DE4037365A1 - Waessrige elektrochemische zelle - Google Patents
Waessrige elektrochemische zelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle gemäß An
spruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft wäßrige, elektrochemische
Zellen und im besonderen eine Vorrichtung, die sich außer
halb des abgedichteten Zelleninnenraums befindet, um damit
Elektrolyt abzufangen, der dem abgedichteten Innenraum ent
weichen könnte.
Unter normalen Einsatzbedingungen lecken im Handel erhältli
che, alkalische Zellen nicht. Wenn Zellen jedoch extremen
Umweltbelastungen (wie wiederholten, extremen Temperatur
wechseln in kurzen Zeitabständen) ausgesetzt werden, ist es
möglich, daß die Dichtungen beschädigt werden, was zum
Durchsickern des Elektrolyten führt. Falls solche Lecks auf
treten, kann der Elektrolyt mit den Zellen betriebene Geräte
beschädigen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung
außerhalb der Dichtung und innerhalb einer äußeren Metall
hülle vorgesehen, um einen Elektrolyten zurückzuhalten, der
durch die Dichtung sickern könnte. Bevorzugterweise ist die
Elektrolyt-Rückhalte-Vorrichtung für den Benutzer oder für
damit betriebene Geräte oder Teilen hiervon nicht von außen
zugänglich. Im Ergebnis wird der Elektrolyt, der bei einigen
Materialien Korrosion hervorruft, vom Kontakt mit äußeren
Oberflächen der Zelle abgehalten.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Abdichtungsscheibe zur
Verfügung, die einen Gelbildner enthält, der sich im Zellen
kopf außerhalb der Dichtung befindet. Ein typischer Kopf
einer zylindrischen, alkalischen Zelle besteht im wesentli
chen aus einer Kunststoffdichtung, einem Metallträgerteil
und aus einer äußeren, metallischen Endkappe. Die Kunst
stoffdichtung sitzt eng eingepaßt im offenen Ende eines
Zellengehäuses. Das Metallträgerteil ist auf der oberen
Oberfläche der Dichtung angeordnet und stellt die mechani
sche Stütze für die Dichtung beim Bördeln dar. Die äußere,
metallische Endkappe ist mit einem Anodenstromabnehmer elek
trisch verbunden, womit die Endkappe den negativen Pol der
Zelle darstellt. In einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Abdichtungsscheibe auf der Oberseite des
Metallträgerteils angeordnet. Die äußere, metallische End
kappe befindet sich über der Kunststoffdichtung, womit die
Abdichtungsscheibe zwischen Trägerteil und Endkappe angeord
net ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ab
dichtungsscheibe so angepaßt, daß sie den Raum zwischen Trä
gerteil und Endkappe im wesentlichen ausfüllt.
Eine übliche Konstruktion alkalischer Zellen weist auch
einen anodischen Leiter auf, der durch das Zentrum der Dich
tung geführt ist. Deshalb sind zwei Durchsickerwege möglich;
ein Weg ist zwischen der Dichtung und dem Zellengehäuse und
der zweite Weg ist zwischen dem anodischen Leiter und der
Dichtung. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das
Durchsickern an beiden Wegen zu verhindern. Wenn daher ein
Elektrolyt aus dem inneren Behälter über einen der Wege aus
läuft, absorbiert der Gelbildner den Elektrolyten sofort und
verhindert, daß der Elektrolyt auf die äußere Oberfläche der
äußeren Metallhülle austritt.
Der hier verwendete Begriff "Gelbildner" beinhaltet sowohl
gewöhnliche Gelbildner als auch Superabsorbentia. Gewöhnli
che Gelbildner sind Polyacrylsäure, Polyacrylat, Carboxy
methylzellulose und dergleichen. Beispiele für Superabsor
bentia, die tatsächlich Flüssigkeit absorbieren und bis zum
tausendfachen ihres Gewichts Wasser absorbieren können, sind
Stärke-Pfropfcopolymere. Die US-PSen 44 35 488; 44 55 358
und 45 63 404 offenbaren Gelbildner des Typs, der hier ver
wendet werden kann; auf diese Druckschriften wird hier inso
weit vollinhaltlich Bezug genommen.
Vor kurzem wurden Anstrengungen unternommen, eine Substanz
einzusetzen, die außerhalb der Dichtung mit dem Elektrolyten
chemisch reagiert. Ein solcher Ansatz ist in der US-PS
42 58 108 offenbart. Ein Problem bei der Verwendung von Sub
stanzen, die chemisch reagieren, ist, daß das Reaktionspro
dukt häufig nur geringfügig weniger korrodierend wirkt als
der Elektrolyt selbst. Die weniger korrodierend wirkenden
Reaktionsprodukte können nach wie vor zur Außenhülle der
Zelle austreten, da es keine Zurückhalte- oder Fangvorrich
tung für diese Substanzen gibt. Deshalb ist es notwendig,
zusammen mit den chemisch reagierenden Hilfsmitteln einen
Lack oder andere geeignete Abdichtungen zu verwenden, um die
Chemikalien zurückzuhalten. Lacke oder Beschichtungen sind
jedoch auch anfällig gegenüber Lecks und können abgeschabt
werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wäß
rige elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, bei
der auslaufende Elektrolyten absorbiert werden, ohne daß
schädigende Folgeprozesse auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des
Anspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er
geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und anhand der
Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer
elektrochemischen Zelle, die eine Abdichtungsscheibe
aufweist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Gel enthält;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer
elektrochemischen Zelle, bei der zwei Abdichtungs
scheiben im Zellenkopf angeordnet sind;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer
elektrochemischen Zelle, die eine andere Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Laminarstruktur, die
zur Herstellung von Abdichtungsscheiben verwendet
werden kann, um diese gemäß der vorliegenden Erfin
dung einzusetzen.
Gemäß Fig. 1 ist eine elektrochemische Zelle 10 gezeigt, die
eine Kunststoffdichtung 12 aufweist. Die Dichtung 12 weist
ein Kunststoffteil 14 und einen Metallträger 16 auf, die
einstückig miteinander verbunden sind. Ein oberes Ende 20
eines Zellengehäuses 18 ist nach innen gebördelt, um eine
dichte Anlage mit der Dichtung 12 zu erreichen. Ein nagel
artiger, anodischer Leiter 22 durchdringt ein zentral ange
ordnetes Ausbuchtungsteil 26 der Dichtung 12, und eine
äußere Metallhülle 30 in Schalenform ist mit dem Kopf des
anodischen Leiterdrahts verbunden, womit die Hülle den ex
ternen, anodischen Kontakt der Zelle darstellt. Ein Zylinder
aus aufschrumpfbarem Material 32 ist um das Zellengehäuse 18
herum angeordnet. Nach dem Aufschrumpfen überlappt ein Teil
34 des Materials 32 die äußere Metallhülle 30 wie darge
stellt. Der Teil 34 dient dazu, einen umfangsseitigen
Flansch 36 der äußeren Metallhülle 30 eng gegen eine Abdich
tungsscheibe 28 zu drücken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abdichtungsscheibe
28, die einen Gelbildner enthält, auf dem Metallträgerteil
16 angeordnet. Die Abdichtungsscheibe 28 liegt dem Ausbuch
tungsteil 26 eng an und weist einen äußeren Durchmesser auf,
der ausreichend groß ist, um den gebördelten Rand 20 des
Zellengehäuses 18 zu überlappen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die äußere Metallhülle 30 vor
zugsweise einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als
der Durchmesser der Abdichtungsscheibe 28 ist. Falls der
Elektrolyt zwischen der Dichtung 12 und dem Zellengehäuse 20
durchsickert, würde er dementsprechend mit der Scheibe 28 in
Kontakt kommen und dadurch absorbiert werden. Falls der
Elektrolyt über den alternativ möglichen Weg zwischen dem
Nagel 22 und dem Kunststoffteil 14 durchsickern sollte,
würde er auch noch in Kontakt mit der Scheibe 28 kommen und
dadurch absorbiert werden.
Die Abdichtungsscheibe 28 besteht im wesentlichen aus dem
Gelbildnermaterial, das genügend gepreßt ist, so daß ein
einheitlicher Gegenstand geformt werden kann. Zusätzlich
können kleine Mengen an Bindemittel oder an Kleber, die ge
gen Alkalien resistent sind, hinzugefügt werden, um die
Kohäsionskräfte der Gelbildnerpartikel zu verstärken. In
einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Abdichtungs
scheibe 28 aus wenigstens einer Substratschicht und aus we
nigstens einer Gelbildnerschicht. Die Substratschicht kann
aus jedem nicht-leitenden Material hergestellt sein, das in
Anwesenheit des alkalischen Elektrolyten nicht abgebaut
wird. Geeignete Materialien sind nicht-gewebte Folien aus
Polypropylen, Polyvinylalkohol, Polyethylen, Kunstseide, Ge
webe und dergleichen. Die Foliendicke sollte zwischen unge
fähr 51 µm (2 mils) und 381 µm (15 mils) und bevorzugt zwi
schen 76,2 µm (3 mils) und 177,8 µm (7 mils) liegen.
In einer Ausführungsform besteht die Abdichtungsscheibe aus
einer Substratmaterialschicht und einer Gelbildnerschicht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Ausführungsform
beinhaltet, daß auf eine Seite des Substratmaterials eine
einheitliche Schicht aus Gelbildnerpulver aufgebracht wird.
Diese durchlaufen dann Preßrollen, um die Schichten ausrei
chend zusammenzudrücken, so daß das Gelbildnerpulver auf der
Substratoberfläche fixiert wird. Die Abdichtungsscheiben
können dann aus der Folie herausgestanzt werden, indem ein
Gesenk oder andere passende Schneidewerkzeuge verwendet wer
den.
Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung der Abdichtungs
scheiben, das dem oben beschriebenen ähnlich ist, wird eine
zweite Substratmaterialschicht zusätzlich auf die Schicht
aus Gelbildnerpulver aufgetragen. Obwohl der Gelbildner sich
in der Mitte dieses "Sandwiches" befindet, kann er
überraschenderweise dennoch jedes Durchsickern verhindern.
Gemäß Fig. 4 ist eine Drei-Schicht-Laminare 43 gezeigt. Die
Laminare besteht aus einer ersten Schicht aus Substrat 44,
einer zweiten Schicht aus Substrat 46 und einer Gelbildner
schicht 48, die sich dazwischen befindet. Die drei Schichten
durchlaufen Preßrollen, um eine einheitliche, zusammenge
setzte Folie zu erzeugen. Die Abdichtungsscheiben können
dann aus der gebildeten Folie herausgeschnitten werden. Auf
ähnliche Weise kann eine Viel-Schicht-Struktur hergestellt
werden, die viele Schichten aus Gelbildner und viele Schich
ten aus Substratmaterial aufweist.
Alternativ kann die Abdichtungsscheibe aus einem hochporösen
Material hergestellt werden, wie zum Beispiel aus einer
nicht-gewebten, faserigen Matte, die aus Fasern der Sub
stratmaterialien hergestellt ist, die oben aufgelistet sind.
Das Gelbildnerpulver kann über der Matte verteilt werden, so
daß eine homogene Verteilung des Gelbildnerpulvers erreicht
wird.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der eine zweite Abdichtungsscheibe 40 verwen
det wird, die den Gelbildner enthält. Der innere Durchmesser
der Abdichtungsscheibe 40 ist derselbe wie der innere Durch
messer der Abdichtungsscheibe 28, so daß mit der Ausbuchtung
26 ein Paßsitz erreicht wird. Der äußere Durchmesser der
Abdichtungsscheibe 40 ist kleiner als derjenige der Abdich
tungsscheibe 28, so daß die Abdichtungsscheibe 40 eine Dicke
haben kann, die den Schalenteil 38 der äußeren Metallhülle
30 im wesentlichen ausfüllt, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Hauptfunktion der Abdichtungsscheibe 40 ist die Aufnahme
von möglichen Leckagen zwischen dem Nagel 22 und der Kunst
stoffdichtung 12.
Wie oben diskutiert, kann die Abdichtungsscheibe 40 eine
Multi-Laminar-Struktur sein, die sich abwechselnde Schichten
aus Gelbildner und Substratmaterial aufweist. Alternativ
können die Abdichtungsscheiben aus einer porösen, nicht ge
webten, faserigen Matte hergestellt werden, die auf ihr ver
teilt den Gelbildner aufweist. Während Fig. 2 die Abdich
tungsscheiben 28 und 40 als getrennte Elemente zeigt, können
sie auch als ein einheitlicher Gegenstand hergestellt wer
den, der die Zahl der Teile verringert und die Herstellung
vereinfacht.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
in Fig. 3 gezeigt. Eine Abdichtungsscheibe 42, die den
Gelbildner enthält, ist so geformt, daß sie sich an die
innere Oberfläche der äußeren Metallhülle 30 anpaßt. Eine
Abdichtungsscheibe, die wie oben beschrieben hergestellt
wird, kann in der Wärme so geformt werden, daß sie sich an
die Konturen der inneren Oberfläche der Hülle 30 anpaßt. In
dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, eine Abdichtungs
scheibe 42 zu verwenden, die eine einzige Schicht aus Sub
strat und eine einzige Schicht aus Gelbildner aufweist. Die
Abdichtungsscheibe 42 ist mit der Kunststoffsubstratschicht
gegen die innere Oberfläche der äußeren Metallhülle 30 ange
ordnet. Da viele der oben aufgelisteten Substratmaterialien
in der Wärme formbar sind, haftet sich die Substratschicht
an die innere Oberfläche, wenn mäßige Wärme angewendet wird.
Es ist offensichtlich, daß eine Vielzahl von Kombinationen
bezüglich Substratdicke und Gelbildnerdicke möglich ist. Die
einzige, wirkliche Begrenzung stellt die Größe der Bauhöhe
dar, die im Kopfteil der Zelle verfügbar ist. Wie aus Fig. 1
ersichtlich ist, trägt die Dicke der Abdichtungsscheibe zur
Höhe der Zelle bei. Die Druckkraft, die notwendig ist, um
die zusammengesetzte Abdichtungsscheibe zu bilden, hängt vom
gewählten Substratmaterial und dessen Dicke, wie auch von
der Dicke der Gelbildnerschicht ab.
Vergleichende Testergebnisse für Zellen (Zink-Mangandioxid,
AA-Größe, alkalische Zellen) gemäß der vorliegenden Erfin
dung, die absichtlich mit defekten Dichtungen an der Börde
lung hergestellt wurden, zeigen, daß die Zahl der Zellen,
die sichtbare Leckanzeichen auf der äußeren Metallhülle auf
weisen, um 58% - im Vergleich zu Zellen mit einer Abdich
tungsscheibe ohne Gelbildner - reduziert ist, wenn die
Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut werden.
Claims (15)
1. Elektrochemische Zelle (10), die eine Anode, eine Ka
thode, einen Separator und einen wäßrigen Elektrolyten
aufweist, wobei diese Bestandteile in funktionsfähiger
Verbindung miteinander stehen und sich in einem zylin
drischen Zellengehäuse (18) befinden, das ein offenes
Ende aufweist, wobei die Zelle (10) weiterhin aufweist:
- a) eine Kunststoffdichtung (12), die am offenen Ende des Zellengehäuses angeordnet ist und das offene Ende abdichtet;
- b) einen anodischen Leiter (22), der durch eine in der Mitte liegende Öffnung in der Dichtung geführt ist und bis zur Anode reicht;
- c) eine äußere metallische Endkappe (30), die mit dem anodischen Leiter elektrisch verbunden ist und über der Dichtung angeordnet ist, und
- d) einen ringförmig angeordneten Gelbildner, der sich außerhalb der Dichtung (12) und innerhalb der metal lischen Endkappe (30) befindet.
2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gelbildner in Form einer Abdichtungs
scheibe (28) vorliegt.
3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Metallträgerteil (16) gegenüber der
oberen Oberfläche der Dichtung (12) angeordnet ist und
der Gelbildner sich zwischen dem Metallträgerteil (16)
und der metallischen Endkappe (30) befindet.
4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch eine am offenen Ende der Zelle nach innen gerich
tete Bördelung, die zusammen mit der Dichtung (12) eine
Abdichtung bildet, wobei die Abdichtungsscheibe (28)
einen äußeren Durchmesser aufweist, der größer als der
Durchmesser der nach innen gerichteten Bördelung ist.
5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die äußere metallische Endkappe (30)
einen Durchmesser aufweist, der größer als der äußere
Durchmesser der Abdichtungsscheibe (28) ist und die Ab
dichtungsscheibe (28) so angepaßt ist, daß sie den Raum
zwischen der Endkappe (30) und dem Metallträgerteil
(16) im wesentlichen ausfüllt.
6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abdichtungsscheibe (28) aus einer
Gelbildnerschicht und aus wenigstens einer Schicht ei
nes nicht-gewebten, polymerischen Materials zusammen
gesetzt ist.
7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abdichtungsscheibe (28) aus zwei
Schichten eines nicht-gewebten, polymerischen Materials
und einer dazwischenliegenden Gelbildnerschicht be
steht.
8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe ausgewählt
ist, welche Polyacrylsäure, Polyacrylnitril, Stärke-
Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und Mischun
gen davon aufweist.
9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß das nicht-gewebte, polymerische Material
aus der Gruppe ausgewählt ist, die nicht-gewebtes Poly
propylen, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Kunstseide,
Gewebe und Mischungen davon aufweist.
10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine entlang dem oberen Ende des Zellengehäuses
gebildete, nach innen gerichtete Bördelung, wobei die
metallische Endkappe (30) eine schalenartige Metall
hülle aufweist, die über der Dichtung (12) angeordnet
ist, und der ringförmig angeordnete Gelbildner wenig
stens ein Abdichtungsscheibenteil (28) aufweist, das
den Gelbildner enthält und sich zwischen der Dichtung
(12) und der äußeren Metallhülle (30) befindet.
11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, gekennzeichnet
durch
- a) eine erste Abdichtungsscheibe (28), die einen äuße ren Durchmesser aufweist, der größer als der Durch messer der nach innen gerichteten Bördelung und ge ringfügig kleiner als der Durchmesser der Metall hülle (30) ist, so daß der äußere Rand des ringför migen Bauteils (28) zwischen der Bördelung und dem äußeren Rand der Metallhülle (30) liegt, und
- b) eine zweite Abdichtungsscheibe (40), die einen äuße ren Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des Schalenteils der Metallhülle (30) ist, so daß das zweite, ringförmige Bauteil (40) den inneren Hohlraum des Schalenteils im we sentlichen ausfüllt.
12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß das erste (28) und das zweite (40)
ringförmige Bauteil einstückig sind.
13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß
- a) die Abdichtungsscheibe (42) einen äußeren Durchmes ser aufweist, der größer als der Durchmesser der nach innen gerichteten Bördelung und geringfügig kleiner als der Durchmesser der Metallhülle (30) ist, so daß der äußere Rand des ringförmigen Bau teils (42) zwischen der Bördelung und dem äußeren Rand der Metallhülle (30) liegt, und
- b) die Abdichtungsscheibe (42) an die innere Oberfläche der äußeren, schalenartigen Metallhülle (30) ange paßt ist und gegenüber dieser Oberfläche angeordnet ist.
14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe aus
gewählt ist, die Polyacrylsäure, Polyacrylnitril,
Stärke-Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und
Mischungen davon aufweist.
15. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe aus
gewählt ist, die Polyacrylsäure, Polyacrylnitril,
Stärke-Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und
Mischungen davon aufweist.
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