DE2801763B2 - Galvanische Knopfzelle - Google Patents

Description

40

Die Erfindung betrifft eine galvanische Knopfzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vielfach sind Knopfzellen in einem Gehäuse untergebracht, das aus einer ersten Metallschale, die positive aktive Masse enthält und als Kollektor der positiven Elektrode dient, und aus einer zweiten Metallschale besteht, die die negative aktive Masse enthält und als Kollektor der negativen Elektrode dient. Zwischen den aktiven Massen befindet sich ein elektrolytgetränkter Separator und zwischen den ineinander gesteckten Metallschalen ist eine Isolierdichtung angeordnet, die einerseits die beiden Metallschalen elektrisch voneinander isoliert und andererseits die Knopfzelle abdichtet

In derartigen Knopfzellen kann es bei Volumenände- γ-, rung der aktiven Massen zwischen dem geladenen und entladenen Zustand zu Auswölbungen oder auch zur Bildung von Unterdruck im Innern der Knopfzelle kommen. Zur Vermeidung von Auswölbungen kann ein Gehäuse vorgesehen werden, dessen Abmessungen dem Zustand entsprechen, in dem die aktiven Massen das größte Volumen einnehmen; auf jeden Fall jedoch kommt es beim Übergang vom Zustand mit dem größten Volumen zum Zustand mit dem kleinsten Volumen zur Bildung von Unterdruck, der sich nachteilig auswirkt.

Bei Primäraellen stellt sich das Problem insbesondere bei bestimmten Zellen mit löslicher negativer Elektrode, bei denen die Entladungsprodukte der negativen Elektrode ins positive Abteil wandern, während das negative Abteil sich allmählich entleert, wobei diese Entleerung im dem Separator benachbarten Teil beginnt Wenn die Wanderung der Entladungsprodukfe zum positiven Abteil hin nicht zu einer ausreichend hohen Quellung der positiven aktiven Masse führt, kann es zu einer Unterbrechung des lonenkontakts zwischen den beiden Elektroden kommen, da ihr Abstand sich vergrößert Die Entladung wird dann vorzeitig unterbrochen.

Die Erfindung gemäß Hauptanspruch behebt diesen Nachteil. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Bei der erfindungsgemäßen Zelle dringt durch Kapillarwirkung der Elektrolyt aus dem Abteil in die im mittleren Bereich durch die Abnahme des Gesamtvolumens der aktiven Masse gebildeten Leerräume ein, und die elektrochemische Reaktion kann weitergehen, bis die aktiven Massen vollständig umgewandelt sind, wenn das zusätzlich vorgesehene Elektrolytvolumen ausreichend ist

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die drei Figuren näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Knopfzelle.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Variante der erfindungsgemäßen Knopfzelle.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Knopfzelle.

Gemäß F i g. 1 umfaßt eine Knopfzelle ein aus zwei Metallschalen 1 und 3 gebildetes Gehäuse, wobei die Ränder der Schale 1 auf die Ränder der Schale 3 unter Zwischenlegung eines Kunststoffdichtrings 7 umgeschlagen sind. Die beiden Schalen bestehen aus vernickeltem oder rostfreiem Stahl, die Dichtung 7 aus Polypropylen.

Eine in der Schale 1 enthaltene positive Masse 2 ist eine Mischung aus positivem aktiv im Material und einem Elektronenleiter. Als positives aktives Material wird Kupferoxid, Bleioxid oder Mennige Pb₃O₄ gewählt; der Elektronenleiter kann Graphit oder Metall sein, vorzugsweise ein die anfängliche Spannungsspitze bei der Entladung z.T. unterdrückendes Metall wie beispielsweise Zink, Blei oder Zinn, wie es in der DE-OS 25 45 498 beschrieben wird.

Als in der Schale 3 enthaltene negative aktive Masse 4 wird Lithium gewählt; zwischen den aktiven Massen 2 und 4 liegt ein Separator aus zwei Schichten, einer Schicht 5 in Form eines wasserabstoßenden Zellulosefilzes und einer Schicht 6 in Form einer Folie, die für die Partikel der aktiven Masse eine Sperre bildet

Erfindungsgemäß wird die positive aktive Masse 2 in eine mit Löchern versehene Schale 8 aus vernickeltem Stahl (oder rostfreiem Stahl) gepreßt deren Boden mit dem Boden der Schale 1 in engem Kontakt steht, an den sie über Lötstellen 10 angelötet werden kann, um die Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Schale 8 läßt um die positive Masse herum ein ringförmiges Abteil 9 frei, das mit Elektrolyt gefüllt ist, wenn die Knopfzelle sich im aufgeladenen Zustand befindet. Während des Entladens der Zelle nimmt das Volumen der aktiven Masse 4 ab. da das Lithium in Lösung übergeht und zur positiven Schale hinwandert, wo es sich in Form von Lithiumoxid L12O in den Poren der positiven Masse 2 ablagert.

Der in der Separatorschicht 5 enthaltene Elektrolyt

füllt nicht mehr den mittleren Bereich aus, dessen Volumen zunimmt Daraufhin dringt der im ringförmigen Abteil 9 enthaltene Elektrolyt in die leeren Kapillarräume zunächst der positiven Masse und dann der Separatorschicht 5 ein, so daß die Entladung ohne Erhöhung des Innenwiderstands des Generators weitergehen kann.

Für das Innenvolumen des Abteils 9 wird ein Wert von etwa 03 cm³ pro Amperestunde gewählt Die Gesamtvolumenänderung der aktiven Masse wird verständlich, wenn man die untenstehende Entladereaktion der Uthium-Kupferoxidzelle betrachtet; darunter werden die Gewichte (in g) und die Volumen (in cm³) der aktiven Massen pro Amperestunde angegeben.

CuO H	h 2 Li —	h Li2O
1,4842 g H	h 0,2589 g	t- 0,5573 g
0,2319 cm3 H	h 0,4883 cm3	t- 0,2773 cm3
d.h.	0,7202 cm3 —
► Cu
1,1858 g
0,1329 cm3
► 0,4102 cm3

Die Volumenabnahme pro Amperestunde beträgt somit 031 cm³.

Ein ähnlicher Rechengang für Bleioxid führt ebenfalls zu ungefähr den gleichen Ergebnissen von ungefähr 03 cm³.

In den Fig.2 und 3 werden mit denselben Bezugszeichen gleichartige Bestandteile bezeichnet wie in Fig. 1.

In F i g. 2 wird eine andere Ausführungsforni der den ringförmigen Raum mit der Elektrolytreserve begrenzenden perforierten Schale dargestellt Die Schale 8 aus Fig. 1 wird hier durch einen Ring 11 ersetzt, der den ringförmigen Raum 9 begrenzt, während die positive Masse 2 in direktem Kontakt mit dem Boden der Schale 1 steht

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Knopfzelle. Das Elektrolytabteil 9 wird hier von einer perforierten Schale 12 umgeben, deren Ränder in engem Kontakt mit dem Boden der Schale 1 stehen und beispielsweise auf ihn gelötet sein können. Der Zusammenbau ist etwas schwieriger als bei den Knopfzellen gemäß den F i g. 1 und 2, jedoch ist die Funktionsweise dieselbe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Galvanische Knopfzelle, bestehend aus einer ersten Metallschale, die die positive aktive Masse enthält und als Kollektor der positiven Elektrode dient, aus einer zweiten Metallschale, die die negative aktive Masse enthält und als Kollektor der negativen Elektrode dient, sius einem elektrolytgetränkten Separator zwischen der positiven und negativen aktiven Masse und aus einer Isolierdichtung zwischen den ineinandergestreckten Metallschalen, wobei wenigstens eine der aktiven Massen unterschiedliche Volumen im Lade- und Entladezustand aufweist und wobei die erste Schale mindestens ein zwischen der ersten Schale und der positiven aktiven Masse angeordnetes Abteil umschließt, das Elektrolyt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Abteil (9) auf der Seite der positiven aktiven Masse (2) durch eine perforierte Metallschale (8, 1:1,12) begrenzt ist und daß es mit Elektrolyt gefüll:: ist, wenn die aktiven Massen der Knopfzelle sich in dem Ladezustand befinden, in dem sie das größte Volumen einnehmen.

2. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine primäre Zelle ist und daß die aktiven Massen insgesamt gesehen das größte Volumen im geladenen Zustand einnehmen.

3. Knopfzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die negative aktive Masse Lithium ist so und daß die positive aktive Mlasse unter der Gruppe von Stoffen ausgewählt wird, die Kupferoxid, Bleioxid (PbO) und Mennige (Pb₃O₄) umfaßt

4. Knopfzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des den Elektrolyten enthaltenden Abteils (9) etwa 0,3 cm³ pro Amperestunde Kapazität beträgt.