DE2308972A1 - Gehaeuseschweissung fuer elektrochemische zellen - Google Patents

Gehaeuseschweissung fuer elektrochemische zellen

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DE2308972A1 DE19732308972 DE2308972A DE2308972A1 DE 2308972 A1 DE2308972 A1 DE 2308972A1 DE 19732308972 DE19732308972 DE 19732308972 DE 2308972 A DE2308972 A DE 2308972A DE 2308972 A1 DE2308972 A1 DE 2308972A1
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Description

Gould Inc., Mendota Heights, Minnesota USA
Gehäuseechweiesung für elektrochemische Zellen
Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren zum Auebilden von durch Wärme verschweissten Gehäusen für elektrochemische Zellen, und insbesondere zum Zusammenechweissen durch Ultraschall eines schweissbaren Gehäuses, um einen lecksicheren Träger um die Kanten der Kathode einer aus Hetall gefertigten Luftzelle zu bilden.
Ein bei der Herstellung von durch Wärme verschweissbaren Gehäusen aus Kunststoff für Metalluftzellen, insbesondere die einen Elektrolyt wie Kaliumhydroxid verwenden, auftretendes Problem besteht darin, dass der Elektrolyt aus der Zelle ausläuft, es sei denn, die Zelle ist hermetisch abgedichtet. Da der Elektrolyt giftig ist, muss ein Auslaufen des Elektrolyten bei den als Handelsware verwendeten Zellen vermieden werden.
Das Auslaufen stellt in der Praxis bei hydrophoben Gasdiffusionskathoden ein Problem dar, wenn diese entweder einen wasserabweisenden Stoff enthalten oder aber an der Aussenseite der Kathode mit einer Schicht aus hydrophoben
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Werkstoff versehen sind. Die hydrophobe Kathode lässt das Gaa in die Kathode diffundieren, verhindert jedoch ein Eindringen oder Austreten von Flüssigkeiten in die bzw. aus der Kathode. Ein bevorzugtes hydrophobes Material stellt Polytetrafluorethylen (PTFE) dar; es wurden jedoch auch andere hydrophobe Polymere in Zellenkathoden verwendet. Ein Problem, das bei der Verwendung einer hydrophoben Kathode auftritt, besteht darin, dass die Kanten der Kathode im Zellengehäuse abgedichtet oder verschwelest werden müssen, so dass keine Elektrolytflüssigkeit an den Kanten der Zelle herauseickern kann. In einem bekannten Verfahren zum Abdichten der Kanten der hydrophoben Kathode wird Kunststoff u-förmig um die Kathodenkanten verspritzt, so dass der Kunststoff die Kanten der Kathode verkapselt. Danach wird die Kathode in ein Zellengehäuse gebracht, wo die durch Verspritzen bearbeitete Kante im Gehäuse ab» gedichtet oder verschwelest werden muss. Ein Verfahren sum Dichten des GehSuses besteht in der Verwendung eines durch Wärme abdichtbaren Materials und im Zusammenschmissen dee Gehäuses mit ultraschall.
Obgleich es vorteilhafter wäre, das Gehäuse durch Ultraschallschweissen mit dem hydrophoben Kathodenteil zu verbinden, um eine lecksichere Abdichtung zu ergeben, hat sich dies bei der Verwendung von Polytetrafluorethylen als schwierig, wenn nicht sogar als unmöglich erwiesen, weil Polytetrafluorethylen nicht gut auf das Ultraschallschweissen anspricht. Somit wird in der Technik bisher ein Plaetikstreifen um die Kanten der Kathoden verspritzt, so dass eine Dichtung zwischen der Kathodenkante und dem verspritzten Streifen gebildet wird. Dann kann dieser Streifen in einer einzigen Verfahrensstufe mit dem Gehäuse verschwelest werden.
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Auch wird bei der Ausbildung der Dichtung zwischen der hydrophoben Kathode bisher ein Verfahren verwendet, in des ein Dichtungs gegen die Stirnseite der hydrophoben Kathode geklemmt wird, so dass eine lecksichere Verbindung zwischen der hydrophoben Kathode und den Dichtungsring entsteht. Sin derartiges Verfahren macht jedoch einen beträchtlichen Aufwand an Kraft erforderlich und eignet sich deshalb nicht besonders für handelsübliche kleinere Kompaktsellen, die in kleine Gehäuse, z.B. in Taschenlampen usw., oder Fächern passen müssen.
Demzufolge wird von der Erfindung die Entdeckung genutzt, dass gleichzeitig eine lecksichere Dichtung zwischen der hydrophoben Kathode und dem Gehäuse ausgebildet wird und die zueinander passenden Abschnitte dw Zellengehäusee durch ultraschall zusamaengeschweisst werden.
Auch verwendet die Erfindung die Entdeckung eines Schweies* verfahrene« das auch Abweichungen in der Dicke der Kathode berücksichtigt.
Bei einer typischen NetaULuftzelle besteht die Kathoden* anordnung normalerweise aus einem Separator oder Scheider, einem Kollektorgitter, das mit einem Katalysator und mit Carbon Black angefüllt ist, sowie einer hydrophoben Schicht. Om die Kathodeneinheit in der Zelle abzustützen, werden die Kanten der Kathodeneinheit vorzugsweise im Gehäuse abgedichtet oder verschweisst, so dass der Elektrolyt nicht an den Kanten der Kathode durchsickern kann. Aufgrund der verschiedenen Dickeabaessungen einiger Kathodeneinheiten hat es eich nmn/.h-M'i als schwierig erwiesen, gleichzeitig eine Dichtung zwischen dem Gehäuse und den Seiten des Gehäuses mit dem
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Verschweissen der Ecken der Kathode zwischen des Oehäue« und den Seiten dee GehSueee auszubilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Ultraschallforaen einer lecksicheren Dichtung ta die Kanten der Kathoden einer Metalluftzelle und zwischen den Gehäuseteilen vorzusehen, so dass der Elektrolyt nicht von der Zelle austreten kann.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren, durch das gleichzeitig eine lecksichere Dichtung zwischen der Kante der Kathode und dem Gehäuse sowie ein lecksicheres Gehäuse geschaffen wird. Eine Weiterentwicklung der Erfindung stellt ein Verfahren dar, durch das gleichzeitig eine lecksichere Dichtung zwischen den Kanten der Kathode und dem Gehäuse gebildet und ein lecksicheres Gehäuse geschaffen wird, wobei Veränderungen der Dicke bei den Kathoden voll berücksichtigt und bearbeitet werden.
Ein Aueführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen*
Fig. 1 einen Seitenteilschnitt des Gehäuses und der Kathodeneinheit im zusammengebauten Zustand,
Fig. 2 einen Seitenteilschnitt der zusammengebauten Elektrode und des Gehäuses,
Fig. 3 eine Metalluftzelle im Querschnitt längs der Linie >5 der Fig. 4,
Fig. k eine Metalluftzelle in Aufriss und teilweise freigelegt, und
Fig. 5 einen Querschnitt der Zelle längs der Linie 5-5 der Figur k.
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Die allgemein durch Bezugeseichen 10 gekennzeichnete Luftzelle ist ans Metall und wird für das erfiiidungageaisse Verfahren verwendet. Diese Zelle 10 besitzt zwei Seitenteile 11 and 12, die das quadratisch ausgebildete Gehäuse passend umgreifen. In dea Gehäuse 13 befindet sieh der Attodenetift-etroakoUektor 1*», die Anode 17 und der Kathedenstift 15.
Qi die Einzelheiten des Aufbaue sowie das Verfahren zu· Auelden der Zelle 10 darzulegen, ause auf die Figuren 1, 2, 3 und 5 Besag genossen werden, die Ansichten der Zelle in Querschnitt zeigen· Die beiden Scheidevorrichtungen oder Separatoren 18 und 19 befinden sich ausserhalb des Anoden-■aterials 17 und liegen an der Oberfläche des Gehäuses 13« Die beiden Kathodnkolltorengitter 20 und 21 liegen neben den Separatoren 18 und 19· Hierbei weisen die Kathodengitter 20 und 21 norsalerweiee einen Katalysator und ein Kathoden» sAterial wie Carbon Black auf, das in geaasten Gitter verteilt ist. Die beiden hydrophoben Glieder 22 und 23 liegen neben dea Gittern 20 und 21 und lassen Luft in die Zelle 10 eintreten, verhindern jedoch, dass flüssigkeit von der Zelle austreten kann· Der Separator 18, das Kollektorgitter 20 und das hydrophobe Teil 22 liegen sonit sandwichartig nebeneinander und stellen die Kathodeneinheit 29 dar. Gleichersaesen liegen auch der Separator 19, das Kollektorgitter 21 und das hydrophobe Teil 23 nebeneinander und bilden die Kathodeneinheit 30.
In den dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die hydrophoben Teile an der Auseenseite der Kathode. Das Verfahren eignet sich jedoch auch für Typen hydrophober Kathoden, bei denen das hydrophobe Material ein integraler Bestandteil der Kathode ist.
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ORIGINAL INSPECTED
Die fie. 2 seigt di· Kathodeneinheit 29t «le sie fmt «riechen dm Oehluse 13 «ad dm Seitenteil 12 gehalten wird. Di· Biaheit 30 wird Khalich «wischen dm OehXuee und de» Seiteateil 11 gehalten. X» dieser bmoaderea Zelle ist der Elektrolyt «wischen dm beiden hydrophoben Teilen 22 und 23 verteilt, die Terhindera, dam der Elektrolyt durch di· Kathpd· hindurch entweichen, die Luft jedoch durch di· la Seitenteil 12 befindlichen öffnungen 35 sowie di· öffnungen 36 de· Seitenteile 11 eintreten kann. Da der Elektrolyt jedoch an den Kanten der hydrophoben feil· hindurehsickera und emit durch die Offnungen 35 und 36 nach aussen entweichen könnte, aüeeen di· Kanton der Kathodeneinheiten ▼ersehweiset oder abgedichtet werden, so dass kein Verlust durch Auslecken an den Kanten und längs der Aueeenfläche der hydrophoben Teile »ehr adglich ist. Ia bevorzugten Auefuhrungsbeiepiel der Erfindung wird durch Ultraschallschwelssen gleichseitig ein lecksichereo GehKuse und ein· hermtlsch· Dichtung swlschen den Kanten der Kathodeneinheit und den Kante» dor Zelle geschaffen.
Tiwihonoadorn wird 1« erfindungsgeafieeea Verfahren die Entdeckung verwendet, dam« obgleich das Gehäuse nicht an di· Oberfläche der hydrophoben Kathode alt Ultraschall geschweimt word·» kann, so kann das Gehäuse doch hinreichend weich goaaoht werde», u» es durch Druck und durch ein Ultraschall· signal aa di· Oberflieh· der hydrophobe» Kathode epes. Durch das Ultraschallsignal wird di· Berührungsfläche «wischen dm verochweisebaren QehEusoabeehnittm su» Schmelzen gebracht. Bsi WngmhiM dm Ultrasehalleignale verfestigt sich das mtarial, wodurch eine loeksiehere Dichtung xua benachbarten Gehanseabechnitt geechaffen wird. Gl*iohMitig wird jedoch
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die hydrophobe Kathode wischen der Kathodenstützfläche oder der Oberfläche der Gehäuse sueaaaengedruckt. Obgleich die hydrophobe Kathode selbst nicht ait der Kathodensttitsfläche verechaelst, so schailzt das Material des Gehäuses doch hinreichend, ua sieh eng an die Oberfläche der hydro» phoben Kathode ansupassen. Diese Anpassung des Gehäuses an die hydrophobe Kathode durch Aufbringen von Wärae und Druck bewirkt, dass eine lecksichere Abdichtung zwischen der Kathode und ihrea äehäuse entsteht.
WChread der eigentliche Bereich der für das Ultraschallschweissen des Gehäuses erforderliche Koapreseionedruck von dea verwendeten Material abhängt, sues doch ein ausreichender Druck auf das Gehäuse gegeben werden, so dass die Gehäuse, fläche, die ait der Oberfläche der hydrophoben Kathode (z.B. ans Polytetrafluoräthylen) in Berührung steht, soweit erweicht wird, dass sie sich der Oberfläche der hydrophoben Kathode anpasst. In den aeisten Fällen sollte der aufzutragende Druck beia Ultraschallschweissen Über ungefähr 1,*& kg/ca liegen.
Das si flnfliiiwifloagrine Verfahren sieht als weitere Verbesserung ▼or, zusätzlich TerschWeissbaren Werkstoff in Fora eines Schaelzvulatee zur Unterstützung heranzuziehen, so dass eine dichte Verschweissung zwischen den Gehäuseabschnitten geschaffen wird.
Die Fig. 1 zeigt insbesondere den Aufbau des Gehäuses, bevor das Gehäuse 13 durch Ultraschall ait dea Seitenteil 11 und dea Seitenteil 12 verschweisst wurde. Im zueaaaengeeetztea Zustand besitzt das Gehäuse 13 die Wulst- oder Scbaelzfläche sowie 26. Beide Flächen öder Gebiete erstrecken sich aa
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«■ dl· Sell· 10 ten». Bi ist hierbei herronaheben, den la diesen i>—immtitw Zustand dl· Seitenteile 11 und 12 aufgrund der Oebiete 25 und 26 nicht alt der Oberfläche der Katnodeneinfceiten 29 «ad 30 la Berührung können. BeIa Aufdrucken dee TI trnrrhs.1 IaI gnala auf da· Gehäuse 13 uad dl« Seltenteile 11 and 12 schnelscn dl· Gebiete 25 «ad 26 durch dl· seltene der Rsibungekrlft· «rti und bwirkwi, das· da« sehmiMbar· MaUrIaI m dl· Kant· d*r Kathedwwiateitm 29 uad 50 flieeet. etändlich «taUt dl«Mr Vület nur «in· bvrvrsttgt« dar uad 1st für di· Aawaaduag da· urftm1iiino(rnaKimnn Vwfaareo« niotat trftorderUeh.
Durch ein ««itar·· Mtrkaal dar Erfindung kann daa SchManknnga» bereich der Dicke d*r Kathod«E»elnh«it«n voll Rechnung getragen werden, lad·« ein« Vertiefung oder Auanehaung 2? la ersten Seitenteil 11 und gaas Mhalieh eine Vertiefung 28 la Oehguse teil 12 »Ingiilaaasii wird. Dies· aaagvbildftten V«rti«fttag«a verlftufen ring« tat dl· geaaate Peripherie der Seile 10.
01· Funktioa der VertiefuageflÄchen besteht darin, suriel den erweichten Hateriale auf der tothodenetUteflÄch« aufi falls aan es alee alt einer Uberdiaeaeionierten Kade» einheit *a tun hntt kann das Auftragen des alnlamlen drucks dafttt fuhren, deae dl· O*hSuseabe«haitte einender nicht ausreichend nahe kennen, ua ewiaehea eich eine leckeiehere Verbindung sa bilden· ßealt ereöglicht die Vertlefungefllehe, daee das erweicht· MaUrial auf der Kathodenatfitsfllche seitUch flleseen kann, so dass die OehÄueembechnitte so et werden, bis sich eine geeignete Verechweieeung «wischen den angrenzenden fOKchen der OehMueeabeohaitt· herausbildet. Diese Vertiefungen In den KathodenatUUflKchen des Oehüueee aüaeen
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jedoch nur dann το*een werden, wean die Abweichung in der DUk* der Kathoden siealieh groee iet.
Der ΐ— der Qaediffueionskathode in eine« elektrochemiachen Zellsngehäuse erfolgt Bunächet dadurch, dass ein Gebläse geschaffen wird, das eine Kathodenattttzfläche und eine durch Uärae trerachweissbare Flüche gebildet wird, worauf dann wenigstens ein weiteres Gehäuse geschaffen wird, das ebenfalls eine KathodenstUtztfläche und eine durch tOrae verschweiBsbare FlBehe hat. Darauf wird die Gasdiffueionekathode auf die Kathodenstützflächen einer der Gehäuse in Stellung gebracht, in der die Kanten der Gaediffusionskathode vollständig von der StUtsflSehe des Gehäuses getragen werden· Dann wir d das andere Gehäuse, das eine ähnliche Stützfläche aufweist, auf das Oberteil der Gasdiffusionskathode gesetzt, so dass die Kanten der Kathode zwischen den Stützflächen beider Gehäuse liegen. Hiernach wird das Gehäuse zueaanengedrückt, so dass die aasdiffusionekathode fest zwischen den Stützflächen beider Gehäuse gedruckt wird. Während die Kathode noch unter Druck steht wird an das Gehäuse ein ültraschailsignal gegeben, durch das die Terschweissbaren Flächen der beiden Gehäuse Miteinander verschmelzen. Während des Schweissens der durch Wärae Terschwoissbaren Flächen erweicht das unter Druck stehende Material auf der Kathodenetützfläche des Gehäuses und passt sich der Oberfläche der hydrophoben Kathode an, so dass eine lecksichere Abdichtung zwischen der Aussenfläche der hydrophoben Kathode und der Kathodenetützfläche entsteht. Schlieeslich können sich die durch Wärae Terschweiaeten Flächen abkühlen und aushärten, bevor der Druck auf dem Gehäuse weggenooaen wird. Da das
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Gehäuse zu einer Einheit zimasmengoscaweisst wird, wShrend die Kathode noch unter Druck steht, wird die Kathode weiter» hin iwuiia—fiwiig zwischen den Kathodenstiitzflächen gehalten, so daas eine lecksichere Dichtung zwischen der Kathode und der KathodenstUtznäche geschaffen wird.
Tür den 7nea—ntrn der Oehäusebauteile nach der is Aueführungsbeispiel dargestellten Ausgestaltung werden Ue verschweissbaren Werkstoffe alt Ultraschall zueaamengeeobwolset. In Grunde werden bei« Ultraschallschweissen hochfrequente Mechanische Schwingungen verwendet, die die angrenzenden Flächen sun Schneisen bringen, so dass sie ineinanderlaufen und einen starken solekolaren Verbund bilden· Das Schneisen wird erreicht, innen die mechanischen Schwingungen bei ent* weder 20 kHz oder hO kHz in eines als Horn bekannten Treiber kanalisiert werden. Das Horn wird dann eingestellt, um die au schweisaenden Teile zusaasenzudrucken. Es bestehen also kurz gesagt zwei Verfahren zum umwandeln elektrischer Energie in aeohaniache Schingungen, und zwar das elektrostriktiv und das sagnetostriktive. Bei der elektrostriktiven umwandlung dehnt sich ein piesoelektrisches Element oder Piezokristall aus und sieht sich tnewnen, wenn auf ihn ein elektrisches Signal gegeben wird. Bei der asgnetostriktiven Umwandlung Tibriert der Hetallkem unter der Einwirkung eines Magnetfeldes· Das Ultraschallschweissen von Kunststoffen ist des Stande der Technik bekannt, wobei die Energie- , Zeit und Druckfaktoren weitläufig variieren und von Fachmann je nach der Aufgabenstellung bestimmt werden kftoaen. Auch können die sua ultrseohallschweieeea verwendeten Werkstoffe typische Kunststoffe wie Polyetjren, Akrylooitril-Butadien-Styren,
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Poljoartioaat, &oiy«iyl·* und τ!·1· aadar* «1·γ Technik bekaaat· Stoff·
Saait U«tt «1» «ia*«· Pmcarinlrnnc fUr di· bei MUmflahgttaan fiwimdiUn iüt«riali«tt mar in d*r AufUff·, due «i· dau-th Utrw» laalmr aeia aOeemi und dm korrodlwtiwtm mterlAlim la d*r StIU wideratmrn können, mm ja EtgmtttOiebk*it vi«ltr w tuoetetofft Ut.
ObgUiw 41* SrfUatog la bmg «nf dm BiMlU («Mi KaUodm in «iiMr »inMlam Z«U·) bmchri«bm wurd·, »i^Mt eich da· WPfiadunaiigmIt— ■ Vwrfahraa auch für dan &Maaamban m SSaUaa ait aar «iaer «iaBigm Kathode
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Claims (2)

PATEMTAHSPRUCHE
1. Verfahren sw gleichseitigen Ausbilden einer SebMlBMBg la eine» elcktrochcalechen ZeUenget*··· «owl· einer leeknieherea driwfHob» arischen einer hjdtopb»bo« Elektrode and «teer di« Elektrode trand flieh·, gekenat-Belohnet dareh >iwldKlwi ·!■■■ «raten QthSuM*·!!·, 4m «la·
adwei««b«r· IUMm bittet, durch BiaMts«n <Wr EUktrod·, dl· «Im «α dnr nektrodeaetUtsilleh· d«· «rat·» floht«—t«11ti tiiWfilnniWHrtt flieh· beeltst, durch SüMMtae· dee aiMiten a«blne«UUe «of dor hydrophob« Elektrode, eo daee dederch die EUktrodenetüt»flIch· des weiten Oehlaeetelle der an der ofab KUktrode and die durch Mbre* Terece— l»re flieh· de· «reiten Oehtaeeteil· mn der TersehweiMbaren fläche de« ereten Q»Mto— «nlieft, durch SveeaeendrUckea der Terechweieebaren fliehe de· ereten OehSueeUlle ea die τβτ-echweieebare filch« dee aveiten QehMue«t#ile, durch Ver» echoelsen der Tereehweieebaren OberflMehe de· ereten enie teile alt der T*rechweiaeb*rM fl&che dee »leiten Oehgueetell«, «Shrenddeeeen die hydrophobe Elektrode eviechen der ElektrodenetütslUtche de· ereten Oehäueeteil· und der EXektrodea» etüttfläch· dee weiten QehSueeteil· ztioeeMengedrückt wird, oo daee dadurch weniestene eine der ElektrodenetUtzflächen erweicht wird, un eine leckeiohere Dichtung »dachen der ElektrodenBtiitaflAche unider hydrophoben Elektrode su ergeben
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2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ausbilden einer Ausnehmung in der ElektrodenstUtzfläche einer der
GehSuseteile, eo du» Elektroden unterschiedlicher Dicke
aufgenommen und verschwelest werden können.
3- Verfahren aaoh Anepruch 1, gekennzeichnet durch Auebilden eines Srhmeirwnlsten an einer der verechveiasbaren Flfichen
des Oehäqaee·
k. Verfahren nach Anepruch 3, gekennzeichnet durch Ausbilden einer Ausnehaung swiBchen der Kante der Elektrode und des) erstell verschweieebaren Material sur Aufnahme des überschüssigen, geschmolzenen rerschweisebaren NateriaLs.
5· Verfahren nach Anepruch 1, gekennzeichnet durch Ultraschallschveiaeen der Terschweissbaren Fläche des ersten Oehäuseteile mit der verschweissbaren FlXehe des «weiten Oehauseteils.
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