DE2936781A1

DE2936781A1 - Galvanisches element

Info

Publication number: DE2936781A1
Application number: DE19792936781
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Thomas 6239 Eppstein Kühl
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1979-09-12
Publication date: 1981-04-02
Also published as: JPS5645565A; GB2060985B; GB2060985A; US4327165A

Description

VARTA Batterie Aktiengesellschaft 3000 Hannover 21, Am Leineufer 51

Galvanisches Element

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit einem die aktiven Bestandteile enthaltenden rotationssymmetrischen Gehäuse, welches zwischen Becherteil und Deckelteil dicht verschlossen ist. Insbesondere fallen Rund- und Knopfzellen in das Gebiet der Erfindung.

Zellen dieses Typs bestehen durchweg aus zwei Gehäuseteilen: aus dem Gehäusebecher mit dem eigentlichen, elektrochemisch aktiven Inhalt der Zelle und aus dem Gehäusedeckel. Beide sind entlang einer beide Gehäuseteile verbindenden umlaufenden Kunststoffdichtung durch Bördeln dicht verschlossen» Die Bördelung stellt den letzten Arbeitsschritt bei der Zellenfertigung dar. Gelegentlich kann das Abdichten der Zelle auch durch Einsacken der ineinandergefügten Gehäuseteile oder ähnliches geschehen*

Mit dem Verbördeln haben alle auf einem Pressungsdruck in der Dichtzone beruhenden Maßnahmen gemeinsam, daß nach Beendigung der Bördelung Rückfederungen auftreten, die als Reaktion auf die Wegnahme des äusseren Pressdrucks unvermeidbar sind. Sie erklären sich dadurch, daß eine z.B. im Gehäusebecher erzeugte Druckspannung über Dehnungen in Zugspannungen umgewandelt werden muß. Außerdem ist das konventionelle Bördelverfahren durch Volumenverdrängungseffekte, wobei sich in der Dichtungs-

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zone ein quasi hydrostatischer Druck aufbaut, sehr toleranzempfindlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für galvanische Elemente mit rotationssymmetrisehen Gehäuseteilen ein Verschlußprinzip anzugeben, bei dem ein durch kraftumwandelnde Folgevorgänge bedingtes Nachlassen des Schließungsdrucks weitgehend vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Becherteil und Deckelteil durch eine durch thermische Ausdehnung erzeugte Schrumpfspannung dicht verbunden sind.

Als Gehäusematerial sind hochduktile Metalle mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizient besonders geeignet, beispielsweise Kupfer-Beryllium-Legierungen, Eisen, Messing, Nickel-Eisen-Legierungen,

Die Aufschrumpfung des einen Gehäuseteils auf das andere wird nun durch eine vorhergehende Erhitzung des Bechers auf beispielsweise 65⁰C und eine Unterkühlung des Deckels auf beispielsweise -35°C ausgelöst, in welchem Zustand sich die Teile in radialer Richtung gerade berühren« Die Wahl der Temperaturen ist nur insoweit begrenzt, als die bereits eingebauten Elektroden und das Separatormaterial keinen Schaden erleiden dürfen<

Die Verschlußoperation muß so schnell erfolgen, daß das Dichtungsmaterial, welches in einem der Gehäuseteile angebracht ist, seine vorherige Temperatur im wesentlichen beibehält bzw. seine Temperatur nicht wesentlich erhöht oder erniedrigt.

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Es ist ebenso möglich, jeweils lediglich ein Gehäuseteil zu erwärmen oder abzukühlen, das andere Gehäuseteil jedoch bei Umgebungstemperatur zu belassen und die Teile dann zusammenzufügen. Das Gehäuseteil, welches mit der Dichtung versehen ist, wird zweckmäßigerweise bei Umgebungstemperatur gehalten.

Auf ein separates Dichtungsbauteil kann bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element verzichtet werden. Es ist jedoch vorteilhaft, den Rand des Deckels und die Innenseite des Bechers im Dichtungsbereich, wenigstens aber eines von beiden, mit einer Dichtungsmasse dünn zu bestreichen, weil dieses Dichtungsmaterial wegen seines scnlechten Wärmeleitkoeifizxenten einen Temperaturaustausch zwischen den Gehäuseteilen verhindert. Das Dichtungsmaterial selbst soll annähernd Umgebungstemperatur beibehalten. Durch Verzicht auf ein besonderes Dichtungsbauteil wird im übrigen eine bessere Ausnutzung des Innenvolumens erzielt. Die Dicke einer solchen Dichtungsschicht liegt bei 0,1 - 0,2 mm.

Als Werkzeug zum Herstellen eines galvanischen Elements mit erfindungsgemäG durch Schrumpfspannung dichtend verbundenen Gehäuseteilen dient eine Vorrichtung, wie sie auch zum konventionellen Verbördeln benutzt wird, jedoch dadurch modifiziert, daß Bördelstein und Oberstempel beheizbar, der Unterstempel oder Auswerfer dagegen kühlbar eingerichtet sind. Von der konventionellen Bördeltechnik wird hierbei insoweit Gebrauch gemacht, als sichergestellt wird, daß die zu verbindenden Gehäuseteile jene Positionierung, bei der sie sich gerade in radialer Richtung berühren oder sogar unter einer gewissen Anfangspressung stehen, auch eingenommen haben.

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Figur 1 zeigt schematisch die Vorrichtung zum Herstellen erfindungsgemäßer galvanischer Elemente in den Arbeitsstellungen a und b.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element im Schnitt.

Bei Arbeitsstellung a (Figur 1) ist die fertig montierte und auch mit Elektrolyt gefüllte Zelle 1 im Werkzeug, bestehend aus Bördelstein 2, Oberstempel 3 und Unterstempel (Auswerfer) 4, so eingelegt, daß der Deckel 5 auf dem gekühlten Unterstempel aufliegt und ungefähr dessen Temperatur (-δ») annimmt.

Beim Abfahren des Oberstempels wird der Zellenbecher 6 durch die Berührung mit dem beheizten Bördelstein 2 und dem Oberstempel auf annähernd deren Temperatur (+ ^) erhitzt. In Arbeitsstellung b ist der Zustand der thermischen Verbördelung erreicht. Nach dem Auswerfen stellt sich als Folge des Temperaturausgleich durch Schrumpfen des Bechers wie auch durch radiales Dehnen des unterkühlten Deckels die erfindungsgemäße dichte Verbindung zwischen den Gehäuseteilen ein.

Das erfindungsgemäß abgedichtete galvanische Element 1 nach Figur 2 ist beispielsweise eine AgO/Zn-Knopfzelle mit der positiven AgO-Elektrode 7 und der negativen Zn-Elektrode 8, zwischen denen sich der Separator 9 sowie ein Elektrolytquellblatt 10 befinden. Die Innenbeschichtung 11 des Bechers 6 mit Polytetrafluorethylen und der Kontaktring 12 entsprechen üblichen Zellausführungen, während die sonst vorhandene Kunststoffdich-

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tung hier durch einen schmalen Isolierstreifen 13 aus einer Dichtmasse ersetzt ist.

Zur Abschätzung der bei der Schrumpfung auftretenden Kräfte wird folgendes Beispiel gegeben und diesem das idealisierte Modell zweier ineinandersteckender dünner Rohre zugrundegelegt, so daß sich Uafangsspannungen ergeben.

Die Rohre bzw. Gehäuse teile mögen z.B. aus Stahl, oder Nickel mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 13,0 χ 10"⁶/°K bestehen.

Bei einer Temperaturdifferenz von z.B. Λι9~ 100⁰K ergibt sich eine relative Dehnung von 100 χ 13 χ 10 = 1,3 x 10 . Pro Teil bedeutet dies eine relative Dehnung von 0,5 x 1,3 x 10" , die einer Spannung in umfang sr ichtung von annähernd S₊ =fxE = 0,5 χ 1,3 x

■x 2

x 20 χ 10^J = 13 kp/mm entspricht, wenn ein Klastizitätsmodul E von 20 χ 10 kp/mm angenommen wird,

Wie dr.E Beispiels zeigt, können die Metallteile durch die im Bördelwerkzeug einstellbaren Temperature!) f terenzen bis an die Grenze ihrer elastischen Eigenschaften belastet werden.

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ORIGINAL INSPECTED

e e r s e i t e

Claims

Reg.-Nr. 6 FP 340-DT Kelkheim, den S.September

EAP-Dr.Ns/sd

VARTA Batterie Aktiengesellschaft 3000 Hannover 21, Am Leineufer 51

Patentansprüche

1/. Galvanisches Element mit einem die aktiven Bestandteile enthaltenden dicht verschlossenen, rotationssymmetrischen Gehäuse aus einem Becherteil und einem Deckelteil, dadurch gekennzeichnet, daß Becherteil (6) und Deckelteil (5) durch eine durch thermische Ausdehnung erzeugte Schrumpfspannung dicht verbunden sind.
2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (5*6) aus einem hochduktilen Material mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.
3. Galvanisches Element nach den Ansprüchen ι und 2_} dadurch gekennzeichnet, daß das Deckelteil (5) und/oder die Innenseite des Becherteils (6) im Dichtungsbereich mit einer dünnen Schicht einer Dichtungsmasse versehen sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements mit einem die aktiven Bestandteile enthaltenden, dicht verschlossenen rotationssymmetrischen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammenfügen eines der Gehäuseteile auf eine vorgegebene Temperaturdifferenz gegenüber dem anderen Gehäuseteil gebracht wird und daß beide Gehäuseteile in diesem Zustand miteinander vereinigt werden.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuseteil (5,6) mit einem Dichtungsmaterial versehen ist und daß dieses Gehäuseteil annähernd auf Umgebungstemperatur gehalten wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bördeleinrichtung ist, deren Bördelstein (2) und Oberstempel (3) beheizbar sind, während der Unterstempel oder Auswerfer (4) kühlbar ist.

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