DE3022907C2 - Knopfzelle mit drei elektroden - Google Patents
Knopfzelle mit drei elektrodenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Knopfzelle mit drei Elektroden, in welcher eine Elektrode der einen
Polarität durch Separatoren getrennt zwischen zwei Elektroden der anderen Polarität angeordnet ist.
Gemäß einem älteren Vorschlag nach der DE-OS 07 383 umfaßt eine Knopfzelle ein Paar Elektroden
der einen Polarität und ein Paar Elektroden mit der anderen Polarität, die über Separatoren voneinander
getrennt sind. In einer der Elektroden mit der anderen Polarität ist eine zentrale Bohrung ausgebildet, die sich
auch durch zwei Trennschichten benachbart zu dieser Elektrode erstreckt. In dieser zentralen Bohrung ist ein
elektrisches Kontaktteil isoliert angeordnet, wobei dieses elektrische Kontaktteil über eine Pressverbindung
den elektrischen Kontakt zwischen dem Elektrodenpaar der einen Polarität herstellt.
Aus der DE-AN ρ 39 477 lVa/21bD ist eine Elektrode für Primär- oder Sekundärelemente bekannt, bei der die
elektrochemisch aktive Substanz in ein feinporiges Trägergerüst eingelagert ist. Ein wesentliches Merkmal
dieser bekannten Elektrode besteht darin, daß sie mit einer dem Stromführungsorgan wie beispielsweise
einen Draht oder Metallstab querschnittsgleichen Durchbrechung bzw. Befestigungsloch und mit einer
Durchbrechung von größeren Querschnitt versehen ist Bei dieser bekannten Konstruktion sind je mit einem
"> Durchgangsloch und einem Befestigungsloch versehene
Elektroden mittels zweier die Durchgangs- und die Befestigungslöcher durchdringender Stromführungsorgane
derart zusammengehalten, daß jeweils die Elektroden einer Polarität mit dem Stromführungsorgan
in den Befestigungslöchern leitend verbunden und gegen die gegenpoligen Elektroden und gegen das die
Durchgangslöcher durchdringende Stromführungsorgan isoliert ist. Das Stromführungsorgan besteht aus
einem Metallstab, der aus dem Batteriegehäuse isoliert herausgeführt ist. Eine ähnliche Konstruktion ist auch
aus der US-PS 4 78 485 bekannt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Knopfzelle mit drei Elektroden der eingangs
definierten Art derart zu verbessern, daß bei sehr gedrängter Bauweise der Knopfzelle die Reaktionsfläche
der Elektrodenplatte mit der einen Polarität vergrößert und dadurch der Ausnützungskoeffizient der
Elektrodenplatte verbessert wird.
Ausgehend von der Knopfzelle der eingangs genann-
Ausgehend von der Knopfzelle der eingangs genann-
2*5 ten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Decke! mit einer Isolierschicht versehen ist, und daß ein Kontaktteil durch mittige Bohrungen in
der Isolierschicht, in der darunterliegenden Elektrodenplatte und der Separatorschicht isoliert hindurchragt
■M und die mittige Elektrode mit dem Deckel elektrisch
verbindet und daß die untere Elektrodenplatte mit der oberen Elektrodenplatte und der Innenfläche des
Gehäuses über einen Kollektor verbunden ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiteres bildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen 2 bis 6.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Knopfzelle,
F i g. 2 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung von Einzelteilen der Knopfzelle nach
Fig. 1,
4~' Fig.3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform
der Knopfzelle,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung von Teilen der Knopfzelle nach Fig. 1, gesehen von unten,
Fig.5 einen Querschnitt durch eine dritte Ausfüh-
r>" rungsform der Knopfzelle,
Fi g. 6 eine perspektivische Ansicht von Teilen der in
F i g. 5 dargestellten Knopfzelle,
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform
der Knopfzelle,
Fi g. 8 eine perspektivische Darstellung mit teilweise
weggebrochenen Teilen eines Teils der Knopfzelle gemäß F i g. 7, gesehen von unten, und
Fig.9 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform
der Knopfzelle.
b0 In den F i g. 1 bis 9 werden gleiche Teile durch gleiche
Bezugszeichen bezeichnet.
Die Beschreibung geht anschließend auf eine erste Ausführungsform unter Bezugnahme auf F i g. 1 ein.
Eine Elektrodenplatte 1 einer Polarität, die eine
Eine Elektrodenplatte 1 einer Polarität, die eine
Ι|Γ>
negative Elektrode der Knopfzelle darstellt, ist aus einer gewalzten Lithiumplatte aus aktivem Werkstoff gebildet
und befindet sich in der Mitte der Knopfzelle. Eine erste Elektrodenplane 3 der anderen Polarität ist unter
Zwischenschaltung eines ersten Separators 2 neben der Elektrodenplatte 1 der einen Polarität angeordnet, und
eine zweite Elektrodenplatte 5 der anderen Polarität ist unter Zwischenschaltung eines zweiten Separators 4
unter der Elektrodenplatte 1 der einen Polarität ϊ
angeordnet Diese Elektrodenplatten 3 und 5 der anderen Polarität stellen die positiven Elektrodenplatten
der Knopfzelle dar und sind unter Verwendung von Mangandioxid als aktivem Werkstoff hergestellt.
Eine Isolierschicht 7 ist unterhalb der Innenfläche eines Decke's 6 einer Polarität angeordnet, der
gleichzeitig eine negative Anschlußelektrode bildet. Mittige Bohrungen sind in der Isolierschicht 7, der
ersten Elektrodenplatts 3 der anderen Polarität, dem ersten Separator 2 und der Elektrodenplatte 1 der einen ι·>
Polarität angeordnet und diese mittigen Bohrungen bilden einen Bohrungsabschnitt 8.
Gemäß F i g. 2 ist eine Anzahl von Bohrungen 10 in einer Kollektorplatte 9 vorhanden und ein Kontaktteil
12 mit einem an seinem unteren Ende befindlichen Flansch 11 ist in eine mittige Bohrung 13 in der
Kollektorplatte 9 eingesetzt, so daß das Kontaktteil 12 mit der Kollektorplatte 9 eine Baueinheit bildet. Ein
Isolierzylinder 14 zur Verhinderung eines Kurzschlusses ist am Außenumfang des Kontaktteils 12 aufgesetzt. Die -'ϊ
Kollektorplatte 9 liegt unterhalb der Elektrodenplatte'l einer Polarität in Anlage mit derselben und das
Kontaktteil 12 ist in den Bohrungsabschnitt 8 eingesetzt. Das Kontaktteil 12 steht an seinem oberen Ende mit der
Innenfläche des Deckels 6 einer Polarität in Anlage und m ist somit elektrisch damit verbunden. Das untere Ende
des Kontaktteils 12 ist elektrisch mit der Elektrodenplatte 1 einer Polarität über die Kollektorplatte 9
verbunden. Somit liegt die Kollektorplatte 9 zwischen der Elektrodenplatte einer Polarität 1 und dem zweiten Ji
Separator 4.
Eine Kollektorplatte 17 mit einer Anzahl Bohrungen 16 ist an der Innenfläche eines äußeren Gehäuses 15 der
anderen Polarität angeordnet, das gleichzeitig eine positive Anschlubelektrode bildet. Die Oberseite der
Kollektorplatte 17 gelangt in Anlage mit der zweiten Elektrodenplatte der anderen Polarität. Ein Kollektor
18 erstreckt sich von der Seite der ersten Elektrodenplatte 3 der anderen Polarität weg. Das Ende des
Kollektors 18 wird von der Unterseite der zweiten Elektrodenplalte 5 der anderen Polarität und zwischen
dieser und der Innenfläche des äußeren Gehäuses der anderen Polarität 15 gehalten. Somit werden die erste
und die zweite Elektrodenplatte 3, 5 der anderen Polarität elektrisch mit dem äußeren Gehäuse der w
anderen Polarität 15 verbunden.
Der Umfang des Deckels 6 einer Polarität ist mit der isolierenden Dichtung 19 verbunden. Der Umfangsrand
20 des äußeren Gehäuses 15 der anderen Polarität ist auf die Oberseite der isolierenden Dichtung 19 r->r>
umgebogen. Somit wird der Deckel 6 einer Polarität mit dem äußeren Gehäuse 15 der anderen Polarität über die
isolierende Dichtung 19 verbunden.
Wie vorausgehend in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, sind die Elektro- μ
denplatten 3, 5 der anderen Polarität an und unter der Elektrodenplatte 1 der einen Polarität angeordnet.
Daher wird, verglichen mit einer üblichen Zelle, bei welcher eine Elektrodenplatte einer Polarität und eine
Elektrodenplatte der anderen Polarität abwechselnd «>5
aufeinanderliegen, die Reaktionsfläche der Elektrodenplatte mit der einen Polarität erfindungsgemäß vergrößert,
wodurch der Ausnützungskoeffizient der Elektrode vergrößert wird, somit das Beiriebsverhalten der
Zelle verbessert werden kann.
Im besonderen Fall der Mangandioxid-Lithium-Zelle, bei welcher eine negative Elektrodenplatte mit Lithiummetaliplanen
als aktivem Werkstoff ausgebildet ist und als Elektrodenplatte einer Polarität verwendet wird und
eine mit Mangandioxid als aktivem Werkstoff gefertigte Elektrodenplatte für die Elektrodenplatte der anderen
Polarität verwendet wird, diffundiert Lei der Entladungsreaktion
Lithium der negativen Elektroden in ein Mangandioxidkristall der positiven Elektrodenplatte.
Daher kann bei stärkerer Entladung sich die Stärke einer jeden positiven Elektrodenplatte leicht vergrößern.
Tritt eine derartige Stärkenvergrößerung ein, so wird der Diffusionswiderstand ebenfalls erhöht, so daß
der Ausnützungskoeffizient der Elektrodenplatte erniedrigt wird.
Werden andererseits zwei positive Elektrodenplatten erfindungsgemäß verwendet, und wird die Stärke
derartiger positiver Elektrodenplatten auf die Hälfte verringert, so kann der vorausgehend erwähnte
Nachteil in Grenzen gehalten werden. Somit kann die Entladekennlinie verbessert werden und dami: das
Betriebsverhalten der Zelle.
Anschließend wird die Kollektoranordnung für die Elektrodenplatte 1 einer Polarität beschrieben, die
zwischen der ersten und zweiten Elektrodenplatte 3, 5 der anderen Polarität gehalten wird.
Das von der Elektrodenplatte 1 einer Polarität abstehende Kontaktteil 12 tritt durch die jeweilige
zentrale Bohrung in der Isolierschicht 7, die unterhalb der Innenfläche des Deckels 6 der einen Polarität liegt,
durch die erste Elektrodenplatte 3 der anderen Polarität und den ersten Separator 2 hindurch, wobei ein Ende
des Kontaktteils 12 elektrisch mit der Innenfläche des Deckels 6 der einen Polarität verbunden ist. Daher
reicht es für die Montage einer Knopfzelle aus, lediglich die jeweiligen Elektrodenplatten und Separatoren
aufeinanderfolgend übereinander zu legen, so daß der Zusammenbau sehr vereinfacht werden kann.
Die Beschreibung geht nunmehr auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Knopfzelle in
Verbindung mit F i g. 3 ein.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nach F i g. 1 in folgender
Hinsicht.
Wie aus Fig.4 hervorgeht, ist eine Isolierschicht 7,
die unterhalb der Innenfläche eines Deckels 6 einer Polarität liegt, einstückig mit einem Isolierzylinder 14
ausgebildet, der am Außenumfang des Kontaktteils 12 angeordnet ist. Der Isolierzylinder 14 ist einstückig mit
einem Rand der mittigen Bohrung in der Isolierschicht 7 ausgebildet. Die Isolierschicht 7 ist mit der Innenfläche
des Deckels 6 einer Polarität durch Klebstoff oder thermischen Auftrag verbunden.
Eine Elektrodenplatte 1 einer Polarität weist keine mittige Bohrung auf und eine Kollektorplatte 9 ist an
der Elektrodenplatte 1 einer Polarität angeordnet. Da bei dieser zweiten Ausführungsform die Isolierschicht 7
fest mit der Innenfläche des Deckels 6 einer Polarität verbunden ist, besteht keine Möglichkeit, daß die
Isolierschicht 7 in ihrer Lage verschoben wird.
Da ferner der Isolierzylinder 14 einstückig mit dem Rand der mittigen Bohrung in der Isolierschicht 7
ausgebildet ist und sich durch die mittige Bohrung in einer ersten Elektrodenplatte 3 der anderen Polarität
erstreckt und das von der Elektrodenplatte 1 einer Polarität wegragende Kontaktteil 12 in den Isolierzylin-
der 14 eingesetzt wird, ist es möglich, eine Anlage des Kontaktteils 12 an der ersten Elektrodenplatte 3 der
anderen Polarität sicher zu verhindern und damit das Auftreten eines inneren Kurzschlusses auszuschließen.
Die Beschreibung geht anschließend auf eine dritte Alisführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf
F i g. 5 ein.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nach F i g. 1 wie folgt.
Gemäß Fig. 6 ist ein elastisches Element 21 einstückig mit einer Kollektorplatte 17 ausgebildet, die
zwischen der Innenfläche eines äußeren Gehäuses 15 der anderen Polarität und einer zweiten Elektrodenplatte
5 der anderen Polarität liegt und die eine Anzahl von Bohrungen 16 aufweist. Das elastische Element 21 ist
derart ausgebildet, daß ein Teil der Kollektorplatte 17 teilweise ausgeschnitten und gegenüber dem übrigen
Teil angehoben ist. Das elastische Element 21 übt eine nach oben gerichtete Federbelastung auf die zweite
Elektrodenplatte 5 der anderen Polarität aus. Die Kollektorplatte 17 ist an der Innenfläche des äußeren
Gehäuses 15 der anderen Polarität durch Punktschweißen oder auf andere Weise befestigt.
Bei der Knopfzelle nach der dritten Ausführungsform wird ein Kontaktteil 12 durch die Federkraft des
elastischen Elements 21 der Kollektorplatte 17 nach oben belastet, unter Zwischenschaltung der zweiten
Elektrodenplatte 5 der anderen Polarität und eines zweiten Separators 4, so daß das obere Ende des
Kontaktteils 12 ständig gegen die Innenfläche eines äußeren Deckels 6 der anderen Polarität drückt. Somit
können das Kontaktteil 12 und der Deckel 6 mühelos elektrisch miteinander verbunden und befestigt werden,
indem lediglich die Eiektrodenplatlen und Separatoren nacheinander aufeinandergelegt werden, ohne daß ein
Punktschweißen erforderlich ist.
Die Erfindung wird anschließend in Verbindung mit einem vierten Ausführungsbeispiel einer Knopfzelle
unter Bezugnahme auf F i g. 7 beschrieben.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 in folgender
Hinsicht.
In einer Kollektorplatte 9 ist keine niittige Bohrung
vorgesehen und ein Kontaktteil 12 tritt nicht durch die Platte 9 hindurch. Nachdem ein Isolierzylinder 14 auf
das Kontaktteil 12 aufgesetzt wird, wird letzterer an seinem oberen Ende mit der Innenfläche eines Deckels 6
einer Polarität durch Punktschweißen gemäß Fig. 8 befestigt. Eine Isolierschicht 7. eine erste Elektrodenplatte der anderen Polarität 3 und ein erster Separator 2,
die jeweils eine mittige Bohrung aufweisen, werden aufeinanderfolgend auf das Kontaktteil !2 aufgesetzt.
Eine Elektrodenplatte 1 einer Polarität, die an ihrer Unterseite mit der darauf aufgebrachten Kollektorplatte
9 ausgestattet ist. wird anschließend an ihrer mittigen Bohrung auf das Kontaktteil 12 aufgesetzt. Die
Kollektorplatte 9 wird gegen das unlere Ende des Kontaktteils 12 gedrückt. Werden die Schweißelektroden
am Deckel 6 einer Polarität und an der Kollektorplatte 9 angelegt, so wird das untere Ende des
·> Kontaktteils 12 zuverlässig durch Punktschweißen an
der Kollektorplatte 9 befestigt.
Gemäß der vierten Ausführungsform nach F i g. 7 kann, da das Kontaktteil 12 vorausgehend an der
Innenfläche des Deckels 6 befestigt ist. dieses Kontaktteil 12 als Ansaugvorrichtung zum Einsetzen von
jeweils der Isolierschicht 7, der ersten Elektrodenplatte 3 der anderen Polarität und des ersten Separators 2
verwendet werden, womit die Montage sehr einfach erfolgen kann. Da d.is Kontaktteil 12 an seinem unteren
ι1; Ende durch Punktschweißen mil der Kollektorplatte 9
verbunden ist, sind die isolierschicht 7, die erste Elektrodenplatte 3 der einen Polarität, der erste
Separator 2, die Elektrodenplatte 1 der einen Polarität und die Kollektorplatte 9 alle in einer einheitlichen
Anordnung im Deckel 6 einer Polarität angeordnet, so daß ein einheitlicher Aufbau erhalten wird, wodurch die
Montage der Zelle weiterhin erleichtert wird.
Schließlich kann die elektrische Verbindung zwischen der Kollektorplatte 9 und dem Kontaktteil 12 mit
>■> größerer Sicherheit erfolgen, womit der Wirkungsgrad
des Kollektors verbessert wird.
Es ist nicht notwendigerweise erforderlich, daß die Kollektorplatte 9 und das Kontaktteil miteinander
verbunden werden, sondern es genügt, daß sie lediglich
ίο in Druckkontakt miteinander stehen.
Die Beschreibung geht anschließend auf eine fünfte Ausführungsform unter Bezugnahme auf F i g. 9 ein.
Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Auuführungsform nach Fig. 7 in folgender
j5 Hinsicht.
Das Koi.taktteil 12 wird nicht in die mittige Bohrung
einer Elektrodenplatte 1 einer Polarität eingesetzt. Eine Kollektorplatte 9, die an der Oberseite der Elektrodenplatte 1 einer Polarität befestigt ist, gelangt in Anlage
mit der Unterseite eines ersten Separators 2. Wird eine Schweißelektrode an dem Deckel 6 einer Polarität und
die andere Schweißelektrode an die Kollektorplatte 9 ui-c- die mittige Bohrung in der Elektrodenplatte 1 einer
Polarität angelegt, so wird das Kontaktteil zuverlässig mit der Kollektorplatte 9 durch Punktschweißen
verbunden.
Das Betriebsverhalten einer Knopfzelle gemäß der fünften Ausführungsform entspricht im wesentlichen
jenem der vierten Ausführungsform nach F i g. 7.
Wie bereits vorausgehend erwähnt wurde, kann mit der erfindungsgemäßen Knopfzelle der Ausnützungskoeffizient
der Elektrodenplattc vergrößert werden,
womit das Betriebsverhalten der Knopfzelle vergrößert wird, und die Kollektoranordnung kann verbessert
Werden, um die Montage der Knopfzelle zu erleichtern.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Knopfzelle mit drei Elektroden, in welcher eine Elektrode der einen Polarität durch Separatoren
getrennt zwischen zwei Elektroden der anderen Polarität angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Deckel (6) mit einer Isolierschicht (7) versehen ist, und daß ein Kontaktteil (12)
durch mittige Bohrungen in der Isolierschicht (7), in der darunterliegenden Elektrodenplatte (3) und der
Separatorschicht (2) isoliert hindurchragt und die mittige Elektrode (1) mit dem Deckel elektrisch
verbindet und daß die untere Elektroder.platte (5) mit der oberen Elektrodenplatte (3) und der
Innenfläche des Gehäuses (15) über einen Kollektor (18) verbunden ist.
2. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil (12) an seinem einen
Ende mit einer Kollektorplatte (9) verbunden ist, die eine Anzahl an Bohrungen aufweist, und daß die
Kollektorplatte (9) in Druckkontakt mit der Elektrodenplatte (1) der einen Polarität steht.
3. Knopfzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorplatte (9) in Druckkontakt
mit der Unterseite oder der Oberseite der Elektrodenplatte (1) der einen Polarität steht.
4. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am Außenumfang des Kontaktteils
(12) angeordnete Isolierzylinder (14) einteilig mit der Isolierschicht (7) ausgebildet ist.
5. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (18) eine Bodenplatte
(17) umfaßt, die an der Innenfläche des äußeren Gehäuses (15) durch Punktschweißen befestigt ist
und ein elastisches Element (21) aufweist, um die untere Elektrodenplatte (5) der anderen Polarität
nach oben federnd zu belasten.
6. Knopfzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (21) derart
ausgebildet ist, daß ein Teil der Kollektorplatte (17) teilweise ausgeschnitten und gegenüber der Kollektorplatte
erhöht ist.
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