DE4115267A1

DE4115267A1 - Knopfzelle mit ueberdruckschalter

Info

Publication number: DE4115267A1
Application number: DE4115267A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dehmelt; Eduard Pytlik
Original assignee: Christoph Emmerich GmbH and Co KG
Current assignee: Christoph Emmerich GmbH and Co KG
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-11-12
Also published as: DE4115267C2

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdicht verschlossene galvanische Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Akkumulatoren in Knopfzellenbauweise, beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren oder auch Nickelhydrid-Akkumulatoren, treten bei einer Überladung oder Aufladung mit zu hohen Strömen sowie auch nach einer Umpolung hohe innere Gasdrücke auf, die schließlich zu einem Bersten solcher Zellen führen können. Zur Beherrschung der Überdrücke und der damit verbundenen Sicherheitsrisiken benutzt man bei größeren Akkumulatoren Überdruckventile, die bei zu hohen Drücken ansprechen. Bei Knopfzellen lassen sich wegen der beengten Raumverhältnisse und aus Kostengründen Überdruckventile kaum anbringen. Man bringt daher in bekannter Weise bei solchen Zellen Schwachstellen an, beispielsweise in Form eines eingeprägten +-Zeichens, die bei einem zu hohen Überdruck aufreißen und das Platzen der Zelle insgesamt vermeiden. Die Zellen sind danach unbrauchbar. Probleme mit inneren Überdrücken treten nicht nur bei Akkumulatoren, sondern auch bei Primärzellen in Knopfbauweise auf, beispielsweise bei Kurzschlüssen oder auch nach einer Umpolung.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, gasdicht verschlossene, galvanische Knopfzellen oder Knopfzellenbatterien zu schaffen, bei denen zu hohe innere Gasdrücke ohne Anbringung von Schwachstellen oder Überdruckventilen sicher vermieden werden. Gleichzeitig soll das Volumen der Zellen nicht wesentlich zunehmen, so daß die Kapazitäten nicht beeinträchtigt werden.

Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Durch das Abschalten des den Überdruck verursachenden Lade- oder Entladestroms wird dafür gesorgt, daß der Druck jeweils nicht weiter ansteigt. Zusätzlich zum Berstschutz kann dadurch auch eine verläßlicher Umpolschutz sowie eine Schnelladefähigkeit für Knopfzellen-Akkumulatoren verwirklicht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß der Gehäuseboden und/oder der Deckel doppelwandig mit abgedichtetem Zwischenraum ausgebildet sind, wobei der Kontakt zwischen der als Membran wirkenden Innenwand und der benachbarten Elektrode angeordnet ist. Die Membran kann verhältnismäßig dünn sein und schon bei geringerem Überdruck ansprechen. Außerdem ist die Reproduzierbarkeit besser sicherzustellen. Die dem Kontakt zugewandte Elektrodenfläche wird mit Vorteil durch eine die Aussparung der Isolierschicht überdeckende Metallscheibe verstärkt, um einen besseren Kontakt und einen niedrigeren Durchgangswiderstand sicherzustellen. Die Metallscheibe kann dabei etwa den Durchmesser der Elektrode besitzen und ist im Bereich außerhalb der Aussparung gelocht.

Die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Kontaktgabe läßt sich dann verbessern, wenn in Weiterbildung der Erfindung zwischen der Metallscheibe und dem Gehäuseboden bzw. Deckel ein elastischer, den Druckkontakt umgebender Dichtungsring angeordnet ist, wobei die Höhe des entspannten Dichtungsrings größer als die Höhe des entspannten Druckkontaktes sein muß. Der Kontakt wird dann in einem gegen die Zelle hermetisch abgeschlossenen Raum hergestellt, in den insbesondere auch kein Elektrolyt eindringen kann. Zur Verbesserung der Abdichtung kann vorgesehen sein, daß der Dichtungsring in der Aussparung der Isolierscheibe angeordnet und mit der Metallscheibe und dem Gehäuseboden bzw. dem Deckel verklebt ist.

Der Druckkontakt selbst läßt sich auf unterschiedliche Weise verwirklichen. Auf einfache Weise kann der Gehäuseboden und/oder der Deckel mit einer vorzugsweise im Zentrum angeordneten, zum Zelleninneren weisenden Eindrückung versehen sein, die dann den Druckkontakt bildet. Der Druckkontakt kann aber auch durch eine Teller-, Well- oder Schraubenfeder gebildet sein, die vorzugsweise mit der Elektrode oder mit dem Gehäuseboden bzw. dem Deckel durch Schweißung verbunden ist. Zur Sicherstellung eines guten und dauerhaften Kontaktes besitzt der Druckkontakt zweckmäßig auf einer oder beiden Kontaktflächen eine elektrolytbeständige Kontaktmetallauflage.

Bei einer Doppelzelle wird mit Vorteil jede Zelle mit einem Druckkontakt ausgestattet, die für die eine Zelle am Boden und für die andere Zelle am Deckel des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind. Auch wenn die beiden Zellen sich dann etwas unterschiedlich verhalten, ist sichergestellt, daß eine Abschaltung des Stromes erfolgt, wenn der Überdruck in einer der Zellen den vorgegebenen Wert übersteigt. Bei Mehrfachzellen besitzt zum gleichen Zweck jede Zelle einen Druckkontakt.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem vor, daß bei einer Knopfzelle oder einer Knopfzellenbatterie mit einem an der Gehäuseinnenwand anliegenden, über die Höhe der Zelle bzw. Batterie durchlaufenden Stützring aus Kunststoff die Isolierscheibe und der Stützring einstückig ausgebildet sind. Zum einen läßt sich dadurch ein gesondertes Bauteil einsparen, was insbesondere für die Montage der Zelle bzw. Batterie wichtig ist, zum anderen wird aber der Reststromfluß nach dem Ausschalten des Kontaktes verringert, der über Elektrolytreste zum Zellenboden fließen kann, wenn zwischen der Isolierscheibe und dem Stützring ein Spalt vorhanden ist. Dieser Spalt läßt sich auch dadurch vermeiden, daß die Isolierscheibe bis unter den Stützring reicht.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit, daß der Druckkontakt als Thermoschalter ausgebildet ist, der bei einer Übertemperatur der Zelle ausschaltet. Eine solche Ausbildung ist auch von selbständiger Bedeutung, kann also auch ohne auf einen bei innerem Überdruck ansprechenden Druckschalter vorgesehen sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Akkumulator in Knopfzellenbauweise mit einem Druckkontakt am Gehäuseboden;

Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Abwandlung der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 mit einem Druckkontakt am Zellendeckel,

Fig. 4 eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1,

Fig. 5 zwei Ansichten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem der Druckkontakt in einem abgedichteten Trockenraum angeordnet ist,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Thermokontakt und

Fig. 7 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Knopfzelle nach Fig. 1 besitzt in üblicher Weise ein gemeinsames druckfestes Gehäuse 1, in dem eine negative und eine positive Elektrode 2, 3 mit einem zwischenliegenden Separator 4 angeordnet sind. Ein aus Isolierstoff bestehender Stützring 5 isoliert die Elektroden gegen die Außenwand des Gehäuses 1 und bildet gleichzeitig am Oberrand eine Abdichtung und Isolation für den Deckel 6, der durch Umbördeln des Gehäuseoberrandes in üblicher Weise festgelegt ist.

Im Inneren liegt eine Isolierscheibe 8 auf dem Gehäuseboden 7. Zur Verdeutlichung ist die Isolierscheibe 8 übertrieben dick dargestellt. Sie hat in einem praktischen Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 0,2 mm. Im Zentrum besitzt die Isolierscheibe 8 eine Aussparung 9, in die eine Eindrückung 10 des Bodens 7 hineinragt. Die Tiefe der Eindrückung 10 ist so gewählt, daß beim Verschließen der Zelle die Spitze der Eindrückung 10 unter Druck an einer Metallscheibe 11 anliegt, die zwischen der negativen Elektrode 2 und der Isolierscheibe 8 angeordnet ist. Dadurch wird ein Kontakt mit niedrigem Übergangswiderstand zwischen der Eindrückung 10 und der negativen Elektrode 2 hergestellt. Der Deckel 6 stellt in üblicher Weise die Verbindung zur positiven Elektrode 3 her.

Wenn beim Aufladen oder Überladen der Zelle oder auch beim Umpolen ein bestimmter Gasüberdruck in der Zelle entsteht, beult sich der Gehäuseboden 7 (und auch der Deckel 6) nach außen auf, so daß sich die Einprägung 10 von der Metallplatte 11 abhebt und der Stromdurchgang unterbrochen wird. Bei richtiger Wahl der Wandstärke für den Gehäuseboden 7 und die Vorspannung des Druckkontaktes 10-11 bleibt dabei die Verformung des Bodens 7 im elastischen Bereich, so daß nach Abbau des Überdrucks der Kontakt zwischen der Eindrückung 10 und der Metallplatte 11 wieder hergestellt wird und die Zelle dann wieder betriebsbereit ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist nur im Bereich des Druckkontaktes abgewandelt, so daß für die übrigen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt werden. In der etwas größer gehaltenen Aussparung 9 der Isolierscheibe 8 ist eine Feder 20 angeordnet, die auf der in der Zeichnung linken Seite mit dem Gehäuseboden 7 verschweißt ist. Die Spitze der Feder 20 stellt ähnlich wie in Fig. 1 die Eindrückung 10 den Kontakt zur Metallscheibe 11 her. Im übrigen ist die Funktion die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die Vorspannung zwischen der Feder 20 und der Metallscheibe 11 läßt sich aber genauer einstellen und damit auch der gewünschte Überdruck, bei dem der Kontakt öffnet.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 entspricht in wesentlichen Teilen den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2, so daß auch hier für diese Teile wieder die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Abweichend von den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 ist eine Isolierscheibe 18 mit einer Aussparung 19 zwischen dem Deckel 6 und einer auf der positiven Elektrode 3 liegenden Metallscheibe 21 angeordnet. Der Deckel 6 besitzt eine Eindrückung 10, die beim Verschließen der Zelle in Kontakt mit der Metallscheibe 21 und damit der positiven Elektrode 3 herstellt. Wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 wölbt sich der Deckel 6 (und der Boden 7) bei einem in der Zelle auftretenden Überdruck aus, und bei Erreichen eines bestimmten, vorgegebenen Wertes öffnet der Kontakt zwischen der Auswölbung 10 und der Metallscheibe 21. Auch hier kann nach Abbau des Überdrucks der Kontakt wieder schließen, so daß die Zelle funktionstüchtig bleibt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Knopfzelle, die sich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Isolierscheibe 4 und der Stützring 5 einstückig aus Kunststoff hergestellt sind. Das Bauteil 4, 5 kann dann in einem Arbeitsgang in das Gehäuse 1 eingelegt werden. Wenn der Druckkontakt 10 bei Auftreten eines hohen inneren Überdrucks öffnet, also von der Metallscheibe 11 durch Ausbeulen des Bodens 7 abhebt, so kann nur ein sehr kleiner Leckstrom von der negativen Elektrode 2 über die Metallscheibe 11 im Bereich der Aussparung 9 zum Boden 7 fließen. Der bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 vorhandene Spalt zwischen dem Stützring 5 und der Isolierscheibe 4 ist vermieden.

Fig. 5 zeigt zwei Betriebszustände eines Ausführungsbeispiels für eine Knopfzelle, das dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht. Abweichend ist aber der Druckkontakt 20 in einem hermetisch abgedichteten Raum 21 angeordnet, der innerhalb der Aussparung 9 des Isolierrings 4 liegt und durch einen Dichtungsring 22 zwischen dem Boden 7 und der Metallscheibe 11 begrenzt wird. Fig. 5a zeigt den Zustand vor dem Verschluß der Zelle. Der Dichtring 22 in Form eines O-Rings hat dabei seine entspannte Höhe. Die entspannte Höhe des Druckkontaktes 20 ist kleiner als die des Dichtrings 22, so daß der Kontakt geöffnet ist. Zur Verbesserung der Abdichtungswirkung ist der Dichtungsring 22 sowohl mit der Metallscheibe 11 als auch mit dem Gehäuseboden 7 verklebt. Der Druckkontakt 20 ist einseitig bei 23 mit dem Gehäuseboden 7 verschweißt. Dadurch wird neben einer Lagesicherung ein niedriger Kontaktwiderstand erzielt.

Beim Verschluß der Zelle wird der Dichtungsring 22 zusammengepreßt, bis die Metallscheibe 11 auf dem Isolierring 4 aufliegt. In diesem Zustand, der in Fig. 5b dargestellt ist, liegt auch der Druckkontakt 20 unter Vorspannung an der Metallscheibe 11 an, so daß die negative Elektrode 2 über die Metallscheibe 11 und den Druckkontakt 20 mit dem Gehäuseboden 7 verbunden ist. Wenn dann ein hoher innerer Überdruck in der Zelle auftritt, beult sich der Gehäuseboden 7 nach außen aus. Dabei wirkt der Überdruck auf die Gesamtfläche des Gehäusebodens 7 mit Ausnahme des kleinen Bereiches innerhalb des Raumes 21. Auf die Metallscheibe 11 wirkt dagegen der Überdruck nur innerhalb dieses kleinen Bereiches und führt daher höchstens zu einer vernachlässigbaren Einwölbung in den Raum 21. Der Überdruck löst demgemäß den Druckkontakt 20 von der Platte 11, so daß der Strom abgeschaltet wird.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Thermoschalter 24 vorgesehen ist. Der Thermoschalter 24 besteht in bekannter Weise aus einem Bimetall, das sich aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von zwei miteinander verbundenen Metallschichten bei Temperaturänderungen krümmt. Der Thermoschalter 24 ist dabei an einer Blechscheibe 25 angebracht, die zwischen zwei Isolierscheiben 4a, 4b angeordnet ist, die je eine Aussparung 9 für den Thermoschalter 24 besitzen. Die Blechscheibe 2 ist auf der in der Darstellung linken Seite über eine nicht im einzelnen dargestellte Lasche mit dem Gehäuseboden 7 verbunden, so daß der Thermoschalter 24 einen Kontakt zwischen dem Gehäuseboden 7 und der Metallscheibe 11 unterhalb der negativen Elektrode 2 herstellen kann. Der Thermoschalter 24 krümmt sich bei zu hoher, vorgegebener Temperatur in Richtung zum Gehäuseboden 7, so daß der Kontakt geöffnet wird. Die Zelle ist dadurch sicher vor zu hohen Temperaturen geschützt, die beim überladen oder auch bei zu hohen Entladestromstärken auftreten können. Der Thermoschalter 24 wirkt zusätzlich in der in Verbindung mit den weiteren Figuren beschriebenen Weise als Überdruckschalter, öffnet also, wenn der Boden bei zu hohem Innendruck ausgebeult wird.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Kontakt nicht direkt zwischen dem Gehäuseboden 7 und der benachbarten Elektrode 2 bzw. der Metallscheibe 11 hergestellt wird. Es ist vielmehr eine aus Metall bestehende Membran 27 vorgesehen, die durch einen Metallring 26 im Abstand vom Gehäuseboden gehalten ist. Die Membran 27 weist mittig einen Druckkontakt 10 auf, der im normalen Betriebszustand an der Metallscheibe 11 anliegt und die Elektrode 12 über die Metallscheibe 26 mit dem Gehäuse 1 verbindet. Der Raum 29 zwischen der Membran 27 und dem Gehäuseboden 7 ist gegen das Zelleninnere abgedichtet, so daß bei einer Druckzunahme im Zelleninneren die Membran 27 sich in Richtung zum Gehäuseboden durchbiegt und der Kontakt öffnet. Eine umlaufende Sicke 27 verbessert die elastischen Eigenschaften der Membran 27, die vorzugsweise aus gehärtetem Stahlblech besteht, das gegebenenfalls vernickelt sein kann. Die übrigen Bauteile des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 entsprechen denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und tragen daher die gleichen Bezugszeichen.

Claims

1. Gasdicht verschlossene galvanische Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie mit Elektroden, Separatoren und einem Elektrolyten, die in einem Gehäuse mit isoliertem und abdichtendem Deckel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (1) und/oder der Deckel (6) wenigstens teilweise aus elastisch verformbarem, elektrisch leitendem Material bestehen,
daß zwischen mindestens einer Elektrode (2, 3) und dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) eine elektrolytbeständige, mit einer Aussparung (9, 19) versehene Isolierscheibe (8, 18) angeordnet ist und
daß in der Aussparung (9) ein elektrisch leitender, federnder Druckkontakt (10, 20) angebracht ist, der beim Verschluß der Zelle die Elektrode (2, 3) mit dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) verbindet und so ausgebildet ist, daß er bei Überschreiten einer durch inneren Gasdruck bewirkten, vorgegebenen Verformung des Gehäusebodens (7) bzw. Deckels (6) öffnet.

2. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseboden (7) und/oder der Deckel doppelwandig mit gedichtetem Zwischenraum (29) ausgebildet sind und daß der Kontakt zwischen der als Membran wirkenden Innenwand (27) und der benachbarten Elektrode (2) angeordnet ist (Fig. 7).

3. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kontakt (10, 20) zugewandte Elektrodenfläche durch eine die Aussparung (9, 19) der Isolierscheibe (8, 18) überdeckende Metallscheibe (11, 21) verstärkt ist.

4. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (11, 21) im Bereich außerhalb der Aussparung (9, 19) gelocht ist.

5. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metallscheibe (11) und dem Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) ein elastischer, den Druckkontakt (20) umgebender Dichtungsring (22) angeordnet ist, und daß die Höhe des entspannten Dichtungsrings (22) größer als die Höhe des entspannten Druckkontaktes (20) ist (Fig. 5).

6. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (22) in der Aussparung (9) der Isolierscheibe (4) angeordnet und mit der Metallscheibe (11) und dem Gehäuseboden (7) bzw. dem Deckel (6) verklebt ist.

7. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseboden (7) und/oder der Deckel (6) mit einer vorzugsweise im Zentrum angeordneten, zum Zelleninneren weisenden Eindrückung (10) versehen ist, die den Druckkontakt bildet (Fig. 1, 3, 4).

8. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt durch eine Teller-, WeIl- oder Schraubenfeder (20) gebildet ist (Fig. 2, 5).

9. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) mit der Elektrode oder mit dem Gehäuseboden (7) bzw. dem Deckel durch Schweißung verbunden ist.

10. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt auf einer oder beiden Kontaktflächen eine elektrolytbeständige Kontaktmetallauflage aufweist.

11. Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Doppelzelle jede Zelle einen Druckkontakt besitzt, die für die eine Zelle am Boden und für die andere Zelle am Deckel des gemeinsamen Gehäuses angeordnet sind.

12. Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrfachzellen jede Zelle mit einem Druckkontakt ausgestattet ist.

13. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie mit einem an der Gehäuseinnenwand anliegenden, über die Höhe der Zelle bzw. Batterie durchlaufenden Stützring (5) aus Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheibe (4) und der Stützring (5) einstückig ausgebildet sind (Fig. 6).

14. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt zusätzlich als Thermoschalter ausgebildet ist, der bei Übertemperatur ausschaltet (Fig. 6).