DE2255583A1

DE2255583A1 - Batteriezelle und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2255583A1
Application number: DE2255583A
Authority: DE
Inventors: Bruce E Jagid
Original assignee: Power Conversion Inc
Current assignee: Hawker Eternacell Inc
Priority date: 1971-06-01
Filing date: 1972-11-13
Publication date: 1974-05-16
Also published as: DE2255583B2; DE2255583C3; FR2206591B3; FR2206591A1; US3809580A; JPS48004930A

Description

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lucäe-Gmlui-htr. 3<i, Tel, 47 51 55 '

F 1108 As/K

POWER CONVERSION, INC₁ 70 MacQuesten Parkway South, Mount Vernou, New York 10550 (T.St.A.)

Batteriezelle und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich, auf eine abgedichtete Batteriezelle, und zwar allgemein auf die hermetische Abdichtung der Batteriezelle und speziell auf eine Anordnung zum gleichzeitigen Verhindern des Entweichens von Batterieelektrolyt und von Gasen und zum Isolieren des positiven vom negativen Anschluß sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung,

In der Technik ist eine Fülle von Anordnungen zum hermetischen Abdichten und gleichzeitigen Isolieren der ungleichnamigen Pole oder Anschlüsse einer Batterie bekannt. Der neueste Fortschritt,auf dem Gebiet der Batterietechnik hat jedoch zu erheblich erhöhten Anforderungen an die Abdichtung geführt. Zu den jüngsten Neuerungen gehören Zellen mit Elektrolyten, wie Ammoniak und Schwefeldioxyd mit Gasen hohen Dampfdruckes. Dabei ergeben sich Komplikationen, da solche Batterien bei der Lagerung Temperaturen ausgesetzt sind, die in dem

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weiten Bereich zwischen den in der Arktis und den am Äquator herrschenden Temperaturen liegen können» so daß die eingeschlossenen Gasdrücke vervielfacht werden können.

Bei solchen Zellen haben sich selbst die fortschrittlichsten der herkömmlichen Abdichtungsanordnungen als hermetisch unwirksam erwiesen. Eine solche Anordnung, die bei herkömmlicheren Batterietypen (und selbst bei Alkali- und Nickel-Cadmium-Batterien) verläßlich ist, besteht aus einem mit einer Einschnürung versehenen Rohr, dessen Einschnürung als Rand wirkt, auf den der Metalldeckel und ein diesen überlappender Kragen durch eine gewürgte oder verformte Gehäusekante straff angeklemmt ist. Die US-PS 3 279 953 bezieht sich auf eine weitere Verbesserung, die einen Vorsprung der Einschnürung sowohl einwärts als auch gegen das gewürgte Ende hin bildet. Dies wird durch genaue unsymmetrische Abmessungen der Einschnürung erreicht. Obwohl solche Fortschritte für einige Zwecke ausreichen mögen, haben sie sich als für die Massenproduktion der beschriebenen Trockenbatterien unwirksam erwiesen. In diesen Zellen diffundieren Ammoniak und Schwefeldioxyd sehr leicht, und die besten verfügbaren Verfahrensweisen zur Erzielung einer Abdichtung vermögen das Mali der Leckage für eine genormte C-Zelle nicht auf weniger als 50 mg SO je Tag bei Raumtemperatur zu senken. Obwohl dies im Falle einer einzigen Zelle nicht von Bedeutung sein mag, erreicht die Gasabgabe in Lagerhäusern für solche Batteriezellen einen untragbaren Wert. Die Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung führt erwiesenermaßen zu einer Senkung der Leckage auf den hundertsten Teil dieses Maßes bei wesentlich erhöhter Temperatur (70 C). Bei Raumtemperatur ist die Abdichtung effektiv hermetisch, und Leckverluste sind schwer zu messen.

+ isolierender - 3 -

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batteriezelle mit zylindrischem Batteriegehäuse zu schaffen, deren Isolierung in hohem Maße verläßlich und deren Abdichtung praktisch hermetisch ist, so daß ein Entweichen,von Gasen hohen Dampfdruckes,, wie Ammoniak und Schwefeldioxyd, verhindert wird, .

Die Erfindung schafft eine Abdichtung für die genannte Anwendung,, die hinsichtlich des Materialaufwandes billig ist, bei der die Einhaltung von Toleranzen verhältnismäßig wenig kritisch ist und die unter Anwendung von Verfahrenweisen der Massenproduktion leicht herstellbar ist.

Die Erfindung schafft eine solche Abdichtung, ohne die Anwendung-herkömmlicher Verfahrensweisen der Elektrolytfüllung zu verhindern, .

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Erfindung auf dem,,Gedanken beruht, daß zunächst an der Einschnürung eines rohrförmigen Metallgehäuses, ein Wider.lagerring aufgesetzt wird, wodurch die Notwendigkeit, bei der Einschnürung selbst enge, Toleranzen einzuhalten, vermieden wird, da es genügt, wenn der_;Ring unter dem anzuwendenden Druck nicht durch die Einschnürung hindurchgedrückt werden kann. Das Würgen oder Verformen des äußeren Gehäuseendes über den Isolator oder das Isolierglied erfolgt dann unter einem spitzen ¥inkel zur Achse, so daß der Stirnflansch nicht nur einwärts, sondern auch gegen das geschlossene Ende des Gehäuses nach unten' gerichtet wird. Bei einer solchen Anordnung bewirkt eine Erhöhung des Gasdruckes anstatt irgendeiner Bewegung der. Bestandteile, die zu einem Entweichen von Ga|s führen würde, einen nur um so festeren Eingriff oder ein Einschneiden in den Isolator.

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Ein Merkmal der Erfindung besieht darin, daß, da die gesamte Abdichtung nun im wesentlichen an dem äußersten Ende hergestellt ist, die Möglichkeit besteht, den Würgedruck dazu zu verwenden, gleichzeitig einen elektrischen Kpntakt zwischen der Manteleinschnürung und dem Widerlagerring herzustellen, so daß das für die Herstellung der elektrischen und mechanischen Verbindung einer Elektrode mit dem Mantel herkötmnlIcherweise verwendete Schweißen entfällt. Pa die Erfindung keine oder kaum eine Änderung der Kappe erforderlich macht, besteht die Möglichkeit der Verwendung einer Kappe mit einem Nippel, die das Füllen der Batterie durch Einspritzen und das Verschließen durch herkömmliches Kaltschweißen gestattet.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch die Bestandteile der Batterien in bereiter Stellung für das Füllen und vor dem Verformen des offenen Endes >

Fig. 2 veranschaulicht eine Anordnung zum Bilden der Einschnürung des Batteriegehäuses;

Fig. 3 ist ein Schnitt der verschlossenen gefüllten Batteriezelle ; und

Fig. k veranschaulicht, teilweise im Schnitt, eine Vorrichtung zur Verwendung beim gleichmäßigen, Verformen des offenen Endes des Batteriegehäuses„

Fig. 1 zeigt die Bestandteile vor dem Verformen oder Würgen der Außenkante des Batteriegehäuses. Der Batteriemantel 10

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besteht aus einem zylindrischen Metallgehäuse, das am einen Ende 11 verschlossen ist und an dem in einem vorherbestimmten Abstand von dem anderen, offenen Ende eine Einschnürung gebildet ist. Die Einschnürung 12 läßt sich leicht in der in Fig» 2 veranschaulichten Weise -unter Verwendung einer konkaven und einer konvexen Formwalze Ik bzw. 16 herstellen, die in Richtung der Pfeile 15 und 17 gegeneinandergedrückt und um die Achse des Mantels relativ kreisend angetrieben werden. Vorzugsweise besteht der Mantel.aus kaltgewalztem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Die Dicke eines solchen Gehäuses beträgt beispielsweise ca. 48 ,um (19/1000 inches^) und erfordert einen Werkzeugdruck von mehreren hundert Pfund zur Erzeugung der gewünschten Einschnürung.

Der Widerlagerring 20 ist derart bemessen, daß er in das offene Ende des Zellengehäuses einschiebbar ist und dann an der Einschnürung 12 ruht. Der Widerlagerring besteht vorzugsweise aus Metall, so daß er (a) leicht und fest ist und eine gute Widerlagerfläche gegen Axialbelastung bildet, und (b) für einen guten elektrischen Kontakt sorgt. Ein bevorzugter Außendurchmesser des Ringes ist um einige tausendstel(Zoll) geringer als der Inrendurchmesser des Zellengehäuses. Wie ersichtlich, dient der Widerlagerring 20 als Plattform für ein becherförmiges Abdichtungs- und Isolierglied 22. Dieses Abdichtungs- und Isolierglied 22 weist zwei Schlitze 23 und 2h auf, von denen der erstere zentral angeordnet ist und das Einspritzen des Elektrolytes in die Zelle gestattet und der letztere für die Einführung eines Elektrodenleiters 35 bestimmt ist. Eine Aussparung dient zur Aufnahme der üblichen Akkordeönfalten in dem Elektrodenkontakt 35, so daß nach dem endgültigen Würgen oder Verformen für die Schaffung der hermetischen Abdichtung * für einen Axialdruck auf die Metallkappe 30 gesorgt ist.

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Das Abdichtungsglied 22 dient gleichzeitig als das hermetische Abdichtungsmaterial und als elektrischer Isolator zwischen dem elektrisch negativen Zellengehäuse 10 und der elektrisch positiven Zellenkappe 30.

Vie ersichtlich erstreckt sich das Dichtungsgiled um ein geringfügiges Maß über das Ende des Gehäuses hinaus, so daß gewährleistet ist, daß das Gehäuse 12 beim Würgen oder Verformen des letzteren die Kappe 1)0 nicht berührt. Die Kappe 30 weist einen Nippel 31 auf, durch den der Elektrolyt nach dem hermetischen Abdichten der Batterie eingebracht wird.

Ein Beispiel einer Elektrodenanordnung und eines Elektrolyten (in Fig. 1 nur strichpunktiert angedeutet) weist die folgenden Bestandteile in der Art einer Gallertrolle auf. Die negative Elektrode besteht aus einem Lithiummetall, das auf ein feines Kupfergitter als Anodenanschluß ("anecter") aufgepreßt ist, das von der Kathode durch eine Trenneinrichtung aus porösem Polyäthylen getrennt ist. Eine solche Trenneinrichtung bildet nicht nur eine Xsolierung zwischen den Elektroden, sondern gestattet außerdem den angemessenen Zutritt des Elektrolyten zu den Elektrodenflächen und ermöglicht den Ionentransport innerhalb der Zelle. Die Kathode ist eine passive Elektrode, die aus mit Glasfasern und Polytetrafluoräthylen als Binder gemischtem leitfähigen Kohlenstoff gebildet ist, und dieses Gemisch ist in ein feines Aluminiumgitter eingepreßt, das als Kathodenanachluß ("cathector") wirkt.

Von den Leitungsdrähten Jk und 35» die vorzugsweise eben und im Vergleich zur Breite lang sind, ist der eine zwischen

+ oder Gelatinerolle (jelly roll) " ' "

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der Einschnürung 12 des Gehäuses und dem ¥iderlagerring und der andere durch eine Öffnung 24 hindurehgeführt, und der letztere ist dort durch herkömmliche Mittel akkordeonartig gefaltet und an das Kappenglied 30 angeschweißt.

Der vorzugsweise wasserfreie flüssige Elektrolyt weist als Lösungsmittel flüssiges Schwefeldioxyd und als mitwirkendes Lösungsmittel (cosolvent) eine wasserfreie organische Flüssigkeit, beispielsweise Methylformylat auf. In dem

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Elektrolyten 1 mol Lithiumbromid gelöst. Die Elektrolyt lösung wird nach Hersteilung der hermetischen Abdichtung (in der noch zu beschreibenden Weise) in herkömmlicher Weise durch den Nippel 31 unter Druck eingespritzt.

Wenn die Bestandteile der Abdichtung in der in Fig. 1 angedeuteten Weise angeordnet sind, wird der obere Teil des Gehäuses gegen das geschlossene Ende hin einwärts und abwärts verformt. Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung des höchstmöglichen Grades der Dichtwirkung das offene Ende des Gehäuses unter einem Winkel Δ von zwischen 5 und 25 verformt werden sollte. Ein Winkel von 10° hat sich als äußerst befriedigend erwiesen und führt zu einem optimalen Einschneiden des Gehäuserandes in das Isolierglied 22.

Wie aus einem Vergleich der Fig. i und 3 hervorgeht, hat die Verformung des Endes zur Folge, daß die Einschnürung zusammengekniffen wird oder zusammenbricht."Dies ist zwar nicht unbedingt erforderlich, jedoch dann vorzuziehen, wenn der Druckkontakt für die Elektrode 3^ hergestellt werden soll. Eine Einrichtung zum Herbeiführen dieser Kneifwirkung und zum gleichzeitigen Umrollen des Endes unter dem gewünschten

Winkel ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Matrize und einen Stempel 40 bzw. 41. Das Gehäuse wird in die dieses aufnehmende Matrize 40 eingesetzt, und über dem offenen Gehäuseende wird in die Aussparung 42 ein Stauchetempel 4i eingesetzt. Wenn die Matrize 40 festgelegt wird und auf den Stempel 41 ein Druck ausgeübt wird, werden Matrize und Stempel gegeneinandergepreßt, bis schließlich, wie in der Figur gezeigt, Stempel und Matrize sich voll im Eingriff befinden. Wenn diese Stellung erreicht ist, sitzt der Stempel 41 auf der Schulter k'J der Matrize 4O auf.

Das untere Ende des Stempels 41 ist vorzugsweise mit einer ringförmigen Aussparung 45 versehen, die die Verformung unter dem gewünschten Verformungswinkel (z.B. unter 10 ) bewirkt. Da die ganze auf das Gehäuse wirkende Einspannkraft am Boden 46 wirksam ist, bricht die Einschnürung 12 zusammen. Der Fachmann erkennt jedoch, daß das Würgen oder Verformen des offenen Endes in dieser Weise ohne Zusammenbrechen oder Kneifen der Einschnürung durchgeführt werden kann, indem während der Verformung der Mantel an der Einschnürung gestützt wird. Ein Ausstoßer 47 ermöglicht das leichte Trennen von Stempel und Matrize nach dem Verformen durch Klopfen auf dessen Schaft

Es wurde gefunden, daß' die Größe der auf den Kunststoff (den isolierenden Teil der Abdichtung) wirkenden Kraft und somit der Grad, in dem die Leckage aus der Zelle unterbunden wird, eine Funktion des Abstandes zwischen der Einschnürung und dem abgedichteten Ende ist. Sie läßt sich also verhältnismäßig leicht unter Kontrolle halten.

Für die Abdichtung verwendete Materialien sollten gegenüber den von ihnen dichtend eingeschlossenen Elektrolytmaterialien

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und Gasen eine niedrige Dampfdurchlässigkeitsrate sowie eine verhältnismäßig geringe Kaltfließfähigkeit bei erhöhten Temperaturen, wie beispielsweise 71 C" (i60 F) haben« Beispiele solcher Materialien sind Polypropylen, Polyäthylen, Polysulfon, Polyphenelenoxyd sowie andere hoch-temperaturfeste Kunststoffe hoher Dichte.

Obwohl die Grundsätze der Erfindung oben im Zusammenhang mit einer speziellen Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar zu erkennen, daß die Beschreibung nur den Charakter eines Beispiels hat und daher nicht als beschränkend aufzufassen ist.

Patentansprüche

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Claims

- 10 Patentansprüche

Abgedichtete Batteriezelle mit einer Elektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität und aus einem darin enthaltenen Elektrolyten , gekennzeichnet durch

a) ein zylindrisches Metallgehäuse, das an seinem einen Ende verschlossen und in einem vorherbestimmten Abstand vom anderen Ende mit einer Einschnürung versehen ist,

b) einen Widerlagerring, der derart bemessen ist, daß er mit Gleitsitz in axialer Richtung in das zylindrische Gehäuse bis zur Anlage an der Einschnürung einführbar ist,

c) ein elastisches, ringförmiges Abdichtungsglied, das in bezug auf den Widerlagerring axial und anliegend angeordnet ist, und

d) eine Metallkappe, die entlang ihres Randes in eine Nut in dem ringförmigen Abdichtungsglied hermetisch eingesetzt ist, wobei das offene Ende des Metallgehäuses zur Druckausübung auf das Dichtungsglied gleichmäßig einwärts verformt ist, welch letzteres durch den Widerlagerring und die Einschnürung räumlich festgelegt ist, so daß die Batterie hermetisch abgedichtet ist.
2. Abgedichtete Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtungsglied aus einer mit dem ringförmigen Teil desselben einstückig verbundenen Scheibe mit einer darin vorgesehenen Öffnung besteht.

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j₄ Abgedichtete Batteriezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des Metallgehäuses unter einem spitzen Winkel gegen die Gehäuseachse gleichmäßig einwärts verformt ist, so daß der Hand entlang eines Kreisringes in das Abdichtungsglied einschneidet.

4. Abgedichtete Batteriezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der spitze Winkel zwischen 65 und 85 beträgt« · .

5. Abgedichtete Batteriezelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel ca, 80 beträgt.

6. Abgedichtete Batteriezelle nach einem der Ansprüche 1

bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus einem daran befestigten negativen Leiter mit einem im wesentlichen ebenen, im Vergleich zur Breite langen Glied besteht, das zwischen dem Widerlagerritig und der Einschnürung angeordnet ist, so daß.zwischen der Elektrode und dem Metallgehäuse ein unter Druck stehender elektrischer Kontakt gebildet ist.

7. Abgedichtete Batteriezeile nach einem der Ansprüche 1 bis / -. mit

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe einem Nippel zum Ermöglichen des Füllens der Batterie mit einem Elektrolyten ausgestattet ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer abgedichteten Batteriezelle mit einer Elektrodenanordnung, bestehend aus mindestens zwei Elektroden entgegengesetzter Polarität, dadurch ^: gekennzeichnet, daß .

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a) ein an seinem einen Ende verschlossenes, zylindrisches Metallgehäuse in einem vorherbestimmten Abstand vom anderen Ende desselben mit einer gleichmäßigen Einschnürung versehen wird,

b) in das Gehäuse eine Elektrodenanordnung eingesetzt wird,

c) auf die offene Seite der Einschnürung des Gehäuses ein Widerlagerring aufgesetzt wird,

d) zwischen die Einschnürung und den Widerlagerring ein Eiektrodenleiter eingesetzt wird,

e) auf den Widerlagerring ein becherförmiger Isolator mit einer Öffnung für die Aufnahme einer Elektrode aufgesetzt wird,

f) in das becherförmige Isolierglied eine hermetisch abdichtbare Füllkappe aus Metall eingesetzt wird,

g) das offene Ende des Metallgehäuses gleichmäßig einwärts verformt wird, wodurch das offene Ende des becherförmigen Isoliergliedes gleichmäßig gekniffen wird, so daß die Batteriezelle hermetisch abgedichtet und ein Kontakt des Leiters unter Druck hergestellt wird, und

h) die Zelle durch die Kappe hindurch mit dem Elektrolyten gefüllt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer Metallkappe, die mit einem Nippel-

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teil ausgestattet ist, das Füllen der Batterie mit dem Elektrolyten durch Einspritzen des Elektrolyten durch den Näppelteil der Kappe erfolgt und die Kappe nach Beendigung des Füllens kaltverschweißt -wird.

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