DE2221818B2 - Verfahren zur halbautomatischen herstellung einer mehrschichtigen, spiralfoermig gewickelten zellenpackung mit kleinem durchmesser fuer galvanische miniaturzellen - Google Patents

Description

daß man das freie Ende des Führungsstreifens (18) io schichten zwischen die Elektrodenschichten eingelegt umfaltet, das umgefaltete Ende (20) in Richtung auf und die verschiedenen Schichten dann gemeinsam die Zellenpackung zu einem mindestens eine volle aufgerollt wurden, wobei es jedoch nicht möglich war, Windung aufweisenden Wickel (24) aufrollt, diesen eine ausreichende Spannung aufrechtzuerhalten (US-PS Wickel über einen angetriebenen Wickelkern (26), 33 73 060). Für Miniaturzellen mit ihren wesentlich der mit einer Vielzahl von auf seinem Umfang im 15 kleineren Abmessungen hat aber gerade die Aufrechter-Abstand zueinander angeordneten Keilzähnen (28) haltung der Spannung beim Wickelvorgang besondere versehen ist, in Einrollrichtung des spiralförmigen Bedeutung. Außerdem müssen bei der bekannten Führungsstreifens abwickelt, bis das umgefaltete Zellenpackung die Separatorenden fest in den Wickel-Ende (20) in einen Keilzahn (28a^ eingreift, und dann kern eingeklemmt werden, was zwar einerseits wichtig unter weiterem Drehen des Wickelkernes (26) die 20 ist, um ein Abrutschen beim Wickeln zu verhindern, mehrschichtige Zellenpackung unter einem Stapel- andererseits aber die spätere Entfernung des Wickeldruck von mindestens 7 kp/cm² aufrollt kerns sehr erschwert Entsprechendes gilt auch für das 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- aus der US-PS 34 94 800 bekannte Verfahren, bei dem zeichnet, daß man den Führungsstreifen (18) sich die Zellenpackung über eine Haftschicht oder mit einer selbsttätig in einer Atmosphäre von Luft oder 25 Muffe am Wickelkern zu befestigen ist.
Dampf bei erhöhter Temperatur einrollen läßt. Der Erfindung lag die Aufgabe zügrunde, die

Nachtei'e dor bekannten Wickelverfahren einschließlich

der oben aufgeführten Verfahren zur Herstellung

spiralförmig gewickelter Zellenpackungen für galvani-

Es ist seit langem bekannt, daß spiralförmig 30 sehe Zellen zu vermeiden. Außerdem sollte eine gewickelte Zellen Vorteile hinsichtlich der hohen Zellenpackung mit verhältnismäßig kleinem Durchmes-Leistungsdichte und der Einfachheit bei der automati- ser unter Verwendung eines festen Kernes mit kleinem sehen Montage haben. Es ist ferner bekannt, daß Durchmesser hergestellt werden, wobei dennoch ein gewisse Typen wiederaufladbarer alkalischer Zellen hoher Schiehtdruck zwischen den Komponenten der einen festen Wickeldruck oder Stapeldruck an den die 35 Zellenpackung erzeugt wird und innerhalb der galvani· Zellenpackung bildenden Teilen benötigen, um die sehen Zelle ein kleiner axialer Leerraum erhalten bleibt. Lebensdauer der Zelle zu verbessern, insbesondere bei
solchen Zellen, bei denen Dendritenwuchs

innere

Kurzschlüsse verursacht. Um diesen verhältnismäßig

auch nachdem der Elektrolyt in die Zelle eingebracht oder nachdem die Zellentätigkeit begonnen wurde.

_o Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur

hohen Schiehtdruck zu erzeugen, ist es allgemein üblich, 40 halbautomatischen Herstellung einer mehrschichtigen, geschlitzte oder zusammenklappbare Kerne mit ziem- spiralförmig gewickelten Zellenpackung mit kleinem lieh großen Durchmessern zu verwenden, um die
während des Wickeins auftretenden hohen Drehmomente aufzunehmen. Wenn Kerne mit kleineren _o _.._e

Durchmessern verwendet wurden, war es zum Erhalt 45 zeichne! ist, daß man das freie Ende des Führungsstreides Drehmomentes notwendig, angetriebene Andruck- fens umfaltet, das umgefaltete Ende in Richtung auf die rollen zu verwenden - mit dem Ergebnis, daß die
Zellenpackung einer Schleifwirkung auf ihren Umfang
ausgesetzt wurde. Für

Durchmesser für galvanische Miniaturzellen, wobei an die zu wickelnde Zellenpackung ein dünner flexibler Führungsstreifen angesetzt wird, das dadurch gekenn-

sogenannte Miniaturzellen,

beispielsweise Zellen vom AA-Format, die nicht mit so großen Kernen gewickelt oder solchen Schleifkräften ausgesetzt werden können und trotzdem mit guten mechanischen Eigenschaften, hohen Energiedichten und Entladekapazitäten hergestellt werden sollen, ist keines

dieser Verfahren zufriedenstellend. Der „ „_..

Wickelkern für diesen Zellentyp ist ein angetriebener Kern, der den auftretenden Drehmomenten standhält und dennoch nur einen geringen axialen Leerraum (bezogen auf den Durchmesser der Zelle) freiläßt, wenn die Zellenpackung vom Kern abgenommen wird.

Während man früher die Auffassung vertrat, daß es vorteilhaft sei, das von dem axialen Leerraum in der Zellenpackung eingenommene Volumen auf das Kleinstmaß zurückzuführen, ist es in Wirklichkeit so, daß ein gewisser Leerraum für die Rekombination der sich in der Zelle entwickelnden Gase notwendig ist. Wird der Elektrolyt zu Beginn zugegeben, besteht eine Tendenz, diesen Leerraum in seinen Abmessungen

Zellenpackung zu einem mindestens eine volle Windung aufweisenden Wickel aufrollt, diesen Wickel über einen angetriebenen Wickelkern, der mit einer Vielzahl von auf seinem Umfang im Abstand zueinander angeordneten Keilzähnen versehen ist, in Einrollrichtung des sprialförmigen Führungsstreifens abwickelt, bis das umgefaltete Ende in einen Keilzahn eingreift, und dann unter weiterem Drehen des Wickelkernes die mehrgünstigste 55 schichtige Zellenpackung unter einem Stapeldruck von mindestens 7 kp/cm² aufrollt. Hierbei werden vorzugsweise mitlaufende Andruckwalzen eingesetzt, um der spiralförmig gewickelten Zellenpackung den nötigen Schiehtdruck zu verleihen.

Zweckmäßig läßt man den Führungsstreifen sich selbsttätig in einer Atmosphäre von Luft oder Dampf bei erhöhter Temperatur einrollen.

Nachdem die spiralförmig gewickelte Zellenpackung von dem Wickelkern abgenommen ist, bleibt ein axialer Leerraum bestehen. In diesen axialen Leerraum kann ein poröses oder unzusammenhängendes Stützelement, das gegenüber der Zellenumgebung beständig ist, eingesetzt werden, nachdem die spiralförmige Zellen-

packung in einen geeigneten Behälter eingebracht wurde, um den Schicht- oder Stapeldruck der Zellenpakkung aufrechtzuerhalten und e-nen axialen Weg für die Rekombination der sich beim Zellenbetrieb entwickelnden Gase zu bilden.

Die erfindungsgemäß hergestellten Zellenpackungen bringen besondere Vorteile für galvanische Miniaturzellen, bei denen ein hoher Schichtdruck und die Aufrechterhaltung eines axialen Leerraumes im Hinblick auf eine lange Lebensdauer und eine hohe Leistungsansbeute wichtig sind. Als Beispiele solcher Zellen sind wiederaufladbare abgedichtete alkalische Nickel-Cadmium-Zellen und Nickel-Zink-Zellen mit Sub-C- und AA-Abmessungen zu nennen. Solche Zellen werden beispielsweise im wesentlichen in Apparaten, wissenschaftlichen Anlagen und Spielzeug verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren bezeirhnen jeweils gleiche Teile.

Fig. 1 zeigt in drei Abbildungen den Ablauf des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 2 zeigt perspektivisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Druck und

Fig.3 zeigt eine teilweise weggeschnittene Ansicht einer abgedichteten elektrolytischen Zelle mit einem Stützelement im Axialabereich.

In F i g. 1 ist die Folge der zur Vorbereitung des Wickelvorganges einer Zellenpackung erforderlichen Schritte abgebildet. In Fig. la ist die zu wickelnde Zellenpackung generell mit 10 bezeichnet. Sie besteht aus der negativen Elektrode 12, der positiven Elektrode 14 und dem dazwischengelegten Separator 16, der in der dargestellten Weise um die negative Elektrode herumgefaltet ist. Ein dünner flexibler Führungsstreifen 18, der beispielsweise aus Papier, Polyäthylen, Wursthülle, verschiedenen copolymeren Materialien und mit Polymeren imprägniertem Papier bestehen kann, ist fest an der Vorderkante der Zellpackung bei 22 angebracht, beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Klebers. Das andere Ende des Führungsstreifens ist mit einem kleinen zurückgefalteten Abschnitt 20 versehen, dessen Faltwinkel θ mit der Horizontalen vorzugsweise kleiner ist als etwa 90°, noch günstiger kleiner als etwa 45° und am günstigsten kleiner als etwa 15°. Dieser Winkel und die Länge des umgefalteten Endes werden entsprechend der geometrischen Anordnung und Größe des seitlichen Aufnahmeteiles auf dem Wickelkern gewählt, so daß das umgefaltete Ende gut in diesen eingreifen kann.

Der nächste Schritt des Verfahrens besteh; darin, das umgefaltete Ende des Führungsstreifens in der in F i g. 1 b gezeigten Weise in Richtung auf die Zellenpakkung einzurollen. Das Einrollen kann von Hand oder selbsttätig durch Anwendung von Wärme, Dampf oder auf andere Weise erfolgen. Das Wickeln erfolgt über mindestens eine Windung. Noch günstiger ist es, mindestens zwei Windungen vorzusehen und am günstigsten, mindestens vier volle Windungen. Als nächstes wird der Wickel 24 in Kontakt mit dem angetriebenen Wickelkern 26 gebracht, der mit wenigstens einem Keilzahn 28 an seinem Umfang versehen ist. Vorzugsweise ist die Höhe eines jeden Keilzahnes 28 klein im Vergleich zu dem Gesamtdurchmesser des Kernes, um seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Drehmomenten zu vergrößern.

Der Wickelkern 26 rotiert in der Richtung, in der der Führungsstreifen gewickelt ist (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn). Hierbei wird der Wickel abgewickelt, bis das umgefaltete Ende 20 einen der Keilzähne 28a berührt und an diesem angreift Wird die Drehung des Kernes fortgeführt, so beginnt der Führungsstreifen sich um den Kern herum aufzuwickeln wie in Fig. Ic gezeigt ist Es sei darauf hingewiesen, daß bei dieser Ausführung ein verhältnismäßig kleiner Winkel θ notwendig ist, um zu verhindern, daß das umgefaltete Ende 20 vom Kern abgleitet. Wenn das umgefaltete Ende im wesentlichen senkrecht zur Wand des Keilzahnes verläuft, wird im allgemeinen ein guter Eingriff erzielt. Nachdem der Eingriff stattgefunden hat, und vorzugsweise nachdem der Führungsstreifen bis zu dem Punkt gewickelt ist, an dem die Vorderkante der Zellenpackung gegen den aufgewickelten Führungsstreifen stößt, kann die Drehgeschwindigkeit des Kernes erhöht werden, um den Wickelprozeß zu beschleunigen; die Zellenpackung 10 beginnt sich dann von selbst in die gewünschte Form aufzuspulen.

Obwohl in dem beschriebenen und dargestellten Beispiel eine bevorzugte Art eines Wickelkernes mit mehreren Keilzähnen verwendet wurde, bei dem benachbarte Keilzähne vorzugsweise annähernd parallele Wände haben, gibt es andere Kerntypen, die sich zur Verwendung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eignen. So kann eine Sägezahnanordnung zweckmäßig sein, ebenso wie eine Sternradkonfiguration. Der Kern sollte im allgemeinen mit abwechselnden aufrechtstehenden oder radialen Vorsprüngen und benachbarten Einbuchtungen versehen sein, in die das an der Vorderkante vorgesehene umgefaltete Ende eingreift. Durch die Art, wie der Führungsstreifen in den Kern eingreift, wird ein leichtes Ablösen der spiralförmig gewickelten Zellenpackung nach dem Wickelvorgang ermöglicht, so daß die Verwendung eines Klebers, eines Bandes oder anderer gebräuchlicher Mittel zur Befestigung am Kern vermieden wird. Wenn es gewünscht wird, kann die Entfernung der spiralförmig gewickelten Zellenpackung vom Wickelkern in der Art erfolgen, daß der Führungsstreifen von der Zellenpackung abgelöst wird, obwohl es zweckmäßig ist, ihn als integrales Teil der Zellenpackung zu belassen, wo er ohne ungünstige Wirkung in der fertigen Elektrolytzelle verbleiben kann.

Eine der bevorzugten Wickelvorrichtungen ist perspektivisch in F i g. 2 dargestellt. Eine Führung 30 liefert die Teile der Zellenpackung, die über den Führungsstreifen 18 und den Keilzahn 28a an dem Kern 26 angreifen. Dies geschieht nach dem anhand von F i g. 1 beschriebenen und dargestellten Verfahren. Die mitlaufenden Andruckwalzen 32, 34 drücken direkt gegen die Zellenpackung, während diese aufgewickelt wird, und in Verbindung mit der vom Kern erzeugten Spannung liefern sie den erforderlichen vorbestimmten Schichtdruck für die Zellenpackung. Vorzugsweise werden die Druckwalzen angelegt, wenn die Vorderkante der Zellenpackung sich aufzuwickeln beginnt. Der Kern wird von einer externen Antriebsvorrichtung, z. B. einer elektrischen oder hydraulischen Antriebsvorrichtung im Uhrzeigersinn schnell gedreht, bis die spiralförmig gewickelte Struktur entsteht. Alternativ können zusätzliche Andruckwalzen während des Wickeins direkt gegen die Zellenpackung drücken. Es kann daher zweckmäßig sein, eine dritte Andruckwalze (nicht dargestellt) gegenüber der unteren linken Seite des Kerns anzubringen, die gegen die aufgewickelte Zellenpackung drückt. Die Andruckwalzen können beispielsweise mit Druckfedern versehen sein, deren

Federkonstanten so gewählt sind, daß sie den vorbestimmten gewünschten Schichtdruck aufbringen.

Gemäß F i g. 3 besitzt eine galvanische Zelle 40 ein Gehäuse 36 und eine spiralförmig gewickelte Zellenpakkung, bestehend aus der negativen Platte 12, der positiven Platte 14 und dem dazwischenliegenden Separator 16. Die Zellenpackung ist nach dem zuvor beschriebenen Verfahren unter festem Schichtdruck gewickelt. In den axialen Leerraum der Zellenpackung ist ein Stützelement 38 aus einer geeigneten, gegen Elektrolyte widerstandsfähigen Schraubenfeder aus Kunststoff oder anderem Material eingesetzt, sobald die Zellenpackung in den Behälter 36 eingeführt ist, jedoch vorzugsweise vor der Zuführung des Elektrolyten. Dieses zum Zurückhalten des Elektrolyten bestimmte Stützelement ist porös oder unzusammenhängend, damit Sauerstoff und andere Gase hindurchdiffundieren und innerhalb des axialen Leerraumes rekombinieren können. Gleichzeitig hat das Stützelement 38 eine hinreichende Stärke, um zu verhindern, daß der axiale Leerraum bei der Expansion der Zellenpackung im Anschluß an das Zuführen des Elektrolyten zusammenklappt. Das Material kann im wesentlichen starr oder ein wenig elastisch sein, um eine geringe Expansion der Zellenpackung zu gestatten. Auf diese Weise wird sowohl der Schichtdruck aufrechterhalten als auch der für die Betriebsweise der abgedichteten Zelle notwendige axiale Leerraum. Beispielsweise kann eine poröse Kunststoffhülse verwendet werden.

Als erläuternde Ausführungsform der Erfindung wurden Zellenpackungen für wiederaufladbare alkalische Zellen von 1/3AA-Format auf einem ritzelgetriebenen Bristol-Kern mit einem Durchmesser von etws 3,15 mm gewickelt. Zusätzlich waren drei angrenzende mitlaufende Andruckwalzen zur Erzeugung eine; Stapelsdrucks von mindestens 7 kp/cm² vorhanden

Zwei dieser spiralförmigen Stapel wurden auf dies« Weise hergestellt und in identische Behälter eingesetzt In den axialen Leerraum des einen wurde ein« schraubenförmige Kunststoffspule eingesetzt, währenc derjenige des anderen leer blieb. Elektrolyt wurd«

ίο eingegeben und die Zellen für den Betrieb abgedichtet Die Zelle mit der axialen Stützfeder hatte ein« beträchtlich längere Lebensdauer, bezogen auf die Lade/Entladezyklen und einen geringeren Innendruck als die geregelte Zelle.

Obwohl unter Bezugnahme auf F i g. 1 das Wickelver fahren mit einer bestimmten Folge von Verfahrens schritten beschrieben wurde, kann diese Folge geänden werden, so daß zahlreiche Kombinationen möglich sind Beispielsweise kann der Einrollvorgang dem Schritt de:

Befestigens des Führungsstreifens an der Zellenpackung vorausgehen. Ferner kann die Reihenfolge des Aufein anderschichtens der Zellenpackung und des Einsetzen; des dazwischenliegenden Separators leicht geänder werden. Z. B. kann der Separator i6 aus zwe getrennten Schichten bestehen anstelle einer kontinu ierlichen gefalteten Schicht wie in Fig. la. Zusätzlich kann für bestimmte Anwendungen der genannt« Führungsstreifen dadurch gebildet sein, daß lediglich eine der Separatorschichten sich über die Zellenpak kung hinaus erstreckt und ein integrale dünne flexibU Schicht bildet, die eine Zweifachfunktion ausübt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche: drastisch zu reduzieren oder vollständig einzuschränken und die Zellenpackung erfährt eine radial nach innen gerichtete Expansion. Als Folge hiervon wird die Struktur der spiralförmig gewickelten Elektroden verzerrt, der Schichtdruck wird beeinträchtigt und der axiale Leerraum für die Gas-Rekombination geht verloren. Wickelkerne für größere galvanische Zellen wurden auch schon so hergestellt, daß manuell die Separator-

1. Verfahren zur halbautomatischen Herstellung einer mehrschichtigen, spiralförmig gewickelten Zellenpackung mit kleinem Durchmesser für galvanische Miniaturzellen, wobei an die zu wickelnde Zellenpackung ein dünner flexibler Führungsstreifen angesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,