DE3732037A1 - Dichte bleibatterie und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Dichte bleibatterie und verfahren zu deren herstellung

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DE3732037A1
DE3732037A1 DE19873732037 DE3732037A DE3732037A1 DE 3732037 A1 DE3732037 A1 DE 3732037A1 DE 19873732037 DE19873732037 DE 19873732037 DE 3732037 A DE3732037 A DE 3732037A DE 3732037 A1 DE3732037 A1 DE 3732037A1
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Takumi Yamana
Tomoyuki Ohkura
Akira Ishiodori
Yoshimi Yabui
Yutaka Suzuki
Masayoshi Aoki
Mikio Oguma
Masatoshi Takasu
Akio Komaki
Takumi Hayakawa
Kensuke Hironaka
Hironao Wada
Satoshi Matsubayashi
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Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft eine dichte Bleibatterie nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Her­ stellung.
Die heute produzierten herkömmlichen dichten Bleibatterien um­ fassen ein Gefäß aus synthetischem Harz mit einem darin befind­ lichen Stapel, bestehend aus positiven Platten, negativen Plat­ ten und einem Separator.
In den letzten Jahren wuchs der Bedarf an dichten Bleibatterien mit deduziertem Gewicht, Format und Dicke, da die Geräte, wel­ che solche Batterien benutzen, immer mehr miniaturisiert wurden. Um dies zu erreichen, wurde eine Struktur vorgeschlagen, bei der der Plattenstapel in einem Film oder in einer Folie aus synthetischem Harz eingewickelt ist. Bei diesem Vorschlag ist der Plattenstapel zwischen zwei Filme oder Folien ein­ gewickelt, deren Umfangskanten zum Einwickeln miteinander verschmolzen sind. Die Anschlüsse sind luftdicht aus dem verschmolzenen Abschnitt herausgezogen. Der den Anschluß umschließende Abschnitt muß aber einer speziellen Behand­ lung und Technik unterworfen werden, um ihn vollständig luftdicht zu bekommen. Hier gibt es eine Menge von Unsicher­ heitsfaktoren bezüglich der Haltbarkeit des Anschlußabschnit­ tes, da dieser nicht steif ist.
Ausgehend vom oben geannten Stand der Technik, ist es Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, eine dichte Bleibatterie der eingangs genannten Art mit einer dünnen Struktur dahin­ gehend weiterzubilden, daß sie einen festen Anschlußabschnitt aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man als Batteriege­ häuse ein beutelförmiges Gehäuse verwendet, das aus einem Film oder einer Folie aus synthetischem Harz besteht, an­ stelle eines schachtelartigen Gehäuses, das aus syntheti­ schem Harz durch Spritzguß gebildet ist. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine dichte Bleibatterie vorgeschlagen, die in Kombination folgende Merkmale auf­ weist:
Eine Kappe aus synthetischem Harz, die einstückig geformt ist und einen Anoden- und einen Kathodenanschluß aus Blei oder einer Bleilegierung eingesetzt trägt und einen Auslaß­ abschnitt aufweist, an dem ein Sicherheitsventil angebracht ist,
einen Plattenstapel, dessen Zungen mit den Anschlüssen der Kappe verbunden sind, und
ein beutelförmiges Gehäuse, in dem der Plattenstapel ange­ ordnet ist, und das eine Öffnung aufweist, deren Umfangs­ kante mit der Kappe verschmolzen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine so geartete Bleibatterie wird der Film oder die Folie zunächst zu einem beutelförmigen Gehäuse über thermisches Verschmel­ zen geformt, dann wird der Umfangsrand einer Öffnung in die­ sem Gehäuse thermisch mit der Kappe zum Abdichten ver­ schweißt, so daß zwischen den beiden Teilen eine luftdichte Abdichtung besteht.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsformen der Erfindung, die anhand von Ab­ bildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3a, 3b, und 3c Teilansichten zur Darstellung der Pol-Randab­ schnitte einer weiteren bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung;
Fig. 4a und 4b Vorder- und Seitenansichten einer Kappe gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Bat­ terie in einem Gehäuse 20 angeordnet ist;
Fig. 6 die Struktur eines Sicherheitsventiles einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung, wobei Fig. 6a eine Seitenansicht und 6b eine Vorderansicht darstellt, bei der die äußere Platte entfernt ist;
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Ven­ tilzylinder 30 im wesentlichen parallel zur Dicke des Plattenstapels angeordnet ist; und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Struktur einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Konstruktion einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung, bei der Anoden- und Kathodenanschlüsse 2 und 2′ aus Blei oder einer Bleilegierung gefertigt sind. Diese Anschlüsse 2, 2′ sind in ein Teil aus synthetischem Harz eingesetzt und eingeschmolzen und zwar zusammen mit einer Ausbildung eines zylindrischen Auslaßab­ schnittes 3, so daß die Gesamtanordnung eine Kappe 1 aus synthetischem Harz bildet. An die Anschlüsse 2, 2′ sind Zungen 7 und 7′ eines Plattenstapels 6 angeschweißt, die sich nach unten erstrecken. Ein laminierter Film (Folie) aus ei­ nem synthetischen Harz ist zu einem beutelförmigen Gehäuse zusammengefaltet. Seine Basis und sein Rand sind an den in Fig. 1 (unten) mit 9 und 10 bezeichneten Abschnitten ther­ misch verschmolzen, um so ein Gehäuseteil 8 zu bilden, in welchem der Plattenstapel 6 untergebracht werden kann. Bei einer anderen, nicht zeichnerisch dargestellten Ausführungs­ form der Erfindung sind zwei Filmstreifen bzw. Folien aufeinandergelegt und dann an drei Seiten verschmolzen.
Der Plattenstapel 6 wird in das Gehäuse bzw. in diesem Um­ schlag 8 eingebracht, der dann über die Kappe 1 gezogen wird, bis seine Öffnung einen Stufenabschnitt 11 der Kappe 1 erreicht. In dieser Stellung wird das Gehäuse festgehalten. Danach wird das Gehäuseteil 8 rings um die Kappe mittels Ultraschallschweißen zur Bildung einer kompletten Abdichtung verschmolzen. Um eine besonders gute Abdichtung zu erreichen, besteht das Material des Gehäuseteils 8, das verschmolzen werden soll, vorzugsweise aus demselben Material, wie die gegossene Kappe 1. Für diesen Verwendungszweck eignen sich besonders Polypropylen und Polyäthylen mit hoher Dichte.
Der zylindrische Auslaßabschnitt 3 der Kappe 1 ist mit ei­ nem Sicherheitsventil 5 aus Gummi versehen, das sich öffnen kann, um Druck abzulassen, wenn der innere Druck der Bat­ terie ansteigt. Ein Deckelteil 4 zum Herunterpressen und Halten des Sicherheitsventiles 5 ist an der Kappe 1 so an­ gebracht, daß es die Ausnehmung verdeckt, in der das Sicher­ heitsventil 5 angeordnet ist. Als Film oder Folie zur Bildung des Gehäuseteils 8 wird vorzugsweise ein laminier­ ter Film oder eine laminierte Folie verwendet, deren innere Schicht mindestens eine PVDC-Schicht ist, um eine Störung der Batterieeigenschaften durch Durchlassen von Wasser aus dem Inneren der Batterie und durch Eindringen von Sauer­ stoff von außen verhindern. Die PVDC (Polyvinylidenchlorid)- Schicht kann je nach Zweck etwa 2 bis 30 µm dick sein. Vor­ zugsweise wird als äußerste Schicht des laminierten Films (Folie) Polypropylen, insbesondere Polyäthylenterephthalat verwendet, das bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweist. Zu einer weiteren Verstärkung der Schicht ist es bevorzugt, den laminierten Film (Folie) unter Verwendung einer Metallfolie, wie z.B. Aluminium oder SUS 316 oder ei­ ner Legierung zu bilden, wobei der Metallfilm eine Dicke von etwa 10 bis 1000 µm aufweist und als mindestens eine Schicht vorgesehen ist, mit Ausnahme der direkt an die Kappe zu schmelzenden Schicht.
In Fig. 2 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Hierbei ist in der Darstellung der Plattenstapel in Längsrichtung geschnitten. Der Umschlag oder das Gehäuseteil ist mit einem Bodenstreifen 12 aus dem­ selben Material wie die Kappe 1 aus synthetischem Harz ge­ fertigt. Dies stellt sicher, daß der Plattenstapel ordent­ lich am Platz gehalten wird. Nachdem die Zunge 7 des Plat­ tenstapels mit einem Anschluß 2 verbunden ist, wird der laminierte Film (Folie) in abgeflachter zylindrischer Form darübergeschoben. Es ist auch möglich, den Plattenstapel in den laminierten Film bzw. in die laminierte Folie ein­ zuschlagen, die dann an den Seiten zur Bildung der abge­ flachten zylindrischen Form verschmolzen wird, wodurch dann das Gehäuseteil 8 gebildet wird. Das Gehäuseteil 8 schließt den Bodenstreifen 12 ein und wird thermisch an die Kappe 1 und den Bodenstreifen 12 geschmolzen. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugsziffern 13, 14 und 15 die positive Platte, einen mit einem Elektrolyt so imprägnierten Sepa­ rator, daß kein freier Elektrolyt vorliegt, und die nega­ tive Platte, die zusammen den Plattenstapel bilden.
Fig. 3a ist ein Schnitt, der den Polumgrenzungsbereich ei­ ner weiteren bevorzugten Ausführungsform der dichten Bat­ terie zeigt. Ein zentraler Abschnitt des Anschlusses 2, der von dem die Kappe 1 bildenden Harz bedeckt ist, ist an zwei Stellen mit Kragen versehen. Wenn die Pole des Anoden- und Kathodenanschlusses lediglich säulen- bzw. stabförmig sind, so ist die Haftung der Pole am Harz an der Grenz­ fläche nicht besonders groß, so daß Leckverluste von Elek­ trolyt auftreten können, selbst wenn die Anschlüsse ein­ geschmolzen sind (siehe Fig. 3c). Wenn derartige Kragen (Fig. 3b) vorgesehen sind, so steigt die Adhäsion erheb­ lich. Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3a gezeigt ist, wird mit der Bezugs­ ziffer 16 ein thermisch aushärtendes Harz bezeichnet, das zwischen den Kragen aufgebracht ist, was die Adhäsion wei­ ter verbessert.
Es wurden 100 Batterie-Probestücke für jeden der in Fig. 3a bis 3c gezeigten Typen hergestellt, die dann Wärmezyklus­ tests mit 80°C für 12 Stunden und -20°C für ebenfalls 12 Stunden durchmachten. Es wurde hierbei gefunden, daß beim 50. Zyklus nur 3 der Proben nach Fig. 3a, 18 der Proben nach Fig. 3b, aber 87 Proben nach Fig. 3c Fehler aufwiesen.
Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Vorder- bzw. Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Kappe. Eine Kappe 1 aus synthetischem Harz ist hierbei an ihren oberen und unteren Abschnitten mit Vorsprüngen versehen, die höher hervorstehen, als die Anschlüsse 2, wobei die Vorsprünge durch eine Anhebung des Harzes rings um die Anschlüsse 2 erzeugt werden. Auch dann, wenn eine so aus­ gebildete Batterie die Fläche eines elektrisch leitenden Teiles aus irgendeinem Grund berührt, so sind beide An­ schlüsse gleichzeitig davor gesichert, die Oberfläche ei­ nes elektrisch leitenden Teiles zu berühren und so einen Kurzschluß zu erzeugen, da die oberen Vorsprünge 17 vor­ gesehen sind. Weiterhin werden, wenn die positive Platte sich beim Laden oder Entladen der Batterie ausdehnt, ihre oberen Flächen daran gehindert, den Kathodenpol zu be­ rühren, da der untere Vorsprung 18 vorgesehen ist. Mit der Bezugsziffer 19 ist der Abschnitt für das Sicherheitsven­ til in der Kappe 1 bezeichnet.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer dichten Batterie, bei der die bereits eingehüllte Bleibatterie in einem Gehäuse 20 angeordnet ist. Wenn man einen Druck auf den Plattenstapel erzeugen will, so ist in solchen Fällen eine wie zuvor beschrieben ausgebildete Batterie in einem steifen Gehäuse, z. B. aus einer Metallplatte anzuordnen. Da die Dicke des Gehäuses nicht sehr groß ist, kann sich der mittlere Abschnitt des Gehäuses ausbeulen, so daß der auf die Mitte des Platten­ stapels wirkende Druck ungenügend wird. Bei dieser bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Rand 10 des einhüllenden Umschlags 8, der verschmolzen werden soll, im wesentlichen in der Mitte des Plattenstapels 6 ange­ ordnet und in der Mitte des Plattenstapels umgefaltet. Dieses Umschlags- oder Gehäuseteil 8 wird im Gehäuse an­ geordnet, wodurch die Dicke des umgeschlagenen Randes 10 den Plattenstapel um eben diese Dicke vergrößert, so daß eine Erhöhung des auf die Mitte des Plattenstapels wirkenden Druckes erzeugt werden kann.
Fig. 7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Schnitt. Hier ist ein Ventilzylinder 30 im wesentlichen parallel zur Dicke des Plattenstapels vorge­ sehen. Bei dieser Anordnung muß man den Durchmesser des Ventilzylinders 30 und der darüber gepaßten Gummikappe 20 nicht verringern, wenn das Format der Batterie verringert wird. Weiterhin wird bei einer Verkleinerung der Batterie weder die Herstellungs- noch die Arbeitsweise des Sicher­ heitsventiles beeinflußt. Die Bezugsziffer 31 bezeichnet einen Deckel auf der Außenseite der Kappe 29, mit 2 ist ein Anschluß bezeichnet.
In Fig. 9 wird eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Darstellung gezeigt. Hier ist ein Plattenstapel 33 in einen Film oder eine Folie eingewickelt und zwischen ein Paar von metallischen Gehäuse­ hälften 32 und 32′ eingelegt, wird also von oben und unten zusammengedrückt. Eine Hälfte 32 ist an ihrer Seite mit Krallen 34 versehen, die andere Hälfte 32′ ist mit Löchern 35 an ihrer Seite versehen, in welche die Krallen 32 ge­ drückt und in Eingriff gebracht werden, um ein Gehäuse zu bilden. Die Leistungsfähigkeit wird hierbei wesentlich ver­ bessert, wenn ein solches metallisches Gehäuse verwendet wird, um den Plattenstapel 33 unter Druck zu halten. Wei­ terhin sind Vorsprünge 36, 36′ an den Gehäusehälften vor­ gesehen, welche mit der Oberfläche der Kappe 1 in Eingriff kommen, so daß der Plattenstapel 33 im Gehäuse gehalten wird.
Ein wesentlicher Punkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß keine Form zur Herstellung von Batteriegehäusen oder Töpfen notwendig ist, so daß bei Verwendung der vor­ liegenden Erfindung Veränderungen im Volumen und im Format der herzustellenden Batterien leicht angepaßt werden können. Nachdem gemäß der vorliegenden Erfindung der An­ schlußabschnitt in eine steife Kappe eingesetzt und sicher fixiert werden kann, ist die Zuverlässigkeit der Abdichtung des Anschlußabschnittes (bezüglich seiner Öffnung) verbes­ sert. Das Material für den laminierten Film, der den Ge­ häuse- oder Umschlagsabschnitt bildet, kann so ausgesucht werden, daß Störungen der Batterieleistung vermieden werden. Nachdem der Film schon an sich eine hohe Festigkeit auf­ weist, und in zufriedenstellender Weise mit der Kappe ver­ schmolzen werden kann, kann man die Batterien leicht her­ stellen. Die Gesamtdicke der Batterie kann dadurch reduziert werden, daß man das Sicherheitsventil, das in der Kappe mon­ tiert werden muß, dünn macht. Die dichte Bleibatterie kann leicht in einem Gehäuse untergebracht werden. Insgesamt bringt die vorliegende Erfindung den Vorteil mit sich, daß man dichte Bleibatterien mit hoher Leistungsfähigkeit her­ stellen kann, die hinsichtlich Gewicht, Format und Dicke reduziert sind.

Claims (12)

1. Dichte Bleibatterie, gekennzeichnet durch
eine Kappe (1) aus synthetischem Harz, die einstückig ausgebil­ det ist und in der Anoden- und Kathodenanschlüsse (2, 2′) aus Blei oder einer Bleilegierung eingesetzt sind und die einen Auslaßabschnitt aufweist, in dem ein Sicherheitsventil (5) an­ gebracht ist,
einen Plattenstapel (13, 14, 15), dessen Zungen (7, 7′) mit den Anschlüssen (2, 2′) verbunden sind, und durch ein beutelför­ miges Gehäuse (8) aus Film- oder Folienmaterial aus syntheti­ schem Harz, in dem der Plattenstapel (13, 14, 15) angeordnet ist, und das am Umfangsrand seiner Öffnung an die Kappe (1) angeschmolzen ist.
2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem laminierten Film oder einer laminierten Folie besteht, die eine innerste Schicht aufweist, welche analog dem synthetischen Harz ist, aus dem die Kappe besteht und deren äußerste Schicht aus Polyäthylenterephthalat besteht, wobei mindestens eine Zwischenschicht als Polyvinylidenchlorid vorge­ sehen ist.
3. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem laminierten Film oder einer laminierten Folie besteht, die mindestens eine Schicht aufweist, die ein Metall oder eine Legierung umfaßt, wobei diese Schicht nicht diejenige Schicht ist, die direkt an die Kappe (1) geschmolzen ist.
4. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem laminierten Film oder einer laminierten Folie besteht, die eine abgeflachte zylin­ drische Form aufweist und einen Bodenstreifen (12) aus demselben synthetischen Harzmaterial umfaßt, wie die Kappe (1).
5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Pole umgrenzenden Abschnitten, die durch Spritzgießen des Harzes für die Kappe rings um den Anoden- und Kathodenanschluß (2, 2′) der Kappe ent­ stehen, die zentralen Abschnitte, welche mit Harz be­ deckt sind, an zwei oder mehr Stellen mit Kragen ver­ sehen sind.
6. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kragen der zentralen Abschnitte ein thermisch aushärtendes Harz angeordnet ist.
7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem oberen und/oder unteren Abschnitt der Kappe (1) Vorsprünge rings um die Anschlüsse (2) vor­ gesehen sind, die höher sind als die Enden der An­ schlüsse (2).
8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Film- oder Folienmaterial, welches das Gehäuse bildet, an seiner Verschweißungsstelle (10) in der Nähe der Mitte des Plattenstapels (13, 14, 15) angeord­ net und umgeschlagen ist und daß diese Anordnung in einem steifen Gehäuse aus Metallblech oder dergleichen angeordnet ist.
9. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Film- oder Folienmaterial rings um ein Aus­ strömloch in der Kappe (1) bis auf einen unangeschmol­ zenen Teil angeschmolzen ist, wodurch ein Sicherheits­ ventil gebildet wird.
10. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil einen Ventilzylinder (30) und eine Gummikappe (29) umfaßt und im wesentlichen paral­ lel zur Dicke des Plattenstapels angeordnet ist.
11. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Gehäusehälften (32, 32′) vorgesehen ist, die einen dazwischen eingesetzten Plattenstapel unter Druck von oben und unten einschließen, wobei die Gehäusehälften (32, 32′) einander in Vertikalrichtung teilweise überlappen und eine der Gehäusehälften (32) mit Krallen (34) an ihrer Seite, die andere Gehäuse­ hälfte (32′) mit Öffnungen (35) an ihrer Seite ausge­ stattet sind, in welchen die Krallen (34) in Eingriff gelangen können.
12. Dichte Bleibatterie, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
Eine Kappe (1) aus synthetischem Harz, die einstückig ausgebildet ist und darin eingesetzt einen Anoden- und einen Kathodenanschluß (2, 2′) aus Blei oder einer Bleilegierung trägt und die weiterhin einen Auslaßab­ schnitt aufweist, an dem ein Sicherheitsventil (3 bis 5) sitzt,
einen Plattenstapel (13, 14, 15), dessen Zungen (7, 7′) mit den Anschlüssen (2, 2′) verbunden sind, und
eine Umhüllung oder Gehäuse aus einem Film oder einer Folie aus synthetischem Harz, in der der Plattenstapel (13, 14, 15) angeordnet ist und die an ihrem Umfangs­ rand der Öffnung an die Kappe (1) angeschmolzen ist.
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