiß- bzw. Platzbereiche zu lokalisieren, hat die Kunststoffolie des napfförmigen Unterteils zweckmäßig an ihrem Boden Bereiche mit einer geringeren Folienstärke.

Der eindrückbare bzw. einstülpbare Membrandeckel kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt sein. Vorzugsweise ist er aus einem dünnen, flexiblen Metallblech oder einer Metallfolie geformt. Dieser Werkstoff ermöglicht nicht nur das Eindrücken bzw. Einstülpen zum Zweck der Zerstörung des Elektrolytbehälters, sondern dient gleichzeitig als elektrischer Pol, da er über den Zellendeckel elektrisch leitend mit der oberen, in der Regel negativen Elektrode verbunden ist. Um ein gleichmäßiges Eindrücken bzw. Einstülpen zu gewährleisten, sind verschiedene Ausführungen geeignet. Zweckmäßig ist der Membrandeckel auf seiner Kopffläche verstärkt. Das kann beispielsweise durch die Anordnung einer scheibenförmigen Verstärkungsplatte oder ringförmiger Versteifungssicken geschehen. Um ein gleichmäßiges Eindrücken der Kopffläche des Membrandeckels zu erhalten, kann auch der über den Rand des Zellennapfes vorstehende Rand des Membrandeckels mit einer Einschnürung versehen oder balgenartig gewellt sein. Um ein Einreißen des Membrandeckeis in seinem Randbereich auszuschließen, besteht auch die Möglichkeit einen Stützring vorzusehen. Hierdurch behält der Membrandeckel seine abdichtende Wirkung auch nach dem Eindrücken bzw. Einstülpen. Vorzugsweise liegt der Dichtungsring in einer ringförmigen Bodenrolle des Zellennapfes. Durch diese Ausgestaltung wird eine sichere Abdichtung der Knopfzelle erreicht

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. Die gasdichte Knopfzelle besteht im wesentlichen aus einem metallischen Zellennapf 1, einem metallischen Zellendeckel 4, den positiven und negativen Elektroden 8 bzw. 11, Separatoren 9, einem Elektrolytbehälter 13 und einem metallischen Membrandeckel 18. Wie die Zeichnung erkennen läßt, ist in dem Zellennapf ein Töpfchen 7 angeordnet, in dem die positive Elektrode liegt Unter dem Zellendeckel 4 ist ebenfalls ein Töpfchen 10 befestigt, welches die negative Elektrode 11 aufnimmt. Die positive Elektrode 8 besteht aus einer vorgeladenen, trockenen, positiven Elektrodenmasse, beispielsweise Silber-I-Oxid oder Silber-II-Oxid, Silberchlorid, Kupferoxid. Kupferchlorid oder Bleisuperoxid. Die negative Elektrode 11 hingegen kann aus Zink, Blei oder Magnesium bestehen. In zusammengebautem Zustand greift der Zellendeckel 4 mit der Deckelwand 5 in den Zellennapf ein, wobei ein Dichtungsring 20 vorgesehen ist, in dessen Tasche 21 der untere Rand der Deckelwand liegt. Die Napfwand ist mit 2 bezeichnet. Außerdem ist der Zellennapf 1 mit einer ringförmigen Bodenrille 3 versehen, in welche der untere Rand des Dichtungsringes zu liegen kommt.

Der Zellendeckel 4 ist im oberen Bereich mit Schlitzen 6 versehen, die vorzugsweise radial angeordnet sind. Diese Schlitze 6 stehen mit einem seitlich neben den Elektroden 8,11 verbleibenden freien Ringraum 12 in Verbindung.

Über dem Zellendeckel 4 ist ein Elektrolytbehälter 13 angeordnet. Er besteht aus einem napfförmigen Unterteil 14 und einem Deckelteil 15, welche beide aus einer dünnen Folie, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall, gefertigt sind. Zur Herstellung des Elektrolytbehälters 13 wird das napfförmige Unterteil 14 mit Elektrolyt 17 gefüllt und der Deckelteil 15 im Randbereich angeschweißt. Der Schweißrand ist mit 16 bezeichnet. Die obere Abdeckung der Knopfzelle bildet ein den Elektrolytbehälter 13 überdeckender Membrandeckel 18. Dieser steht kappenförmig über den Rand des Zellennapfes 1 vor. Der Membrandeckel rand 19 liegt auf der Deckelwand 5 des Zellendeckels 4 auf, wobei er sich mit einer Schulter abstützt und mit dem unteren Rand etwa bis zum unteren Rand der Deckelwand 5 reicht. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf dem Membrandeckel 18 eine scheibenförmige Verstärkungsplatte 22 zentrisch angeordnet. Der Membrandeckel 18 ist aus einem dünnen, flexiblen Metallblech oder einer Metallfolie geformt.

Im zusammengebauten Zustand werden der Membrandeckelrand 19 und die Deckelwand 5 von der Napfwand 2 eingefaßt, wobei der Membrandeckel und der Zellendeckel durch den Dichtungsring 20 gegenüber dem Zellennapf 1 elektrisch isoliert sind. Der obere Rand der Napfwand 2 wird nach innen eingebördelt, und hierdurch erhält die Knopfzelle die erforderliche Abdichtung.

Die vorstehend beschriebene Knopfzelle mit vorgeladenen trockenen Elektroden 8, 11 hat eine große Lagerfähigkeit. Zum Zweck der Aktivierung wird der Membrandeckel 18 eingedrückt bzw. eingestülpt. Die Verstärkungsplatte 22 trägt für ein gleichmäßiges Eindrücken Sorge. Durch das Eindrücken bzw. Einstülpen des Membrandeckels wird der Elektrolytbehälter 13 zerstört, bzw. er platzt. Der Elektrolyt 17 gelangt dann durch die Schlitze 6 in den freien Ringraum 12 neben den Elektroden und kann von dort zur Aktivierung zu den aktiven Elektrodenflächen fließen.

Die Erfindung bleibt nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind zahlreiche Änderungen durchführbar, ohne daß der Rahmen der Erfindung überschritten wird. So besteht einmal die Möglichkeit, den Zellendeckel an Stelle der Schlitze mit Perforationen zu versehen. Weiterhin kann der Elektrolytbehälter auch aus einer geeigneten Metallfolie geformt sein, die bei einer Druckeinwirkung platzt bzw. zerreißt. Die Materialstärke für den Behälter kann in Abhängigkeit von den gewünschten Aktivierdrücken verschieden sein. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Materialstärke so zu wählen, daß durch einen stärkeren Fingerdruck der Membrandeckel eingedrückt und der Elektrolytbehälter zerstört wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, für Zellen, die im Lagerzustand besonderen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, Folien auszuwählen, die erst bei größeren Drücken eine Aktivierung ermöglichen. Das gleiche gilt auch für die Auswahl und Gestaltung des Membrandeckels. Dessen

ίο Kopfflächenverstärkung kann beispielsweise durch ringförmige Versteifungssicken erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, den über den Rand des Zellcnnapfcs vorstehenden Rand des Membrandeckels mit einer Einschnürung zu versehen oder balgenartig zu wellen. Ein scharfes Einknicken des Membrandeckels in seinem vorstehenden Randbereich kann beispielsweise durch die Anordnung eines Stützringes vermieden werden. Außerdem können die Knopfzellen in beliebigen Größen hergestellt werden. Die neuartige Knopfzelle ist also nicht auf das Maß der üblichen Knopfzellen beschränkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Galvanische gasdichte Knopfzelte, bestehend aus einem metallischen Zellennapf und einem metallischen Zellendeckel, der unter Zwischenlage einer Isolierung gasdicht mit dem Rand des Zellennapfes verbunden ist, einem Elektrodenpaar mit zwischengelagertem Separator und einem Elektrolyten, wobei die eine Elektrode mit dem Zellennapf und die andere mit dem Zellendeckel elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zelle vorgeladene trockene Elektroden (8, 11) und über deai mit Schlitzen (6) oder Perforationen versehenen Zellendeckel (4) ein mit Elektrolyt (17) gefüllter Elektrolytbehälter (13) aus einer Folie und darüber ein kappenförmig über den Rand des Zellennapfes (1) vorstehender Membrandeckel (18) angeordnet sind, wobei die Deckelwand (5) und der Membrandeckelrand (19) aufeinanderliegend in die Tasche (21) eines Dichtungsringes (20) greifen, der mit seiner Außenfläche gegen die Napfwand (2) anliegt.

2. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytbehälter (13) aus einer Kunststoffolie aus einem napfförmigen Unterteil (14) und einem an dessen Rand angeschweißten Deckelteil (15) besteht.

3. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie des napfförmigen Unterteils (14) an ihrem Boden Bereiche mit einer geringeren Folienstärke hat.

4. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandeckel (18) aus einem dünnen flexiblen Metallblech oder einer Metallfolie geformt ist.

5. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandeckel (18) auf seiner Kopffläche verstärkt ist.

6. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kopffläche des Membrandeckels (18) eine scheibenförmige Verstärkungsplatte (22) oder ringförmige Versteifungssicken angeordnet sind.

7. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Rand des Zellennapfes (1) vorstehende Rand des Membrandeckels (18) mit einer Einschnürung versehen oder balgenartig gewellt ist.

8. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß innen gegen den über den Rand des Zellennapfes (1) vorstehenden Rand des Membrandeckels (18) ein Stützring angeordnet ist.

9. Knopfzelle nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (20) in einer ringförmigen Bodenrille (3) des Zellennapfes (1) liegt.