DE2255583B2 - Verfahren zum Herstellen einer Verbindung und Abdichtung bei einer abgedichteten galvanischen Zelle - Google Patents

Description

gesamte Abdichtung nun im wesentlichen an dem äußersten Ende hergestellt ist, die Möglichkeit besteht, den Würgedruck dazu zu verwenden, gleichzeitig einen elektrischen Kontakt zwischen der Manteleinschnürung und dem Widerlagerring herzustellen, so daß das für die ^r> Herstellung der elektrischen und mechanischen Verbindung einer Elektrode mit dem Mantel herkömmlicherweise verwendete Schweißen entfällt Da die Erfindung keine oder kaum eine Änderung der Kappe erforderlich macht, bestuht die Möglichkeit der Verwendung einer Kappe mit einem Nippel, die das Füllen der Zelle durch Einspritzen und das Verschließen durch herkömmliches Kaitschweißen gestattet

Jn der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsforai der Erfindung beispielsweise dargestellt.

F i g. 1 ist ein Schnitt durch die Bestandteile der Zelle in bereiter Stellung für das Füllen und vor dem Verformen des offenen Endes;

F i g. 2 veranschaulicht eine Anordnung zum Bilden der Einschnürung des Gehäuses;

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

Fig.4 veranschaulicht, teilweise im Schnitt, eine Vorrichtung zur Verwendung beim gleichmäßigen Verformen des offenen Endes des Gehäuses.

F i g. 1 zeigt die Bestandteile vor dem Verformen oder Würgen der Außenkante des Gehäuses. Das Zellengehäuse 10 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 12 gebildet ist Die Einschnürung 12 läßt sich leicht in der in F i g. 2 veranschaulichten Weise unter Verwendung einer konkaven und einer konvexen Formwalze 14 bzw. 16 herstellen, die in Richtung der Pfeile 15 und 17 gegeneinandergedrückt und um die Achse des Gehäuses relativ kreisend angetrieben werden. Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus kaltgewalztem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.

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 hunderstel Millimeter geringer als der Innendurchmesser 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 24 auf, von denen der erstere zentral angeordnet ist und das Einspritzen des Elektrolytes in der Zelle gestattet und der letztere für die Einführung eines Elektrodenleiters 35 bestimmt ist. Eine Aussparung 27 dient zur Aufnahme der üblichen Akkordeonfalten 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

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

Wie ersichtlich erstreckt sich das Dichtungsglied um ein geringfügiges Maß über das Ende des Gehäuses hinai s, so daß gewährleistet ist, daß das Gehäuse 12 beim Würgen oder Verformen des letzteren die Kappe 30 nicht berührt Die Kappe 30 weist einen Nippel 31 auf, durch den der Elektrolyt nach dem hermetischen Abdichten der Zelle eingebracht wird.

Ein Beispiel einer Elektrodenanordnung und eines Elektrolyten (in Fig. 1 nur strichpunktiert angedeutet) weist die folgenden Bestandteile in der Art eines Wickels auf. Die negative Elektrode besteht aus einem Lithiummetall, das auf ein feines Kupfergitter als Anschluß aufgepreßt ist das von der Kathode (positive Elektrode) durch einen Separator aus porösem Polyäthylen getrennt ist Ein solcher Separator bildet nicht nur eine Isolierung 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 Polytetrafluorethylen als Binder gemischtem leitfähigen Kohlenstoff gebildet ist und dieses Gemisch ist in ein feines Aluminiumgitter eingepreßt das ais Kathodenanschluß wirkt.

Von den Leitungsdrähten 34 und 35, die vorzugsweise eben und im Vergleich zur Breite lang sind, ist der eine zwischen der Einschnürung 12 des Gehäuses und dem Widerlagerring 20 und der andere durch eine Öffnung 24 hindurchgeführt 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 Schwefeldioxid und als mitwirkendes Lösungsmittel eine wasserfreie organische Flüssigkeit beispielsweise Methylfoi'mylat auf. In dem Elektrolyten ist 1 mol Lithiumbromid gelöst. Die Elektrolytlösung wird nach Herstellung 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 F i g. 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 F i g. Ί und 3 hervorgeht, hat die Verformung des Endes zur Folge, daß die Einschnürung 12 zusammengekniffen wird oder zusammenbricht. Dies ist zwar nicht unbedingt erforderlich, jedoch dann vorzuziehen, wenn der Druckkontakt für die Elektrode 34 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 Stauchstempel 41 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 43 der Matrize 40 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 48.

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 und Gasen eine niedrige Dampfdurchlässigkeitsrate sowie eine verhältnismäßig geringe

ίο Kaltfließfähigkeit bei erhöhten Temperaturen, wie beispielsweise 71⁰C haben. Beispiele solcher Materialien sind Polypropylen, Polyäthylen, Polysulfon, Polyphenelenoxid sowie andere hoch-temperaturfeste Kunststoffe hoher Dichte.

Hierzu 1 Blatt zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer isolierenden Verbindung und Abdichtung zwischen dem Randbereich der offenen Seite eines zylinder- bzw. becherartigen Gehäuses und dem Rand einer elektrisch leitfähigen Verschlußkappe einer abgedichteten galvanischen Zelle, bei dem das Gehäuse axial außerhalb der Elektrolyt enthaltenden Elektrodenanordnung durch Verformen radial nach innen eingeschnürt und in Axialrichtung dort insbesondere eingestaucht wird, ein elektrisch isolierendes Dichtungselement axial außerhalb der Einschnürung eingesetzt, ein Anschlußleiter der Elektrode einer Polarität mit dem Gehäuse und ein Anschlußleiter der Elektrode der entgegengesetzten Polarität durch eine Durchbrechung des Dichtungselements geführt und mit der Verschlußkappe kontaktiert und der freie Rand des Gehäuses so radial nach innen umgebördelt wird, daß sich auch der freie Rand eines axial nach außen abstehenden Teils des Dichtungselements radial nach innen über den Außenrand der Verschlußkappe umlegt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einsetzen des Dichtungselements (22) und der Verschlußkappe (30) ein Widerlagerring (20) mit Gleitsitz in axialer Richtung bis zur Anlage an die Einschnürung (12) eingeführt wird, daß nach dem Einsetzen des Dichtungselementes (22) und der Verschlußkappe (30) der freie Rand des Gehäuses (10) nicht nur radial, sondern auch unter einem spitzen Winkel bis zum teilweisen Eindringen in das Material des radial nach innen umgelegten Randes des Dichtungselementes (22) axial nach innen umgebördelt wird und daß schließlich durch eine Füllöffnung der Verschlußkappe (30) der Elektrolyt eingefüllt und die Füllöffnung dicht verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Rand des Gehäuses (10) unter einem spitzen Winkel zwischen 5 und 25° zur Normalebene auf die Gehäuseachse umgebördelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter einem spitzen Winkel von etwa 10° umgebordeltwird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Gehäuse (10) zu kontaktierende Anschlußleiter (34) zwischen die Einschnürung (12) und den Widerlagerring (20) eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung (12) beim Umbördeln des freien Randes des Gehäuses (10) in axialer Richtung gestaucht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) in eine Matrize (40) eingesetzt und der freie Gehäuserand mittels eines Stauchstempels (41) umgebördelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllöffnung eines Füllnippels (31) der Verschlußkappe (30) nach dem Einspritzen des Elektrolyten kaltverschweißt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer isolierenden Verbindung und Abdichtung zwischen dem Randbereich der offenen Seite eines zylinder- bzw. becherartigen Gehäuses und dem Rand einer elektrisch leitfähigen Verschlußkappe einer abgedichteten galvanischen Zelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt (DE-PS 14 96 226). Besonders bei Zellen mit Elektrolyten hohen

ίο Dampfdruckes, wie Ammoniak und Schwefeldioxid, ergeben sich oft Komplikationen bezüglich der hermetischen Abdichtung. Auch bei alkalischen Nickel-Cadmium-Batterien sind solche Abdichtungsprobleme immer wieder aktuell. Bei der bekannten Anordnung hat man die Abdichtung dadurch zu verbessern versucht, daß eine radial sich nach innen erstreckende Einschnürung des Gehäuses, die als Auflage für das Dichtungselement dient, vor dem Einsetzen des Dichtungselements und der Verschlußkappe so zusammengestaucht wird, daß sich die im Querschnitt in Form einer flachen Schleife zusammengedrückte Einschnürung radial nach innen und axial nach außen erstreckt und dadurch eine ringförmige Auflagerfläche für das Dichtungselement bildet Die Vorkehrungen, die zu einer solchen eingestauchten Einschnürung erforderlich werden, sind jedoch relativ umständlich, und auch die Abdichtung selbst läßt noch zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren dieser Gattung dahingehend zu verbessern,

jo daß eine noch bessere Abdichtung mit geringem Aufwand möglich ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist besonders für solche Batteriezellen wichtig, die großen Temperaturunterschieden, beispielsweise von arktischen Temperaturen oder Temperaturen in großen Flughöhen einerseits bis tropischen Temperaturen andererseits, ausgesetzt sind.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet, und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen und Verbesserungen beansprucht.

Sowohl hinsichtlich des Materialaufwandes als auch der Verfahrensschritte ist das Verfahren sehr einfach.

Trotzdem sind die danach hergestellten Batteriezellen sehr gut abgedichtet.

Dadurch, daß an der Einschnürung zunächst ein Widerlagerring aufgesetzt wird, entfällt die Notwendigkeit, bei der Einschnürung selbst enge Toleranzen einzuhalten; es genügt, wenn der Widerlagerring unter dem anzuwendenden Druck nicht durch die Einschnürung hindurchgedrückt werden kann. Das Verformen — Einbiegen, Würgen, Umbördeln und Einstauchen — des freien äußeren Gehäuseendes über das elektrisch isolierende Dichtungselement erfolgt unter einem spitzen Winkel, wie auch in F i g. 3 mit dem Bezugszeichen Δ, so daß der sich bildende Stirnflansch des Gehäuses nicht nur radial einwärts, sondern auch axial nach innen gegen das geschlossene Ende des Gehäuses gerichtet ist. Eine Erhöhung des inneren Gasdruckes führt bei einer solchen Anordnung sogar zu einem festen Eingriff oder Einschneiden der Kante des Stirnflansches in das Material des Dichtungselements.

Ein solches Umbördeln unter einem spitzen Winkel ist an sich bereits bekannt (US-PS 30 81 367 und FR-PS 14 63 836), dabei handelt es sich jedoch um gattungsfremde Batteriezellen und gelingt auch nicht eine so einfache Kontaktierung des Anschlußleiters der einen Elektrode zwischen der Einschnürung und dem Widerlagerring.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß, da die