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Die Erfindung betrifft eine gasdicht verschlossene galvanische Zelle mit positiven und negativen Elektroden, die unter Zwischenlage von Separatoren in Form eines Plattenpakets in einem aus einem Bodenteil und einem Deckelteil bestehenden Kunststoffgehäuse angeordnet sind, wobei als Poldurchführungen ausgebildete und formschlüssig mit dem Kunststoff verbundene Kontaktscheiben über Stromleiter mit den Elektroden verbunden sind.
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Die Erfindung ist besonders auf Kunststoffgehäuse für gasdichte Nickel/Cadmium- Akkumulatoren mit Sinterfolienelektroden gerichtet.
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Der Einsatz von Behältern aus Kunststoff zur Aufnahme galvanischer Elemente ist bekannt. So beschreibt die DE-PS 21 38 707 ein becherförmiges Gehäuse aus Kunststoff für Knopfzellen, wobei im Gehäuseteil und im Deckelteil Pole aus elektrisch leitendem Werkstoff befestigt sind. Die Polstücke werden bereits beim Spritzvorgang von dem geschmolzenen Kunststoff umströmt und in ihm eingeschlossen. Das becherförmige Gehäuse ist zur Aufnahme von zwei galvanischen Elementen als Doppelkammer ausgebildet. Diese Konstruktion ist insbesondere zur Herstellung von Knopfzellen geeignet. Der Bau möglichst flacher Zellen mit Sinterfolienelektroden ist nach der DE-PS nicht möglich.
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Aus der US-PS 39 28 077 ist eine gasdichte Flachzelle bekannt, die zwei miteinander verbundene negative Elektroden enthält, welche eine von Separatoren abgedeckte positive Elektrode umgeben. Das Gehäuse besteht aus einem kastenförmigen Metallboden, der mit den negativen Elektroden verbunden ist. Die Oberseite des Gehäuses wird durch einen Plastikdeckel abgeschlossen, der eine nietförmige Poldurchführung zur positiven Elektrode und eine als Überdrucksicherung ausgebildete Ventilöffnung enthält.
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Daneben ist in dieser Druckschrift eine galvanische Flachzelle mit Ganzmetall- Gehäuse beschrieben. Auch hier sind die negativen Elektroden mit dem Metallgehäuse elektrisch verbunden, während die positive Elektrode über eine besonders isolierende Dichtung herausgeführt ist.
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Gemäß DE-OS 15 96 307 kommt bei zylindrischen Zellenbehältern eine gute Abdichtung dadurch zustande, daß Zellendeckel und Zellengehäuse korrespondierende Gewinde besitzen und miteinander verschraubt sind. Ein solcher Behälter kann vollständig aus Kunststoff bestehen und z. B. der Aufnahme mehrerer stapelförmig angeordneter Knopfzellen dienen, die in Serie geschaltet sind. In den Deckel und den Gehäuseboden, welche die Stirnwände des zylindrischen Behälters bilden, sind die mit Kontaktfedern versehenen Endpole eingelassen.
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Eine flache Gehäuseform aus Kunststoff, ebenfalls für die Aufnahme stapelförmig aufeinandergeschichteter Zellenelemente vorgesehen, ist dem deutschen Gebrauchsmuster 19 51 544 zu entnehmen. Hier bildet jeweils ein Niet aus Nickelstahl im Gehäuseboden und im Deckel den Kathoden- bzw. Anodenkontakt.
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In einer Akkumulatorenzelle gemäß CH-PS 1 07 943 sind gestapelte und zentral gelochte Elektrodenplatten auf eine Bolzenschraube aufgesteckt und in einem dünnwandigen Metallbehälter eingeschlossen, zu dessen Deckel je eine Stromsammelschiene für die negative und die positive Plattenpolarität hinführt.
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Gasdichte Zellen mit Metallgehäuse erfordern in der Regel aufwendige Herstellungsverfahren; ganz besonders problematisch erweist sich hierbei die Stromableitung der nicht mit dem Gehäuse elektrisch verbundenen Elektrode. Weiterhin sind Schwierigkeiten bei einer hermetischen Abdichtung im Übergang vom Metallgehäuseteil zum Kunststoff- bzw. zum isolierenden Teil zu erwarten.
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Zusätzliche Nachteile können auch bei Temperaturen unter 0°Celsius auftreten, bei denen die Durchführung aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ihre hermetische Abdichtung verliert. Ebenso kann bei längerer Überladung ein hoher Zelleninnengasdruck entstehen, der je nach Konstruktion der Zelle bzw. der verwendeten Materialien und Gehäusestärken ein Ausbauchen des Flachzellengehäuses verursachen kann; bzw. bei Überkopfbetrieb kann Elektrolyt aus der als Überdrucksicherung ausgebildeten Ventilöffnung austreten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst flache gasdichte galvanische Zelle mit umschließendem Kunststoffgehäuse zu schaffen, dessen Abmessungen bei Druckgasentwicklung im Zellinneren durch mögliche Überladung oder Dauerladung unverändert bleiben.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Deckel (2) mit den Kontaktscheiben (1) beider Polaritäten versehen ist, und daß das Bodenteil (3) wenigstens einen Gehäusezapfen (4) besitzt, der die Seitenkanten (6) des Bodenteils überragt und auf das mit entsprechenden Aussparungen (5) versehene Plattenpaket aufgesteckt ist, und daß der Deckel (2) mit der Spitze des Gehäusezapfens (4) und den Seitenkanten des Bodenteils (3) verschweißt ist.
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In einer bevorzugter Ausführungsform besitzt das Material des Gehäuses und der Kontaktscheiben einen annähernd gleichen Wärmekoeffizienten. Der Gehäusezapfen überragt die Kanten des Gehäusebodens und ist mit einer sich verjüngenden Spitze versehen. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Akkumulators werden die positiven und die negativen Elektroden sowie die zwischen den Elektroden befindlichen Separatoren zu einem Plattenpaket zusammengefügt und durch laugenbeständiges Klebeband fixiert. Anschließend werden die Stromableiter der die positive Elektrode umgebenden negativen Elektroden zusammengesschweißt. Das Plattenpaket wird sodann über den Gehäusezapfen aufgesteckt und die Stromableiter an die Kontaktscheiben des Deckels angeschweißt. Anschließend werden Gehäusezapfen und Kanten des Gehäusebodens durch Hochfrequenz- oder Ultraschallschweißung miteinander verbunden. Dabei dienen die Kanten des Gehäusebodens und die Spitze des Gehäusezapfens als Energierichtungsgeber für den Schweißvorgang.
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Im folgenden ist anhand der Fig. 1 bis 5 der Gegenstand der Erfindung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Einzelteile der Zelle vor der Montage: in den
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Fig. 2 bis 5 sind verschiedene Arten von Poldurchführungen im Querschnitt dargestellt.
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Gemäß Fig. 1 besteht die Zelle aus dem mit den Kontaktscheiben 1 versehenen Deckel 2, der zusammen mit dem Bodenteil 3 das Elektrodenpaket enthält. Das Elektrodenpaket besteht aus einer positiven Elektrode 7, die von zwei Separatoren 9 und zwei negativen Elektroden 8 umgeben ist. Die Elektroden und Separatoren enthalten in ihrer Mitte eine Aussparung 5, durch welche der Gehäusezapfen 4 des Bodenteils einschiebbar ist. Die Höhe des Gehäusezapfens ist so bemessen, daß bei Aufschieben des Gehäusedeckels 2 auf den Bodenteil dieser bis zum Deckel reicht. Bodenteil 3 besitzt Seitenkanten 6, auf denen der Gehäusedeckel 2 aufsitzt. Die Seitenkanten 6 dienen als Energierichtungsgeber für die Verschweißung von Bodenteil und Gehäusedeckel. Der Gehäusezapfen 4 fixiert das Plattenpaket in seiner Lage im Gehäuse und dient hauptsächlich zur Stabilisierung des Zellgefäßes bei Überladung und Dauerladung der erfindungsgemäßen Zelle.
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Die positive Elektrode 7 besitzt eine Stromableiterfolie, die über den Stromableiter 11 - durch die Aussparung 12 von der negativen Elektrode isoliert - mit der Kontaktscheibe 1 verbunden wird. Entsprechend ist Stromableiter 10 der unteren negativen Elektrode 8 über Aussparung 13 von der positiven Elektrode 7 isoliert. Die beiden Stromableiter 10 der negativen Elektroden sind miteinander an die negative Kontaktscheibe 1 angeschlossen. Das Profil der Kontaktscheiben ist so gestaltet, daß die Mantelflächen einen möglichst intensiven Kontakt mit dem sie umgebenden Kunststoff erzielen.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Akkumulators werden die positiven und die negativen Elektroden zusammen mit den zwischen die Elektroden gelegten Separatoren 9 zu einem Plattenpaket zusammengefügt, daß mit einem laugebeständigen Klebeband versehen wird. Anschließend wird der negative Stromableiter 10 der unteren Elektrode 8 nach oben gebogen und mit dem Stromableiter 10 der oberen Elektrode durch Schweißen verbunden. Nach Aufstecken des Plattenpaketes auf den Gehäusezapfen 4 werden die Stromableiter 10 und 11 an die Kontaktscheiben 1 des Deckels 2 angeschweißt. In einem daran anschließenden Schweißvorgang werden der Gehäusezapfen 4 und die Kanten 6 des Gehäusebodens 3 mit dem Deckel verschweißt. Hierfür sind insbesondere Ultraschall- bzw. Hochfrequenzschweißverfahren geeignet. Das Gehäuse ist somit gasdicht und elektrolytdicht verschlossen.
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Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine durch Stanzung hergestellte Kontaktscheibe. Die Kontaktscheibe besteht aus einem zylindrischen Mittel 13, das von einem Außenteil 14 in Form eines Ringtellers umgeben ist. Die Höhe des Mittelteils 13 entspricht der Wandstärke des Gehäusedeckels 2. Die Stirnflächen des Mittelteils dienen der Kontaktierung, die Oberflächen des Außenteils 14 sind vom Kunststoff des Gehäusedeckels 2 umgeben.
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Fig. 3 zeigt eine Kontaktscheibe, die in ihrem Aufbau im wesentlichen der in Fig. 2 dargestellten Anordnung entspricht. Zur besseren Verankerung im Kunststoff ist jedoch das ringtellerförmige Außenteil zusätzlich mit Bohrungen 15 versehen.
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Fig. 4 zeigt eine durch Tiefziehen hergestellte Kontaktscheibe, die einen zylindrischen, napfförmigen Mittelteil 19 besitzt; der Rand 18 des Mittelteils ist so gebogen, daß eine Scheibe 16 in Form eines Ringtellers in halber Napfhöhe das Mittelteil umgibt. Die Höhe des Mittelteils 19 zwischen Napfbodenaußenseite und Rand 18 entspricht der Wandstärke des Gehäusedeckels 2. Vorzugsweise befindet sich der Napfboden des Mittelteils an der Außenseite des Gehäusedeckels 2. Es ergibt sich eine vorteilhafte Vereinfachung der Montage, da der Innenraum 17 des napfförmigen Mittelteils 19 zur Aufnahme eines Haltezapfens im Spritzwerkzeug dient.
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Eine weitere Form der Poldurchführung mit Hilfe einer Schraubverbindung ist anhand der Fig. 5 erläutert. Die Stromableiter der Elektroden sind mit Schraubenköpfen 20 elektrisch und mechanisch verbunden. Die von einem Rundschnurring 21 umgebenen Schraubenschäfte 22 werden durch eine Öffnung des Gehäusedeckels geführt und auf der Gehäusenaußenseite durch tellerförmige Muttern 23 gehalten. Diese Muttern bilden auch gleichzeitig die Kontaktscheiben zur Stromabgabe. Die Deckelbohrung ist auf der Innenseite des Gehäusedeckels 2 mit einer Ringschulter 24 versehen. Der bei Verschraubung auf den Dichtring 21 einwirkende Druck wird durch die Höhe dieser Ringschulter 24 vorgegeben.