DE2815001C2

DE2815001C2 - Galvanic primary element with alkaline electrolyte and an air electrode

Info

Publication number: DE2815001C2
Application number: DE2815001A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Dr. 7090 Ellwangen Klein; Dieter Dipl.-Phys. Dr. 6233 Kelkheim Spahrbier
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1986-11-06
Also published as: DE2815001A1

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Primärelement mit alkalischem Elektrolyten und einer Luftelektrode, die über ein Separatorsystem mit einer aus Zinkpulver bestehenden negativen Elektrode in elektrolytischer VerbhaÄing steht und einem der negativen Elektrode innerhalb des Zellengehäuses zugeordneten Ausdehnungsraum. The invention relates to a galvanic primary element with an alkaline electrolyte and an air electrode, via a separator system with a negative electrode made of zinc powder in electrolytic VerbhaÄing stands and one of the negative electrode expansion space allocated within the cell housing.

In nahezu allen elektrochemischen Stromerzeugern finden beim Reaktionsablauf auch Volumenänderungen der aktiven Massen statt, wobei die jeweils entstehenden Endprodukte einen größeren Raum als die Ausgangsstoffe einnehmen können. Bekannte Zellkonstruktionen nehmen auf derartige Volumenänderungen durch ausreichende Dimensionierung des Zellengehäuses oder durch einen von einem Federelement erfüllten Ausdehnungsraum bereits RücksichtIn almost all electrochemical power generators, there are also volume changes during the reaction process The active masses take place, with the end products produced in each case taking up a larger space than the starting materials can take. Known cell constructions take such changes in volume by adequate dimensioning of the cell housing or by one fulfilled by a spring element Expansion space already consideration

Maßnahmen, welche darauf iozielen, Volumenänderungen der Elektroden aufzufangen und die Zelle vor schädlichen Deformationen zu se .litzen, sind insbesondere auch bei Luft/Zink-Elementen wichtig, da sich die negative Zinkelektrode bei der Entladung durch den aufgenommenen atmosphärischen Sauerstoff erheblich ausdehnt Stellt man der Zinkelektrode das reaktionsbedingte Ausdehnungsvolumen von vornherein als freien Spielraum zur Verfügung, so ist damit im Grunde wenig gewonnen, da sich die Zinkschüttung zunächst lose in einem großen Volumen verteilen kann. Dies hat eine schlechte elektrische Kontaktierung der Zinkpartikel sowohl untereinander, als auch zur stromableitenden Gehäusewand zur Folge, so daß die Zelle zu Entladebeginn einen relativ hohen Innenwiderstand aufweist. Ein solcher ist besonders unerwünscht bei Luft/Zink-Systemen, die mit hohen Stromdichten arbeiten müssen wie beispielsweise Hörgeräte und Personenrufanlage^ Die auf die Volumeneinheit der Zelle bezogene Stromdichte kann hier 20 mA/cm³ erreichen, muß aber wenigstens über 1 mA/cm³ liegen.Measures aimed at absorbing changes in the volume of the electrodes and protecting the cell from damaging deformations are particularly important for air / zinc elements, as the negative zinc electrode expands considerably when discharged due to the absorbed atmospheric oxygen Zinc electrode, the reaction-related expansion volume is available from the start as free space, so basically little is gained, since the zinc bed can initially be loosely distributed in a large volume. This results in poor electrical contact between the zinc particles both with one another and with the current-conducting housing wall, so that the cell has a relatively high internal resistance at the start of discharge. Such is particularly undesirable in air / zinc systems which must operate at high current densities such as hearing aids and paging ^ The related to the unit volume of the cell current density can here 20 mA / reach cm ^3, but must be at least about 1 mA / cm ³ lie.

Um diesem Mangel abzuhelfen, wurde in der DE-OS 25 35 269 vorgeschlagen, innerhalb der negativen Elektrode einen kompressiblen Ausdehnungskörper anzuordnen, welcher die reaktionsbedingte Volumenzunahme des Zinkpulvers kompensiert. Vorteilhaft an dieser Maßnahme ist, daß die gesamte Innenfläche des Deckels bzw. Gehäuseteils, welches den Anodenraum bildet, im elektrischen Kontakt mit der aus Zinkpulver bestehenden Elektrode bleibt, da diese gewissermaßen unter der inneren Federspannung des Ausdehnungskörpers steht. Fertigungstechnisch ist es jedoch aufwendig, die Ausdehnungskörper gleichmäßig innerhalb der negativen aktiven Masse zu verteilen.To remedy this deficiency, it was proposed in DE-OS 25 35 269, within the negative electrode to arrange a compressible expansion body, which the reaction-related increase in volume of zinc powder compensated. The advantage of this measure is that the entire inner surface of the lid or housing part, which forms the anode space, in electrical contact with the zinc powder Electrode remains, as it is, so to speak, under the internal spring tension of the expansion body. In terms of production, however, it is complex to uniformly distribute the expansion body within the negative to distribute active mass.

Aus der DE-AS 22 52 803 ist es bekannt, der Zinkelektrode einen Expansionsraum zuzuordnen, der sich zwischen ihr und dem Gehausedeckel erstreckt und gegen den sie durch ein Gitter oder eine bewegliche Kunststoffplatte abgegrenzt ist wobei im ersten Fall eine Polyäthylenschaumfüllung des Expansionsraumes, im zweiten Fall eine Spiralfeder den notwendigen Gegendruck auf die Zinkelektrode erzeugt Sowohl der Polyäthylenschaum als auch die korrosionsanfällige Feder steUen einen Ballast dar, welcher die Leistungsdichte der Zelle erheblich einschränktFrom DE-AS 22 52 803 it is known to assign an expansion space to the zinc electrode, which is between it and the housing cover and against which it extends by a grille or a movable Plastic plate is delimited whereby in the first case a polyethylene foam filling of the expansion space, in the second case a spiral spring generates the necessary counter pressure on the zinc electrode Polyethylene foam and the spring, which is susceptible to corrosion, represent a ballast which increases the power density of the cell considerably

ίο Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zellenkonstruktion anzugeben, bei der die erwähnten Nachteile vermieden sind und die Anordnung der negativen Elektrode so beschaffen ist daß über die gesamte Entladedauer hinweg eine gute Kontaktierung des akti-The invention is based on the object of a cell construction indicate in which the disadvantages mentioned are avoided and the arrangement of the negative The electrode is designed in such a way that there is good contact with the active

ί s ven Materials mit der Behälterwand erhalten bleibtί s ven material is retained with the container wall

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die negative Elektrode gegen den /-usdehnungsraum durch eine Zinkfolie abgegrenzt ist
Die erfindungsgemäße Konstruktion ist im folgenden anhand der F i g. 1 a, 1 b und 1 c näher erläutertThe object is achieved according to the invention in that the negative electrode is delimited from the / expansion space by a zinc foil
The construction according to the invention is shown below with reference to FIGS. 1 a, 1 b and 1 c explained in more detail

Fig. la zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung, angewendet bei einer Luft/Zink-Knopfzelle. Die Membran J ist erfindungsgemäß eine Zinkfolie, wobei ihre Dicke etwa 0,05 bis 0,1 mm beträgt Sie ist hier in Form einer Scheibe auf den größten Innendurchmesser des Zellendeckels 2 zugeschnitten und so in den Deckel eingebracht, daß sie an seiner rundum laufenden Schulter 3 fest anliegt und den Deckelraum in zwei horizontale Räume 4, 5 unterteilt Der kleinere Raum 4 oberhalb der Folie ist mit Luft gefüllt, während der darunter befindliche Raum 5, identich mit dem Volumen der negativen Elektrode, das Zinkpulver aufnimmt Die Kapillarität der Zinkschüttung ist ferner so eingerichtet, daß der Elektrolyt sich ausschließlich im Zink und im Separator 6, nicht jedoch im abgetrennten Deckelteil 4 befindet Nur chematisch sind der Figur zu entnehmen die Luftelektrode 7, der Zellenbecher 8, die Lufteinlaßöffnung 9 und die Kunststoffdichtung 10.
Die Anordnung gemäß der pilndung sichert der Zinkschüttung vor allem die für ein gutes elektronisches Leitvermögen erforderliche Dichte und Kompaktheit von Anfang an. Un da sich bei der Entladung die Zinkelektrode nur gegen den Verformungswiderstand der Sperrmembran 1 ausdehnen kann, ist auch auf die Dauer eine gute Kontaktierung mit dem Deckel 2 gewährleistet; die Zelle zeichnet sich durch einen geringen innenwiderstand aus.Fig. La shows a preferred embodiment of the invention, applied to an air / zinc button cell. According to the invention, the membrane J is a zinc foil, its thickness being about 0.05 to 0.1 mm 3 rests firmly and divides the lid space into two horizontal spaces 4, 5. The smaller space 4 above the film is filled with air, while the space 5 below, identical to the volume of the negative electrode, receives the zinc powder. The capillarity of the zinc fill is also set up so that the electrolyte is exclusively in the zinc and in the separator 6, but not in the separated cover part 4. The figure shows only chemically the air electrode 7, the cell cup 8, the air inlet opening 9 and the plastic seal 10.
The arrangement according to the pilndung ensures that the zinc fill has the density and compactness required for good electronic conductivity right from the start. And since the zinc electrode can only expand against the deformation resistance of the barrier membrane 1 during discharge, good contact with the cover 2 is guaranteed in the long term; the cell is characterized by a low internal resistance.

Bei Verwendung von Zink als Folienmaterial wird dieses teilweise mitentladen und gegebenenfalls aufgezehrt, so daß am Ende der Entladung das gesamte Anodenraumvolumen 4,5 von Zinkoxid erfüllt ist.If zinc is used as a foil material, it is partially discharged and possibly consumed, so that at the end of the discharge the entire anode compartment volume 4.5 is filled by zinc oxide.

In den Fig. Ib und Ic ist angedeutet, daß die Membran 1 durch beliebige Profilierung oder Ausgestaltung einem optimalen Verhältnis von Zinkvolumen und Ausdehnungsvolumen stets angepaßt werden kann. Ebenso kann die Kontaktierung mit dem Deckel 2 in der jeweils zweckmäßigsten Weise erfolgen. So zeigt F i g. 1 c eine für eine besonders flache Knopfzelle geeignete Lösung, bei der die Membran bzw. die Zinkfolie als becherförmiges Bauteil ausgebildet istIn Fig. Ib and Ic it is indicated that the membrane 1 by any profiling or design an optimal ratio of zinc volume and expansion volume can always be adjusted. Likewise, the contact with the cover 2 in the respective in the most expedient manner. Thus, Fig. 1 c a solution suitable for a particularly flat button cell, in which the membrane or the zinc foil is designed as a cup-shaped component

Gegenüber der bekannten Anordnung eines oder mehrerer Ausdehnungskörper, die sich im Innern der Zinkelektrode befinden, sind gemäß der Erfindung diese Ausdehnungskörper in einfacher Weise durch ein abtrennbares Volumen des Anodenraumes ersetzt. Die Zinkschüttung bleibt somit frei von okkludierter, inaktiver Substanz. Für einen niederohmigen Elektrodenwiderstand ist damit eine wesentliche Voraussetzung er-Compared to the known arrangement of one or more expansion bodies that are inside the Zinc electrode are, according to the invention, these expansion bodies are in a simple manner by a separable Volume of the anode space replaced. The zinc fill thus remains free of occluded, inactive Substance. An essential prerequisite for a low-resistance electrode resistance is

Durch diese als Sperrmembran wirkende Zinkfolie
gemäß der Erfindung wird das nutzbare Volumen für
die Zinkelektrode nur ganz unerheblich eingeschränkt,
die Raumausnutzung ist praktisch vollständig, da die
Membran zur Nutzkapazität selbst beiträgt.Through this zinc foil acting as a barrier membrane
according to the invention the usable volume for
the zinc electrode is only marginally restricted,
the space utilization is practically complete, since the
Membrane contributes to the useful capacity itself.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

1010

2020th

2525th

3030th

Claims

Claim:

Galvanic primary element with alkaline electrolyte and an air electrode that has a Separator system with a negative electrode made of zinc powder in electrolytic connection and an expansion space assigned to the negative electrode within the cell housing, characterized in that the negative electrode is delimited from the expansion space by a zinc foil.