DE2620466B2

DE2620466B2 - Entgasungsvorrichtung für Batterien und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE2620466B2
Application number: DE2620466A
Authority: DE
Inventors: Arthur Yonkers N.Y. Fitchman; Terry Doug Cleveland Tenn. Wyatt
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-08
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DK207676A; NL7604267A; AR217053A1; SE7605352L; FR2311413A1; DE2620466C3; DK142187C; ES461443A1; US4008354A; AU502199B2; DE2620466A1; SE422512B; JPS51140133A; CH600582A5; AU1294776A; ZA762444B; IL49281A0; DK142187B; GB1525417A; IL49281A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entgasungsvorrichtung für Batterien, insbesondere alkalische Batterien, Kondensatoren oder dergleichen, die eine Entgasungsöffnung mit einem herauspreßbaren Verschluß in einem Bauteil aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung einer Entgasungsvorrichtung.

Derartige Entgasungsvorrichtungen werden vorzugsweise in Batterien benötigt Wenn derartige Batterien unvorschriftsmäßig benutzt werden oder extremen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise -*o durch einen elektrischen Kurzschluß der Elektroden, überladen, zu starkes Entladen, Überhitzen und dergleichen, entwickelt sich ein ungewöhnlich hoher innerer Gasdruck, der ein Zerbrechen des Gehäuses der einzelnen Zellen, aus denen die Batterie aufgebaut ist,: « zur Folge haben kann, wenn der Druck genügend hoch ist. Die Zellen sind deshalb mit einer druckempfindlichen Vorrichtung versehen, die derartige ungewöhnlich hohen Drücke ablassen kann.

Es sind zwei unterschiedliche Typen von Entgasungs- so vorrichtungen bekannt. Zum ersten Typ, bei dem der Verschluß der Entgasungsvorrichtung aus einer Membran mit einer Sollbruchstelle besteht, wird beispielhaft auf die GB-PS 9 70 571 verwiesen. Beim Auftreten eines inneren Überdruckes im Batteriegehäuse nach dieser Vorveröffentlichung bricht die Membran an der Sollbruchstelle und wird wie ein Klappdeckel nach außen weggeschwenkt. Die Entgasungsvorrichtung ist damit zerstört.

Ein zweiter Typ einer Entgasungsvorrichtung ist beispielsweise aus der US-PS 35 64 878 bekannt. Diese Entgasungsvorrichtung weist einen elastisch verformbaren Verschlußkörper auf, der beim Auftreten eines inneren Überdruckes im Batteriegehäuse aus der Entgasungsvorrichtung herausgedrückt und dabei verformt wird, von einer die Entgasungsvorrichtung überdeckenden Kappe aber als flachgedrückter Ball aufgenommen wird.

Beide bekannten Typen von Entgasungsverrichtungen besitzen jedoch eine schlecht einstellbare Ansprechgenauigkeit und eine unzulängliche Abdichtung, wenn sie in kleinen, billigen Zellen eingesetzt werden sollen. Bei den Membranen mit Sollbruchstelle wird beispielsweise der Ansprechdruck nicht durch die stabilen elastischen Eigenschaften des Membranwerkstoffes bestimmt sondern durch ihr plastisches Deformationsverhalten, das sich in weiten Grenzen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der mechanischen und thermischen Vorgeschichte des Werkstoffes unterscheidet Ein derartiger Verschluß eignet sich also dann nicht wenn ein präzise vorgebbarer Zerreißdruck gefordert wird.

Der Nachteil des zweiten Typs von Entgasungsvorrichtungen besteht darin, daß der elastisch deformierbare Körper die Entgasungsöffnung nach dem Ablassen des Überdruckes wieder verschließt Ein reproduzierbarer Ansprechdruck ist hier überhaupt nicht zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine in der Herstellung billige Entgasungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu entwickeln, die Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit d. h. Genauigkeit in der Einstellung des Ansprechdruckes, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität im Einsatz verbindet, ohne den normalen Betrieb des elektrischen Gerätes zu stören. Bei der zuverlässigen Einstellung und Einhaltung des Ansprechdruckes sollen die Erfordernisse einer Massenproduktion besonders berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Entgasungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verschluß aus einem heißsiegelfähigen Werkstoff besteht, der die Entgasungsöffnung mindestens auf einem Teil ihrer Länge ausfüllt und auch an der nach innen weisenden Oberfläche des Bauteiles haftet. Wenn im Inneren der elektrischen Batterie ein bestimmter, ungewöhnlich hoher Druck, der Ansprechdruck, erreicht ist, fließt der Werkstoff durch die Entgasungsöffnung in dem Bauteil heraus und der Überdruck im Inneren der Batterie kann durch die Entgasungsöffnung nach außen entweichen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß sich der herauspreßbare Werkstoff in einer flachen Vertiefung im Bauteil befindet. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus Kunststoff, und zwar einem thermoplatischen oder einem duroplastischen Kunststoff oder aus einer Kombination dieser beiden. Es kann aber auch aus Metall, einer Metallegierung oder Keramik hergestellt sein.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung zeichnet sich nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch aus, daß das Bauteil während und/oder vor dem Auftragen des erhitzten herauspreßbaren Werkstoffes auf die Oberfläche des Bauteiles und in die Entgasungsöffnung erwärmt wird. Dadurch wird die Bindung zwischen dem Bauteil und dem Werkstoff wesentlich verbessert Bisher wurden herauspreßbare, in der Hitze schmelzende Klebstoffe ohne Erfolg dazu verwendet eine sichere Verbindung zwischen dem Klebstoff und dem Bauteil herzustellen, da, wenn überhaupt, nur eine geringe Bindung eintrat, die zwar einem erhöhten, nicht aber einem ungewöhnlich hohen Druck zuverlässig standhielt. Unerwarteterweise wurde gefunden, daß eine Erwärmung der Oberfläche des Bauteiles vor Auftragen des herauspreßbaren Werkstoffes zur Bildung einer festklebenden Verbindung führt die erhöhten Drücken

standhält und bei vorbestimmten ungewöhnlich hohen Drücken aufbricht, so daß der Werkstoff durch die Entgasungsöffnung herausgepreßt wird. Ein anderes, aber weniger bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer zuverlässigen Bindung besteht darin, daß der Werkstoff als erhitzte Flüssigkeit mit Hilfe einer Spritzdüse aufgetragen wird, die während des Auftragens dicht an die Oberfläche des Bauteiles gehalten wird, so daß durch den erhitzten Klebstoff genügend Wärme auf die Oberfläche des Bauteiles übertragen m wird, um diese zu erwärmen.

Es versteht sich von selbst, daß der herauspreßbare Werkstoff bei beiden Verfahren auf diejenige Oberfläche des Bauteiles aufgetragen wird, die im eingebauten Zustand in das Innere des elektrischen Gerätes oder der Zelle zeigt Dabei wird zuerst die Entgasungsöffnung zumindest teilweise gefüllt und dann die flache Vertiefung. Der Werkstoff in der flachen Vertiefung wirkt als Verankerung für den Werkstoff in der Entgasungsöffnung und ermöglicht eine genauere Einstellung desjenigen Druckes, der für die öffnung der Entgasungsöffnung erforderlich ist. Vor der weiteren Verwendung der erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung muß der aufgetragene Werkstoff abkühlen und aushärten oder trocknen. 2^r>

Neben anderen Funktionen erleichtert die flache Vertiefung das Auftragen des Werkstoffes auf das Bauteil und in die Entgasungsöffnung.

Der Wert des Ansprechdruckes kann mit einer Toleranz von ca. ± 10% auf mindestens dreierlei Weise eingestellt werden. Er überdeckt dabei einen Bereich von 7 bis 50 kg/cm², der für eine breite Platte von elektrochemischen Zellen benötigt wird.

Der Ansprechdruck kann durch Veränderung des Durchmessers der Entgasungsöffnung eingestellt werden. Ein kleineres Loch würde bei höheren Drücken öffnen als ein größeres Loch, wenn die Menge des verwendeten Werkstoffes die gleiche ist.

Die Einstellung kann auch durch Veränderung der Menge des verwendeten Werkstoffes erfolgen: eine größere Menge Werkstoff würde zu einem höheren Ansprechdruck als eine kleinere Menge führen, wenn der Lochdurchmesser konstant gehalten wird.

Der Ansprechdruck kann auch durch Veränderung der Zusammensetzung des Werkstoffes variiert werden, beispielsweise durch Verwendung von herauspreßbaren, in der Hitze schmelzenden Haftmitteln unterschiedlicher Viskositäten. Hochviskose Werkstoffe führen zu einem höheren Ansprechdruck als niedrigviskose Werkstoffe, falls der Lochdurchmesser und die Menge des verwendeten Materials konstant gehalten werden.

Die Länge der Entgasungsöffnung kann ebenfalls variiert werden, um eine gewisse Steuerung des Ansprechdruckes zu erreichen; aber dies ist insofern nicht so zweckmäßig wie die vorerwähnten Verfahren, weil eine Variation der Dicke des Bauteiles, das die Entgasungsöffnung enthält, die Folge sein müßte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert Es zeigt ω

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung;

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Entgasungsvorrichtung entlang der Linie 2-2 in F i g. 1 und

Fig.3 die Ansicht einer teilweise geschnittenen elektrochemischen Zelle, die eine Entgasungsvorrichtung gem. F i g. 1 und 2 enthält.

Das Ausführungsbeispiel gem. F i g. 1 zeigt eine

erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung 10 mit einer engen Entgasungsöffnung 3 am Umfang einer flachen Vertiefung 4, die in einem Bauteil 5 vorgesehen ist, das als Verschlußdeckel für eine elektrochemische Zelle verwendet wird. Andere Positionen der Entgasungsöffnung 3 in der flachen Vertiefung 4 sind möglich.

F i g. 2 zeigt das Bauteil 5, nachdem ein berauspreßbarer, in der Hitze schmelzender Werkstoff 6 auf die Oberfläche der flachen Vertiefung 4 und in die Entgasungsöffnung 3 aufgetragen worden ist

Wenn im Inneren einer elektrochemischen Zelle ein ungewöhnlich hoher Druck, wie er durch die Pfeile 8 angedeutet ist, entsteht, die durch das Bauteil 5 verschlossen ist, wird der Werkstoff 6 in der Entgasungsöffnung 3 und in der flachen Vertiefung 4 durch den Druck bei einem ganz bestimmten Wert aus der Entgasungsöffnung 3 herausgedrückt, so daß die Entgasungsöffnung geöffnet wird und das im Inneren der Zelle gebildete Gas nach außen entweichen kann, so daß sich Innen- und Außendruck ausgleichen. Der Werkstoff 6 sollte die Entgasungsöffnung 3 im wesentlichen vollständig ausfüllen, damit der Ansprechdruck, bei dem der Werkstoff aus der Entgasungsöffnung 3 herausflieflt genau vorherbestimmt und sicher eingestellt werden kann.

F i g. 3 zeigt eine elektrochemische Zelle 20 mit einem Gehäuse 22, dessen offenes Ende 24 durch die Entgasungsvorrichtung 10 gem. F i g. 1 und 2 verschlossen ist Die Entgasungsvorrichtung 10 ist so in das offene Ende 24 des Gehäuses 22 eingesetzt, daß die flache Vertiefung 4 in das Innere der elektrochemischen Zelle 20 zeigt Wenn der innere Druck in der Zelle 20 einen ungewöhnlich hohen Wert erreicht, wird der Werkstoff 6 durch die Entgasungsöffnung 3 wie bereits beschrieben herausgepreßt, so daß Innen- und Außendruck sich ausgleichen können, ohne daß es zu einer Zerstörung des Gehäuses 22 kommt

Die Zelle 20 weist eine Anode 26 aus einem geeigneten Metalloxyd, eine Kathode 25 aus einem geeigneten, im wesentlichen reinen Metall, einen alkalischen Elektrolyten in einem absorbierenden Stoff 27 und eine Isolierfolie 28 auf. Ein Typ einer alkalischen elektrochemischen Zelle enthält eine Nickeldioxydanode, eine Eisenkathode und einen Elektrolyten aus Kaliumhydroxyd und destilliertem Wasser. Andere Typen sind Nickeldioxyd-Kadmium-Zellen, Silberoxyd-Zink-Zellen und Mangandioxyd-Zink-Zellen. Nachfolgend wird zur Erläuterung ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung zum Einsatz in elektrochemischei. Zellen gegeben:

Ein Nylonbauteil 5, das als Abschlußdeckel für eine alkalische Zelle geeignet ist, weist eine Entgasungsöffnung 3 von ca. 10 mm Durchmesser auf. Die Entgasungsöffnung 3 erstreckt sich von der flachen Vertiefung 4 des Bauteiles zur entgegengesetzten Außenfläche über eine Länge von ungefähr 7,5 mm. Die flache Vertiefung 4 wird auf ca. 70⁰C erwärmt, bevor der herauspreßbare, in der Wärme schmelzende Werkstoff 6 aufgetragen wird. Die Vorwärmtemperatur kann bis zu ungefähr 95° C betragen. Der Werkstoff 6, ein thermoplastisches Polyamid — Grundmaterial A 65/5 von der Fa. Biwax Corp, Chicago, USA, besitzt eine Viskosität von ungefähr 280 cps bei ungefähr 195° C und ungefähr 184 cps bei ungefähr 215° C und eine bevorzugte Auftragungstemperatur zwischen ungefähr 195°C und 212°C. Die Menge des aufgetragenen Werkstoffes auf die Innenfläche des Bauteiles 5 beträgt zwischen 0,05 und 0,75 g. Der Werkstoff 6 und die

Oberfläche der flachen Vertiefung 4 gehen dabei eine physikalische Bindung ein. Eine Zelle, in die eine derartige Entgasungsvorrichtung eingebaut ist, wird bei einem Ansprechdruck von 42 kg/cm² ± 4 kg/cm² geöffnet.

Der herauspreßbare Werkstoff 6, der die Entgasungsöffnung 3 verschließt, muß an der Oberfläche der flachen Vertiefung des Bauteiles 5 haften, d.h. eine physikalische Bindung mit ihr eingehen. Dies ist aus verschiedenen Gründen wichtig. Einer dieser Gründe besteht darin, daß der Werkstoffe Drücken widerstehen muß, die geringer sind als der Ansprechdruck; und doch muß er die Eigenschaft behalten, aus der Entgasungsöffnung 3 herauspreßbar zu sein, wenn der Innendruck in der Zelle, der auf dem Werkstoff lastet, den Ansprechdruck erreicht. Ein anderer Grund besteht darin, daß die Bindung zwischen dem Werkstoff 6 und der benachbarten Oberfläche der flachen Vertiefung 4 dazu beiträgt, daß der Elektrolyt in der Zelle gehalten wird und den Eintritt von schädlichen Verunreinigungen in die Zelle verhindert Die geeigneten herauspreßbaren Werkstoffe sind das thermoplastische Polyamid-Grundmaterial gem. Beispiel, Silicone, Siliconkautschuk, andere Gummi und dergleichen. Der herauspreßbare Werkstoff kam Füllstoffe enthalten, die die Fließfähigkeit herabsetze: und/oder die Festigkeit des Werkstoffes erhöher Geeignete Füllstoffe sind Asbest, Puder, Talk, Tor

■) fasrige Werkstoffe und dergleichen.

Das Bauteil 5 kann aus einem geeigneten, in wesentlichen steifen Material wie beispielsweise Metal Metallegierungen. Keramik, thermoplastischen ode duroplastischen Kunststoffen bestehen, die durch dii

ίο Bestandteile der elektrochemischen Zelle nicht ange griffen werden. Wegen der geringen Kosten, des hohei elektrischen Isolationsvermögens, der geringen Gas durchlässigkeit, der Festigkeit und Beständigkeit wer den thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweisi Polyamide, Polypropylen, Polyäthylen, und modifizierti Polystyrole und duroplastische Harze wie beispielswei se Epoxydharze und die meisten Fluorcarbone bevor ZUgL

Die erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung kam selbstverständlich nicht nur bei alkalischen Zellei eingesetzt werden, sondern auch bei einer Vielzah anderer elektrischer Geräte, wie beispielsweise Primär und Sekundär-Zellen, Kondensatoren und dergleichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entgasungsvorrichtung für Batterien, insbesondere alkalische Batterien, Kondensatoren oder dergleichen, die eine Entgasungsöffnung mit einem herauspreßbaren Verschluß in einem Bauteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß aus einem heißsiegelfähigen Werkstoff (6) besteht, der die Entgasungsöffnung (3) mindestens auf einem Teil ihrer Länge ausfüllt und auch an der to nach innen weisenden Oberfläche des Bauteiles (5) haftet

2. Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der herauspreßbare Werkstoff (6) in einer flachen Vertiefung (4) im Bauteil (5) befindet

3. Entgasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daft das Bauteil (5) aus Kunststoff besteht

4. Verfahren zur Herstellung einer Entgasungs :<> vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (51 während und/oder vor dem Auftragen des erhitzten herauspreßbaren Werkstoffes (6) auf die Oberfläche des Bauteiles und in die Entgasungsöffnung (3) ^ erwärmt wird.