DE3017272A1 - Hermetische dichtung fuer eine elektrochemische zelle - Google Patents

Hermetische dichtung fuer eine elektrochemische zelle

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DE3017272A1 DE19803017272 DE3017272A DE3017272A1 DE 3017272 A1 DE3017272 A1 DE 3017272A1 DE 19803017272 DE19803017272 DE 19803017272 DE 3017272 A DE3017272 A DE 3017272A DE 3017272 A1 DE3017272 A1 DE 3017272A1
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Description

Dipl. Phys. Or. rer. nat. Wolfgang .h.empe . Q f) 1 7 ? 7 2
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Telex 462 411-112
462411-112 bb d
3. Mai 1980 Mc 32
DURACELL INTERNATIONAL INC. Bethel, Connecticut 06801 V.St.A.
"Hermetische Dichtung für eine elektrochemische Zelle"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung zum hermetischen Verschließen des Gehäuses einer elektrochemischen Zelle, bei der ein erstes metallisches Bauteil gegen ein zweites metallisches Bauteil durch ein Glasbauteil abgedichtet und elektrisch isoliert ist, insbesondere auf eine Dichtung für solche Zellen, die einen nichtwässrigen Elektrolyten enthalten.
Mit dem Auftreten von nichtwässrigen Zellen mit hoher Energiedichte, die im allgemeinen korrosive Komponenten wie Lithiumelektroden, Schwefeldioxyd- und Thionylchlorid-Depolarisatoren und verschiedenartige reaktive organische Elektrolytlösungen
Konten: Deutsche Bank MannhWnV3S/e9iS3e> »■ «tafcttfttfkasse Mannhelm 7496 336 Privatanschrift: 694Ο Welnhelm · HolbelnstraSe S · Fernsprecher CO 62 OD 7 32 12
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enthalten, wurde die hermetische Abdichtung dieser Zellen außerordentlich wichtig. Eine der.am meisten verwendeten Dichtungen dieser Art in Zellen mit nichtwässrigen Elektrolyten ist die Glas-Metall-Dichtung, die ein äußeres .ösenförmiges metallisches Bauteil aufweist, das einen zentralen metallischen Stab oder Röhrchen umgibt und die beide durch ein Glasbauteil abdichtend miteinander verbunden sind. Der als "Durchführung" bekannte zentrale metallische Stab oder Röhrchen dient im allgemeinen als einer der beiden elektrischen Anschlüsse für die Zelle, während die äußere metallische Öse die entgegengesetzte Polarität hat und durch das Glasbauteil elektrisch isoliert ist.
Im Handel erhältliche Glas-Metall-Dichtungen weisen im allgemeinen äußere metallische Ösen aus Stahl, Glasbauteile aus Borsilikat und Durchführungen aus Eisen-Nickel-Legierungen auf. Obwohl derartige Glas-Metall-Dichtungen relativ billig sind, wurden sie im allgemeinen zum Abdichten von hochenergiedichten Zellen mit nichtwässrigen Elektrilyten nicht verwendet, weil die Komponenten derartiger Zellen chemisch mit der Eisen-Nickel-Legierung reagieren.
Infolgedessen ist für derartige Glas-Metall-Dichtungen die Verwendung von Metallen wie korrosionsbeständiges Titan, Tantal, Molybdän oder dergleichen als Durchführung erforderlich. Die Verwendung derartiger Metalle erhöht jedoch die Herstellungskosten der Zelle, und zwar sowohl wegen der höheren Materialkosten als auch der höheren Bearbeitungskosten dieser Metalle. Deshalb sind die Glas-Metall-Dichtungen bei nichtwässrigen Zellen im allgemeinen die teuersten Teile des Zellengehäuses.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Handel erhältlichen Glas-Metall-Dichtungen, deren metallische Bauteile mit den Zellenkomponenten unverträglich sind, so zu
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verbessern, daß sie auch in elektrochemischen Zellen, insbesondere solchen mit nichtwässrigen Elektrolyten, verwendbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite metallische Bauteil mit einem dritten metallischen Bauteil mechanisch und elektrisch verbunden ist, das chemisch mit den Komponenten der Zelle kompatibel und elektrisch mit einer Elektrode der Zelle verbunden ist, und daß die Dichtung weiterhin Mittel aufweist, die im wesentlichen alle diejenigen Oberflächen des zweiten.· metallischen Bauteiles abdichtend umschließen, die in das Innere des Gehäuses ragen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
Fig. .1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glas-Metall-Dichtung mit einem Teil eines Gehäuses einer elektrochemischen Zelle, das durch die Dichtung verschlossen wird;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine Glas-Metall-Dichtung 20 in einem kreisförmigen Loch in einem Metalldeckel 14 einer elektrο-chemischen Zelle 10. Das Gehäuse der Zelle 10 besteht aus einem Metallbecher 12, der an seinem oberen Umfang mit dem Deckel 14 verschweißt ist. Die Glas-Metall-Dichtung 20 ist mit dem Rand des kreisförmigen Loches im Deckel 14 verschweißt, so j.daß sie die Zelle 10 hermetisch verschließt.
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Die Dichtung 20 weist eine äußere Metallöse 24 auf, von der ein Flanschteil den Rand des Loches im Deckel 14 überlappt. Im Bereich der Überlappung sind beide Metallteile miteinander verschweißt. Konzentrisch innerhalb der Öse 24 ist ein Metallstab oder eine Durchführung 22 angeordnet. Ein Glasbauteil zwischen der Metallöse 24 und dem Metallstab 22 hält den Metallstab in seiner Lage, isoliert den Metallstab elektisch von der Metallöse und dichtet die Zelle, in deren Gehäuse die Dichtung eingesetzt ist, hermetisch ab. Der Metallstab 22 erstreckt sich über die untere Fläche des Glasbauteiles 23 hinaus in das Innere der Zeile 10 und dient als elektrische Verbindung zu einer der Zellenelektroden. Er würde normalerweise dem korrosiven Kontakt mit den Zellenkomponenten ausgesetzt sein. Um derartige Korrosionen und das dadurch möglicherweise verursachte Leckwerden der Dichtung zu verhindern, ist das untere Endstück des Metallstabes 22 durch eine Metallkappe 28 abgedeckt, die aus einem mit. den Zellenkomponenten im wesentlichen inerten Metall besteht. Eine Bohrung 25 in der Metallkappe 28 ist so bemessen, daß das Endstück des Metallstabes 22 bequem eingedrückt werden kann, so daß man eine dauerhafte mechanische und elektrische Verbindung erhält. Um den Metallstab vollständig gegen die korrosiven Komponenten der Zelle zu isolieren, sind di~ diesen Komponenten ausgesetzten Oberflächen des Metallstabes 22 mit einem inerten abdichtanden Werkstoff 26 umgeben und abgedichtet» Der Werkstoff 25 dichtet zusätzlich die untere Fläche des Glasbauteiles 23 ab, der den Metallstab 22 umschließt, und überlappt die Verbindungszone zwischen dem Metallstab und der Metallkappe 28, so daß eine vollständige Abdichtung und Isolierung des Metallstabes 22 von den Zellenkomponenten sichergestellt ist. Der Werkstoff 26 bedeckt die Metallkappe 28 jedoch nicht vollständig, da die polymeren Werkstoffe, die gewöhnlich als . abdichtender Werkstoff verwandt werden, im allgemeinen isolierend wirken und die Metallkappe 28 elektrisch mit einer
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der Zellenelektroden verbunden werden soll, so daß der Metallstab 22 als Anschlußelektrode für die Zelle 10 dienen kann. Der abdichtende Werkstoff 26 sollte im wesentlichen inert gegen die korrosiven Materialien in der Zelle 10 und außerdem genügend elastisch sein, um Unterschiede in der Ausdehnung oder der Zusammenziehung der Metallkappe 28, des Metallstabes 22 und des Glasbauteiles 23 zu kompensieren. Beispiele für derartige inerte Werkstoffe sind die Polyolefine wie Polyäthylen und Polypropylen und polymere halogenierte Kohlenwasserstoffe.
Geeignete polymere halogenierte Kohlenwasserstoffe für die Verwendung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind solche mit der folgenden sich wiederholenden chemischen Baugruppe: „
worin η eine ganze Zahl = 2 und X Substituenten darstellt, von denen in jeder sich wiederholenden Baugruppe ein bestimmter Anteil Fluor ist und wenigstens einer ein anderer als Fluor. Mit "bestimmter Anteil" ist gemeint, daß wenigstens 50% der Substituenten Fluor ist, wenn nur ein anderer Typ von Substituenten gegenwärtig ist, und daß in allen anderen Fällen der Anteil von Fluor größer ist als derjenige irgendeines anderen gegenwärtigen Substituenten. Diese polyhalogenierten Kohlenwasserstoffe sind gewöhnlich inert gegen die korrosiven Komponenten in der elektrochemischen Zelle und haben anhaftende Eigenschaften.
Diejenigen Substituenten, die nicht Fluor sind, sind vorzugsweise aus der Gruppe von Chlor, Brom, Wasserstoff, -RY"m> -ORY und Mischungen hiervon ausgewählt, worin Y ein Halogen oder Wasserstoff oder Mischungen hiervon, R eine Kette mit
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1 bis 6 Kohlenstoffatomen und m die notwendige Anzahl von Wasserstoff- und/oder Halogenatomen bedeuten, die für die Vervollständigung der Kette erforderlich sind. Geeignete polymere polyhalogenierte Kohlenwasserstoffe für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung sind die Copolymere von fluoriniertem Äthylen und Propylen, von denen eines unter der Bezeichnung "Teflon FEP" von E.I. DuPont de Nemours und Co. im Handel erhältlich ist; Copolymere von Äthylen und Tetrafluoräthylen .'unter der Bezeichnung "TEFZEL" von E.I. DuPont de Nemours und Co. im Handel erhältlich; Chlortrifluoräthylenharze wie "KEL-F" von 3M Coi oder "Plaskon" von Allied Chemical Corp.; die Copolymere von Äthylen und Chlortrifluoräthylen, von denen eines unter der Bezeichnung "HALAR" von Allied Chemical Corp. im Handel erhältlich ist; Polymere mit einem Fluorkohlenstoffskelett und einer Perfluoralkoxyseitenkette, von denen eines unter der Bezeichnung "TEFLON PFA" von E.I. DuPont de Nemours und Co. im Handel erhältlich ist; und Homopolymere von Vinylidenfluorid, von denen eines unter der Bezeichnung "KYNAR" von Penwalt Corp. im Handel ist.
Andere als die oben zitierten polymeren polyhalogenierten Kohlenwasserstoffe wie Polytetrafluoräthylen sind nicht verwendbar, weil sie beim Erhitzen nicht gut fließen, da sie eine sehr hohe Schmelzviskosität haben, und nicht in der gewünschten Weise haften, schon garnicht an Metall- und Glasflächen«
Falls es gewünscht ist, daß die Metalldurchführung der Glas-Metall-Dichtung ein Röhrchen ist, um einen flüssigen Elektrolyten in die Zelle einzufüllen, kann das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verwendet werden. Anstelle des Metallstabes 22 im ersten Ausführungsbeispiel ist die Durchführung ein Metallröhrchen 32. Ein zweites Metallröhrchen 38 mit kleinerem Durchmesser istriias Metallröhrchen 32 eingesetzt und erstreckt sich
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über das untere Endstück des Metallröhrchens 32 hinaus in das Innere der Zelle. Das zweite Metallröhrchen 38 ist aus einem Metall, das im wesentlichen inert gegen die Komponenten der Zelle ist. Beide Metallröhrchen 32 und 38 sind durch ein Hartlot 35, beispielsweise eine Kupfer- Zink-Legierung, mechanisch und elektrisch miteinander abdichtend verbunden. Ein inerter Dichtungswerkstoff 36 umschließt die ins Innere der Zelle weisende Oberfläche des Metallröhrchens 32, bedeckt den größten Teil des Glasbauteiles 33 der Glas-Metall-Dichtung und überlappt die Lötverbindung zwischen den beiden Metallröhrchen 32 und 38.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei welchem anstelle der Metallkappe 28 im ersten Ausführungsbeispiel und dem verlöteten Metallröhrchen 38 im zweiten Ausführungsbeispiel ein Stift 48 mit einem flachen Kopf 49 am Boden eines Stabes oder einer Durchführung 42 angeschweißt ist, so daß sich sowohl eine mechanisch als auch elektrisch stabile Verbindung ergibt. Der Stift 48 besteht aus einem Metall, das im wesentlichen inert wen die Komponenten der Zelle ist. Er wird danach mit einer der beiden Elektroden der Zelle verbunden, so daß die Durchführung 42 als Anschlußklemme der Zelle dienen kann. Der abdichtende Werkstoff 46 überlappt die Schweißzone zwischen der Durchführung 42 und dem Kopf 49 des Stiftes 48 und isoliert entweder den Kopf 49, wie in der Zeichnung dargestellt, oder den Stift 48 und wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die in das Innere der Zelle weisenden Flächender Durchführung 42 und des Glasbau-, teiles 43 der Glas-Metall-Dichtung 40.
Die im Handel erhältlichen Glas-Metall-Dichtungen in Form einer äußeren Metallöse mit einer Metalldurchführung in der Mitte und einer Glasschmelze dazwischen besitzen im allgemeinen eine Stahlöse, die kompatibel mit den korrosiven Komponenten
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der Zelle ist, wenn sie auf negativem Potential gehalten wird. Das Glas dieser bekannten Dichtungen ist ein Borsilikatglas mit größeren Anteilen an SiIi ζ iumdioxyd und Boroxyd und hat einen Ausdehnungskoeffizienten, der in geeigneter Weise denjenigen der Metalle der Öse und der Durchführung entspricht, um entweder eine Kompressions- oder eine Expansionsdichtung zu ergeben. Wie bereits erwähnt, besteht bei diesen bekannten Dichtungen jedoch die zentrale Durchführung aus einer Eisen-Nickel-Legierung, die unverträglich mit den Komponenten der elektrochemischen Zelle ist.
Sollte die Polarität der Zelle gewechselt werden, so daß auch für die äußere Metallöse aus Stahl kOrrosionsgefahr besteht, so kann der abdichtende Werkstoff 26 bzw. 36 bzw. 46 soweit erstreckt werden, daß er auch diese äußere Metallöse bedeckt. In diesem Fall reicht der abdichtende Werkstoff bis zu demjenigen Teil des Deckels 14, der die Metallöse 24 bzw. 34 bzw. 44 umfangsmäßig umgibt. Wenn nur die äußere Metallöse unverträglich mit den Komponenten der Zelle ist, dient das Gehäuse selbst als kompatible Verbindung zur Zellenelektrode. Der abdichtende Werkstoff bedeckt in einem derartigen Ausführungsbeispiel die äußere Metallöse und die benachbarten Zonen des Glases und des Gehäuses.
Das am meisten bevorzugte Metall für diejenigen Metallbauteile, die dem Angriff der Komponenten in der Zelle widerstehen müssen und das korrosive Metall der Durchführung oder der äußeren Öse bedecken, um eine elektrische Verbindung zwischen diesen und einer der Elektroden der Zelle herzustellen und gegen den Abbau durch die aggressiven Komponenten der Zelle zu schützen, ist Aluminium wegen seines geringen Preises. Es können jedoch auch andere nichtkorrodierbare Metalle wie
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Tantal, Titan, Molybdän, Wolfram und dergleichen verwendet werden.
Die Auftragung des abdichtenden Werkstoffes auf die Metall- und Glasoberflächen kann auf unterschiedliche Weise bewirkt werden, beispielsweise bei Polyäthylen oder Polypropylen als Vorformling oder als eine Suspension von pulvrigem Polyäthylen oder Polypropylen in einem Lösungsmittel wie beispielsweise Xylol. Nach dem Auftragen des abdichtenden Werkstoffes auf die Metall- und Glasoberflache wird der Werkstoff für kurze Zeit erhitzt, um ihn an die Metall- und Glasoberflache zu binden. Für Polyäthylen oder Polypropylen ist eine Erwärmung auf ca. 150° C ca. 30 Minuten lang ausreichend. Andere Auftragungsverfahren, insbesondere für polymere Fluorkohlenstoff-Dichtungsmittel sind in der US-PS 4 110 518 beschrieben.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise. Änderungen im Aufbau der Dichtung oder in der Auswahl der Werkstoffe können deshalb durchgeführt werden, ohne daß dadurch der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.
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Claims (1)

  1. 3. Mai 1980 Mc 32
    Ansprüche
    Iy Dichtung zum hermetischen Verschließen des Gehäuses einer elektrochemischen Zelle,' bei der ein erstes metallisches Bauteil gegen ein zweites metallisches Bauteil durch ein Glasbauteil abgedichtet und elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Bauteil mit einem dritten metallischen Bauteil mechanisch und elektrisch verbunden ist, das chemisch mit den Komponenten der Zelle (10) kompatibel und elektrisch mit einer Elektrode der Zelle verbunden ist, und daß die Dichtung (20,30,AO) weiterhin Mittel (26,36, 46) aufweist, die im v/esentlichen alle diejenigen Oberflächen des zv/eiten metallischen Bauteiles abdichtend umschließen, die in das Innere des Gehäuses ragen.
    2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Bauteil die Form einer Öse (24,34,44) besitzt und daß das dritte metallische Bauteil ein Teil des Gehäuses der Zelle (10) ist.
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    3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste metallische Bauteil ein Metallstab oder -Röhrchen (22,32,42) ist, der bzw. das konzentrisch in der Öse (24, 34,44) angeordnet ist.
    4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste metallische Bauteil die Form einer Öse (24,34»44) besitzt.
    5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Bauteil ein Metallstab oder -Röhrchen (22,32,42) ist, der bzw. das konzentrisch in der Öse (24, 34,44) angeordnet ist.
    6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte metallische Bauteil eine Metallkappe (28) auf dem in das Innere der Zelle (10) weisenden Endstück des Metallstabes (22) ist. '
    7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkappe (28) und der Metallstab (22) durch Stauchung oder Rundhämmerri mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
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    8. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte metallische Bauteil ein Nagel (48) ist.
    9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Nagel (48) an das ins Innere der Zelle (10) weisende Endstück des Metallstabes (42) angeschweißt oder hartgelötet ist.
    10. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite metallische Bauteil ein Röhrchen (32) ist und daß das dritte metallische Bauteil (38) in dieses Röhrchen paßt und mechanisch und elektrisch mit der Innen\»/andung des Röhrchens verbunden ist.
    11. Dichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte metallische Bauteil (38) ebenfalls ein Röhrchen ist, das einen kleineren Durchmesser als das das zweite metallische Bauteil darstellende Röhrchen (32) hat.
    12. Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte metallische Bauteil (32 und 38) durch Hartlötung mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
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    13. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abdichten (26,36,46) einen Werkstoff aus der Gruppe der Polyolefine und polymeren halogenierten Kohlenwasserstoffe aufweisen.
    14. Dichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Y/erkstoff aus Polyäthylen, Polypropylen und Copolymeren von Äthylen und Chlortrifluoräthylen ausgewählt ist.
    15» Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtungsmittel (26,36,46) auch die Verbindung zwischen dem zweiten und dem dritten metallischen Bauteil abdichtend umschließt.
    16. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtungsmittel (26,36,46) auch das dem zweiten metallischen Bauteil benachbarte Teilstück des Glasbauteiles (23,33,43) abdichtend umschließt.
    17. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte metallische Bauteil aus Aluminium, Tantal, Titan, Molybdän oder Wolfram ist.
    18. Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem Gehäuse für eine elektrochemische Zelle
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    mit einer negativen Lithiumelektrode.
    19. Dichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle (10) einen Depolarisator enthält, der aus Schwefeldioxyd und Thionylchlorid ausgewählt ist.
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