DE2705050C3 - Galvanische Zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine von einem Gehäuse umgebende galvanische Zelle, die einen positiven und einen negativen Anschluß aufweist, wobei die Zelle eine positive und negative Wickelelektrode hat, die voneinander durch einen porösen Separator getrennt sind und leitende Streifen zum Anschließen der positiven und negativen Elektrode an den positiven und negativen Anschlüssen des Gehäuses aufweist, wobei die leitenden Streifen eine Vielzahl von Vorsprüngen haben.

Bei der Herstellung einer von einem Gehäuse umgebenden galvanischen Zelle mit gewickelten Elektrodenstreifen ist es üblich, einen oder mehrere leitende Streifen mit den Elektrodenstreifen zu verbinden, um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektrodenstreifen und den außen am Gehäuse der Zelle angebrachten Anschlüssen zu erleichtern.

Alkalische MnCb- und Nickel-Cadmium-Zellen sind Beispiele für Zellen mit gewickelten Elektrodenstreifen. Die meisten Verfahren zur Herstellung derartiger Elektrodenstreifen bestehen darin, daß eine gesinterte Metallplatte mit den aktiven pulverförmigen Bestandteilen imprägniert wird und die Bestandteile gegen einen Streifen eines leitenden Metallgitters gepreßt werden. Obwohl das zuerst genannte Verfahren zum Herstellen der Anode (negative Elektrode) und der Kathode (positive Elektrode) typisch ist, ist das letztere gegenwärtig auf die Herstellung von Anoden begrenzt. Ein poröser Separator wird zwischen die Anoden- und Kathodenstreifen gebracht. Die Streifen können durch einen porösen Separator voneinander getrennt sein.

Wenn die leitenden Streifen mit den Elektrodenstreifen verbunden und diese nach dem Wickeln mit dem Separator in das Gehäuse eingesetzt sind, ist die Zelle zusammengebaut. Die leitenden Streifen können dann mit ihren entsprechenden äußeren Gehäuseanschlüssen verbunden werden, wobei z. B. der positive Streifen mit der oberen Abdeckung des Zellengehäuses verschweißt werden kann, während der negative Elektrodenstreifen zurückgebogen wird, so daß er beim Einsatz in die Zelle mechanisch unter Druck und elektrisch mit der Seitenwand des Gehäuses in Eingriff steht. In üblicher Weise wird ein Elektrolyt geeigneter Zusammensetzung

in entweder vor oder nach der Einführung der gewickelten Elektrodenstreifen in das Gehäuse eingesetzt

Aus der deutschen Auslegeschrift DE-AS 22 11 233 ist eine Elektrode für elektrochemische Primär- und Sekundärzellen bekannt, die parallel zur Achse der Wickelelektrode angeordnete Stromableiter in Form von Fahnen aufweisen und am Elektrodenskelett angeschweißt sind.

Beim Zusammenbau einer galvanischen Zelle werden zuerst die angebrachten leitenden Streifen mit den Elektrodenstreifen verbunden, was vor oder nach dem Einsetzen des Separators erfolgen kann. Es ist offensichtlich, daß die Verbindung zwischen den leitenden Streifen eine hohe Impedanz ergeben kann, wenn die Verbindung nicht einwandfrei hergestellt wird.

Aus diesem Grund wurde bisher eine Klebeverbindung, insbesondere bei Starkstrombetrieb für notwendig gehalten, die durch Schweißen, Löten oder Hartlöten hergestellt werden kann. Löten und Hartlöten sind wegen einer möglichen Verunreinigung durch das

to verbindende Metall im allgemeinen nicht geeignet. Zum wirksamen Schweißen müssen die aktiven Elektrodenbestandteile von der Schweißoberfläche des Elektrodenstreifens entfernt werden. Wenn dies nicht sorgfältig durchgeführt wird, kann es zu einer Beschädigung der

i) Elektrode kommen, so bald zu viel aktives Material entfernt wird oder einen Kurzschluß beim Zusammenbau der Elektrodenstreifen hervorrufen.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE-OS 25 16 530 offenbart eine alkalische Zelle mit einer Elektrodenan-Ordnung, die aus einer positiven und negativen Elektrode besteht und durch einen Separator getrennt sind, wobei an den Elektroden Stromabnehmer angeschweißt sind, die jeweils aus einer dünnen leitfähigen Platte mit zahlreichen darauf ausgebildeten

4-Ί konvexen Erhebungen bestehen. Diese konvexen Erhebungen sind an die entsprechenden leitfähigen Teile der Elektrode angeschweißt und bilden mit diesen leitfähige Schweißpunkte. Auch bei dieser Zelle führt die Schweißarbeit zu Nachteilen, wie sie bereits geschildert wurden. Im übrigen ist das sorgfältig durchzuführende Schweißen sehr kostenaufwendig.

In der französischen Patentschrift FR-PS 14 21 735 ist eine galvanische Zelle beschrieben, die eine positive und eine negative Wickelelektrode, Separatoren sowie parallel zur Achse der Wickelelektroden angeordnete Stromleitstreifen aufweisen, die am Elektrodenkörper angeschweißt sind. Auch für diese Zelle besteht seit langem ein Bedarf, das teure und nicht immer wirksame Schweißen durch einen billigeren, besseren Weg zu

Mt ersetzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Zelle zu entwickeln, bei der wenigstens einer der gewickelten Elektrodenstreifen sowohl mechanisch als auch elektrisch mit einem leitenden

in Streifen verbunden ist und daß die Verbindung eine Impedanz aufweist, die im wesentlichen gleich der einer geschweißten Verbindung ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß der poröse Separator die Form einer Hülle hat, die jeden Elektrodenstreifen umgibt und in der die leitenden Streifen der Hülle anliegen, wobei sich die Vorsprünge der leitenden Streifen durch die Hülle erstrecken und dabei sowohl mechanisch als auch elektrisch den Kontakt mit den Elektrodenstreifen herstellen.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der leitende Streifen ein dünner Streifen des leitenden Mate:ials ist, das mit dem elektrochemischen System der Zelle verträglich ist und eine Vielzahl von Durchbohrungen in der Oberfläche aufweist, wobei die gezackten Kanten der Durchbohrungen als Vorsprünge aus diesen herausragen.

Die Erfindung kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß auf dem leitenden Streifen ein isolierender Klebestreifen angebracht ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine in die Einzelteile aufgelöste perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen galvanischen Zelle;

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der gewickelten Elektrodenstreifen für die galvanische Zelle der Fig. 1, wobei die Streifen von einem porösen Separator umhüllt und mit einem leitenden Streifen gemäß der Erfindung verbunden sind;

F i g. 3 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des leitenden Streifens gemäß der Erfindung;

F i g. 4 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des leitenden Streifens gemäß der Erfindung entlang der Linien 4-4 der F i g. 3;

Fig.5 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des leitenden Streifens gemäß der Erfindung und

F i g. 6a—c graphische Darstellungen der Arbeitsweise einer Nickel-Cadmium-Sub-C-Zelle mit Streifenverbindungen gemäß der Erfindung.

Gemäß den F i g. 1 bis 4 besteht die galvanische Zelle 10 nach der Erfindung aus einem zylinderförinigen Gehäuse 12, Wickelelektroden 14, einem verträglichen Elektrolyten (nicht gezeigt) und einer Deckplatte 16. Die Wickelelektroden 14 bestehen aus Elektrodenstreifen, die mit einem Separator verbunden sind. Der Elektrolyt kann in das Gehäuse 12 vor oder nach dem Einsetzen der Wickelelektroden 14 eingeführt werden. Eine Isolierscheibe 18 wird auf den Boden 20 des Gehäuses 12 gelegt, um diesen von den Wickelelektroden 14 zu isolieren. Die Deckplatte 16 verschließt die galvanische Zelle 10 und ist vom Gehäuse 12 durch eine Dichtung 21 isoliert. Während das Gehäuse 12 mit dem einen Elektrodenstreifen der Wickelelektroden 14 verbunden ist, um als Zellanschluß zu dienen, ist die Deckplatte 16 dagegen mit dem anderen Elektrodenstreifen der Wickelelektroden 14 verbunden, um a!s entgegengesetzter Zellanschluß zu dienen. Die Wickelelektroden 14 bestehen aus einem positiven Elektrodenstreifen 22 und einem negativen Elektrodenstreifen 24, die durch einen porösen Separator 26 voneinander getrennt sind. Der poröse Separator 26 kann aus üblichem, für alkalische Zellsysteme geeignetes Separatormaterial bestehen, z. B. aus nichtgewebten Nylonfaserri. Zudem kann der poröse Separator 26 eine Einzelfolie sein, die zwischen die Elektrodenstreifen 22 und 24 eingefügt ist. Der Separator kann aber auch aus mehreren trennenden Folien, die gemäß Fig.2 bevorzugt geheftet, thermisch miteinander verbunden

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oder entlang ihrer gegenüberliegenden Kanten aneinandergeheftet sind, bestehen, wobei sich eine Hülle bildet, in der die voneinander getrennten Elektrodenstreifen 22 und 24 enthalten sind.

Wenigstens ein Anschluß oder leitender Streifen wird benutzt, um jeden Elektrodenstreifen an seiner entsprechenden Zelle anzuschließen. Die Anschlüsse sind dünne, vorzugsweise rechteckige Streifen aus leitendem Material, das mit dem besonderen elektrochemischen System der Zelle verträglich ist. So sollten in einer Nickel-Cadmium-Zelle die Streifen aus Nickel sein.

Wie die F i g. 2 zeigt, ist der leitende Streifen 28 mit dem positiven Elektrodenstreifen 22, der leitende Streifen 30 dagegen mit dem negativen Elektrodenstreifen 24 verbunden. Wenigstens einer der leitenden Streifen 28 oder 30, bevorzugt Streifen 30, oder beide, enthalten eine Vielzahl von Vorsprüngen 32, wie aus den Fig.3 und 4 hervorgeht, um sowohl mechanisch als auch elektrisch den Kontakt mit den Elektrodenstreifen 22,24 herzustellen. Der andere leitende Streifen 28 kann in üblicher Weise mit seinem entsp :-.:henden Elektrodenstreifen 22 verbunden werden.

Die Bauweise der Vorsprünge 32 und die Art ihrer Herstellung sind für die Erfindung an sich nicht kritisch, können jedoch für bestimmte Elektrodenstreifeii eine Rolle scielen. Da überdies der leitende Streifen mit dem Elektrodenstreifen über den dazwischenliegenden porösen Separator verbunden ist, kann eine besondere Ausführungsform des Vorsprunges wünschenswert sein. Wenn beispielsweise der Elektrodenstreifen die negative Elektrode in einer Nickel-Cadmium-Zelle darstellt und gemäß den in den US-PS 33 10 437 und 34 32 451 offenbarten Pulverpreßverfahren hergestellt wird, ist eine Vielzahl von Vorsprüngen 32 bevorzugt, welche die gezackten Grate darstellen, die von den entsprechenden Durchbohrungen 34 in den leitenden Streifen 30 herrühren. Die Durchbohrungen 34 können mit irgendeinem geeigneten Werkzeug, z. B. einer Stanzpresse, hergestellt werden und müsser, auf einen bestimmten Oberflächenbereich des leitenden Streifens beschränkt sein, der an den Elektrodenstreifen 24 oder an Jen abdeckenden Separator 26 angrenzt. Nur ein geringer Druck ist notwendig, um eine feste Verbindung zwischen dem leitenden Streifen und dem F.lektrodenstreifen herzustellen. Dieser Druck kann unmittelbar nach geeignetem Anordnen der Vorsprünge gegen die Streifen oder danach ausgeübt werden, wenn die Wickelelektroden 14 unter Druck in das Gehäuse 12 eingesetzt worden sind. Andere Formen der Vorsprünge 32 können aus Metallborsten oder aus einem der Streifen herausragenden Zähnen bestehen.

Die Anzahl der Vorsprünge 32 und ihr Abstand voneinander sind nicht kritisch, obwohl sie, wie bereits erläi"ert, je nach Hersteilungstechnik der Elektrodenstreifen bevorzugt angeordnet sein können. Im Fall einer Nickel-Cadmium-Zelle wird die negative Elektrode bevorzugt aus gepreßtem Pulver hergestellt, wobei das Elektrodenmaterial gegen ein stromführendes Gitter aus Metall gepreßt wird. Für eine derartige Elektrode werden aus Bohrungen erzeugte, zahlreiche Vorsprünge 32 bevorzugt, um einen vielfachen Kontakt mit dem Metallgitter zu ermöglichen, so daß eine elektrische Leitfähigkeit erreicht wird, die derjenigen einer geschweißten Verbindung entspricht.

Nachdem die leitenden Streifen 28 und 30 befestigt sind, kann ein isolierender Klebestreifen 36 auf dem leitenden Streifen 30 angebracht werden, in dem die Durchbohrungen 34 gemacht wurden, um den leitenden

Streifen so lange zu sichern, bis die Elektrode gewickelt ist. Der isolierende Klebestreifen 36 besteht aus selbstklebendem Plastikfilm und sollte so groß sein, daß er den leitenden Streifen 30 mit den Durchbohrungen bedeckt und überlappt, um die Elektrode oder den Separator zu halten. Der isolierende Klebestreifen 36 kann entfallen, wenn das Klebemittel zwischen dem Streifen und der Elektrode oder dem Separator eingesetzt wird oder wenn die Vorsprünge fest in den Elektrodenstreifen eingepreßt sind. Nachdem aus den Elektrodenstreifen die Wickelelektroden 14 gebildet sind, werden die leitenden Streifen 28 und 30 auf die übliche Art mit der Deckplatte 16 und dem Gehäuse 12 der Zelle 10 verbunden, wobei der leitende Streifen 28 an der Deckplatte 16 befestigt und der leitende Streifen 30 auf die Wickelelektroden 14 zurückgebogen wird, um einen Druckkontakt mit dem Gehäuse 12 herzustellen. In der Ausführungsform der Fig. 5 weist der leitende Streifen 30 zahlreiche Vorsprünge 32 an jedem Ende auf, wobei die Vorsprünge 32 an einem Ende dazu dienen, mit dem Elektrodenstreifen in Eingriff zu kommen, wie bisher erläutert wurde. Die anderen entgegengesetzt liegenden Vorsprünge sind dafür vorgesehen, mit der äußeren Wicklung desselben Elektrodenstreifens in Eingriff zu kommen, wenn der leitende Streifen 30 unter die Wickelelektrode 14. wie in F i g. 1 gezeigt, gebogen wird, wobei die glatte Rückseite der durchbohrten Fläche gegen das Gehäuse gepreßt wird. Diese Ausführungsform, bei der sich der Elektrodenstreifen auf der äußeren Hülle der Wickelelektroden 14 befindet und das Gehäuse 12 einen zugänglichen, nicht isolierten Bereich nahe dem leitenden Streifen vorsieht, ist nur in begrenzten Fällen wirksam.

Die Verbindung, die durch den leitenden Streifen 30 mit einem negativen Elektrodenstreifen 24 aus Preßpulver hergestellt wurde, zeigte eine Impedanz im Bereich von etwa 0,0093 bis 0.0137 Ohm, wenn bei 1000 Hz und 1 Ampere, in einer Nickel-Cadmium-Sub-C-Zelle 1,2 Ah gemessen wurde. Die erhaltene Spannung während der Entladung einer Zelle mit einem leitenden Streifen 30 ist etwa derjenigen einer geschweißten Streifenverbindung bei Entladungen von 10 und 20 Ampere gleich. Die Fig.6a—c stellen die Leistung der genannten Nickel-Cadmium-Zelle bei einer Entladung von 10 Ampere dar, die durch einen flachen Kurvenverlauf der Spannung über den ganzen Entladungszyklus gekennzeichnet ist. Obwohl die mit geschweißten Streifen erhaltenen Kurven nicht gezeigt sind, wurden sie mit den in F i g. 6 gezeigten Kurven im wesentlichen übereinstimmen.

Obwohl nur ein leitender Streifen für jeden F.lcktrodenstrcifen gezeigt und beschrieben wi rde. ist es offensichtlich, daß mehrere Streifen eingebaut und entlang des Elektrodenstreifens angeordnet werden können, um den Spannungsabfall zu verringern, der beim Stromabfluß durch den Streifen entsteht.

Leitende Metallstreifen mit Vorsprängen küniien wie beschrieben verwende! werden, um mechanische und elektrische Kontakte von niedrigem Widerstand mit den Elektrodenstreifen herzustellen. Die Elektroden können aus gepreßtem Pulver, einer auf einem leitenden Gitter aufgebrachten Paste oder aus imprägniertem, porösem, gesintertem Metall bestehen. Der Streifen kann entweder unmittelbar auf der Elektrodenoberfläche oder nach Einsatz des Separators angebracht werden. s.o daß die Vorsprünge den Separator und die Elektrode durchbringen. Die Vorsprünge müssen ausreichend und tief genug sein, so daß möglichst viele Kontakte mit Teilen des Gitters bzw. des Sinterkörpers als auch des aktiven Elektrodenmaterials hergestellt werden, wobei mechanisch die Stabilität der Kontakte durch den festen Sitz der Wickelelektrode in dem zylinderförmigen Gehäuse gewährleistet ist. Ein Streifenkontakt mit Hilfe von Vorsprüngen kann be Flachbatterien auch durch Druck auf die Elektroder erzielt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Von einem Gehäuse umgebene galvanische Zelle, die einen positiven und einen negativen Anschluß aufweist, wobei die Zelle eine positive und negative Wickelelektrode hat, die voneinander durch einen porösen Separator getrennt sind und leitende Streifen zum Anschließen der positiven und negativen Elektrode an den positiven und negativen Anschlüssen des Gehäuses aufweist, wobei die leitenden Streifen eine Vielzahl von Vorsprüngen haben, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Separator (26) die Form einer Hülle hat, die jeden Elektrodenstreifen (22, 24) umgibt und in der die leitenden Streifen (28, 30) der Hülle anliegen, wobei sich die Vorsprünge (32) der leitenden Streifen (28, 30) durch die Hülle erstrecken und dabei sowohl mechanisch als auch elektrisch den Kontakt mit den Elektrodenstreifen (22, 24) herstellen.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Streifen (28,30) ein dünner Streifen des leitenden Materials ist, das mit dem elektrochemischen System der Zelle verträglich ist und eine Vielzahl von Durchbohrungen (34) in der Oberfläche aufweist, wobei die gezackten Kanten der Durchbohrungen (34) als Vorsprung (32) aus diesen herausragen.

3. Zellenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem leitenden Streifen (28, 30) ein isolierender Klebestreifen (36) angebracht ist.