DE2309948A1

DE2309948A1 - Batteriezellenkonstruktion

Info

Publication number: DE2309948A1
Application number: DE19732309948
Authority: DE
Inventors: Ralph T Mead
Original assignee: Greatbatch Ltd
Current assignee: Greatbatch Ltd
Priority date: 1972-03-01
Filing date: 1973-02-28
Publication date: 1973-09-06
Also published as: CA1003036A; FR2174227A1; AU5262873A; DK136561C; FR2174227B1; DK136561B; IL41637A0; US3773557A; NL180622B; IL41637A; SE412489B; GB1422239A; NL7302854A; NL180622C

Description

Dr.-lng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln Anlag· Akt«ni«ith«n

iurEin₈ab.«om 23. Februar 1973 my// n₀™d.Anm. WILSON GREATBATCH LTD.

W 75/¹»

Batteriezellenkonstruktion

Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf eine Batteriezellenkonstruktion und insbesondere auf eine Batteriezellenkonstruktion, welche für die Einpflanzung in den menschlichen Körper verwendbar ist, um als eine elektronische Einrichtung, wie zum Beispiel ein das Herz angregender Schrittmacher oder dergleichen zu wirken.

Elektronische Einrichtungen zur Einpflanzung in den menschlichen Körper sind bekannt und finden in der modernen Medizin eine wichtige Verwendung. Solche elektronische Einrichtungen können pulsierende Stromkreise enthalten, die gewöhnlich als Herzschrittmacher bezeichnet werden, welche das Herz in regelmässigen Intervallen elektronisch anregen und welche einen anregenden Impuls liefern, wenn beim Abtasten festgestellt wird, dass das Herz nicht seinen eigenen elektromuskulären Impuls erzeugt hat.

Elektronische Einrichtungen, wie zum Beispiel der Schrittmacher, sind von einer in sich abgeschlossenen Stromquelle abhängig, welche die Erregung des Stromkreises steuert. Diese Stromquelle besteht im allgemeinen aus einer kleinen Batteriezelle oder aus Zellen, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, um den notwendigen Strom für einen verhältnismässig langen Zeitraum, wie zum Beispiel ein Jahr zu liefern, während welcher Zeit die Einrichtung in den Körper eines Patienten eingepflanzt ist. Bei vielen bisher für einen solc-hen Zwecke* verwendeten Batteriezellen haben sich jedoch Probleme ergeben, welche für den die Einrichtung verwendenden Patienten verhängnisvoll sein können. Ein plötzliches Versagen der Batteriezelle erzeugt beispielsweise fast stets einen Zustand, der den Patienten töted, bevor ein neuer Schrittmacher oder eine Batteriezelle eingesetzt werden kann. Beim Austausch einer Batteriezelle dieser allgemeinen Art muss eine vollständig aufgeladene oder frische Batterie eingesetzt werden, die eine maximale Betriebsdauer liefert und eine vorhersehbare Lebensdauer aufweist,

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so dass bei dem Patienten der Austausch einer neuen Batterie in vorherbestimmten Intervallen vorgenommen werden kann. Die Lebensdauer der zur Zeit in Schrittmacherstromkreisen verwendeten Batterien beträgt ungefähr ein Jahr. Obwohl dies angemessen ist, wäre es wünschenswert, eine Batterie mit einer längeren Lebensdauer zu haben. Am wichtigsten ist aber, dass das Versagen der Batterie genau vorhersehbar sein muss.

Bei Verwendung einer Batteriekonstruktion, welche Lithiumanoden aufweist, ergibt sich das Problem, eine unoxidierte Lithiumoberfläche zu erhalten, welche während der Konstruktion mit einem entsprechenden ElektrodenteilIn Berührung kommt, überdies beschlägt Lithium leicht an der Luft und sein spezifischer Widerstand in einer Batteriekonstruktion kann auf ein unerwünschtes Niveau zunehmen, um den Stromfluss aus der Batteriezelle auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei der Konstruktion einer Batteriezelle, welche eine unendliche oder äusserst lange Lagerfähigkeit aufweist, ist es ausserdem wünschenswert, die elektronfche Leitfähigkeit Innerhalb der Zelle auf ein Mindestmaß herabzusetzen, so dass der ganze Stromfluss durch die eigentliche Zelle von ionischer Beschaffenheit ist. Dies hält dann die Zelle in einem absoluten Ruhezustand, wenn mit den äusseren Leitungen derselben keine Belastung verbunden ist. Solche Zellen weisen eine unendliche Lagerfähigkeit auf, weil nur ein äusserer Stromfluss einen ionischen inneren Fluss in der Zelle und daher die Entladung der Zellenkonstruktion bewirkt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß in der Ausbildung einer Batteriezellenkonstruktion, welche wenig oder keinen Elektronenstromfluss innerhalb der Batteriezelle aufweist.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer Zellenkonstruktion mit einer Lithiumanode, welche einen verbesserten Kontakt zwischen den Lithiumanodenkomponenten und den mit denselben verbundenen leitenden Elementen vorsieht.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung einer mit Lithium versehenen Zellenkonstruktion, bei welcher die Ge-

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schwindigkeit des Beschlagens von Lithium an der Lufträur ein Mindestmaß herabgesetzt ist und bei welcher Lithium während der Entladu: _w der Batteriezelle einen verhältnismässig geringen elektrischen Widerstand aufweist.

Die Batteriezellenkonstruktion gemäss der Erfindung benützt das Konzept einer mechanischen Ausbildung, welche die aktive Verwendung von zwei Hauptoberflächen einer Lithiumanodenkonstruktion ermöglicht. Dies bedingt das Pressen von Lithiumscheiben oder -folien auf zwei Seiten eines Metallsiebes, vorzugsweise aus Nickel, und das Abdichten der Ränder des Lithiums rund um das Sieb durch einen Druckkontakt von ungefähr 28 kp/cm . Mit dem Nickelsieb ist ein Anodenleiter oder -verbinder verschweisst, welcher sich durch das GehäBe der Batterie erstreckt und dadurch die Anodenverbindung mit dem ausseren Stromkreis herstellt.

Gemäss einem Merkmal der Erfindung sind Imprägniermittel, wie zum Beispiel Magnesium oder Kalzium oder beide mit der Lithiumanode kombiniert, um die Geschwindigkeit des Beschlagens von Lithium an der Luft und den spezifischen Widerstand der Lithiumiodid Schicht zu verringern, die während des EntladungsVorganges der Batterie entwickelt wird.

Die Zwischenschichten der Batteriezelle werden aus einer Komplexverbindung von Jod und einem Ionenaustauschharz, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin, gebildet, welche annähernd 89% Jod enthält, das durch natürliche Absorption gewonnen wird. Gemäss der Erfindung erhält das Polyvinylpyridin das Jod bei einer Reaktionstemperatur von ungefähr 121⁰C oder mehr. Das Polyvinylpyridin wird vor der Reaktion mit Jod in Vakuum getrocknet, um in der Haz-Jodkomplexverbindung ein Minimum von Feuchtigkeit sicherzustellen. Die erhöhte Temperatur bewirkt eine maximale natürliche Absorption des Jods in das Polyvinylpyridin. Eine Komplexverbindung von Jod und Nichtionenaustauschharzen, wie zum Beispiel Pyren und/oder Polyvinylpyren, kann als Depolarisationsschicht verwendet werden, wodurch das Polyvinylpyridin ersetzt wird.

In der Batteriekonstruktion gemäss der Erfindung wird ein Jodspeicher verwendet, so dass der innere Widerstand der Batterie

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geregelt werden kann. Die Zunahme des Inneren Widerstandes, die während der Entladung erfolgt, ist beispielsweise eine Kombination des Widerstandes der erzeugten Lithiumiodidschicht plus der Zunahme des Widerstandes der Jodkomplexverbindung, die erfolgt, wenn das Jod während des ionischen Stromflusses verbraucht wird. Durch Benützung des nachstehend beschriebenen Jodspeichers wird das Jodniveau der Jodkomplexverbindung während der ganzen Dauer der Entladung der Batterie aufrechterhalten. Der Jodspeicher besteht hauptsächlich aus einer Mischung von Jod und Kohlenstoff oder Graphit, welche zwischen dem Kathodenkollektor und der Jodkomplexverbindung angeordnet ist. Der Entzug des Jods aus der Speicherschicht hat keinen ungünstigen Effekt auf den Widerstand oder die Lebensdauer der Zelle und verringert irgendwelche Schrumpfdefekte oder setzt dieselben auf ein Mindestmaß herab, infolge des Nettovolumenverlusts der ionischen Reaktion zwischen dem Jod und Lithium während des Entladungsvorganges.

Eine Abschirmschicht ist zwischen der Speicherschicht und der aus der Komplexverbindung von Polyvinylpyridin und Jodbestehenden Schicht angeordnet. Diese Abschirmschicht b-esteht vorzugsweise aus einer dünnen Glasfaserschicht, weicheeinen überzug aus Ionenaustauschharzen und Salzen, wie zum Beispiel Rubidium- und Cäsiumiodld, aufweist. Diese Abschirmschicht hat zwei hauptsächliche Aufgaben. Die eine besteht darin, dasd Zusammensetzen der Zelle zu erleichtern, indem eine Halteeinrichtung vorgesehen wird, welche die Jodkomplexverbindung in Stellung hält, während die Jod- und Kohlenstoffmischung zugesetzt wird. Die andere Aufgabe besteht darin, die Wanderungsgeschwindigkeit des Jods zwischen der M Jod-Kohlenstoffmischung und der Jodkomplexverbindung zu verringern.

Um die Selbstentladung der Batterie während der Lagerzelt im wesentlichen vollständig zu eliminieren, ist die elektronische Leitfähigkeit Innerhalb der Batterie auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Jede Leitung innerhalb der Batterie ist ionisch und erfolgt nur während der tatsächlichen Verwendung, das heisst, wenn eine gegebene Belastung mit den ausseren Klemmen der Batterie verbunden ist, um aus derselben Strom zu entnehmen. Um die elektronische Leitung auf ein Mindestmaß herabzusetzen und die ionische Leitung zu ver-

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bessern, kann Magnesium als ein Imprägnierungsmittel für das Lithium verwendet werden. Auch die Verwendung der Abschirmschicht und der Zusatz von Verbindungen, wie zum Beispiel von Cäslumjodld, Rubidumjodid und Tetramethylammoniumjodid, ergeben eine Batteriezellenkonstruktion mit verbesserten Eigenschaften.

Die physikalische Konstruktion einer Batteriezelle, die gemäss der Erfindung ausgebildet ist, ergibt eine optimale Energiedichte und kleinste Zusammensetzungskosten mit einer ausserst hohen Zuverlässigkeit einer solchen Zelle, die für die Einpflanzung in menschliche Patienten verwendet wird. Ein rundes Gehäuse ermöglicht für die betreffende besondere Grosse einen maximalen Anodenoberflächen· bereich. Die Abdichtung der Batteriezelle kann durch Druckblndung der Anode an eine Teflonhülse oder durch Zusammendrücken des Lithiums in einem Isolierring oder einem Isoliergehäuse erzielt werden.

Die Erfindung betrifft daher eine Fe"stkörperbatterie, in welcher die Anode aus einer der Verbindungen geformt werden kann, die aus der Gruppe ausgewählt werden, welche Lithium, Lithium und Magnesium, Lithium und Kalzium oder Lithium, Magnesium und Kalzium enthält. Die Kathode wird aus leitendem Metall geformte, wie zum Beispiel nicht rostendem Stahl und Nickelt', das mit einer ionisch leitenden Schicht in Eingriff steht, welche aus einer oder mehreren der Verbindungen besteht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Rubidiumjodid, Cäsiumjodid, Tetramethylammoniumjodid und Mischungen von Jod und nicht ionischen organischen Verbindungen, wie zum Beispiel Pyren oder Polyvinylpyren, oder Ionenaustauschharze, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin enthält. Die Batteriekonstruktion verwendet zwei Schichten aus Lithium oder Lithiumverbindungen, zwischen welchen ein Nickelsieb angeordnet ist, um den leitenden Kontakt mit der Anode herzustellen.

Viele andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in deren Figuren ähnliche Elemente oder Bestandteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

In den Zeichnungen zeigt:

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Figur 1: eine schematische Ansicht, welche die Schichten veranschaulicht, die in einer Batteriezellenkonstruktion gemäss der Erfindung von hauptsächlicher Bedettung sind,

Figur 2: eine auseinandergezogene Ansicht einer einzigen Batteriezelle, die entsprechend dem Konzept der Erfindung auegebildet ist,

Pigur 3: einen Längsschnitt der zusammengesetzten Batteriezelle gemäss Figur 2,

Figur 4: eine Draufsicht, welche die Formgebung eines besonderen Gehäuses der Batteriezelle gemäss den Figuren 2 und 3 veranschaulicht,

Figur 5: eine Isolierhülse, welche die Anodenverbindung durch das Gehäuse der Batteriezelle herstellt,

Figur 6: eine schematische Ansicht, welche eine abgeänderte Ausführungsform der Batteriezellenkonstruktion gemäss der Erfindung veranschaulicht,

Bgur 7 : in grosserem Maßstab eine auseinandergezogene Ansicht der abgeänderten Ausfuhrungsform der Batteriezellenkonstruktion gemäss Figur 6, bei welcher zwei Batteriezellen in einem einzigen Gehäuse geformt werden unter Verwendung der gemeinsamen Lithiumanode zwischen den beiden Zellen,

Figur 8: einen Längsschnitt der zusammengesetzten Batteriezelle gemäss Figur 7,

Figur 9: eine Draufsicht auf die Batteriezelle gemäss Figur 8 und

Figur 10: den elektrischen Kontakt, der auf einer der Endplatten der Batteriezelle geraäse den Figuren 7 und 8 hergestellt

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wird.

In Figur 1 ist schematisch eine Batteriezellenkonstruktion gemäss der Erfindung dargestellt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Batteriezelle 10 enthält eine Anode 12, die vorzugsweise aus einer oder mehreren Schichten aus Lithium oder Lithiumverbindungen geformt 1st. Das Lithium kann mit einem Imprägnierungsmittel, wie zum Beispiel Magnesium oder Kalzium, versehen sein, welches dazu dient, die Geschwindigkeit des Beschlagens von Lithium an der Luft und den spezifischen Widerstand der Lithiumjodidschicht zu verringern, die sich während der Entladung der Batteriezelle entwickelt. Eine Kathode 13 1st am anderen Ende der Batteriezelle 10 geformt und besteht vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl und einer Nickelverbindung, welche mindestens 10? Nickel enthält. Eine Ionen leitende Kombination ist allgemein mit 14 bezeichnet und kann eine oder mehrere getrennte Schichten aus Ionenstrom führenden Verbindungen bilden. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform umfasst die Ionen leitende Kombintation 14 drei Schichten von bestimmter Zusammensetzung.

Die erste Schicht der Kombination 14 ist eine Schicht 16, die eine aus einer organischen Verbindung und Jod bestehende Komplexverbindung formt, welche aus Jod und einem vorher in Vakuum getrockneten Ionenaustauschharz, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin, hergestellt ist. Die Vakuumtrocknung gewährleistet ein Minimum von Feuchtigkeit in der Schicht, wenn die Batterie zusammengesetzt 1st. Das Polyvinylpyridin wird bis zu einem maximalen Zustand imprägniert, welcher in der Grössenordnung von etwa 60 bis 95? Jod, insbesondere etwa 89% Jod liegt, und zwar durch natürliche Absorption in das Polyvinylpyridin als Ergebnis der Hitzereaktion. Die Hitzereaktion erfolgt in diesem Fall bei etwa 93 bis 148⁰C, vorzugsweise bei 121°C. Eine zweite Schicht 17 bildet eine Abschirmschicht über der aus einer organischen Verbindung und Jod bestehenden Komplexverbindung 16. Die Schicht 17 besteht vorzugsweise aus einem überzug aus Ionenaustauschharzen und Salzen, wie zum Beispiel Rubidiumjodid und Cäsiumjodid und/oder Tetramethylenammoniumjodid, auf einem Glasfaserfilm. Diese Abschirmschicht kann zwei Aufgaben haben.

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Die eine besteht darin, dass* Zusammensetzen der Zelle zu erleichtern, indem beispielsweise die aus einer organischen Verbindung und Jod bestehende Komplexverbindung in Stellung gehalten wird, während die nachfolgende Mischung aus Jod und Kohlenstoff zugesetzt wird, welche die Speicherschicht 18 bildet. Die Speicherschicht 18 ist die dritte Schicht in der Kombination 14 und besteht aus einer Mischung von Jod und Kohlenstoff oder Graphit, welche nachstehend als das Gemisch bezeichnet wird. Im vorliegenden Fall enthält das Gemisch ungefähr ein Teil Kohlenstoff und zwei Teile Jod. Die Speichersdicht 18 enthält genügend Jod, um das Jodniveau in der Schicht 16 während der Entladung der Batteriezelle aufrechtzuerhalten.

Zum besseren Verständnis wird nunmehr auf die Figuren 2 und 3 Bezug genommen, welche eine Batteriezellenkonstruktion mit einem Gehäuse 20 aus nicht leitendem Material zeigen. Das Gehäuse 20 besteht entweder aus einem entsprechenden keramischen Material oder aus Glasfasern. Das Gehäuse 20 enthält eine Bohrung 21 mit einem ersten Durchmesser, die sich vom Boden des Gehäuses bis ungefähr in die Mitte desselben erstreckt, und eine Bohrung 22 mit einem zweiten Durchmesser, welcher grosser ist als jener der Bohrung 21 und daher innerhalb des Gehäuses eine ringförmige Schulter 23 bildet. Eine Ausnehmung 24 erstreckt sich durch den unteren Teil des Gehäuses und steht mit der Bohrung 21 in Verbindung, um den Eintritt eines Leitungsdrahtes 26 zu ermöglichen, der die Anodenverbindung mit der äueseren Belastung herstellt.

Die Anode 12a der Figuren 2 und 3 entspricht im wesentlichen der Anode 12 der Figur 1 und zeigt die besondere Ausbildung derselben. Der Leitungsdraht 26 ist an einem Metallsieb 27 befestigt, welches vorzugsweise aus Nickel oder dergleichen besteht. Der Leitungsdraht 26 ist mit einer Isolierhülse 28 versehen, welche durch einen abdichtenden Mantel 29 (Figur 5) hindurchgeht. Dieser kann eine Glasabdichtung aufnehmen, welche ermöglicht, dass der ganze innere Teil der Batterie feuchtigkeitssicher ist.

Die Anode 12a enthält ferner eine dünne Scheibe oder eine Schicht 30 aus Lithium oder aus einer Verbindung von Lithium und Magnesium oder Kalzium, welche zuerst in das Gehäuse 20 eingesetzt wird.Ober-

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halb der dünnen Scheibe 30 und oberhalb des Nickelsiebes 27 1st eine zweite dünne Scheibe oder Schicht 31 aus Lithium angeordnet. Die beiden Scheiben 30 und 31 aus Lithium werden unter einem Druck von ungefähr 28kp/cm zusammengepresst, um das Lithium Im wesentlichen vollständig rund um und In die gleiche Form wie den Draht 26 und das Nickelsieb 27 zu formen, so dass zwischen diesen Komponenten jederzeit ein guter elektrischer Kontakt aufrechterhalten wird. Die aus der organischen Verbindung und Jod bestehende Komplexverbindung 16a wird in die Bohrung 21 mit dem kleineren Durchmesser gegossen, um den restlichen Teil derselben auszufüllen und sich vorzugsweise etwas über die Schulter 23 hinaus zu erstrecken. Die Schicht 16a besteht aus einer giessbaren Teerverbindung, welche auf eine Temperatur von etwa 121°C erhitzt werden kann. Wie bereits erwähnt, kann die aus einer organischen Verbindung und Jod bestehende Komplexverbindung entweder auseinem Ionenaustauschharz geformt werden, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin, welches ungefähr 89* Jod durch natürliche Absorption infolge der erhöhten Temperatur enthält, oder aus einem Nichtionenaustauschharz, wie zum Beispiel Pyren und/oder Polyvinylpyren. Im letzteren Fall kann jedoch die Jodabsorption von jener des Ionenaustauschharzes verschieden sein.

Die Abschirrasohicht 17a besteht aus einem dünnen Glasfaserfilm, der mit Ionenaustauschharzen und Salzen, wie zum Beispiel Rubidum-Jodid und Cäsiumjodid, imprägniert ist. In der Abschirmschicht 17a können jedoch selbstverständlich auch Tetramethylammoniumjodid zusammen mit Mischungen von Rubidumjodid und Cäsiumjodid verwendet werden.

Eine Speicherschicht 18a wird aus einer Mischung von Jod und Kohlenstoff gebildet, vorzugsweise in den Mengen von 1 Teil Kohlenstoff und 2 Teilen Jod. Öle Speicherschicht 18a hält den Widerstand der Zelle während der Entladung der Batteriezelle auf einem im wesentlichen konstanten und niedrigen Niveau, indem genügend Jod vorgesehen wird, welches sonst der Shicht 16a entzogen würde. Wie bereits erwähnt, hat der Entzug von Jod aus der Speicherschicht 18a keinen ungünstigen Effekt auf den Zellenwiderstand und verbessert ,

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die Betriebsfähigkeit der Zelle während der Lebensdauer derselben. Die Speicherschicht 18a setzt auch irgendeinen Schrumpfeffekt innerhalb der Zelle auf ein Mindestmaß herab, der durch einen Nettovolumenverlust infSLge der Reaktion zwischen dem Jod und Lithium bewirkt wird.

Die Kathode 13a kann aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche nichtrostenden Stahl, nichtrostenden Stahl und eine Nickelverbindung, sowie Nickel, Titanium, Gold, Molybdän oder Gold und eine Molybdänverbindung enthält. Die Kathode 13a begeht vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, der Nickel in einer Menge von etwa 10£ oder mehr enthält. Irgendein entsprechendes Metall, das Nickel in einer Menge von 10$ oder mehr enthält, kann jedoch gemäss der Erfindung vorteilhaft verwendet werden. Nachdem die Batteriezelle 10a vollständig zusammengesetzt worden ist, wird eine Kontakt- oder Deckelplatte 33 oberhalb der Kathode 13a angeordnet und kommt im mittleren Teil 33a mit derselben in Kontakt, wie in Figur 3 gezeigt ist. Die Deckelplatte 33 wird durch Verwendung eines Epoxyharzes oder eines anderen Klebstoffs 32 in ihrer Stellung befestigt.

Die besondere Formgebung des Gehäuses 20 ist in Figur 4 gezeigt. Das dargestellte Gehäuse 1st ein im wesentlichen rechteckiger Teil, in welchem die Bohrungen 21 und 22 im wesentlichen in der Mitte ausgebildet sind. Zwei Ecken sind abgeflacht, wie bei 36 und 37 gezeigt ist. Die Ausnehmung 24 geht durch die Abflachung 37 in das Innere des Gehäuses 20 hindurch, um das Kabel 28 aufzunehmen, wie in Figur 3 gezeigt ist. Das Gehäuse 20 der Figuren 2, 3 und 4 kann in eine gummierte Einpflanzungeinheit, wie zum Beispiel einen Schrittmacher, oder in ein Gehäuse aus nichtrostendem Stahl eingekapselt werden, um die Möglichkeit vollständig zu eliminieren, dass Körperfeuchtigkeit durch das Gehäuse hindurchgeht und in das Innere der Batteriezelle gelangt.

In Figur 6 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Batteriezellenkonstruktion gemäss der Erfindung dargestellt. Die Batteriezelle ist allgemein mit ¹JO bezeichnet und ist eine Zelle mit zwei Enden,

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welche eine mittlere Anode 41 aufweist, die vorzugsweise aus Lithium oder einer Lithium-Magnesiumverbindung besteht. Zwei Kathoden 42 und 43 sind an den entgegengesetzten Enden der Batteriezelle 40 angeordnet und von der Anode ¹Il durch entsprechende Ionen leitende Kombinationen 44 und 46 getrennt. Die Ionen leitenden Kombinationen 44 und 46 können den aus drei Schichten bestehenden Anordnungen 14 entsprechen, die in Figur 1 gezeigt sind, Von der Anode 41 erstreckt sich eine gemeinsame Leitung 47, um eine Verbindung mit negativer Polarität der Batterie zu bilden, während die Endkathoden 42 und 43 durch eine Leitung 48 miteinander verbunden sind. Die Leitung 48 kann einfach ein gemeinsames leitendes Metallgehäuse sein, welches die Kathoden miteinander verbindet.

In den Figuren 7, 8, 9 und 10 ist die abgeänderte Ausführungsform der Batteriezellenkonstruktion genauer dargestellt. Eine Auskleidung 50 ist aus keramischem Material, aus Glasfasern oder einem anderen Isoliermaterial geformt. Die Auskleidung 50 weist eine Bohrung 51 mit einem ersten Durchmesser auf, die im wesentlichen in der Mitte derselben angeordnet ist, sowie zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen 52 und 53 grösseren Durchmessers, welche daher Schultern 54 und 55 bilden. Die Schultern 54 und 55 haben die gleiche Aufgabe wie die Schulter 23 der Figur 2. Eine Ausnehmung 56 geht durch die Auskleidung 50 hindurch und dient zur Aufnahme eines Leitungsdrahtes 47a, welcher die negative Klemmenverbindung mit der Batteriezelle bildet.

Die Auskleidung 50 ist innerhalb einer äusseren Hülse 57 aus nichtrostendem Stahl angeordnet, welche das Gehäuse bildet und die Batterie für die Einpflanzung in einen menschlichen Körper vollständig feuchtigkeitssicher macht. Die Hülse 57 ist mit Endflanschen 58 und 59 versehen, welch e sich in radialer Richtung nach aussen erstrecken, um die entsprechenden Kanten von Endplatten 62 und 63 aufzunehmen, mit denen sie längs ihres Umfanges bei 60 und 6l verschweisst sind, wie in Figur 8 gezeigt ist. Die Endplatten 62 und 63 sind mit Blattfedern 64 beziehungsweise 65 versehen, welche inneren Druck erzeugen, um ä einen guten elektrischen Kontakt der Bestandteile innerhalb der Batteriezelle 40 a aufrechtzuerhalten.

Innere Kontaktplatten 66 beziehungsweise 67 stehen mit den Druck-

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federn 64,65 in Eingriff und ein entsprechendes Paar elastisch angeordneter Zungen 68 und 69 ist mit ihren betreffenden Kontakten durch Punktschweissung leitend verbunden. In Pigur 10 ist beispielsweise die Kontaktplatte 6&genauer dargestellt, von welcher sich die elastisch angeordnete Zunge 68 nach aussen erstreckt und an der Kontaktplatte bei 70 durch Punktschweissung befestigt ist. Die Zunge 68 ist mit ersten und zweiten Biegungen 68 a und 68b versehen, Die Biegungen 68a und 68b ermöglichen der Zunge 68, sich längs des Umfanges der Kontaktplatte 66 elastisch nach innen und aussen zu bewegen. Wenn daher die Zunge 68 zwischen dem Plansch 58 der Hülse 57 und der Endplatte 62 angeordnet ist, wird dieselbe während des Schweissvorganges längs des Umfanges nicht versehentlich abgebrochen.

Eine abdichtende Hülse 71 ist über einer in der Hülse 57 ausgebildeten Ausnehmung 72 angeschweisst oder angelötet, so dass der Leitungsdraht 47a durch dieselbe hindurchgehen und in derselben durch Glas oder dergleichen abgedichtet werden kann. Die Druckfedern 64 und 65 der betreffenden Endplatten 62 und 63 drücken die Kontaktplatten 66 und 67 in festen Eingriff mit den inneren Bestandteilen der Batterie.

Bei der in den Figuren 7 und 8 dargestellten Ausführungsform stehen die Kontaktplatten 66 und 67 mit Faserschichten 73 und 74 aus nichtrostendem Stahl in Eingriff, welche ihrerseits oberhalb der betreffenden Ionen leitenden Kombinationen 44a beziehungswe'deise 46a angeordnet sind.Die Fasern aus nichtrostendem Stahl sehen eine Vielzahl von elektrischen Kontaktpunkten vor für die gute Verbindung zwischen der Kontaktplatte und der Ionenschicht.

Die Batteriezelle gemäss Pigur 7 enthält ein Paar Schichten 76 und 77, welche durch eine aus einem organischen Polymer und Jod bestehende Komplexverbindung gebildet werden und welche mit entsprechenden Schichten 78 und 79 der Anode 4la in direktem Kontakt stehen. Ein Sieb 80 aus nichtrostendem Stahl ist zwischen den Lithium Schichten 78 und 79 angeordnet, um guten elektrischen Kontak mit denselben zu erhalten. Die Lithiumschichten werden fest zusammen-

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gepresst, um sich Im wesentlichen der inneren Formgebung des Siebes anzupassen, so dass ein maximaler Bereich für den elektrischen Kontakt freigelegt wird.

Ein Paar dünner Abschirmschichten 81 und 82 befindet sich in Kontakt mit den Schichten 76 beziehungsweise 77 und dieselben sind im wesentlichen in der gleichen Weise geformt wie die Abschirmschicht 17a der Figur 2. Ebenso sind Speichersiiichten 83 und 8*4 angrenzend an die Abschirmschichten 81 beziehungsweise 82 angeordnet, gegen welche die Faserschichten 73 und 7¹* aus nichtrostendem Stahl durch die federbelastet et en Kontaktplatten 66 und 67 angedrückt werden. Die in dien Figuren 7 und 8 gezeigte Batteriestruktur ist der in den Figuren 2 und 3 gezeigten etwas ähnlich. Der Unterschied besteht darin, dass die doppelte Kapazität der Batteriezelle erzielt wird, da beide Seiten der Anode 4l a einer Schicht ausgesetzt sind, die durch eine aus einem organischen Polymer und Jod bestehende Koraplexverbindung gebildet wird.

Das Riyvinylpyridin, das zur Bildung der Schichten 16a, 76 und 77 verwendet wird, besteht aus ionischen Harzen, welche durch den Teil Nummer PP-2OOO bezeichnet sind und von der Firma Ionac Chemical Company erhalten werden, die eine Abteilung der Firma Ritter Pfaudier Corporation, Buckingham, New Jersey ist. Auch das ionische Salz, das in der Glasfaser-Abschirmschicht gemischt mit Rubldum und Cäsium verwendet wird, ist ein ionisches Harz, das durch den Teil Nr. PP-2025 bezeichnet ist und von der gleichen Firma erhalten wird. Während diese besonderen Polyvinylpyridinverbindungen in der dargestellten Ausführungsform sehr gut arbeiten, werden selbstverständlich Polyvinylpyridine von anderen Lieferanten in der gleichen Weise arbeiten. Die natürlichen Elemente, wie zum Beispiel Jod, Rubidium, Cäsium und so weiter, können auf irgendeine entsprechende Weise erhalten werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Dr.-tng. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENFELD, Patentanwälte, Köln -ill- Anlag« Aktenzeichen »τ Eingab« vom 23. Februar 1973 my// Named. Anm. WILSON GRE ATBATCH LTD. W 75/4 PATENTANSPRÜCHE

1. Batteriezelle, gekennzeichnet durch ekie Anode, welche aus einer der Verbindungen geformt 1st, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Lithium, Lithium und Magnesium, Lithium und Kalzium oder Lithium, Magnesium und Kalzium enthält, durch eine Kathode aus leitendem Metall und durch eine ionisch leitende Schicht zwischen der Anode und der Kathode, wobei die ionisch leitende Schicht aus einer oder mehreren Verbindungen geformt 1st, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Rubidium-Jodld, Cäsiumjodid, TetramethylammonlumJodld und Mischungen von Jod und organischen Verbindungen, wie zum Beispiel Pyren oder PoIyvinylpyren, oder Ionenaustauschharze, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin enthält.

2. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus einem Metall geformt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche nicht rostenden Stahl, nicht rostenden Stahl und eine Nickelverbindung, sowie Nickel^, Titanium, Gold, Molybdän oder Gold und eine Molybdänverbindung enthält.

3. Batteriezelle nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet , dass die Kathode aus Nickel oder einer Nickellegierung geformt ist, welche mindestens 10£ Nickel enthält.

Ί. Batteriezelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abschirrasiiicht zwischen der Kathode und der ionisch leitenden Schicht, wobei die Abschirmschicht aus einer Verbindung von Polyvinylpyridin und einem Salz geformt ist, wie zum Beispiel Rubldiumjodid, Cäsiumjodid oder Tetramethylammonlumjodid.

5. Batteriezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Polyvinylpyridin einen Gewichtsteil und

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-15-Jod 5-15 Gewichtstelle ausmacht.

6. Batteriezelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abschirmschicht zwischen der Kathode und der iiibnisch leitenden Schicht, wobei die Abs chirms chicht aus einer Verbindung von Pilyvinylpyridin und Rubidiumjodid geformt ist, sowie durch eine Speicherschicht zwischen der Kathode und der Abschirmschicht, wobei die Speicherschicht aus einer Mischung oder Verbindung von Jod und Kohlenstoff besteht, welche zwei oder mehr dewichtsteile Jod und einen Gewichtsteil Kohlenstoff enthält.

7. Batteriezelle nach Anspruch 5> dadurch gekennz ei ch η e t, dass alle Schichten in einem Gehäuse eingeschlossen sind, das aus einem aus Glasfasern und Polyester gebildeten Schichtstoff besteht, dass die Kathode eine biegsame Deckschicht für das Gehäuse a und auch einen elektrischen Kontakt für die Batteriezelle bildet, sowie dass sich eine elektrische Leitung durch das Gehäuse und in elektrischem Kontakt mit dem Lithium erstreckt, um den anderen elektrischen Kontakt für die Batteriezelle zu bilden.

8. Batteriezellenkonstruktion, ge kennzeichnet durch ein Gehäuse, durch eine Lithiumschicht, welche eine Anode der Batteriezelle bildet, durch ein Metallsieb, welches unter Druck mit der Lithiumschicht in Eingriff steht, durch einen Leiter, der mit dem Metallsieb verbunden ist, um eine Anodenverbindung zu formen , und durch eine Kathodenelektrode in dem Gehäuse, welche mit der Lithiumschicht zusammenwirkt, um die Batteriezelle zu formen.

9. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsieb aus Nickel besteht und dass der Leiter ein Leitungsdraht ist, dessen eines Ende mit dem Nickelsieb verschwelest 1st.

10. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 8, geke η η zeichnet durch eine zweite Lithiumschicht, welche das

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Metallsieb überdeckt, wobei das Metallsieb zwischen der ersten und zweiten Lithiumschicht zusammengepresst ist.

11. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsieb aus Nickel besteht undflass der Leiter ein Leitungsdraht ist, dessen eines Ende mit dem Nickelsieb verschwelest ist.

12. Batteriezellenkonstruktion, gekennzeichnet durch ein Gehäuse aus nicht leitendem Material, wobei das Gehäuse eine erste Bohrung mit einem gegebenen Durchmesser aufweist, welche sich teilweise durch das Gehäuse erstreckt, sowie eine aeite Bohrung mit einem grösseren Durchmesser* als die erste Bohrung, die sich vom oberen Ende des Gehäuses erstreckt und in der Mitte des Gehäuses endet, dass die erste Bohrung und die aeite Bohrung innerhalb des Gehäuses eine ringförmige Schulter bilden, dass eine Lithiumanode innerhalb der ersten Bohrung angeordnet ist, dass eine erste Schicht oberhalb der Lithiumanode angeordnet ist, wobei die erste Schicht aus einer Mischung von Polyvinylpyridin und Jod geformt ist, dass eine zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Schicht aus einer Mischung von Kohlenstoff und Jod geformt ist, dass eine Kathodenelektrode oberhalb der zweiten Schicht angeordnet ist, um einen elektrischen Kontakt für die Kathode oberhalb der zweiten Bohrung zu bilden, und dass eine elektrische Leitung sich durch das Gehäuse erstreckt und mit der Lithiumanode verbunden ist, um den elektrishen Kontakt für die Anode zu bilden.

13. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumanode aus einer ersten Lithiumscheibe besteht, welche unmittelbar angrenzend an die Endwand des Gehäuses angeordnet ist, wobei die erste Scheibe eine vorherbestimmte Dicke aufweist, dass eine zweite Lithiumscheibe oberhalb der ersten Scheibe angeordnet ist, wobei die zweite Scheibe eine grössere E Dicke als die erste Scheibe aufweist, dass ein Nickelsieb zwischen der ersten und zweiten Lithiumscheibe angeordnet ist, sowie dass die elektrische Leitung, welche sich durch das Gehäuse erstreckt, mit dem Nickelsieb verbunden 1st.

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14. Batterlezellenkonetruktlon nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Film, der zwischen den ersten und zweiten Schichten angeordnet 1st und der aus einer Olasfasermembran besteht, welche mit Ionenaustauschharzen Imprägniert 1st, wie zum Beispiel Polyvinylpyridin, dem Rubldiumjodid, Cäsium,} odid, Tetramethylammoniumjodld oder eine Mischung derselben zugesetzt ist.

15. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Rubidium,) odid und Cäsium j odid in gleichen Teilen vorhanden sind.

16. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode aus einer Scheibe aus nichtrostendem Stahl oder Nickel besteht, welche oberhalb der zweiten Schicht angeordnet und innerhalb der zweiten Bohrung durch Epoxyharz befestigt ist, sowie dass einefoiegsame Deckelscheibe oberhalb der Scheibe aus nichtrostendem Stahl undin Kontakt mit derselben angeordnet ist, um die Kathodenelektrode für die Batteriezelle zu erhalten.

17. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einer Mischung von Elyvinylpyridin und Jod sowie einer der Verbindungen geformt ist, die aus der Qruppe ausgewählt sind, welche Rubidkimjodid, Cäsiumjodid und Tetramethylammoniumjodid enthält.

18. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht aus einer Mischung von zwei oder mehr Teilen Jod und einem Teil Kohlenstoff geformt ist.

19. Batteriezellenkonstruktion nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenelektrode aus einer Faserschicht aus nichtrostendem Stahl oberhalb der zweiten Schicht und aus einer Metallscheibe besteht, die mit der Faserschicht aus nichtrostendem Stahl In Kontakt steht, wordurch die elektrische Leitfähigkeit zwischen der zweiten Schicht und der Kathodenelektrode «dessert wird.

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20. Batterlezellenkonstruktlon nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kathodenelektrode aus einer Faserschicht aus nichtrostendem Stahl besteht, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Kathodenelektrode und der zweiten Schicht herzustellen,

21. Batterlezellenkonstruktlon nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die erste Schicht aus einer Mischung von Polyvinyl pyridin oder Polyvlnylpyren und Jod geformt 1st, sowie dass eine Mischung oder Verbindung eines Polymersund Jod erzeugt wird, Indem dasjf Polymer und Jod bei einer erhöhten Temperatur von mehr als 100°C zur Reaktion gebracht werden.

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