DE3918030A1

DE3918030A1 - Elektrochemische zelle mit unterbrecher fuer den inneren stromkreis

Info

Publication number: DE3918030A1
Application number: DE3918030A
Authority: DE
Inventors: Philip Georgopoulos; John Langkau
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1990-01-18
Also published as: GB8915564D0; FR2635919A1; JP2824666B2; GB2221565B; GB2221565A; US4855195A; JPH0278151A; FR2635919B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, die innere Sicherheitsheitsschalteinrichtungen zur Unter brechung des elektrischen Stromkreises aufweisen.

Unter mißbräuchlichen Bedingungen können elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte lecken oder brechen, was zu entsprechenden Beschädigungen der Vorrichtung, bei der die Zelle Verwendung findet, oder zu Schädigungen der Personen, die die Vorrichtung handhaben, führen kann. Beispiele von derartigen mißbräuchlichen Bedingungen für eine Zelle sind mißbräuchliches Aufladen der Zelle, eine zwangsweise Ent ladung und äußeres Kurzschließen. Solche Bedingungen bewirken, daß die Innentemperatur der Zelle ansteigt, was zu einem entsprechenden Druckanstieg führt. Obwohl derartige Zellen üblicherweise einen Entlüftungsmechanismus aufweisen, über den der Elektrolyt ausgestoßen wird, kann der Elektro lyt selbst Beschädigungen verursachen. Darüber hinaus kann bei Zellen, die Lithium als Anodenmaterial verwenden, das Lithium schmelzen und zu Bränden führen, wenn die innere Zellentemperatur über 180°C ansteigt. Daher sind andere Sicherheitsvorrichtungen als Entlüftungseinrichtungen, die den elektrischen Stromkreis bei mißbräuchlichen Bedingungen unterbrechen, wünschenswert. Wenn der Stromkreis unter brochen werden kann, kann ein Anstieg der Innentemperatur der Zelle aufgrund dieser mißbräuchlichen Bedingungen be endet werden.

Eine Methode zur Unterbrechung des elektrischen Stromflus ses in der Zelle, wenn die Innentemperatur der Zelle an steigt, besteht in der Verwendung einer Poly-Switch-Scheibe (Warenzeichen der Pirma Raychem Corp.) in der Zelle. Eine solche Scheibe ist eine rückstellbare Vorrichtung, die den elektrischen Stromfluß in der Zelle unterbricht, wenn eine Grenztemperatur erreicht wird. Wenn die Temperatur absinkt, bewirkt die Scheibe, daß der normale zur Verfügung stehende Strom im elektrischen Stromkreis wieder eingestellt werden kann. Bedauerlicherweise sind jedoch diese Vorrichtungen nicht für alle Anwendungsfälle geeignet. Wenn eine solche Poly-Switch-Scheibe beispielsweise so ausgelegt ist, daß sie bei niedrigen Temperaturen funktioniert, kann die Scheibe eine niedrige Durchschlagspannung aufweisen. Wenn einmal die Durchschlagspannung erreicht ist, verhindert die Scheibe nicht mehr einen Stromfluß. Wenn daher Zellen, die derartige Scheiben enthalten, in einer mehrere Zellen aufweisenden Vorrichtung verwendet werden und wenn mißbräuchliche Bedin gungen auftreten, wird die Durchschlagspannung erreicht und die Poly-Switch-Scheibe verhindert den Stromfluß nicht weiter.

In der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 59-1 91 273 fin det eine Leitung aus einer Legierung mit Formerinnerungs vermögen in einer Lithium/Thionylchlorid-Zelle Verwendung. Wenn die Innentemperatur der Zelle ansteigt, faltet sich der Leitungsdraht nach unten und unterbricht den elektrischen Stromkreis. Die Ausbildung eines Unterbrechungselementes aus einem solchen einzigen Leitungsdraht ist jedoch unerwünscht, da das Element zur Ermöglichung einer Abwärtsfaltung spe zialbehandelt werden muß, was einen großen Aufwand und ent sprechende Zeit erforderlich macht. Auch kann der einzige Streifen ein relativ großes Maß an Zellenraum erfordern. Dies ist unerwünscht, da dann der gesamte zur Verfügung stehende Zellenraum nicht nur aktive Zellenbestandteile enthält.

In der US-PS 40 35 552 ist ein Bimetallstreifen im Raum zwischen der Zellenabdeckung und einem Zellengehäuse an geordnet, der als Thermoschalter und auf Druck ansprechen der Schalter funktioniert. Da der Schalter jedoch in dem Raum zwischen der Abdeckung und dem Gehäuse angeordnet ist, besetzt er ebenfalls ein relativ großes Ausmaß des Zel lenraumes.

Im Hinblick auf die Nachteile dieser bekannten Verfahren wäre es wünschenswert, eine elektrochemische Zelle zur Ver fügung zu haben, die eine Sicherheitsschalteinrichtung besitzt, die unter sämtlichen mißbräuchlichen Bedingungen zuverlässig arbeitet.

Es ist ferner wünschenswert, eine derartige Einrichtung zu besitzen, die nicht ein unerwünscht großes Ausmaß an Zellen raum einnimmt.

Die Erfindung besteht aus einer elektrochemischen Zelle, die eine Elektrodeneinheit umfaßt, welche eine positive und eine negative Elektrode aufweist, die in einem Zellengehäuse untergebracht sind. Das Gehäuse enthält eine Einrichtung, die einen Pol für eine der Elektroden bildet. Sie umfaßt ferner eine Abdeckeinheit, die eine Einrichtung für einen Pol bildet, der dem Pol des Gehäuses entgegengesetzt ist, um auf diese Weise einen elektrischen Stromkreis in der Zelle aufzubauen. Ein Stromabnehmer ist im Stromkreis angeordnet und steht in physikalischem Kontakt mit einer der Elektro den. Der Stromabnehmer besteht aus einer Legierung mit Form erinnerungsvermögen, besitzt einen Basisabschnitt und eine Vielzahl von Schenkeln, die sich von dem Basisabschnitt aus erstrecken, und bildet eine Einrichtung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle, wenn die Innen temperatur der Zelle ansteigt.

Nach einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, die eine spiralförmig gewickelte Elektrodeneinheit umfaßt, welche eine positive und eine negative Elektrode enthält. Diese Einheit ist in einem lei tenden Zellengehäuse enthalten, das an einem Ende geschlos sen und am anderen Ende offen ist. Das geschlossene Ende steht in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden, so daß das Gehäuse einen der Zellenpole bilden kann, eine Ab deckeinheit ist über dem offenen Ende des Gehäuses angeord net und umfaßt eine Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit. Die Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit enthält einen Entlüftungs schacht, der eine Einrichtung zur Entlüftung der Zelle bil det. Die Abdeckeinheit besitzt ferner eine Einrichtung, die einen Pol für die Elektrode bildet, die der mit dem Gehäuse in Kontakt stehenden Elektrode entgegengesetzt ist, um auf diese Weise einen elektrischen Stromkreis in der Zelle auf zubauen, ein Stromabnehmer ist im elektrischen Stromkreis der Zelle angeordnet und steht in physikalischem Kontakt mit einer der Elektroden und in elektrischem Kontakt mit dem Pol. Der Stromabnehmer besteht aus einer Legierung mit Form erinnerungsvermögen und besitzt einen Basisabschnitt, eine Vielzahl von Kontaktschenkeln, die sich vom Basisabschnitt weg erstrecken, sowie eine Einrichtung zur Befestigung des Stromabnehmers am Entlüftungsschacht. Der Stromabnehmer bil det eine Einrichtung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle, wenn die Innentemperatur der Zelle ansteigt.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrochemische Zelle, die eine Elektrodeneinheit aus einer positiven und einer negativen Elektrode und entgegenge setzte Pole, die an die Elektroden angeschlossen sind, um einen elektrischen Stromkreis auszubilden, umfaßt. Im Strom kreis sind ein Stromabnehmer und ein rückstellbarer Thermo schalter angeordnet. Der Stromabnehmer besteht aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen und bildet eine Ein richtung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle, wenn die Innentemperatur der Zelle ansteigt. Der rückstellbare Thermoschalter bildet eine Einrichtung, die einen Stromfluß im elektrischen Stromkreis bei einer Tempe ratur unterhalb der Unterbrechungstemperatur des Stromab nehmers verhindert.

Bei den erfindungsgemäß ausgebildeten elektrochemischen Zellen findet ein Stromabnehmer Verwendung, der zwei Funktionen ausführt. Die erste Funktion besteht darin, daß er Strom von einer Elektrode abnimmt bzw. sammelt und diesen Strom auf den Pol überträgt. Die zweite Funktion ist eine Sicherheitsfunktion, wenn der elektrische Kontakt zwischen der Elektrode und dem Pol unterbrochen wird, wenn die Innen temperatur der Zelle ansteigt. Diese Stromabnehmer werden als Stromabnehmer-Sicherheitsschalter bezeichnet. Da die Sicherheitsfunktion im gleichen Element wie die Stromab nahmefunktion verwirklicht ist, nimmt der Sicherheitsschal ter wenig nutzbaren Zellenraum ein, so daß der zur Verfü gung stehende Raum für die aktiven Komponenten der Zelle genutzt wird. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen, bei denen der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter in Verbindung mit dem rückstellbaren Thermoschalter Verwendung findet, besitzen im Vergleich zu Zellen. die nur den rückstellbaren Thermoschalter besitzen, eine erhöhte Zuverlässigkeit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete elektro chemische Zelle mit einer spiralförmig ge wickelten Elektrodeneinheit, bei der ein Stromabnehmer-Sicherheitsschalter und ein rückstellbarer Thermoschalter Verwendung finden;

Fig. 2 die elektrochemische Zelle der Fig. 1, nachdem sich die Schenkel des Stromab nehmer-Sicherheitsschalters zurückgezo gen haben; und

Fig. 3 eine Ausführungsform des Stromabnehmer- Sicherheitsschalters, der bei den Zellen dieser Erfindung Verwendung findet.

Der erfindungsgemäß verwendete Stromabnehmer-Sicherheits schalter besteht aus einer Legierung mit Formerinnerungs vermögen. Derartige Legierungen sind Materialien, die bei Raumtemperatur in gewünschte Formen gebracht werden können und die bei Erhitzung zu ihrer Ursprungsform oder zu einer Form, die sich von der ersten gewünschten Form unterschei det, zurückkehren. Die Legierungen können rücksetzbar oder nicht rücksetzbar sein. Bei der vorliegenden Erfindung kehren die bevorzugsten Materialien bei Erhitzung in ihre Ursprungsform zurück und behalten diese Form beim Abkühlen.

Beispiele von Legierungen, die Formerinnerungseigenschaften aufweisen, sind Nickel-Titan-Legierungen, Kupfer-Zink- Aluminium-Legierungen und Aluminium-Kupfer-Silizium-Le gierungen. Für die Zwecke der Erfindung werden Nickel-Titan- Legierungen am meisten bevorzugt.

Die erfindungsgemäß verwendeten Stromabnehmer-Sicherheits schalter besitzen einen Basisabschnitt mit einer Vielzahl von Schenkeln, die sich vom Basisabschnitt weg erstrecken. Vorzugsweise ist der Basisabschnitt scheibenförmig ausge bildet und besitzt eine Öffnung im mittleren Bereich des scheibenförmigen Basisabschnitts. Diese Öffnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Befestigung des Stromabnehmer-Sicherheitsschalters an ande ren inneren Zellenkomponenten. Vorteilhafterweise sind drei Schenkel vorhanden, die sich vom scheibenförmigen Basisab schnitt aus erstrecken. Die drei Schenkel dienen zur gleichmäßigen Abnahme bzw. Sammlung und Förderung des Stro mes durch den Stromkreis der Zelle. Die Schenkel werden hergestellt, indem Schlitze in den Basisabschnitt geschnit ten und dann die Schenkel in die ausgeweitete Position ge drückt werden. Daher sind bei der Ausgangsposition des Stromabnehmer-Sicherheitsschalters die Schenkel mit der Ebene des Basisabschnitts bündig angeordnet. Obwohl es bevorzugt wird, daß beim Erhitzen die Schenkel in die bündige Position zurückkehren, ist der Stromabnehmer-Sicher heitsschalter auch geeignet, wenn sich die Schenkel in aus reichender Weise bewegen, um hierdurch den elektrischen Stromkreis in der Zelle zu unterbrechen. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der Stromabnehmer-Sicher heitsschalter als Federelement ausgebildet, das eine Ein richtung zum Aufbau eines Federvorspannungskontaktes zwischen der Elektrode und deren Pol bildet.

Der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter unterbricht den elektrischen Stromkreis vorzugsweise bei einer Temperatur, die unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Komponenten der Zelle schmelzen, oder unterhalb der Temperatur, bei der der Innendruck der Zelle groß genug wird, um den Zellenbe hälter zu zerbrechen. Wenn eine Entlüftungseinrichtung verwendet wird, unterbricht das Element den elektrischen Stromkreis vorzugsweise unterhalb der Entlüftungstemperatur der elektrochemischen Zelle. Diese Temperatur kann je nach dem Zellensystem variieren. Für Zellensysteme, die Lithium als Anode verwenden, unterbricht der Stromabnehmer-Sicher heitsschalter vorzugsweise den elektrischen Stromkreis unterhalb der Temperatur, bei der das Lithium schmilzt. Am meisten bevorzugt wird eine Unterbrechungstemperatur des Stromabnehmer-Sicherheitsschalters, die zwischen etwa 85°C und etwa 95°C liegt.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter als auch der rückstellbare Thermoschalter Verwendung finden, ist es von Vorteil, daß der rückstellbare Thermoschalter vor der Unterbrechungstem peratur des Stromabnehmer-Sicherheitsschalters aktiviert wird. Der bevorzugte rückstellbare Schalter ist ein Wider stand mit positivem thermischen Koeffizienten (PTC-Vor richtung). Wenn die Aktivierungstemperatur des PTC-Schal ters erreicht ist, entsteht ein hoher Widerstand in der Vorrichtung, der den Stromfluß beträchtlich reduziert. Wenn die Temperatur abgesenkt wird, wird der Widerstand im Schal ter abgesenkt und der Stromfluß wiederhergstellt. Eine solche Widerstandsvorrichtung wird vorteilhafterweise bei elektrochemischen Zellen für Blitzlicht verwendet. Solche Einsatzfälle können eine intensive und schnelle Spitzen temperatur erzeugen, die den Stromabnehmer-Sicherheits schalter aktivieren kann. Daher erniedrigt der rückstellbare Thermoschalter vorzugsweise den Stromfluß beträchtlich, um das Erreichen der Unterbrechungstemperatur des Stromab nehmer-Sicherheitsschalters zu verhindern.

Beispiele von geeigneten rückstellbaren PTC-Schaltern sind von der Firma Raychem Corporation unter dem Warenzeichen Poly Switch erhältlich. Solche Vorrichtungen sind in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 62 versehen.

Bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen kann irgendeine Kombination von positiven und negativen Elektroden, die zur Herstellung eines elektrischen Stromkreises in der Zelle ge eignet sind, Anwendung finden. Beispiele von geeigneten Kom binationen sind eine stapelförmig angeordnete Einheit, eine plattenförmige Einheit und eine spiralförmig gewickelte Ein heit.

Die in den erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen verwendete Elektrodeneinheit ist vorzugsweise eine spiralförmig ge wickelte Elektrodeneinheit. Typischerweise besitzt eine solche Einheit einen negativen Elektrodenstreifen, der ein Anodenmaterial umfaßt, sowie einen positiven Elektroden streifen, der ein Kathodenmaterial umfaßt, das durch einen Trennstreifen abgetrennt wird. Übliche Anodenmaterialien sind verbrauchbare Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Zink, Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Legierungen der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle. Bevorzugte Anoden materialien für nicht wäßrige Elektrolytsysteme umfassen Aluminium, Lithium, Natrium und Kalzium. Das Anodenmaterial für solche Systeme ist vorzugsweise Lithium, da es sich hierbei um ein duktiles weiches Metall handelt, das das höchste Energie/Gewichts-Verhältnis aus der Gruppe der ge eigneten Anodenmetalle besitzt. Lithium kann als Streifen verwendet oder auf einen geeigneten Träger aufgebracht werden. Nach der Formung zu dem Streifen besitzt die Elektrode typischerweise einen Anodenkollektorabschnitt, der sich auf einem Rand des Streifens erstreckt.

Geeignete aktive Kathodenmaterialien sind elektrochemisch reduzierbare Materialien. Solche Materialien umfassen Eisensulfide, wie beispielsweise FeS₂ und FeS, Manganoxide, wie beispielsweise MnO₂, CF_x, V₂O₅, WO₃, MoO₃, MoS₂, Blei oxide, Kobaltoxide, Kupferoxide, Kupfersulfide, In₂O₃, NiS, Ag₂CrO₄, Ag₃PO₄, TiS₂, Übergangsmetall-Polysulfide und Ge mische davon. Der Begriff "aktive Kathode" bedeutet, daß das Material in der elektrochemischen Reaktion reduziert wird. Das aktive Kathodenmaterial wird in die positive Elektrode eingeformt, indem man das aktive Kathodenmaterial mit einer Menge eines geeigneten leitenden Materiales, wie Kohlen stoff, und einer Menge eines geeigneten Bindemittels ver mischt. Das Gemisch kann dann zu einem Streifen geformt oder gepreßt, imprägniert oder auf einen geeigneten Träger, wie beispielsweise eine Folie oder ein expandiertes Metall, auf getragen werden. Nach der Formung zu dem Streifen besitzt die Elektrode typischerweise einen Kathodenkollektorab schnitt, der sich auf einem Rand des Streifens erstreckt.

Trennmaterialien, die für die Erfindung geeignet sind, sind Materialien, die elektrisch nicht leitend, jedoch ionenlei tend sowie porös sind, so daß der Elektrolyt beide Elektro den kontaktieren kann. Beispiele von geeigneten Trennma terialien sind Papier, Polypropylen und Polyäthylen.

Die spiralförmig gewickelte Elektrodeneinheit kann herge stellt werden, indem man das Trennmaterial, die negative Elektrode und die positive Elektrode zusammenwickelt, so daß der Kathodenkollektor von einem Ende der Einheit vorsteht, während der Anodenkollektor vom anderen Ende der Einheit vorsteht.

Geeignete Elektrolyte zur Verwendung in den erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen können wäßrig oder nicht wäßrig sein. Bei nicht wäßrigen Elektrolyten können organische oder an organische Lösungsmittel Verwendung finden, die einen lei tenden gelösten Stoff enthalten. Geeignete Lösungsmittel umfassen Tetrahydrofuran (THF), Dioxolan, Dimethoxyäthan (DME), Dimethylisoazol (DMI), 3-Methyl-2-oxazolidon, Diäthylcarbonat (DET), Propylencarbonat, Athylenglycol sulfit (EGS), Dioxan, Dimethylsulfit (DMS) o.ä. sowie Ge mische davon.

Geeignete Salze umfassen: MCF₃SO₃, MSCN, MBF₄, MClO₄ und MM′F₆ wobei M Lithium, Natrium oder Kalium und M′ Phosphor, Arsen oder Antimon sind. Das spezielle ausgewählte Salz ist mit dem Lösungsmittel und den Elektroden der Zelle verträg lich und reagiert damit nicht. Die dem Lösungsmittel zuzu setzende Menge des Salzes sollte ausreichend groß sein, um eine ionisch leitende Lösung mit einer Leitfähigkeit von mindestens etwa 10^-4 Ohm^-1 cm^-1 vorzusehen. Typischerweise sind etwa 0,5 M des Salzes ausreichend. Ein Beispiel eines bevorzugten Elektrolyten ist ein Gemisch aus Dioxolan, Propylencarbonat und Dimethoxiäthan und LiClO₄.

Das Gehäuse der erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen besteht aus einem elektrisch leitenden Metall. Es enthält eine Ein richtung, die einen Pol für eine der Elektroden bildet. Vor zugsweise besitzt das Gehäuse ein offenes Ende und ein ge schlossenes Ende und ist zylindrisch ausgebildet. Diese Form wird bevorzugt, da auf diese Weise das Gehäuse selbst eine der Elektroden kontaktieren kann, um einen Pol zu bilden.

Die Abdeckeinheit enthält ebenfalls eine Einrichtung zur Ausbildung eines Poles mit entgegengesetzter Polarität zu dem vom Gehäuse gebildeten Pol. Vorzugsweise umfaßt die Abdeckeinheit desweiteren eine Abdichtungs-Entlüftungs- Einheit, die eine Einrichtung zur Abdichtung und Isolation der Abdeckeinheit gegenüber dem Zellengehäuse sowie eine Einrichtung zur Entlüftung der Zelle bildet.

Als geeignete Entlüftungseinrichtung in der Abdichtungs- Entlüftungs-Einheit kann man beispielsweise eine Öffnung in der Einheit vorsehen, um einen Weg vom Inneren der Zelle zum Äußeren der Zelle zu schaffen. Diese Öffnung kann dann mit einem Dichtungsstopfen verschlossen werden, der bei einer bestimmten Temperatur schmilzt oder bei einem geeigneten Druck ausgestoßen wird, so daß die inneren Bestandteile der Zelle entweichen können. Bei einer anderen geeigneten Ent lüftungseinrichtung kann man eine bestimmte Form in die Einheit prägen oder ätzen, um geschwächte Bereiche auszu bilden, die bei einem erhöhten Zellendruck ausgeblasen werden können. Eine bevorzugte Entlüftungseinrichtung be sitzt eine Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit mit einem Ent lüftungsschacht, der eine Einrichtung zur Entlüftung der Zelle bildet. Eine solche Einrichtung wird vorzugsweise hergestellt, indem man eine Entlüftungsöffnung im Boden des Entlüftungsschachtes vorsieht und ein Entlüftungsab dichtungselement im Entlüftungsschacht über der Öffnung anordnet. Eine solche wünschenswerte Entlüftungseinrichtung ist in der amerikanischen Patentanmeldung 8 86 619 beschrie ben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Zellen zusammengebaut, indem man die Elektrodeneinheit ausbildet und die Einheit in ein Gehäuse einsetzt, das ein ge schlossenes und ein offenes Ende besitzt, so daß eine der Elektroden mit dem Gehäuse in Kontakt steht. Nach dem Einbringen der Elektrodeneinheit in die Zelle wird der Elektrolyt zugesetzt, und die Abdeckungseinheit wird über dem offenen Ende des Gehäuses angeordnet.

Der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter kann in irgendeiner Weise im Stromkreis angeordnet werden, die ein Zurückziehen der Schenkel zur Unterbrechung des Zellenstromkreises ermög licht. Vorzugsweise steht der Stromabnehmer-Sicherheits schalter in physikalischem Kontakt mit einer der Elektroden und in elektrischem Kontakt mit dem Pol. Natürlich kann der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter auch in direktem physika lischen Kontakt mit dem Pol stehen. Beispielsweise kann der Schalter in vorteilhafter Weise so eingesetzt werden, daß der Basisabschnitt mit dem geschlossenen Ende des Zellen gehäuses in Kontakt steht und sich die Schenkel nach oben in Richtung auf das offene Ende des Zellengehäuses erstrecken. Wenn die Elektrodeneinheit in das Zellengehäuse eingesetzt wird, stellen die ausgeweiteten Stromabnehmer an der Elektrodeneinheit einen direkten physikalischen Druckkontakt mit den ausgeweiteten Schenkeln des Stromabnehmer-Sicher heitsschalters her. Bei einer solchen Ausführungsform ist in der Zelle vorzugsweise eine Einrichtung zum Halten der Elektrodeneinheit vorgesehen, so daß beim Zurückziehen der Schenkel des Stromabnehmer-Sicherheitsschalters die Elektro deneinheit an Ort und Stelle und außer Kontakt mit dem Schalter gehalten wird.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter in das Zellengehäuse ein gesetzt werden, wobei sich die Schenkel mit dem Gehäuse in Kontakt befinden. Die Elektrodeneinheit tritt dann mit dem Basisabschnitt in physikalischen Kontakt und muß wiederum gehaltert werden, so daß beim Zurückziehen der Schenkel der elektrische Stromkreis zwischen der Elektrodeneinheit und dem Schalter unterbrochen wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Zelle besitzt der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter eine Öffnung im Basisab schnitt zur Befestigung an einem Zellenbestandteil, wie beispielsweise dem Entlüftungsschacht in der Abdichtungs- Entlüftungs-Einheit. Der Schalter kann auf diese Weise mittels Preßpassung oder Verrasten am Entlüftungsschacht befestigt werden. Wenn der Basisabschnitt des Schalters den Anoden- oder Kathodenkollektorabschnitt der Elektrodenein heit kontaktiert und die Schenkel des Elementes in Kontakt mit der Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit stehen, wird eine elektrische Isolationshülse um den Entlüftungsschacht herum vorzugsweise verwendet, um ein Verschwenken des Schalters und ein erneutes Verbinden des Stromkreises nach dem Zu rückziehen der Schenkel zu verhindern. Vorteilhafterweise ist die Isolationshülse mittels Preßpassung um den Ent lüftungsschacht herum befestigt, während der Stromabnehmer- Sicherheitsschalter vorzugsweise an der Isolationshülse verrastet ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter mit der Öffnung im Ba sisabschnitt direkt am Entlüftungsschacht befestigt werden, wobei sich die Schenkel abwärts erstrecken, um mit dem Anoden- oder Kathodenkollektorabschnitt der Elektroden einheit in Kontakt zu treten. Diese Ausführungsform wird nicht so bevorzugt wie die Ausführungsform, bei der die Isolationshülse verwendet wird, da die Schenkel des Strom abnehmer-Sicherheitsschalters möglicherweise den Anoden oder Kathodenkollektorabschnitt beschädigen können.

Wendet man sich nunmehr der Zeichnung zu, so erkennt man in Fig. 1 eine elektrochemische Zelle 10 mit einer spiralför mig gewickelten Elektrodeneinheit 15, einer Lithium-Anode 20 und einer Eisendisulfid-Kathode 25. Ein Stromabnehmer/Strom sammler-Sicherheitsschalter 30 besitzt einen Basisabschnitt 32, der mit dem Kathodenkollektor 34 der Elektrodeneinheit 15 in Kontakt steht. Der Schenkel 35 des Schalters 30 er streckt sich an der Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit 40 der Abdeckungseinheit 45 nach oben und steht mit dieser in Kontakt. Der Schalter 30 besitzt eine Öffnung 38, so daß er mittels Preßpassung an einer Isolationshülse 50 befestigt ist, die den Schalter 30 gegenüber dem Entlüftungsschacht 47 der Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit 40 isoliert. Ein Ent lüftungsabdichtungselement 49 findet im Entlüftungsschacht 47 Verwendung.

Die Zelle wird montiert, indem die Elektrodeneinheit 15 in das leitende Gehäuse 12 eingebracht wird. Danach wird ein Isolationskonus 55 auf der Oberseite der Elektrodeneinheit angeordnet, wonach ein Ringträgerelement 57 auf dem Konus 55 über einem Wulst 59 im Zellengehäuse 12 vorgesehen wird. Eine Isolationsdichtung 60 findet um die Abdichtungs Entlüftungs-Einheit 40 herum Verwendung, um eine flüssig keits- und gasdichte Abdichtung vorzusehen. Ein rückstell barer PTC-Schalter in der Form einer Scheibe 62 wird über der Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit 40 angeordnet und steht mit einer elektrisch leitenden Scheibe 64 in Kontakt. Ein Polelement 66 wird dann auf der Oberseite der elektrisch leitenden Scheibe 64 angeordnet, um die Abdeckeinheit 45 zu vervollständigen.

In Fig. 2 sind bei einer mißbräuchlichen Bedingungen aus gesetzten Zelle die Schenkel 35 des Stromabnehmer-Sicher heitsschalters 30 in einem zurückgezogenen Zustand darge stellt, so daß sie mit dem Basisabschnitt 32 bündig sind. Die Schenkel 35 stehen nicht mehr in Kontakt mit der Ab dichtungs-Entlüftungs-Einheit 40, so daß daher die elektrische Verbindung zwischen dem Kathodenkollektor 34 und der Abdeckeinheit 45 unterbrochen ist.

In Fig. 3 ist ein Stromabnehmer-Sicherheitsschalter 30 gezeigt. Das Element 30 besitzt einen Basisabschnitt 32 und drei davon ausgehende Schenkel 35. Es besitzt ferner drei Entspannungsöffnungen 37. Wenn die Schenkel 35 geformt werden, sollte Sorge dafür getragen werden, daß sämtliche ausgebildeten Grate sich in einer Richtung erstrecken, die beim Beginn des Zurückziehens der Schenkel 35 das Zurück ziehen der Schenkel nicht wesentlich behindert. Dieser Stromabnehmer-Sicherheitsschalter 30 besitzt auch eine Öffnung 38, so daß er am Entlüftungsschacht 47 und an der Isolationshülse 50 befestigt werden kann.

Die erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen weisen eine höchst zuverlässige Sicherheitsscheibeneinrichtung auf, die in wirksamer Weise den Stromkreis der elektrochemischen Zelle bei einer sicheren Temperatur unterbricht. Dieser Strom kreis wird vorzugsweise vor dem Entlüften der Zelle oder vor dem Brechen des Zellenbehälters unterbrochen. Darüber hinaus können die erfindungsgemäß ausgebildeten Zellen, bei denen sowohl der Stromabnehmer-Sicherheitsschalter als auch der PTC-Thermoschalter Verwendung finden, in einer eine Vielzahl von Zellen aufweisenden Vorrichtung verwendet werden, und der Stromkreis wird selbst dann unterbrochen, wenn miß bräuliche Bedingungen oberhalb der Durchschlagspannung des PTC-Thermoschalters auftreten.

Claims

1. Elektrochemische Zelle, gekennzeichnet durch:

(a) eine Elektrodeneinheit (15), die eine positive und eine negative Elektrode (20, 25) enthält;
(b) ein Gehäuse (12), das die Elektrodeneinheit (15) und eine Einrichtung zur Ausbildung eines Poles für eine der Elektroden (20, 25) enthält;
(c) eine Abdeckeinheit (45), die eine Einrichtung enthält, die einen dem Pol des Gehäuses (12) entgegengesetzten Pol vorsieht, um auf diese Weise einen elektrischen Stromkreis in der Zelle aufzubauen; und
(d) einen Stromsammler bzw. Stromabnehmer (30), der im Stromkreis angeordnet ist und in physikalischem Kontakt mit einer der Elektroden (20, 25) steht, wobei der Stromabnehmer (30) aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen be steht und einen Basisabschnitt (32) sowie eine Vielzahl von Schenkeln (35) besitzt, die sich vom Basisabschnitt (32) aus erstrecken, und wobei der Stromabnehmer (30) eine Ein richtung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle bildet wenn die Innentemperatur der Zelle an steigt.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Elektrodeneinheit um eine Einheit mit stapelweise angeordneten Elektroden handelt.

3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß es sich bei der Elektrodeneinheit um eine Platteneinheit handelt.

4. Elektrochemische Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromabnehmer (30) ein Federelement ist, das eine Einrichtung zur Her stellung eines Federvorspannungskontaktes zwischen der Elektrode (20, 25) und ihrem Pol bildet.

5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Basisabschnitt (32) des Stromab nehmers (30) in physikalischem Kontakt mit einer Elektrode (20, 25) der Elektrodeneinheit (15) steht.

6. Elektrochemische Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pol des Gehäuses (12) ein elektrischer Kontakt zwischen einer der Elektroden (20, 25) und dem Gehäuse (12) ist.

7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein geschlossenes und ein offenes Ende aufweist.

8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer (30) im geschlossenen Ende des Zellengehäuses (12) angeordnet ist.

9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schenkel (35) des Stromabnehmers (30) mit dem Zellengehäuse (12) in Kontakt stehen.

10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer im offenen Ende des Zellengehäuses angeordnet ist.

11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Basisabschnitt (32) des Stromab nehmers (30) in Kontakt mit dem Abdeckungselement (45) steht.

12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer (30) ein Federelement ist, das eine Einrichtung zum Aufbau eines Federvor spannungskontaktes zwischen der Elektrode (20, 25) und ihrem Pol bildet.

13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer ein Federelement ist, das eine Einrichtung zur Herstellung eines Federvorspan nungskontaktes zwischen der Elektrode (20, 25) und ihrem Pol bildet.

14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß es sich bei dem Stromabnehmer (30) um ein Federelement mit drei Schenkeln handelt.

15. Elektrochemische Zelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schenkel des Stromabnehmers (30) bei einer inneren Zellentemperatur von zwischen etwa 85°C und etwa 95°C zurückziehen.

16. Elektrochemische Zelle, gekennzeichnet durch:

(a) eine spiralförmig gewickelte Elektrodeneinheit, die eine positive und eine negative Elektrode enthält:
(b) ein leitendes Zellengehäuse, das an einem Ende geschlos sen und am anderen Ende offen ist, wobei das geschlossene Ende in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden steht, so daß das Gehäuse einen der Pole der Zelle bilden kann;
(c) eine Abdeckeinheit, die über dem offenen Ende des Gehäu ses angeordnet ist und eine Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit aufweist, die einen Entlüftungsschacht besitzt, der eine Einrichtung zur Entlüftung der Zelle bildet, wobei die Abdeckeinheit desweiteren eine Einrichtung zur Ausbildung eines Poles für die der in Kontakt mit dem Gehäuse stehen den Elektrode entgegengesetzte Elektrode bildet, um auf diese Weise einen elektrischen Stromkreis in der Zelle aufzubauen; und
(d) einen Stromsammler bzw. Stromabnehmer, der im elektrischen Stromkreis der Zelle angeordnet ist und in physikalischem Kontakt mit einer der Elektroden sowie in elektrischem Kontakt mit dem Pol steht, aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen besteht und einem Basisab schnitt, eine Vielzahl von Kontaktschenkeln, die sich vom Basisabschnitt weg erstrecken, sowie eine Einrichtung zur Befestigung des Stromabnehmers am Entlüftungsschacht auf weist, wobei der Stromabnehmer eine Einrichtung zur Unter brechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle bildet, wenn die Innentemperatur der Zelle ansteigt.

17. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer ein Federelement ist, das eine Einrichtung zur Herstellung eines Federvorspan nungskontaktes zwischen der Elektrode und ihrem Pol bildet.

18. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 17, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer ein Federelement mit drei Schenkeln ist, dessen Basisabschnitt in physikalischem Kontakt mit der Elektrodeneinheit steht, während sich die Schenkel in Kontakt mit der Abdichtungs-Entlüftungs-Einheit befinden.

19. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die negative Elektrode aus Lithium be steht, während die positive Elektrode aus FeS₂ besteht.

20. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abdeckeinheit desweiteren einen rückstellbaren Thermoschalter umfaßt, der eine Einrichtung bildet, welche einen Stromfluß im elektrischen Stromkreis unterhalb der Unterbrechungstemperatur des Stromabnehmers verhindert.

21. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abdeckeinheit desweiteren einen rückstellbaren Thermoschalter aufweist, der eine Ein richtung bildet, die einen Stromfluß im elektrischen Stromkreis unter der Unterbrechungstemperatur des Strom abnehmers verhindert.

22. Elektrochemische Zelle, gekennzeichnet durch:

(a) Eine Elektrodeneinheit, die eine positive und eine negative Elektrode enthält;
(b) entgegengesetzte Pole, die an die Elektroden ange schlossen sind, um einen elektrischen Stromkreis auszu bilden;
(c) einen Stromsammler bzw. Stromabnehmer und einen rückstellbaren Thermoschalter, die im elektrischen Stromkreis angeordnet sind, wobei der Stromabnehmer aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen besteht, um auf diese Weise eine Einrichtung zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises in der Zelle zu bilden, wenn die Innentemperatur der Zelle ansteigt, und wobei der rück stellbare Thermoschalter eine Einrichtung bildet, die einen Stromfluß im elektrischen Stromkreis bei einer Temperatur verhindert, die unterhalb der Unterbrechungstemperatur des Stromabnehmers liegt.

23. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 22, dadurch ge kennzeichnet, daß sie desweiteren ein zylindrisches lei tendes Zellengehäuse aufweist, das die Elektrodeneinheit enthält und ein offenes sowie ein geschlossenes Ende be sitzt, wobei das geschlossene Ende in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden steht.

24. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer im offenen Ende des Zellengehäuses angeordnet ist.

25. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 24, dadurch ge kennzeichnet, daß der rückstellbare Thermoschalter ein Widerstand mit positivem thermischen Koeffizienten ist.

26. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 25, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer ein Federelement ist, das eine Einrichtung zur Herstellung eines Federvorspan nungskontaktes zwischen der Elektrode und ihrem Pol bildet.

27. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 26, dadurch ge kennzeichnet, daß die negative Elektrode aus Lithium und die positive Elektrode aus FeS₂, besteht.

28. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß der rückstellbare Thermoschalter im ge schlossenen Ende des Zellengehäuses zwischen der Elektrode und dem Zellengehäuse angeordnet ist.

29. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 28, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromabnehmer ebenfalls im geschlos senen Ende des Zellengehäuses angeordnet ist.