DE3200745A1

DE3200745A1 - Batterie

Info

Publication number: DE3200745A1
Application number: DE19823200745
Authority: DE
Inventors: Stanford Gerald Randallstown Folus, Md.
Original assignee: Catalyst Research Corp
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1981-01-19
Filing date: 1982-01-13
Publication date: 1982-07-29
Also published as: JPS57130379A; GB2091933A; JPS648900B2; US4317869A; GB2091933B; DE3200745C2

Description

HOEGER, STiE-LHRtCHT & !PARTNER _o . _ _n ^ . _

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c D 7000 STUTTGART 1

A 44 968 u Annielderin: CATALYST RESEARCH U - 202 CORPORATION

5. Januar 1982 Baltimore, Maryland 21209

USA

Batterie

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Zellen.

Die nachstehend beschriebene Batterie stellt eine Verbesserung der Batterie dar, die in der US-Patentanmeldung mit der Anmelde-Nr. 136,935 vom 3. April 1980 beschrieben worden ist. Die dort beschriebene Batterie umfaßt eine Reihe von mehreren Zellen und hat die Größe einer konventionellen Trockenzelle . des Typs "C"- oder "D". Diese Zellen verwenden ein elektro-chemisches Lithium-Halogenid-Systern. Bereits vor der Beschreibung in dieser Patent-Anmeldung 136,935 waren Trockenzellen des Typs "C" und "D" bekannt und im Handel erhältlich.

Obwohl elektro-chemische Systeme bekannt waren, in welchen die Depolarisatoren Ladungsübertragungskomplexe enthalten und die Anoden aus Metall bestehen, beispielsweise aus Lithium (bespielsweise US-PS 3,653,966, 3,660,163, 3,723,183, 3,817,791, 3,874,929, 3,937,635, 3,957,533, 4,049,890, 4,072,803), wurden solche Systeme nicht in Batterien des Typs "C" und "D" benutzt. Obwohl Batterien vom Lithium-Halogenid-Typ eine große Lebensdauer und Kapazität·aufweisen und günstig in Herzschrittmachern und Uhren eingesetzt werden können (US-PS 3,660,163, 3,6 74,562 und

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4,148,975), hat sich herausgestellt, daß solche Batterien nicht vorteilhaft verwendet werden können, wenn hohe Stromstärken verlangt werden, beispielsweise bei der Versorgung von Elektronenblitzen.

Auch die in der US-Patentanmeldung 13.6,935 beschriebenen Batterien können nicht so hohe Stromstärken abgeben wie konventionelle Alkali- öder Queeksllber-Trockenbatterien. Sie sind jedoch für eine Anzahl von Anwendungen brauchbar, bei denen lange Lebensdauern von Bedeutung sind oder bei denen hohe Ströme nur kurzzeitig entnommen werden müssen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie zu schaffen, welche einerseits eine größere Menge aktiven Materials enthält und bei welcher andererseits die aktiven Materialien besonders- wirkungsvoll in Kontakt miteinander stehen.

Darüber hinaus soll die Verbindung der Zellen in der Batterie durch spezielle Verbindungsmittel eliminiert und eine Integration erreicht werden, so daß die Verläßlichkeit und die Gleichmäßigkeit der Leistungsdaten der Batterie erhöht werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Batterie mit mehreren Zellen gelöst, die gekennzeichnet ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs T

Diese Batterie weist also ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einem Bodenteil auf, dessen Größe den konventionellen Trockenzellen-Batterien des Typs "C" oder ■ "D" entspricht. Auf dem Bodenteil des Gehäuses Ist ein Isolator.angeordnet, der einen Kurzschluß zwischen den Zellen und dem Gehäuse verhindert.

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Die Zellreihe besteht aus einer Vielzahl individueller Zellen, die in dem Gehäuse unter.Druck übereinander gestapelt sind. Vor dem Zusammenbau umfaßt jede dieser individuellen Zellen eine Lithium-Anode mit einer zentralen Öffnung und einem diese Öffnung umgebenden· Ringflansch. Auf dieser Anode ist ein pelfitesierter Depolarisator mit einer zentralen Öffnung so aufgebracht, daß der Umfangsbereich der zentralen Öffnung des Depolarisator den Anoden-Ringflansch berührt. Die Ausdehnung des Depolarisators entspricht im wesentlichen den Innenabmessungen des Gehäuses. Der Außendurchmesser des Depolarisators ist größer als der Außendurchmesser der Anode, so daß die Anode nicht an der Innenwand des Gehäuses anliegt. Vorzugsweise enthält der Depolarisator einen Metallschirm oder ein Metallgitter, welches als Kathodenstromsammler dient und ein wenig über den Außendurchmesser des Depolarisators übersteht. Im Falle einer Hochtemperatur-Ausführung der Zelle wird jedoch ein solcher Schirm nicht verwendet.

Die Zellreihe wird dadurch hergestellt, daß man individuelle Zellen in das Gehäuse einlegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden immer nach dem Einlegen von fünf Zellen die Zellen im Gehäuse mittels einer Presse zusammengedrückt, die eine zentrale Öffnung aufweist, die kleiner ist als die Öffnung der Anodenflansche. Die Presse kompaktiert die Zellreihe derart, daß das Lithium der Anode extrudiert wird und eine feste zentrale Lithium-Säule ausbildet, die durch Kaltverschweißung der extrudierten Bereiche entsteht. Nach der Endkompression werden die individuellen Zellen eine integrierte Einheit, in welcher die Anoden eine feste, zentrale

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Säule ausbilden, die durch die zentralen öffnungen der Depolarisator-Pellets hindurchtritt.

Auf die derart kompaktierte Zellreihe wird eine Kombination verschiedener Isolatoren aufgebracht. Ein Deckel ist mit dem Gehäuse verlötet oder verschweißt, so daß sich .eine hermetisch abgedichtete Einheit ergibt. Der Deckel trägt einen elektrisch vom Deckel isoliert angeordneten Anschluß stift·, der durch die Isolatoren in die zentrale Lithium-Säule hindurchtritt und als elektrischer Kontakt dient".

Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Depolarisator ist vorzugsweise ein Ladungsübertragungskomplex, der mit einem Überschuß eines Halogens vermischt ist, wie dies beispielsweise in dem US-Patent 4,148;9 75 oder in der US-Patentanmeldung 073,188 (Anmeldetag 7. September 1979) beschrieben ist; auf . diese beiden Beschreibungen wird ausdrücklich Bezug genommen. Wenn ein solches Depolarisatormaterial verwendet wird, bildet das Lithium schnell eine Lithiumhalogenid-Schicht, welche die zentrale Säule gegenüber Kurzschlüssen abschirmt. Man erhält auf diese.Weise einen guten elektrischen Kontakt und.gleichzeitig werden Korrosion und Kurzschlüsse weitgehend herabgesetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der UnteranSprüche. Gegenstand der Erfindung ist auch das Verfahren zur Herstellung derartiger Batterien, wie es sich aus der nachfolgenden.'Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ergibt, die zusammen mit den nachfolgenden Zeichnungen der Erläuterung der Erfindung dient. Es zeigen:

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Figur 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batterie;

Figur 2 eine Schnittansicht durch ein Element der Zellreihe in der in Figur 1 dargestellten Batterie;

Figur 3 eine Schnittansicht ähnlich Figur 1 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie und

Figur 4 eine Schnittansicht einer Zelle der Zellreihe in der Batterie der Figur 3.

Die in Figur 1 dargestellte Batterie 10 umfaßt ein Gehäuse 11. Dieses besteht aus einem Blech aus rostfreiem Stahl/ welches zylindrisch geformt ist und eine Größe aufweist, die üblichen Trockenzellenbatterien des Typs "C"' oder "D" entspricht. Am Bodenteil des Gehäuses 11 anliegend sind isolierende Scheiben 13 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeisp.iel bestehen diese Scheiben 13 aus einem Film aus Halar (Warenzeichen) und haben eine Dicke von etwa 0,04 cm.

In das Gehäuse 11 sind oberhalb der isolierenden Scheiben 13 mehrere Zellen in Form einer .Reihe 15 eingedrückt. Die Reihe 15 umfaßt auch eine zentrale Säule 16. Oben auf der Reihe 15 befinden sich mehrere Isolierscheiben 17 und 18. Die Isolierscheibe 17 besteht vorzugsweise aus einer Lage aus Nomex (Warenzeichen) des Typs 410 mit einer Dicke von etwa 0,05 cm. Die Isolatorscheiben 18 sind vorzugsweise aus einem Halar-Film ausgeschnitten und haben eine Dicke von etwa 0,04 cm.

Auf die Isolierscheiben 18 aufgedrückt ist ein Deckel 21 mit einer zentralen öffnung 22. Der Deckel 21 ist längs

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seines Umfanges 23 mit dem Gehäuse 11 verlötet oder verschweißt und bildet so eine hermetische Dichtung. Ein Anschlußstift 24 ist durch die Öffnung 22 hindurchgesteck-t und mittels einer Dichtung· 26 gegenüber dem Deckel elektrisch isoliert. Der Anschlußstift 24 ist in die zentrale Säule 16 eingedrückt. Vorzugsweise wird der Anschlußstift 24 mit dem Deckel 21 verbunden, bevor der Deckel auf das Gehäuse aufgesetzt wird. Der-Anschlußstift 24 wird beim Aufsetzen des Deckels 21 auf das Gehäuse in die Säule 16 eingedrückt.

Die Reihe 15 enthält eine Vielzahl individueller Zellen 25 (Figur 2). Vor dem Einsetzen in das Gehäuse 11 umfaßt jede Zelle eine Lithium-Anode 26a mit einer zentralen, durchgehenden Öffnung 27. Angrenzend an diese Öffnung befindet sich ein Ringflansch 28. Für konventionelle .Anwendungsfälle wird die Verwendung eines Depolarisator-Pellets 29 bevorzugt, welches einen schirm- oder gitterförmigen Kathodenstromkollektor 31 enthält; Dieser Kollektor' 31 besteht vorzugsweise aus einem Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl (Type 316), welches in die Depolarisator-Pellets 29 dadurch integriert ist, daß der Kathodenstromkollektor 31 zwischen zwei Pellets 29a.und 29b eingebettet ist. Wie sich aus Figur 2 ergibt, weist das Pellet 29 eine zentrale Öffnung 33 auf, welche am Ringflansch 28 der Anode 26a anliegt und mit .dieser einen elektrischen Kontakt bildet.

Die Depolarisator-Pellets 29 stehen über die Anode 26 vor, und der Kathodenstromkollektor 31 steht seinerseits über,den Außenumfang des Depolarisator-Pellets 29 vor. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abmessungen des Kathodenstromkollektors 31 derart ge-

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wählt, daß der Kollektor unter Druck an der Innenwand des Gehäuses 11 anliegt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Der Kollektor kann jedoch auch so dimensioniert sein, wie dies im Ausführungsbeispiel der Figur 3 dargestellt ist. Dabei liegt auch hier der Depolarisator an der Innenwand des Gehäuses 11 an. Der Kollektor 31 ist jedoch in diesem Falle zwischen dem äußeren Umfang des Depolarisator-Pellets 29a und der Innenwand eingeklemmt. Man erkennt/ daß der KathodenStromkollektor 31 eine zentrale Öffnung aufweist, die größer ist als die des Depolarisator-Pellets 29, so daß kein Kontakt mit dem Ringflansch 28 entsteht. Dadurch wird ein Kurzschluß in der Zelle vermieden.

Beim Zusammenbau der in Figur 1 dargestellten Batterie werden die isolierenden Scheiben 13 auf den Boden 12 des Gehäuses 11 aufgelegt. Eine Anzahl von Zellen der in Figur 2 dargestellten Art werden auf die isolierten Scheiben 13 aufgelegt. Vorzugsweise nach dem Einlegen einer Gruppe von 5 Zellen 25 in das Gehäuse wird der Stapel mittels einer Presse mit einer Kraft von etwa 17,8 KN komprimiert. Die Presse hat eine zentrale Öffnung, die etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des Ringflansches 28. Bei der Beaufschlagung des Stapels der Zellen 25 mit der Druckkraft wird Lithium aus der Anode 26 durch die zentrale Öffnung 33 des Kathodenpellets -29 extrudiert. Das extrudierte Material fließt von den jeweiligen Anoden und bildet durch Kaltverschweißung die zentrale Säule 16. Wenn der letzte Zellsatz kompaktiert worden ist, hat sich eine Reihe 15 mit einer Vielzahl von Zellen und mit einer zentralen Säule 16 gebildet. Es werden dann oben auf die Zellreihe 15 Isolierscheiben 17 und 18 aufgelegt. Ferner wird der Anschlußstift 24 in die feste Lithium-Säule 16 eingedrückt, wenn

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der Deckel 21 auf das Gehäuse 11 aufgelegt und »nit , diesem dichtend verbunden ist. Vorzugsweise werden auf den Anschlußstift 24 vor dem Zusammenbau mehrere Lithium-Ringe aufgelegt, die bei der Positionierung des Deckels 21 zusammengepreßt werden, so daß beim Aufsetzen des Deckels auf das Gehäuse eine Lithium-Hülse um den Anschlußstift herum ausgebildet wird. Diese Lithium-Hülse schützt den Anschlußstift gegenüber Korrosion und Kurzschluß gegenüber Jod, da sich in situ eine Lithiumhalogenid-Schicht ausbildet.

Es hat sich'als vorteilhaft erwiesen, einen Kompressionsschritt immer nach 5 Zellen auszuführen. Man er^ h'ält dann die gewünschte Anoden-Kathoden-Kontaktfläche und den gewünschten Lithium-Fluß, der zur Ausbildung der zentralen Säule 16 notwendig ist. Die Kompaktierung kann aber auch bei anderen Zeilzahlen erfolgen. Bei dem in Figur 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 30 individuelle Zellen verwendet, so daß beim Zusammenbau der Batterie 6 Kompaktierungen notwendig werden. Kompaktiert man bereits bei weniger Zellen, werden die Herstellungskosten der Batterie erhöht, ohne daß man deutliche Vorteile erzielt. Kompaktiert man dagegen größere Zahlen von Zellen, erhält man bei Drücken, die kommerziell verwertbare Gehäuse -11 aushalten, nicht die gewünschten Materialflußeigenschaften und auch nicht die gewünschten Kontaktflächen und -Verbindungen.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel tragen Teile, die denen des Ausführungsbeispiels der Figuren Ί und 2 entsprechen, dieselben Bezugszeichen/ denen eine 1 vorangesetzt ist. Die in Figur 3 dargestellte Batterie 110 ist für Verwendung bei höherer

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Temperatur bestimmt. Sie unterscheidet sich von der Batterie 10 der Figur 1 nur dadurch, daß kein dem Kathodenstromkollektor 31 vergleichbares Teil im Depolarisator verwendet wird. Der Depolarisator 129 ist. so ausgebildet, daß er unmittelbar an der Innenwand des Gehäuses 111 anliegt und so den notwendigen elektrischen Kontakt bildet. Der Anschlußstift 124 hat eine etwas abweichende Form von der des AnschlußStiftes 24 in Figur 1; beide Stiftformen können jedoch in beiden Ausführungsbeispielen Verwendung finden..

Claims

HOEGER₁ STSi.uRE.eHJ ^.Vr^r^ . .Ncr^ 3200745
PATENTANWÄLTE
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Patentansprüche

•1J. Batterie mit mehreren Zellen, gekennzeich-

'net durch folgende Merkmale:
ι
j a) ein Gehäuse (11,111) mit einem Bodenteil (12/112)

b) an diesem Bodenteil (12,112)- über dessen gesamte ' ·· Fläche anliegende Isolatoren (Scheiben 13,113)

c) eine Reihe von druckintegrierten Zellen- (25,125) mit einer zentralen Säule (16,116), wobei jede der Zellen (25,125) eine Lithium-Anode (26a,126a)

.und einen Depolarisator (29,129) mit einer zentralen öffnung (27,127) umfaßt und wobei die zentrale Säule (16,116) aus Lithium besteht und durch Zusammendrücken der Zellen (25,125) durch die zentralen öffnungen (27,127) hindurch extrudiert ist,

d) oberhalb der Reihe (15,115) von Zellen (25,125) flächig an diesen anliegende zweite Isolatoren (17,18,117,118) mit einer zentralen Durchgangsöffnung und " . '

e) einen Deckel (21,121) mit einem daran gehaltenen Anschlußstift (24,124), der isoliert durch den Deckel (21,121) und durch die zweiten Isolatoren

(17,18,117,118) hindurchtritt, wobei der Deckel

·. · (21,121) gegenüber dem Gehäuse (11,111) hermetisch

: · abgedichtet ist.

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'2. Batterie nach Anspruch 1,dadurch σ e . kennzeichnet , daß jede der Zellen (25) einen Metallschirm oder ein Metaligitter (Kathodenstromkollektor 31) umfaßt, welche innerhalb des Depolarisators (29) angeordnet sind und über dessen äußeren Umfang hervorstehen.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Lithium-Anode (26a,126a) jeder Zelle (25,125) vor der Kompression einen Ringflansch (28,128) mit einer zentralen, durchgehenden. Öffnung (27,127) aufweist und daß der Depolarisator (29,129) an der Anode (26a,126a) und-an deren Ringflansch (28,128) anliegt, während er über

■ den-äußeren Durchmesser der Anode (26a,126a) übersteht.

4. Batterie' nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß der Depolarisator (29,129) an der Innenwand des Gehäuses (11,111) anliegt.

5. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Depolarisator (29, 129) ein Ladungsübertragungskomplex ist, der mit einem Halogenüberschuß vermischt ist.
6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet , daß das Gehäuse (11, 111) Form und Größe von Batterien des Typs "C" oder "D" hat.