DE2257723C2 - Zylindrisches elektrochemisches Element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein zylindrisches elektrochemisches Element das in einem Becher eine positive Elektrode, einen porösen Separator, eine negative Elektrode und einen negativen Stromkollektor enthält der im Zentrum angeordnet ist und die Form eines Rohres aufweist das parallel zur Achse aufgeschnitten und elastisch verformbar ist

Derartige elektrochemische Elemente Finden mehr und mehr Verwendung. Sie werden für herkömmliche Zwecke, beispielsweise in tragbaren Lampen, in Tonbandgeräten und Kameras sowie in Rundfunkgeräten und Spielzeugen verwendet; das Auswechseln solcher Elemente ist jedoch für den Verwender mit Nachteilen verbunden. Es ist daher von Vorteil, Elemente zu verwenden, deren Energie in bezug auf ihn: Masse und auf ihr Volumen einen höheren Wert aufweist ohne dabei jedoch ihr Gewicht und ihre Abmessungen zu erhöhen. Eine Möglichkeit, die sich zur praktischen Anwendung dieses Prinzips anbietet, besteht darin, sich die Ergebnisse zu Nutze zu machen, die in den letzten Jahren mit elektrochemischen Elementen erzielt wurden, in denen negative Elektroden Verwendung finden, die aus sehr reaktionsfähigem, leichten Metall, Insbesondere aus Lithium, bestehen und deren Elektrolyt nicht wässerig ist.

Elemente mit diesen Merkmalen eignen sich jedoch nicht zur Herstellung von üblichen Batterien, bei denen die negative aktive Masse mit deren Becher in Berührung kommt oder selbst als Becher verwendet wird. Bei der Entladung löst sich nämlich das de negative Elektrode bildende Metall auf, wodurch aufgrund des geringen Volumens des betreffenden Metalls eine beträchtliche Verringerung des Volumens der Elektrode und eine übermäßige Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elektroden bewirkt werden. Im übrigen lassen sich diese Metalle aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften nicht zur Herstellung von Bechern für elektrochemische Elemente verwenden.

Ein zylindrisches elektrochemisches Element der eingangs genanten Art ist aus der DE-AS 15 96 165 bekannt Die negative Elektrode hat die Form eines Hohlzylinders und ist aus Zinkpaste. Durch die besondere Form des Stromkollektors soll eine sichere elektrische Verbindung sowohl zwischen der negativen Elektrode und dem negativen Stromkollektor bei Volumenänderung der Zinkpaste als auch zwischen dem negativen Stromkollektor und dem entsprechenden Stromabnehmer gewährleistet sein, die mechanische Festigkeit des Elementes erhöht und dessen elektrische Eigenschaften verbessert werden. Bei diesem Element mit einer negativen Elektrode aus Zinkpaste wird ein guter Kontakt zwischen dem negativen Stromkoüektor und der negativen Elektrode erreicht Der Stromkollektor hat hier jedoch nicht die Aufgabe, einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elektroden en tgegen- zuwirken, da die Zinkpaste selbst wenn zu Beginn Zinkate in Lösung gehen, bis der Elektrolyt gesättigt ist, nicht eine Volumenaänahme erfährt, sondern nur ihre Porösität erhöht Danach vergrößert die Zinkpaste ihr Volumen durch die Bildung der Zinkate, die nicht mehr in Lösung gehen. Entsprechendes gilt für das aus der DE-OS 16 71 865 bekannte Element das im wesentlichen mit dem eben besprochenen Element übereinstimmt Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Element der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine negative Elektrode mit hoher Reaktionsfähigkeit besitzt einen nicht wäßrigen Elektrolyten aufweist, und bei dem eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Elektroden verhindert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem Element der eingangs genannten Art eine negative Elektrode aus einer Folie aus einem Metall mit hohem negativen Normalpotential, wie Lithium, Calcium oder Natrium, vorgesehen, die um den Stromkollektor gewickelt ist, der die Metallfolie während der Entladung gegen den Separator gedrückt hält.

Aufgrund seiner elastischen Eigenschaften ist Stahl für die Herstellung des Kollektors besonders gut geeignet.

Bei einer Ausführungsart des erfindungsgemäßen Elementes ist die Umfangslinie des aufgeschnittenen Rohres wendelförmig.

Bei einer anderen Ausführungsart des erfindungsgemäßen Elementes bildet die Umfangslinie des aufge- schnittenen Rohres einen Kreisbogen, der fast den gesamten Umfang einnimmt

Die besondere Form des Kollektors und dessen Elastizität gewährleisten den konstanten Halt der die negative Elektrode bildenden Metallfolie in bezug auf den Separator, der gegen die positive Elektrode gedrückt gehalten wird.

Vorzugsweise wird die negative Elektrode aus Lithium hergestellt; andererseits können ebenfalls Calcium oder Natrium verwendet werden.

Zur Erzielung eines einwandfreien Kontaktes zwischen der negativen Elektrode und dem Kollektor und eines einfachen Aufbaues des Elementes wird die die negative Elektrode bildende Folie durch Punktschwei-

Bung am Kollektor befestigt, der vorzugsweise mit einem Metall beschichtet wird, das mit dem die Elektrode bildenden Material eine Legierung bildet. Wenn diese aus Lithium besteht, handelt es sich bei dem Metall um Zinn, Zink, Blei, Silber, Cadmium oder Platin.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart nimmt die positive Elektrode einen rohrförmigen Raum zwischen dem Separator und der zylindrischen Wand des Elementes ein und besteht aus einer zusammengepreßten, pulverförmigen aktiven Masse, deren elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit durch Zusatz eines geeigneten Leiters und Bindemittels verbessert werden können.

Kupferoxid, Kupfersulfid, Silberchromat bzw. Bleichromat sind zur Herstellung der positiven Elektrode geeignete Stoffe.

Der Elektrolyt besteht aus Lithiumperchlorat, das in einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Tetrahydrofuran oder einer Mischung aus Tetrahydrofuran und einem zweiten Lösungsmittel, wie Dimethoxyethan, Propylencarbonat oder Dimethylcarbonat, gelöst ist

Die Konzentration des Lithiumperchlorats beträgt beispielsweise zwischen 1 und 1,5 M.

Weitere Merkmale enthält die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elementes an Hand der Zeichnungsfiguren.

F i g. 1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen elektrochemischen Elementes,

F i g. 2 zeigt perspektivisch den Kollektor des Elementes nach Fig. 1,

F i g. 3 zeigt perspektivisch eine andere Ausführungsart des Kollektors.

F i g. 1 zeigt ein zylindrisches Element, dessen Gehäuse aus einem Metallbecher 3 und einem Metalldeckel 1 besteht, die durch eine Dichtung 2 aus Isolierstoff getrennt sind. Eine positive Elektrode 4, die aus einer zusammengepreßten Mischung aus Kupferoxid und Graphit besteht, ist rohrförmig ausgebildet und steht mit der zylindrischen Wand des Bechers 3 in Berührung.

Zur Vereinfachung der Montage des Elementes, wenn dieses eine längliche Form hat, kann die Elektrode mehrere axial übereinander angeordnete Teile aufweisen.

Eine Folie 5 aus Zellstoffpapier liegt an der positiven Elektrode an- und bildet den Separator.

Eine negative Elektrode 6 besteht aus einer Lithiumfolie, die um einen aus Federstahl bestehenden Kollektor 7 gewickelt ist Der Kollektor weist eine mit Zinn beschichtete Zone auf, und die Lithiumfolie ist an mehreren Stellen dieser Zone geschweißt

Die negative Elektrode C und der Kollektor 7 sind durch eine Isolierschale 8 vom Becher 3 getrennt.

Der mit der positiven Elektrode 4 in Berührung stehende Becher 3 bildet die positive Klemme des Elementes.

Der Kollektor 7 steht in elektrischer Verbindung mit dem Deckel 1, der die negative Klemme des Elementes bildet, und zwar mittels eines Stahlstreifens 9, der an den Deckel geschweißt ist Der Stahlstreifen 9 ist elastisch, so daß er sich der Verformung des Kollektors anpaßt

ίο Bei der Montage des Elementes wird der zu dessen Betrieb erforderliche Elektrolyt, bestehend aus einer aus 80% Tetrahydrofuran und 20% Propylencarbonat gebildeten Mischung in einer molaren Lösung aus Lithiumperchlorat, in dieses eingebracht Da die erforderliche Menge größer als die in den Poren der positiven Elektrode und dem Separator zurückgehaltene Menge ist, verbleibt die überschüssige Menge im Innenraum 10 des Kollektors.
Wie aus F i g. 2 hervorgeht, besteht der Kollektor aus einer in Form eines Wendeis gewickelten Folie, deren Enden sich überdecken.

Der Kollektor 7' in Fig.3 ist ein gescnlitztes Rohr, und die Umfangslinie des aufgeschnittenen Rohres entspricht einem Kreisbogen.

Während der Entladung des Elementes erfolgen gleichzeitig eine Abnahme des Volumens der negativen Elektrode 6 durch Auflösung des sie bildenden Lithiums im Elektrolyten und eine Zunahme des Volumens der positiven Elektrode 4 infolge Ausfällung der Verbindungen des Lithiums. Da die Abnahme größer als die Zunahme ist, ergibt sich insgesamt eine Verringerung des Volumens der Elektroden. Damit die reagierenden Flächen in einem optimalen Abstand gehalten werden, muß die negative Elektrode gegen den Separator gedruckt werden. Hierzu ist der Kollektor 7 so ausgebildet, daß er aufgrund seiner Elastizität einen Durchmesser erreicht der größer oder mindestens so groß ist, als die Endabmessungen der Elektroden es zulassen. Die vom Kollektor gebildete Feder wird bei der Montage des Elementes elastisch verformt, und während der Entladung entspannt sie sich nach und nach, um die Gesamtvolumenabnahme der Elektroden auszugleichen.

Die Anwendung der Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung von Elementen geringer Abmessungen.

Im Rahmen der Erfindung kann der Separator beispielsweise auch aus Polypropylenfilz hergestellt und die elektrische Verbindung zwischen dem Kollektor und der Ausgangsklemme auf jede geeignete Weise, z. B. mittels eines beiderseitig angeschweißten Drahtes, vorgenommen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Zylindrisches elektrochemisches Element, das in einem Becher eine positive Elektrode, einen porösen Separator, eine negative Elektrode und einen negativen Stromkollektor enthält, der im Zentrum angeordnet ist und die Form eines Rohres aufweist, das parallel zur Achse aufgeschnitten und elastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode eine Folie (6) aus einem Metall mit hohem negativen Normalpotential wie Lithium, Calcium oder Natrium ist, die um den Stromkollektor (7) gewickelt ist, der die Metallfolie während der Entladung gegen den Separator (5) gedrückt hält

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (7) und die Metallfolie (6) wenigstens eine durch Punktschweißung erzielt« Kontaktzone aufweisen.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkollektor (7) im Bereich der Schweißzone mit einem Metall wie Zinn, Zink, Blei, Silber, Cadmium oder Platin beschichtet ist

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß es einen Elektrolyten in einer Menge enthält die größer ist als die in den Poren der positiven Elektrode (4) und im Separator (5) zurückgehaltene Menge, und daß der überschüssige Elektrolyt sich im Inneren des Kollektors (7) befindet