DE3638793A1 - Elektrodenwickel fuer galvanische rundzellen und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element vom Rundzellentyp mit einem Elektrodenwickel, welcher aus einer bandförmigen ersten und einer band­ förmigen zweiten Elektrode besteht, die in schichtförmiger Anordnung und unter Zwischenlage eines ersten und eines zweiten Separators spiralig aufge­ rollt sind, und der ein freies Kernloch besitzt. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Herstellungsverfahren für einen solchen Elektrodenwickel.

Rundzellen-Wickel werden durch Aufwickeln der Elektroden und des Sepa­ rators auf einer Wickelnadel hergestellt, wobei der Beginn des Wickels durch das Einschieben der im Separator liegenden Negativen in den Schlitz der Wickelnadel entsteht. Beim Drehen der Nadel wird die Negative abgeknickt und auf diese Weise mitgenommen. Nach Vollendung bzw. kurz vor Vollendung der ersten Umdrehung wird die positive Platte eingelegt zwischen Negative und Nadel, der Wickel durch mehrere Umdrehungen der Wickelnadel geformt und mit eine Bandage aus Tesastreifen oder Stahlblech fixiert.

Diesem sehr rationellen Vorgehen haftet ein gravierender Nachteil an, der darin besteht, daß im Zentrum des Wickels der abgeknickte Teil der Negativen samt Separator in das Kernloch hineinragt, welches nach dem Abziehen des Wickels von der Wickelnadel verbleibt. Besonders anschaulich wird dieser Zu­ stand durch die Figur 1 der FR-PS 13 72 047 wiedergegeben. Sie macht auch deutlich, daß die mitten im Kernloch stehende Kante der negativen Elektrode eine einwandfreie Bodenschweißung des Kontaktes der Negativen an den Becherboden mittels einer von oben durch das Kernloch hindurchgeführten Schweißelektrode stark behindert. Die Schweißelektrode wird von einem senkrechten Eintauchen in das zentrale Loch abgelenkt, wobei es zu fehlerhafter Schweißung kommt.

Fortschritte in der Wickeltechnik wurden daher durch Methoden erzielt, mit denen Wickel mit freiem Kernloch hergestellt werden konnten und mit denen es außerdem gelang, die naturbedingte leicht elliptische Form des Wickels in eine einbaugerechtere Rundform zu bringen.

Ein Verfahren gemäß DE-PS 27 46 428 erreicht dies mit einem verhältnismäßig großen maschinellen Aufwand, bei dem die beidseitig in Separatorband eingeschlagenen Elektroden aus entgegengesetzten Richtungen gleichzeitig an einen angetriebenen Wickeldorn herangeführt und spiralig aufgewickelt wer­ den, wobei Führung und Transport einer jeden Elektrode durch zwei peripher zum Wickeldorn angeordnete Wickelköpfe erfolgt, um die ein endloser Riemen läuft, welcher der Elektrode eine flexible Antriebsfläche darbietet. Diese Wickeltechnik verlangt ein geschmeidiges Gleiten während des Wickelvor­ ganges und wird problematisch bei Verwendung weicher und verformbarer Separatormaterialien, wenn diese, um eine relative Verschiebung gegen die Elektrode oder sogar eine Faltenbildung zu verhindern, mit einem klebrigen Pastenmaterial versehen worden sind.

Gemäß der DE-AS 22 21 818 wird ein an das Ende der zu wickelnden Zellen­ packung angeklebter dünner Führungsstreifen aus z. B. Papier, ggfs. ein über die Zellenpackung hinaus verlängertes Separatorband, an seinem freien Ende umgefaltet, mehrfach aufgerollt und einem sich in Aufrollrichtung drehenden Wickelkern mit Keilzähnen aufgeschoben, woraufhin alsbald ein Keilzahl in das umgefaltete Ende eingreift und der sich weiter drehende Kern die mehr­ schichtige Zellenpackung aufrollt.

Bei einer anderen bekannten Methode nach US-PS 34 94 800 werden die Enden von insgesamt sechs Papierbahnen, denen zwei weitere Bahnen aus Bleifolie zugeordnet sind, mittels Klebestreifen am Umfang einer auf einen Wickeldorn aufgeschobenen Hülse rotationssymmetrisch fixiert. Einige der Bahnen erhal­ ten nach dem Verlassen ihrer Vorratsrollen einen Auftrag von positiver bzw. negativer Bleipaste, derart, daß bei der Vereinigung aller Bahnen am Wickel­ dorn die beiden Bleifolien als Masseträger beidseitig mit Aktivmaterial be­ schichtet sind, die Schichten mit Papier abgedeckt sind und die übrigen zwei Papierbahnen sich als Separation zwischen die Elektroden fügen. Nach Ab­ ziehen des Wickels vom Wickeldorn bleibt auch in diesem Fall ein freies Kern­ loch zurück, allerdings um den Preis der "verlorenen" Hülse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrodenwickel für Rund­ zellen mit freiem Kernloch anzugeben, der ohne den bisherigen Aufwand her­ stellbar ist, exakte Rundform und hindernisfreie Durchgängigkeit des Kern­ lochs gewährleistet und welcher leicht von der Wickelnadel abgenommen wer­ den kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Der besondere Vorzug des erfindungsgemäßen Wickels liegt darin, daß die Wand der Kernlochs nicht durch Auskleidung mit einem zusätzlichen Fremd­ teil, etwa einer Hülse gebildet ist, sondern in sehr praktischer Weise aus einem Stück des wickeleigenen Separatormaterials besteht. Dadurch, daß der Separa­ tor im Bereich des Kernlochs der ersten Elektrode - d. h. derjenigen Elektrode, mit welcher der spiralige Wickel beginnt und welche daher die erste feste Umgrenzung des Kernlochs bildet - unmittelbar aufgeklebt ist, wird eben diesem Bereich eine hülsenähnliche Steifigkeit und Wandglätte verliehen, die das Abziehen des fertigen Wickels von der Wickelnadel problemlos macht. Schweißelektroden haben durch das erfindungsgemäß ausgebildete Kernloch hindurch ungehinderten Zugang zu den mit dem Becherboden zu verbindenden Elektrodenableitern.

In der folgenden Beschreibung der Herstellungsweise des erfindungsgemäßen Elektrodenwickels gemäß Anspruch 3 soll die "erste" Elektrode stets eine ne­ gative und die "zweite" Elektrode stets eine positive Bandelektrode sein. Diese Konfiguration ist bei Wickelzellen gebräuchlich, weil hierbei die Negative den Außenmantel des fertigen Wickels bildet und dadurch, was in der Regel ge­ schieht, leicht mit dem Gehäusebecher als negativem Pol kontaktiert werden kann. Die Erfindung läßt aber ebenso eine umgekehrte Zuordnung von erster und zweiter Elektrode zu den beiden Polaritäten zu.

Für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist we­ sentlich, den direkt an der Wickelnadel anliegenden Teil des Separators, der andererseits auch an der ersten Windung der negativen Elektrode anliegt,so zu präparieren, daß er entweder völlit mit letzterer verbunden ist oder aber eine solche Steifigkeit besitzt, daß sein Verhalten dem einer Hülse gleichkommt. Beides wird durch einseitiges Beschichten des freien Endes des Separators mit einem Haftmittel, ggfs. auch einem Versteifungsmittel erreicht, welches je­ doch erst unmittelbar vor dem Einrollen der Negativen seine Wirkung entfalten soll, die man dann, beispielsweise bei Schmelzklebern durch Anwendung von Wärmestrahlung oder bei löslichen Kunstharzen durch Zugabe einer Flüssigkomponente (Wasser oder Lösungsmittel) auslöst.

Eine alternative Beschichtung des freien Endes der negativen Elektrode mit dem Haftmittel liegt selbstverständlich auch im Rahmen der Erfindung. In jedem Fall kann die Beschichtung durch Aufsprühen, Aufleimen, Aufpressen, Aufdosieren mittels Düsen, Aufpinseln oder Aufdampfen erfolgen. Besonders günstig ist ein streifenförmiger Auftrag des Haftmittels, wobei die Streifen­ breite etwa der Umfangslänge der Wickelnadel entsprechen sollte.

Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Maßnahmen auf Zellen­ packungen bzw. Elektrodenwickel mit einer positiven Sinterelektrode und einer negativen Elektrode aus durch kathodische Metallabscheidung aus Cadmium­ salzlösungen gewonnenem Cadmiumband (nach DE-OS 28 22 821) anwendbar.

Im einzelnen machen zwei Figurendarstellungen den erfindungsgemäßen Ver­ fahrenshergang deutlich.

Fig. 1 zeigt die Wickelanordnung gemäß der Erfindung im Stadium des An­ bindens der negativen Elektrode an die Wickelnadel.

Fig. 2 zeigt die Wickelanordnung bei Beginn des Einrollens der negativen Elektrode.

Nach Fig. 1 wird das freie Ende eines ersten Separators 1, der von der Vor­ ratsrolle 2 abläuft und der negativen Elektrode 3 zugeordnet ist, in Einroll­ richtung um die Wickelnadel 4 geschlungen und mit einer Streifenlänge a an das unterseitige Ende der negativen Elektrode angeklebt. Der Separator kann an dieser Stelle an der Negativen auch bereits angeschweißt sein, z. B. durch örtliches Erhitzen des Separatormaterials, so daß kein Kleber nötig ist.

Die Wickelnadel und eine sich unterhalb derselben erstreckende Wickelschiene 5 bilden zwischen sich einen schmalen Abstandsspalt 6.

Zum Ansetzen des Wickels wird der Separator darauf um die Endkante 7 der negativen Elektrode herum- und soweit zurückgebogen, daß er auch mit deren Oberseite auf einer Länge entsprechend der gestrichelten Linie b verklebt werden kann. Mindestens über den Bereich b werden daher entweder der Sepa­ rator oder die negative Elektrode mit einem Haftmittel bzw. bindefähigen Verdickungsmittel beschichtet, deren Aufgabe es ist, diesen zuerst vom Wickelprozeß erfaßten Teil des Separators durch zuverlässiges Anhaften an der negativen Elektrode zu versteifen, ohne daß die Klebkraft darüber hinaus ein Anhaften an der Wickelnadel zur Folge hat. Erfindungsgemäß sind für diesen Zweck Kleber auf Basis von Chloropren-Polymerisaten (Pattex), Schmelzkleber auf Basis heißhärtender Phenol-, Melamin- oder Harnstoffharze, Polyvinyl­ alkohol-Kleber bzw. Tylose oder Polywachs besonders geeignet.

Da der mit Klebemittel versehene Teil des Separators im späteren Wickel die Wand des freien Kernlochs bildet, ist seine Steifigkeit, verbunden mit einer zum Einrollen notwendigen Biegsamkeit, auch aus diesem Grunde sehr er­ wünscht.

Es ergibt sich aus dem vorstehenden Sachverhalt, daß die mit Haftmittel be­ schichtete Streifenfolie b der Umfangslänge der Wickelnadel gleichkommen muß.

Am Ende der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsphase ist die negative Elektrode 3 zunächst einseitig an den Separator 1 angebunden und ihre Abschlußkante 7 von einem so entstehenden "Schleppscheider" gefangen.

Gemäß Fig. 2 wird nunmehr die negative Elektrode mit der Endkante 7 voran in den Abstandsspalt 6 zwischen Wickelschiene und Wickelnadel geschoben, der Separator 1 dadurch gestrafft und beim Anwinkeln auf die Länge b durch den Druck zwischen Nadel und Separator verklebt. Unmittelbar vor diesem Zeitpunkt findet die ggfs. notwendige "Aktivierung" des Klebstoffes mittels Wärmestrahlung oder durch Solvatisieren statt.

Darauf folgt (nicht dargestellt), sobald die negative Elektrode ihre erste Win­ dung vollendet hat, das Hinzufügen der positiven Elektrode mit dem zweiten Separatorstreifen, der in ähnlicher Weise wie bei der Negativen entweder be­ reits an dieser befestigt ist, jedoch an der Unterseite der Positiven verläuft, oder von einer zweiten Vorratsrolle zugeführt wird.

Wird als Kleber eine tylosehaltige Lösung verwendet, so ergibt sich damit ein Depot-Effekt der als Spreizmittel wirkenden Tylose, die auf den Kapazitäts­ abfall der Negativen eine lindernde Wirkung besitzt.

Verwendet man dagegen als Kleber Polyvinylalkohol, der zwar in Wasser löslich, in KOH aber wenig löslich ist, so ist die Menge kontrolliert zuzugeben, um den entstehenden Karbonatanteil gering zu halten.

Vorteilhaft erscheint ein Haftkleber, der die Handhabung der trockenen damit versehenen Flächen erleichtert, aber nach dem Verfahren hohe Klebekraft erzielt.

Wachsartige Haftmittel, wie z. B. Polywachs oder Stearin, lassen sich ähnlich wie Schmelzkleber sehr genau an die gewünschte Stelle bringen, benötigen aber Aufwand in Form von geheizten Dosierspritzen. Sie haben allerdings den Vorteil, ein Anhaften an der Wickelnadel weitgehend auszuschließen.

Für die Herstellung eines Elektrodenwickels mit freiem Kernloch erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft. Dies gilt bereits im Falle der Verwendung von wachsartigen Haftmitteln, mit denen zwar keine echte Verklebung des Separators 1 in der Zone a und b mit der Negativen er­ zielt wird, wohl aber eine solche Versteifung des im Kernloch liegenden Sepa­ rators, daß ein problemloses Einführen der Schweißelektrode gegeben ist.

Das Abziehen des Wickels von der Wickelnadel läßt sich darüber hinaus er­ leichtern durch einen glatten Film von z. B. PTFE auf der Wickelnadel.

Wenn das Haftmittel in richtiger Menge, d. h. sparsam und einseitig aufge­ bracht wird, ergibt sich als weiterer Vorteil die auch nach der Klebung poröse, d. h. Elektrolyt aufnehmende und O₂-durchlässige Struktur des Separators an der Wand des Kernlochs, die durch die Negative gebildet wird. Dies führt zum erwünschten Aufsaugen des Elektrolyten beim Zudosieren und zum effektiven O₂-Verzehr im Zustand der schnellen Ladung bzw. Überladung der Zelle.

Durch Fortfall der bislang üblichen abgeknickten Kante der Negativen kann nicht nur ein freies Kernloch geschaffen, sondern dieses Kernloch auch im Durchmesser verringert werden. Der bislang in der Wickelnadel enthaltene Schlitz ist ja nicht mehr nötig, d. h. eine Wickelnadel zur Herstellung des Wickels nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei gleicher Festigkeit im Durchmesser kleiner gehalten werden als die früher verwendete geschlitzte Nadel. Dadurch ist es möglich, eine etwas größere Füllung des Bechers durch aktives Elektrodenmaterial zu erzielen. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch die "rundere" Form des so gefertigten Wickels, der enger an der Wand des runden Bechers anliegt, als die mit geknickter Negativer angewinkelten, mehr "elliptisch" aussehenden Wickel der bisherigen Technik.

Als weiterer Vorzug des erfindungsgemäß hergestellten Wickels ist die Ver­ ringerung der Gefahr von abbröckelnder negativer Masse aus der vormals vor­ handenen Knickzone. Auch das exakte Einführen der negativen Platte, recht­ winklig zur Wickelnadel, wird durch richtiges Anschlagen an der Wickelschiene erleichtert, weil die Stirnkante vom Schleppscheider gefaßt wird und ein Ein­ drücken in den vormals vorhandenen Schlitz der Wickelnadel nicht mehr er­ folgt. Die Tendenz eines seitlich verzogenen Wickels durch nicht exakten Ein­ lauf der Elektrode wird somit sicher eingeschränkt.

Claims (9)

1. Galvanisches Element vom Rundzellentyp mit einem Elektrodenwickel, bestehend aus einer bandförmigen ersten und einer bandförmigen zweiten Elektrode, die in schichtförmiger Anordnung und unter Zwischenlage eines ersten und eines zweiten Separators spiralig aufgerollt sind, und der ein freies Kernloch besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Separator mit der ersten Elektrode auf der von ihm abgedeckten Seite der Elektrode und etwa entlang ihrer ersten vollen Windung verklebt ist, wobei das Sepa­ rator-Ende um die Abschlußkante der Elektrode herum bis auf ihre Gegen­ seite geführt und dort mit ihr fest verbunden ist, daß der entlang der er­ sten Elektrodenwindung verklebte Abschnitt des ersten Separators die Wand des freien Kernlochs bildet, und daß der zweite Separator an der zweiten Elektrode, deren Anfang gegen den Anfang der ersten Elektrode entgegen der Einrollrichtung versetzt ist, ebenfalls mit seinem Ende um die Abschlußkante der Elektrode herumgeführt und an der Gegenseite der Elektrode befestigt ist.

2. Elektrodenwickel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine durch kathodische Metallabscheidung aus Cadmiumsalzlö­ sungen erzeugte negative Cadmiumelektrode und die zweite Elektrode ein positives Sinterfolienband ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenwickels für galvanische Elemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende eines ersten Separators in Einrollrichtung um eine Wickelnadel geschlungen und mit dem Ende einer ersten Elektrode durch Ankleben oder Anschweißen an deren Unterseite fest verbunden ist, daß der Separator um die Elektroden-Abschlußkante herumgeführt und im weite­ ren Verlauf auf seiner der Elektrode zugekehrten Seite bis zu einer Strei­ fenlänge, die etwa der Umfangslänge der Wickelnadel entspricht, mit einem Haft- oder Bindemittel beschichtet wird, daß darauf die erste Elektrode mit ihrer vom Separator gefaßten Abschlußkante voran in den Abstandsspalt zwischen der Wickelnadel und einer sich unter dieser er­ streckenden Wickelschiene geschoben und eingerollt wird, wobei sich der Separator strafft und beim Anwinkeln auf der mit dem Haft- oder Binde­ mittel versehenen Länge mit der Elektrode verklebt wird, und daß, sobald die erste Elektrode ihre erste Windung um die Wickelnadel beendet hat, unter weiterem Drehen der Wickelnadel die zweite Elektrode mit einem zweiten Separator in den Abstandsspalt eingeführt wird, wobei der zweite Separator mit seinem Ende das Ende der zweiten Elektrode umfaßt und mit dieser fest verbunden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Wickelvorganges die anzuwickelnden Enden der Separatoren und/oder Elektroden mit einem Haftmittel oder den Separator auch nur verstei­ fendem Mittel beschichtet werden, wobei die Beschichtung durch Auf­ sprühen, Aufpressen, Aufdosieren mittels Düsen, Aufpinseln oder Auf­ dampfen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftmittel oder Versteifungsmittel auf die Separatoren und Elektroden streifen­ förmig aufgetragen werden, wobei die Streifenbreite vorzugsweise der Umfangslänge der Wickelnadel entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung der mit einem Haftmittel versehenen Flächen beim Anwickeln erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Haft­ mittel bzw. Versteifungsmittel durch Wärmestrahlung direkt vor dem Wickelvorgang plastifiziert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftmittel oder Versteifungsmittel Kleber auf Basis von Chloropren- Polymerisaten (Pattex), Schmelzkleber auf Basis heißhärtender Phenol-, Melamin- oder Harnstoffharze, Polyvinylalkohol-Kleber bzw. Tylose oder Polywachs sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Elektrode eine durch kathodische Metallabscheidung aus Cadmiumsalzlösungen erzeugte negative Cadmiumelektrode und als zweite Elektrode ein positives Sinterfolienband verwendet wird.