DE3133599A1 - Galvanisches element mit metallischem gas im dichtungsbereich - Google Patents
Galvanisches element mit metallischem gas im dichtungsbereichInfo
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-
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Description
-
- Galvanisches Element mit metallischem
- Glas im Dichtungsbereich.
- Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element, insbesondere Knopfzelle, mit einem Metallgehäuse, das durch eine ein Becherteil und ein Deckelteil elektrisch voneinander isolierende Dichtung flüssigkeitsdicht verschlossen ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Bei einer Vielzahl von galvanischen Elementen stellen die Gehäuseteile als Behälter für die Elektroden der positiven und der negativen Polarität in der Regel zugleich die beiden Zellenpole dar. Das Material für das konventionelle Dichtungssystem ist Kunststoff, Durch die beim Verbbrdeln von Becher und Deckel ausgeübten Verformungskräfte, denen das Gehäusematerial vermöge seiner geringen Federelastizität nur in ganz untergeordnetem Maße ausweichen kann, wird der Kunststoff unter radialem Preßdruck gehalten, so daß die Dichtung unter normalen Bedingungen für einen vertretbaren Zeitraum eine sichere Zellenfunktion ohne Leckagen gewährleistet.
- Normale Bedingungen sollen bedeuten: keine Betriebszustände mit extremen Druckunterschieden, insbesondere bei gasdichten Zellen, Fehlen einer Oberflächenrauhigkeit der Metallteile im Dichtungsbereich, die für Kapillareffekte verantwortlich ist und das Laugekriechen begünstigt, exaktes Anliegen des Kunststoffs an einer absolut ebenen Metallfläche, keine Haarrisse in der Gehäusewandung.
- Das Laugekriechen ist jedoch nicht allein durch die Oberflächen-Topographie der Dichtungszone bedingt. Es liegen Erfahrungen vor nach denen die Kriechfreudigkeit, soweit die genannten mechanischen Voraussetzungen bereits gegeben sind, noch erhöht ist, wenn sich der Ort des Elektrolytaustritts an dem Gehäuse mit dem negativen Potential befindet. Dieser physikalische und im Prinzip nicht ausschaltbare Effekt wird darauf zurückgeführt, daß der Elektrolyt auf dem negativ gepolten Metallbereich wesentlich schneller kriecht als auf einem den positiven Pol bildenden Metall. In besonderem Maße sind Silberoxid-Zink-Knopfzellen von diesem Phänomen betroffen, bei welchen der Deckel den negativen Pol der Zelle bildet.
- Aus der DE-OS 2 636 230 ist es bekannt, die Kriechgefahr der Elektrolytlauge dadurch abzuwenden, daß die Metalloberfläche des Gehäuseteils mit der negativen Polung im Grenzbereich gegen die Dichtung von einer passiven Oxidschicht bedeckt ist, die am Potential der negativen Elektrode nicht reduziert wird. Die zur Erzeugung der Deckschicht durchzuführende Maßnahme, eine oxidierende Temperung des Grundmetalls, verlangt große Sorgfalt und ist naturgemäß zeitaufwendig.
- Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, ein galvanisches Element anzugeben, welches gegen die erwähnten Unvollkonimenheiten konventioneller Dichtungen besser abgesichert ist, sowie einen praktischen Weg zur Herstellung eines solchen Elements aufzuzeigen.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest die Oberfläche des Gehäuseteils, welches den negativen Zellenpol bildet, im Dichtungsbereich aus einem metallischen Glas gebildet ist.
- Metallische Gläser sind Metalle bzw. Metallegierungen, die aus dem Schmelzfluß bei hoher Abkühigeschwindigkeit glasartig, also amorph, erstarren und somit keine Korngrenzen aufweisen. Diese Eigenschaft verleiht ihnen u.a. eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit. Nun sind Korngrenzen in einer Metalloberfläche aber nicht nur Störstellen für eine Gleichverteilung eines elektrischen Potentials und damit Ursprung für die Entstehung von Lokalelementen, sondern auch das schädliche Laugekriechen findet vorzugsweise entlang Korngrenzen statt. Wie Versuche ergeben haben, vollzieht sich das Kriechen des Laugeelektrolyts auf den glasartigen Metallegierungen sehr viel langsamer als auf kristallisierten Legerungsproben gleicher Zusammensetzung. Ein "korns grenzeffekt" zeigt sich darin deutlich. Zudem ist die Oberfläche des glasartigen Metalls sehr glatt und verhindert ein Kapillarsystem.
- Metallische Gläser erfüllen somit wichtige Voraussetzungen fUr eine einwandfreie Dichtung von Zellen mit konventionellen Dichtungssystemen, wenn sie im kritischen Dichtungsbereich die Oberflächeneigenschaft des negativ gepolten Gehäuseteils bestimmen.
- Durch die Metallglasbeschichtung werden alle etwa vorhandenen anhomsgenitten der Oberfläche des Grundmetalls abgedeckt und dem Laugeelektrolyten bestimmte Vorzugsrichtungen seiner Kriechbewegung, bei der er stets dem negativsten Potential folgt, genommen, Die Elemente, die Bestandteile metallischer Gläser bilden, stehen im Periodensystem der Elemente an unterschiedlichen Stellen.
- Zu ihnen zählen die HalbmetalleSilicium, Bor, Phosphor, Kohlenstoff 2 .die Obergangsmetalle Zirkon, Niob, Kupfer, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel und Zink, die Edelmetalle Gold und Palladium, die seltene Erde Gadolinium sowie die Hauptgruppenmetalle Zinn, Calcium und Aluminium. Für einen allgemeinen Oberblick sei auf eine Publikation von P. Chanhari, B.C. Giessen und D. Turnbull, Spektrum der Wissenschaft, Juni 1980, Seite 47 - 61, verwiesen.
- Glasartige Metalle für den erfindungsgemäßen Zweck sind zäh, verformungsfähig und zugleich von sehr hoher Festigkeit. Mitbestimmend für ihre Wahl ist die Verträglichkeit mit dem im negativem Gehäuseteil - meist dem Deckel - untergebrachten Anodenmetall. Für Zellen mit einer Zinkdnode ist eine Metallglaslegierung Cu50Zr50 besonders geeignet, während beispielsweise für Zellen mit einer Cadmium-Anode Legierungen wie Ni60Nb40 oder Ni36 Fe32 Cr14 P12 B6 der Vorzug zu geben ist. Weitere Beispiele amorpher Legierungen sind Ni85 P153 Fe80B203 Au80Si203 80 20 80 5 und Fe75Ni 5Cr10P13C7. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Metallglasbeschichtung sind mehrere Verfahren möglich, die anhand der Figuren erläutert werden.
- Figur 1 zeigt eine Total beschichtung des Gehäusedeckels gemäß der Erfindung.
- Figur 2 a - c zeigt weitere Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Beschichtung.
- Figur 3 a,b zeigt Auswirkungen einer Laser-Behandlung an Metallglasschichten gemäß der Erfindung.
- Wegen der Lieferform der glasartigen Metalle als Bänder oder Platten ist es besonders günstig, aus diesen ein sich mit den Konturen des Gehäuseteils deckendes Paßteil 1 gemäß Figur la auszuformen bzw. auszuschneiden und darauf mit dem Gehäuseteil 2 als Träger (Fig. lb) zu verschweißen. Bei sehr kleinen Zellen bietet sich sogar eine direkte Verwendung des Paßteils 1 als Zellendeckel an. Zu berücksichtigen ist hierbei nur, daß ein metallisches Glas einen etwa 10-fach höheren elektrischen Widerstand als im kristallinen Zustand besitzt. In Abetracht der geringen Stromentnahme bei einer solchen Zelle ist dieser Faktor allerdings unwesentlich. Es ist aber auch möglich, das Trägermetall in einem Legierungsbad ganz (Fig.2a) oder teilweise, nämlich nur im Dichtungsbereich (Fig. 2b) oder auf nur einer Oberfläche des Gehäuseteils und nur im Dichtungsbereich (Fig. 2c) mit Metallglas 1 zu plattieren.
- Verfahrensweisen der Bi- oder Trimetalltechnologie, etwa das Zusammenwalzen verschiedener Metallfilien zu einem Verbundteil, sind ebenfalls einsetzbar.
- Ein weiteres, mit Vorteil anzuwendendes Verfahren sieht vor, den Träger mit der Metallglas-Legierung zu bedampfen. Da in diesem Falle eine unerwünschte Kristallisation des Substrats jedoch nicht auszuschließen ist, empfiehlt es sich, im Anschluß an die Bedampfung eine Glühung und Abschreckung vorzunehmen, durch die die Umwandlung in den glasartig-amorphen Zustand sichergestellt wird.
- Hierbei genügt es, diesen Zustand gezielt nur im Dichtungsbereich herzustellen. Zu diesem Zweck läßt sich sehr vorteilhaft ein Laserstrahl, vorzugsweise ein COa baser mit hoher Leistung, einsetzen. ("Laser"glazing", vgl. W Jüptner, Pç Ryder und G. Sepold, Deutscher Verband für Schweißtechnik e.V. - DVS-Berichte, DUsseldorf, S. 40 - 44).
- Durch die Laserbestrahlung wird ein Umschmelzen der Legierungsschicht mit sehr raseher Abkühlgeschwindigkeit erzielt, als deren Ergebnis der gewünschte Glaszustand resultiert.
- In den Figuren 2a, h ist angedeutet, daß von der Umschmelzung durch Laser nur einzelne umlaufende Bahnen mit den Spuren 3 erfaßt zu sein müssen (Fig. 3a) oder daß diskrete Umsehmelzbereiw che 4, auch in spiraligen Windungen gerührt, sich gegenseitig überlappen können (Fig. 3b).
- Leerseite
Claims (7)
- Patentansprüche 1. Galvanisches Element, insbesondere Knopfzelle mit einem Metallgehäuse, das durch eine ein Becherteil und ein Deckelteil elektrisch voneinander isolierende Dichtung flüssigkeitsdicht verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Oberfläche des Gehäuseteils, welches den negativen Zellenpol bildet, im Dichtungsbereich aus einem metallischen Glas gebildet ist.
- 2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Glas aus einer Metallegierung, ausgewählt aus der Reihe Cu50Zr5O, Ni60Nb40 und Ni36F Ni 36Fe32Cr14P12B6, besteht.
- 3. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem als Band- oder Plattenmaterial vorliegenden metallischen Glas ein sich mit den Konturen des Gehäuseteils deckendes Paßteil ausgeformt und auf das Gehäuseteil aufgeschweißt wird.
- 4. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäusemetall vor der Verformung zum Gehäuseteil mit dem metallischen Glas plattiert und danach kalt verformt wird.
- 5. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallglas-Legierung auf das Gehäuseteil im vorgesehenen Bereich aufgedampft wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bedampfte Gehäuseteil einer Nachglühung und Abschreckung unterzogen wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedampfungsschicht zumindest im Dichtungsbereich mittels Laserstrahl umgeschmolzen wird.
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