DE2411568A1 - Elektrochemisches energieversorgungsgeraet - Google Patents

Description

Dipl. Phys. Dr. rer. nat. Wolfgang Kempe

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D-68OO Mannheim ο β,

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8. März 1974 Mc

P.R. MALLORY & CO. INC· 3029 East Washington Street Indianapolis, Indiana 46206 USA

"Elektrochemisches Energieversorgungsgerät"

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrochemisches Energieversorgungsgerät mit einem vorzugsweise aus Metall bestehenden. Behälter und aktiven Komponenten im Behälter, die eine Zelle oder Batterie mit einem Anoden- und einem Kathodenanschluß bilden. Derartige Geräte werden als Gleichstromquellen

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verwendet. Die Erfindung ist besonders interessant für Festelektrolytzellen.

Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen eine elektrische Zelle oder eine Batterie als Kombination mehrerer Zellen als Energiequelle verwendet wird, von der die Energie diskontinuierlich, also beispielsweise periodisch oder in Form von Impulsen entnommen wird. In vielen derartigen Anwendungsfällen enthält die Schaltung, die von der Batterie gespeist wird, einen Eingangskondensator am Eingang der Schaltung. In .diesen Fällta besitzt die elektrische Zelle oder Batterie häufig relativ kleine Abmessungen und damit auch eine geringe Kapazität und Komponenten mit entsprechend kleinen Abmessungen, die aus gepresstem, pulverisierten Werkstoffen bestehen.

Ein Schaltvorgang innerhalb der Schaltung hat meist die Charakteristik einer Stoßbeanspruchung der Batterie bei voller Batteriespannung, was insbesondere bei Zellen nachteilig sein kann, deren Komponenten relativ kleine Abmessungen aufweisen und aus pulverisierten Materialien bestehen, die unter Umständen nicht fest untereinander verbunden sind.

Üblicherweise werden derartige Komponenten hochporös gemacht, um eine größere stromführende Oberfläche zu erhalten und die Bindung der einzelnen Pulverpartikel untereinander kann deshalb an gewissen willkürlich verteilten Punkten schwach sein, so daß derartige Komponenten empfindlich gegen Beanspruchung durch plötzlich angelegte Spannungssprünge sind, wie sie mit der vollen Zellenspannung beim direkten Schließen von Schaltkreisen auftreten.

Es ist wünschenswert, die Zellen gegen mögliche nachteilige

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Auswirkungen durch Belastungen "bei derartigen Schaltvorgängen, insbesondere der dabei auftretenden Stomstöße und Spannungsspitzen zu schützen, so daß sie leistungsfähiger und wirksamer in ihrem Einsatz sind.

In der konventionellen Schaltungstechnik besitzt die Schaltverbindung zwischen einer Zelle oder Batterie als Energiequelle und einem Kondensator als Eingang des Schaltkreises einen gewissen Widerstand oder eine Impedanz. Der Eingangskondensator kann deshalb die Zerstörung der Zelle oder Batterie beim Aufschalten einer plötzlichen Stromnachfrage nicht wirkungsvoll verhindern. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine Zelle oder Batterie zu entwickeln, die von sich aus gegen Zerstörung aufgrund derartiger plötzlicher Belastungen geschützt ist.

Diese Aufgabe wird.bei einem elektrochemischen Energieversorgungsgerät der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein innerhalb des Behälters angeordneter Kondensator mit einem seiner beiden Anschlüsse direkt an dem Anodenanschluß und mit seinem anderen Anschluß direkt an dem Kathodenanschluß liegt.

Der Kondensator wirkt als Puffer, der direkt und eng an die Zelle oder Batterie angeschlossen ist, so daß der dazwischen liegende Widerstand minimal ist und hierdurch die Beanspruchung der Zelle oder Batterie wesentlich reduziert oder gar eliminiert wird. Der Kondensator fängt den ersten Strombelastungsstoß ab und reduziert somit die Spannungsspitze, die bei derartigen Stoßbeanspruchungen an der Zelle oder Batterie auftritt. Wenn der Kondensator das erste mal mit der Zelle verbunden wird,lädt die Zelle den Kondensator auf die volle

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Zellenspannung auf und hält die Spannung während der gesamten Betriebszeit. Jegliche Energienachfrage durch den angeschlossenen Schaltkreis, beispielsweise durch einen Einschaltvorgang, mindert deshalb die Stoßbeanspruchung der kombinierten Zelle-Kondensator-Einheit, die eine derartige Stoßbeanspruchung besser überstehen kann als die Zelle allein, da der Kondensator zuerst die volle Energieabgabe übernimmt und dann die Spannung der angeforderten Energie schrittweise absinkt gemäß der Zeitkonstante des angeschlossenen Schaltkreises. Die Spannungsbelastung an der Zelle besteht deshalb nicht aus einem plötzlichen Sparmungssprung, sondern sie ändert sich entsprechend der Abnahme der Kondensatorspannung, die wiederum von der o.g. Zeitkonstante abhängt. Somit steigt die Spannungsbelastung an der- Zelle langsam von null an.

Der eng angekuppelte Kondensator dient deshalb als Puffer für die Zelle oder Batterie, wenn der äußere Schaltkreis geöffnet oder geschlossen wird. Der Kondensator ist derart innerhalb des Behälters angeordnet, daß die Koppelung zwischen dem Kondensator und der Zelle oder Batterie eng und der Widerstand zwischen ihnen minimal und dia Pufferungswirkung des Kondensators maximal ist.

Der Widerstand zwischen der Zelle oder Batterie und dem Kondensator führt nicht nur zu einem Energieverlust, sondern verursacht auch einen Spannungsabfall, der die Belastung der Zelle erhöht und die Pufferwirkung des Kondensators mindert.

In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen schließt die Bezugnahme auf eine Zelle auch eine Batterie ein, wenn nicht eine spezielle Beschränkung vermerkt ist. Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der

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Zellenbehälter gleichzeitig als Schutzhülle für den Kondensator dient, so daß die Verwendung einer gesonderten Schutzhülle für den Kondensator unnötig wird. Das führt zu einem besonders kompakten kleinen Energieversorgungsgerät.

Üblicherweise dient der metallische Behälter der elektrischen Zelle als einer der beiden Polanschlüsse der Zelle. Alternativ können jedoch auch beide Polanschlüsse herausgeführt werden. In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Behälter eine Zwischenwand aufweist, die das Innere des Behälters in einen Raum für die Zelle oder Batterie und einen Raum für den Kondensator teilt. Nach weiteren Vorschlägen der Erfindung ist die Zwischenwand als Absperrwand und Widerlager ausgebildet, um die Zelle unter Druck halten zu können. Zwischen der Batterie und der Zwischenwand ist dann zweckmäßigerweise ein druckelastisches Element vorgesehen.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Erfindung jeweils lediglich an einer einzelnen Zelle demonstriert. Bei einer aus mehreren Zellen bestehenden Batterie ist der Kondensator in dem gemeinsamen Gehäuse der Batterie angeordnet. Unterschiede im Aufbau der Zelle und in ihren äußeren Abmessungen können selbstverständlich gemacht werden, um mit den konventionellen Zellen oder Batterien übereinzustimmen, einschließlich solcher Formen, bei denen die Polanschlüsse axial an entgegengesetzten Enden angebracht sind oder die der vielverwendeten Knopfform entsprechen. Bei der Gestaltung der Batterie wird man sich vordringlich immer den räumlichen Bedingungen des

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Verwendungszweckes anpassen.

Es zeigen:

Fig. 1 Einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungsgerät ;

Fig. 2 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Energieversorgungsgeräte s;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Spannungsverlaufes an einem erfindungsgemäßen Energieversorgungsgerät "bei Belastung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Tantal-Festelektrolytkondensator und

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines in das erfindungsgemäße Gerät einsetzbaren Kondensators.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 weist eine elektrische Zelle 12 auf, die mit einem Elektrolytkondensator 14 in einem gemeinsamen Metallgehäuse 16 angeordnet ist. Die innere Wand des Behälters 16 besitzt einen Überzug 40 aus isolierendem Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff. Dadurch sind sowohl die Zelle 12 als auch der Kondensator 14 vom Behälter 16 isoliert. Die Verbindungen zwischen der Zelle 16 und dem Kondensator 14 werden durch elektrische Leiter 26,28,36 und 38 hergestellt, von denen die beiden ersteren die Außenanschlüsse bilden. Selbstverständlich kann auch auf den isolierenden Überzug 40 verzichtet werden; dann bildet das metallische Gehäuse 16 den einen Außenanschluß des Gerätes an Stelle eines der beiden Außenanschlüsse 26 oder 28. Der Kondensator 14 ist vorzugsweise ein Festkörperkondensator konventioneller Bauart.

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Das metallische Gehäuse 16 hat die Form eines oben offenen zylindrischen Bechers. Nach Einsetzen der Komponenten der Zelle 12 und des Kondensators 14 wird das Gehäuse 16 durch eine Metallscheibe 18 hermetisch abgeschlossen, indem die Scheibe entlang ihres Randes mit dem Gehäuse verschweißt oder verlötet wird=

Die Metallscheibe 18 weist zwei röhrchenförmige Glasisolatoren 20-1 und 20-2 auf, die an ihrem äußeren Umfang dicht mit der Metallscheibe verbunden sind und die beide einen zentralen, axialen Durchgang 22-1 bzw. 22-2 besitzen,in denen ^e ein hermetisch mit dem Glasisolator abgedichtetes Metallröhrchen 24-1 bzw. 24-2 sitzt. Die beiden Metallröhrchen 24-1 vmä. 24-2 dienen als Durchführungen für zwei Elektrodendrähte 26 bzw. 28 ₉ deren nach außen weisendes Endstück die Außenanschlüsse des Gerätes bilden und deren nach innen weisende Endstücke zum Anschluß der Zelle 12 und des Kondensators 14 dienen. Die beiden Anschlußdrähte 26 und 28 sind an den ursprünglich offenen Endstücken der Metallröhrchen 24-1 und 24-2 durch kleine Lötbatzen 30-1 bzw. 30-2 abgedichtet.

Der Innenraum des Gehäuses 16 kann vor dem Verlöten der Metallröhrchen 24-1 und 24-2 evakuiert werden. In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit zwei herausgeführten Außenanschlüssen besitzt das erfindungsgemäße Energieversorgungsgerät eine größere Flexibilität in Bezug auf seinen Anschluß an einen externen Schaltkreis. Natürlich kann das metallische Gehäuse 16 zusätzlich auf das Potantial eines der Anschlüsse des Gerätes gelegt werden.

Die Zelle 12 besteht aus einer Kathode 12-1, einer Anode 12-2, einem Abstandshalter 12-3 zwischen der Anode und der Kathode

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und einem Elektrolyten 12-4, der die Hohlräume in dem Abstandshalter ausfüllt. Um die Anode 12-2 gegenüber dem Metallgehäuse 16 zu isolieren, die im Ausführungsbeispiel Kathodenpotential besitzt, umgibt ein geeigneter Isolator, in der Zeichnung schematisch als Isolationsring 12-5 dargestellt, die Anode.

Um eine Trennung zwischen dem Bereich der Zelle 12 und dem für den Kondensator 14 vorgesehenen Raum in dem Gehäuse 16 zu ermöglichen, ist eine Trennwand 34 vorgesehen, die einerseits als Isolierwand und andererseits als Widerlager für eine Druckfeder 35 dient, die die Komponenten der Zelle komprimiert.

Da das Gehäuse 16 gleichzeitig als Schutzhülle für den Kondensator 14 dient, kann die sonst übliche Hülle oder das Gehäuse für den Kondensator weggelassen werden oder eine billigere Hülle verwendet werden.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Kathode 12-1 gegenüber dem Metallgehäuse 16 durch den Überzug 40 isoliert« In denjenigen Fällen,in denen das metallische Gehäuse 16 auf Kathodenpotential gelegt werden kann, kann selbstverständlich auf die gesonderte Kathodenplatte 12-1 verzichtet werden, da dann der Boden des Gehäuses die Kathode bildet. Im ersteren, hier dargestellten Fall wird ein Sammelleiter 38 geeigneterweise an die Kathode 12-1 angelötet, durch den Isolierring 12-5 und die Trennwand 34 geführträn einem der beiden Anschlußdrähte des Kondensators mit dem nach außen führenden Anschlußdraht 28 des erfindungsgemäßen Gerätes verbunden. In der gleichen Weise wird ein Sammelleiter 36 an die Anode 12-2 angelötet, durch die Trennwand 34 geführt

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und zusammen mit dem anderen Anschlußdraht des Kondensators 14 an dem anderen, nach außen führenden Anschlußdraht 26 des Gerätes angelötet.

Bei einer aus mehreren Zellen aufgebauten Batterie kann das Gehäuse ebenfalls als einer der beiden Batterieanschlüsse benutzt werden. Im allgemeinen wird dann jedoch ein Gehäuse aus einem nichtmetallischen Werkstoff verwendet, aus dem die Anschlüsse für die" Batterie einzeln und isoliert gegeneinander herausgeführt werden.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, liegt der Kondensator 14 mit seinen Anschlüssen beständig an den Anschlüssen der Zelle oder, falls mehrere Zellen zu einer Batterie zusammengefaßt sind, der Batterie, so daß die Außenanschlüsse 26 und 28 die Verbindiang der Kombination Zelle öder Batterie plus Kondensator an einen externen Schaltkreis darstellen.

Wird ein externer Schaltkreis an die Anschlüsse 26 und 28 des erfindungsgemäßen Gerätes angeschlossen, so versorgt zuerst der Kondensator 14 den externen Schaltkreis mit Energie und infolgedessen fällt die Spannung an dem Kondensator entsprechend ab. Daraufhin lädtdie Batterie 12 den Kondensator 14 wie ein Energiereservoir wieder auf die volle Batteriespannung auf. Fig. 3 zeigt schematisch und in übertriebener Form, wie sich die Kondensatorspannung ändert. Die obere horizontale Linie 50 stellt die volle Batteriespannung ohne angeschlossene Belastung dar. Sie ist demgemäß auch die volle Kondensatorspannung ohne angeschlossene Belastung. Beim Anschluß des externen Schaltkreises zum Zeitpunkt null fällt die Kondensatorspannung 54 entlang der Kurve 52 ab, deren Verlauf durch die Z"eitkonstante des an-

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geschlossenen externen Schaltkreises bestimmt ist. Die Kondensatorspannung 54 fällt nur über einen kurzen Abschnitt der Kurve 52 ab; sobald die Batterie 12 nämlich beginnt, den Kondensator 14 wieder aufzuladen, erreicht die Spannung am Kondensator alsbald die Batteriespannung 50. Der Kondensator 14 dient somit als Puffer, der die erste Stoßbeanspruchung bei einer Energieentnahme durch einen externen Schaltkreis auffängt.

Der Vorteil dieser Anordnung liegt also darin, daß - abgesehen von der ersten Aufladung des Kondensators 14 beim Zusammenbau der Batterie 12 - die Batterie nie mit der gesamten Spannung, die der externe Schaltkreis benötigt, belastet wird, sondern lediglich mit der Differenz der Kondensatorspannung und der Zellenspannung. Diese Differenz ist aber stets wesentlich geringer als diejenige Spannung, die von der Batterie gefordert würde, wenn diese ohne dazwischengeschalteten Kondensator direkt mit dem externen Schaltkreis verbunden wäre. Der eingebaute Kondensator 14 verringert also die Beanspruchung der Batterie und ermöglicht häufigere Belastungen.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines konventionellen Tantal-Elektrolytkondensators, bei welchem eine Mischung aus gesinterten Anoden-Pulver und Mangandioxyd einen inneren Körper 62 bildet, der mit einer Graphitschicht und einer äußeren Metallhülle 64 bedeckt ist. Eine Anodenanschlußleitung 66 erstreckt sich in den inneren Körper 62; er ist selbstverständlich gegenüber der Metallhülse 64 isoliert. Ein äußerer Ketallbecher 68 bildet die Kathode. An seinem Boden ist ein Kathodenanschlußdraht 70 angelötet, während seine obere Öffnung durch einen Deckel 72 verschlossen ist,

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der gleichzeitig als isolierende Halterung für den Anodenanschlußdraht 66 dient.

Bei der Verwendung dieses Kondensators gemäß Fig. 4 in einem erfindungsgemäßen Energieversorgungsgerät kann auf den Metallbecher 68 und den Abschlußdeckel 72 verzichtet werden, da der Behälter 16 gleichzeitig als Schutzbehälter für den Kondensator und die Zelle oder Batterie dient.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Festelektrolytkondensators, bei der ein kugelförmiger Tantalkopf 82, der mit mehreren übereinanderliegenden Schichten überzogen ist. Im einzelnen handelt es sich bei diesen Schichten um eine gesinterte Tantalpulverschicht 84, eine Kunststoffschicht 86, einen Überzug 88 aus Mangandioxyd, einen Graphitüberzug 90, einen Silberüberzug 92 und eine Lotschicht 94, an die ein AuBenanschluß angelötet werden kann.

Form und Anwendung des erfindungsgemäßen Energieversorgungsgerätes mögen unterschiedlich ausgeführt sein, ohne daß dadurch jedoch von dem in der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden allgemeinen Gedanken abgewichen wird.

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Claims (1)

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   Ansprüche ,

   1. Elektrochemisches Energieversorgungsgerät mit einem vorzugsweise aus Metall bestehenden Behälter und aktiven Komponenten im Behälter, die eine Zelle oder Batterie mit einem Anoden- und einem Kathodenanschluß bilden, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerhalb des Behälters (16) angeordneter Kondensator (14) mit einem seiner beiden Anschlüsse direkt an dem Anodenanschluß (26) und mit seinem anderen Anschluß direkt an dem Kathodenanschluß (28) liegt.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) eine Zwischenwand (34) aufweist, die das Innere des Behälters in einen Raum für die Zelle oder Batterie (12) und einen Raum für den Kondensator (14) teilt.

   3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (34) als Absperrwand und Widerlager ausgebildet ist, um die Zelle oder Batterie (12) unter Druck zu halten.

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   4. Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Batterie (12) und der Zwischenwand (34) ein druckelastisches Element (35) vorgesehen ist.

   5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12-2) als flache Scheibe ausgebildet ist und durch einen Ring (12-5) aus Isolierwerkstoff vom Behälter (16) isoliert ist.

   6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Behälters (16) evakuiert ist.

   7. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (16) durch einen Deckel (18) hermetisch abgeschlossen ist, der isoliert angeordnete Außenanschlüsse (26,28) aufweist, die mit den Anschlüssen der Zelle oder Batterie (12) und des Kondensators (14) verbunden sind.

   &.i Gerät nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß durch den Deckel (18) Isolatorröhrchen (24-1,24-2) geführt : sind, durch die die Außenanschlüsse (26,28) geführt sind und die an ihren äußeren Enden (30-1,30-2) abgedichtet

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   9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Behälter (16) eine der Elektroden der Zelle oder Batterie (12) bildet land daß der Kondensator (14) an die andere Elektrode und den Behälter angeschlossen ist.

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