DE4206075C2 - Alkalische elektrochemische Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine alkalische elektrochemische Batterie der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Derartige alkalische elektrochemische Batterien verwenden als. Elektrolyt Kaliumhydroxyd und sie sind allgemein durch die folgenden grundlegenden Bauteile gebildet:

Eine negative Elektrodenmasse (Anode), die Zinkpulver, Elektrolyt sowie ein Eindickungsmittel enthält und die dauernd gegen den Luftzutritt geschützt werden muß und von der aus ein negativer äußerer Anschluß nach außen hin vorspringt (äußere Anode).

Eine positive Elektrodenmasse (Kathode), die Mangandioxyd, einen Leiter sowie Elektrolyt enthält und die während ihrer Ver­ wendung die Zufuhr von Umgebungsluft erfordert und von der nach außen hin ein positiver Anschluß vorspringt (äußere Kathode).

Einen Separator oder eine Membran, der bzw. die ein Eindic­ kungsmittel sowie ein Elektrolyt enthält und die die negative Elektrodenmasse von der positiven Elektrodenmasse trennen muß.

Es sind elektrochemische alkalische Batterien mit den vorstehend genannten Bauteilen bekannt, die eine Gruppe von Zellen umfassen (wobei unter einer Zelle die Verbindung der vorstehend genannten Bauteile verstanden wird). Für die gewerbliche Anwendung wird eine unterschiedliche Zahl derartiger Zellen verwendet und mittels einer Umhüllung oder Verpackung vereinigt, um so eine handelsfähige Batteriebaugruppe zu bilden. Derartige Batterie­ baugruppen sind aus der DE 36 25 093 A1 und der DE 20 43 451 A bekannt.

Es ist eine Batteriezelle bekannt, die in Form mehrerer auf­ einanderfolgender Schichten gebildet ist, die wie folgt ange­ ordnet sind: Zwei an den Außenseiten angeordnete negative Elektrodenmassen, die parallel geschaltet sind und über zwei Separatoren von einer gemeinsamen positiven Elektrodenmasse getrennt sind, die in der Mitte zwischen den negativen Elektrodenmassen angeordnet ist.

Es ist weiterhin bekannt, diese negativen Massen in isolierenden Aufnahmeschalen anzuordnen, die bei der Herstellung der Batteriezelle mit ihren freien Rändern aneinandergelegt werden, um eine derartige Batteriezelle zu bilden, wobei zur Bildung der Batteriegruppe die ebenen Böden der einzelnen Aufnahmeschalen aneinandergelegt werden, derart, daß die negativen Anschlüsse dieser Batteriezellen einander benachbart sind.

Die positive Elektrodenmasse des positiven Kollektors wird hierbei auf die beiden Seiten einer Kollektorplatte aufgebracht, die nach außen hin durch einen äußeren positiven Anschluß vorspringt, der durch Verlöten in Parallel oder in Serie mit den andren äußeren benachbarten Anschlüssen verbunden wird.

Hinsichtlich des positiven Kollektors dieser bekannten Batterie­ elemente treten folgende Probleme auf:

Das Mangandioxyd der positiven Elektrode benötigt die Zufuhr von Sauerstoff aus der Umgebung zu seiner Regeneration während des Gebrauchs und diese Sauerstoffzufuhr muß um so größer sein, je größer die Stromabnahme ist. Bei den bekannten Batteriezellen ist diese Sauerstoffzufuhr nicht ausreichend, woraus sich eine unzureichende Regeneration ergibt und die Kathoden vorzeitig verbraucht werden.

Um die Luftzufuhr zu verbessern, ist bei der DE 36 25 039 A1 eine Anzahl von Öffnungen in einem schalenförmigen metallischen positiven Kollektor vorgesehen, während bei der DE 20 43 451 A das entsprechende Ende des Gehäuses der Batteriezelle in Form eines kreuzförmigen Gehäuseteils mit großen Öffnungen ausge­ bildet ist.

Um genügend Luft zwischen die einzelnen Batteriezellen einer Batteriebaugruppe mit übereinander gestapelten Zellen gelangen zulassen, ist bei der DE 20 43 451 A der mit Öffnungen ver­ sehene kreuzförmige Gehäuseteil mit einem nach außen hin vor­ springenden Vorsprung versehen, der sich an der entgegengesetz­ ten Elektrode einer benachbarten Batteriezelle abstützt und diese in Abstand hält, so daß genügend Luft in das Innere der Batteriezelle gelangen kann. Hierbei ergibt sich jedoch eine lediglich punktförmige Abstützung des jeweils entgegengesetzten Endes der benachbarten Batteriezelle, so daß die Verformung nicht verhindert werden kann.

Hinsichtlich der ausreichenden Zuführung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft lösen die bekannten Anordnungen mit verringertem Luftzutritt an die positive Elektrode dieses Problem nicht, weil sie eine Zuführung von Sauerstoff lediglich aufgrund der Perme­ abilität der Masse ermöglichen, was dazu führt, daß nur die Mangandioxyd-Körner in der Nähe des Lufteintrittes regeneriert werden. Es ist zu erkennen, daß diese Erscheinung auf die Zeit­ einheit bezogen und bei kurzfristigen Stromverbrauchsspitzen wenig wirksam ist, weil dann das Vorhandensein von unmittelbar zur Verfügung stehendem Sauerstoff erforderlich ist, und zwar in der Nähe jedes Mangandioxydkorns, das diesen Sauerstoff benötigt.

Die Eigenschaften des feinen verdichteten Pulvers, das die posi­ tive Elektrodenmasse bildet, machen es außerdem nicht leicht, eine mechanische Einheit bei den bekannten Anordnungen mit einer Verdichtung dieser Masse auf beiden Seiten einer in der Mitte angeordneten Kollektorplatte zu erreichen, weil sich diese Masse häufig an den Kanten auflöst oder wegbricht. Weiterhin ist die Leitfähigkeit des positiven Kollektors in vielen Fällen für einen hohen Spitzenstromverbrauch nicht ausreichend, weil hier­ bei der Innenwiderstand der Batteriezelle Werte annimmt, die nicht mehr vernachlässigt werden können.

Hinsichtlich der Verbindungen der äußeren Anschlüsse zur Bildung der Reihen- oder Parallelschaltung einer Batterieeinheit weisen die bekannten Lötverbindungen häufig Probleme auf, die sich daraus ergeben, daß das Zinn durch das Kaliumhydroxyd angegrif­ fen wird, wenn dieses in unerwünschter Weise ausgehend von dem Separator durch Osmose entlang des Verlaufs des äußeren negati­ ven Anschlusses oder des äußeren positiven Anschlusses hoch­ steigt und das Zinn der Lötstelle erreicht, wodurch dieses auf­ gelöst wird und die Batterie unbrauchbar wird.

Diese üblichen Lötverbindungen ergeben ein zusätzliches Risiko während des Herstellungsvorganges und beim Verlöten, weil hier­ durch sehr schnell das Kunststoffmaterial der Aufnahmeschale beschädigt wird und die Batteriezelle unbrauchbar gemacht wird. Weil der Lötvorgang daher mit äußerster Präzision durchgeführt werden muß, ist die Automatisierung dieses Herstellungsschrittes sehr schwierig.

Hinsichtlich des negativen Elektrodenelementes, das in der Auf­ nahmeschale angeordnet ist, ist es bekannt, einen äußeren nega­ tiven Anschluß zu verwenden, der den Boden der Aufnahmeschale unter Einfügung einer Dichtung durchquert und in das Innere der negativen Elektrodenmasse hin verlängert ist, wobei diese Ver­ längerung normalerweise in der Nähe des Bodens der Aufnahme­ schale angeordnet ist.

Diese bekannten Anordnungen sind hinsichtlich der heutigen Anforderungen aufgrund der folgenden Probleme nicht sehr wirkungsvoll:

Üblicherweise sind die negativen Elektrodenmassen haupt­ sächlich durch Zinkpulver gebildet, wobei jedes einzelne Zink­ korn mit einem Quecksilberfilm überzogen ist, der zusammen mit der Masse ein Leiternetz zwischen den Zinkkörnern bildet, das im Gebrauch des Batterieelementes die Leitfähigkeit vergrößert und den elektrischen Stromfluß zum negativen äußeren Anschluß hin verbessert. Bei Fortfall von Quecksilber beim Aufbau der Batte­ riezellen aufgrund seiner Umweltschädlichkeit ist festzustellen, daß das quecksilberfreie Zinkpulver eine beträchtliche Verringe­ rung der Leitfähigkeit aufweist, wodurch die bekannten Anordnun­ gen wenig wirkungsvoll werden.

Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, daß wenn den Batterien eine größere Stromspitzenbelastung entnommen wird, nicht mehr nur eine Erhöhung der Kapazität von Interesse ist, wenn nicht gleichzeitig die Stromstärke erhöht wird, die die Batterie zum Zeitpunkt des Gebrauchs liefern kann. Wenn der Batterie ein hoher Strom entnommen wird, so wird jedes Zinkkorn entladen und bildet ein Oxyd und unterbricht den Stromfluß, wobei im Prinzip die Stromdichte der Zinkkörner, die noch leitend bleiben, gemes­ sen in Milliampere pro Quadratzentimeter sehr gering ist, wobei bei der Entladung eine größere Anzahl von Zinkkörnern mit Ober­ flächenoxidation entsteht, so daß das Zink 'passiv' wird und nicht mehr durch einen Verbrauch des Elektrolyten anspricht, so daß kein Strom mehr geliefert wird, obwohl in der Theorie noch eine Kapazität vorhanden sein müßte.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei den bekannten Durchführun­ gen des äußeren negativen Anschlusses durch den Boden der Auf­ nahmeschale, weil diese Durchführung nicht in wirkungsvoller Weise eine ausreichende Dichtigkeit an diesem Punkt sicher­ stellt.

Wenn die Anforderungen an die Batterie erhöht werden, ergibt sich weiterhin das Problem, daß es erforderlich ist, eine größere Menge an Umgebungsluft an die positive Elektrodenmasse zuzuführen, und die bekannten Anordnungen ermöglichen diese erhöhte Luftzufuhr nicht.

Der Separator oder die Membran der bekannten Anordnungen, der die negativen und positiven Elektrodenmassen voneinander trennen und den Zutritt von Luft an die negative Elektrode verhindern muß, ist kein massiver Körper, weil er durch ein Elektrolyt und eine Eindickungsmasse gebildet ist und damit den physikalischen Charakter eines Gels hat. Aufgrund seiner hydrophylen Eigen­ schaft hat dieser Separator die Neigung, die Feuchtigkeit aus der Umgebung aufzunehmen und dabei weich zu werden. Bei der Ent­ ladung im Gebraucht quillt weiterhin die negative Elektroden­ masse auf und übt einen Druck auf den Separator oder die Membran aus, die dann die Neigung hat, in einer Schicht zur Seitenkante der Aufnahmeschale hin vorzuspringen, wodurch ihre Dicke in die­ ser Zone stark verringert wird und die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen dem negativen und positiven Pol der Batterie besteht.

Der Innendruck der negativen Elektrodenmasse in der Aufnahme­ schale neigt dazu, in den weiter von den Scheitelpunkten ent­ fernten Bereichen eine größere Verformung hervorzurufen, und weil die Eigenart des Separators nicht zu einem Kleben an der Wand der Aufnahmeschale führt, führt die Verringerung seiner Dicke und das Fehlen des Anhaftens dazhu, daß sich der Separator von dieser Wand trennt und einen Spalt hervorruft, der den Luft­ zutritt an die negative Elektrodenmasse ermöglicht (die von die­ ser Luft isoliert sein muß), wodurch die Entladung der Batterie und deren Unbrauchbarkeit hervorgerufen wird.

Aus den gleichen Gründen kann ein Austritt des Kaliumhydroxyds des Separators zum äußeren Teil des positiven Kollektors auftre­ ten, wodurch dieses Kaliumhydroxyd in unerwünschter Weise an den äußeren Anschluß dieses Kollektors gelangen kann.

Ein weiteres Problem, das sich in diesem Bereich ergibt, besteht darin, daß wenn beim Herstellungsvorgang die negative Elektro­ denmasse in die Aufnahmeschale eingebracht wird, es aufgrund der feinpulvrigen Eigenart des Zinks, das die negative Masse bildet, selbst bei großer Sorgfalt unvermeidbar ist, daß in manchen Fällen Zinkreste an den oberen Wandteilen im Inneren der Aufnah­ meschale anhaften. Diese Reste können einen Kurzschluß und eine Unbrauchbarkeit der Batterie hervorrufen. Um dies zu vermeiden, ist es erforderlich, eine aufwendige Überprüfung und Reinigung der Seitenwände dieser Aufnahmeschale durchzuführen, bevor der Separator in diese eingesetzt wird.

Weiterhin hat die negative Elektrodenmasse, die hauptsächlich durch Zinkpulver in Form von Körnern gebildet ist, die Neigung, Wasserstoffgas zu erzeugen. Die Erzeugung des Wasserstoffs erfolgt genau an der Verbindungsstelle zwischen den Zinkkörnern und dem inneren negativen Kollektor der Batterie und an der Oberfläche des Zinks, wodurch die Wirkung einer teilweisen Iso­ lierung und eine entsprechende beträchtliche Verringerung der inneren Leitfähigkeit hervorgerufen wird.

Diese Wirkung ist um so schädlicher, je mehr sich Wasserstoff in der Batterie ansammelt, weil hierdurch tatsächlich Blasen her­ vorgerufen werden, die die Zinkkörner von dem Kollektor trennen, was dazu führen kann, daß praktisch die Leitfähigkeit der Bat­ terie aufgehoben wird. Weiterhin ruft die Ansammlung des Wasser­ stoffes in dem geschlossenen Raum, in dem die negative Elektro­ denmasse angeordnet ist, eine Druckerhöhung hervor, was zu einer Aufwölbung der Aufnahmeschale führt.

Weil schon im eigentlichen Gebrauch der Batterie das Zink seine Abmessungen mit der Entladung erhöht, kann die Hinzufügung des inneren Wasserstoffes zu schwerwiegenden Verformungen der Geometrie der Batterie führen.

Bei der Batteriegruppe, die durch die Aufstapelung von mehreren Batteriezellen gebildet wird, ist jede Aufnahmeschale Rücken an Rücken mit dem angrenzenden Element angeordnet, jedoch existiert in dem Stapel eine äußere Aufnahmeschale, die lediglich durch die Verpackung oder Umhüllung abgestützt ist, und bei dieser Aufnahmeschale ist die Verformung am stärksten erkennbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Batterie der eingangs genannten Art zu schaffen, die die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist und bei einfacher Herstellbarkeit eine hohe Kapazität und verbesserte Betriebseigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Batterie weist jede Batteriezelle einen metallischen positiven Kollektor auf, der die positive Elektrodenmasse aufnimmt. Dieser Kollektor dringt mit seinen Randkanten teilweise in eine isolierende Aufnahmeschale ein, die einen Separator oder eine Membran und eine negative Elektrodenmasse aufnimmt. In dem positiven Kollektor sind Lufteintrittsöffnungen vorgesehen, durch die hindurch die Luft in das Innere der positiven Elektrodenmasse gelangt. Am Umfang des Kollektors sind Umfassungs- und Verlängerungseinrichtungen für diese Masse vorgesehen. Weiterhin sind Abstandseinrichtungen für die Stapelung und äußere Anschlußeinrichtungen für eine Klemmverbindung vorgesehen. Die Aufnahmeschale für die negative Elektrodenmasse weist in gleicher Weide wie der Kollektor Abstandseinrichtungen auf. Diese Abstandseinrichtungen bilden einen Luftkanal an die Lufteintrittseinrichtungen in dem positiven Kollektor, um den Zutritt von Luft an die positive Elektodenmasse zu ermöglichen.

Vorzugsweise sind weiterhin ringförmige Schutzstreifen vorgesehen, die einen Austritt des Separators verhindern.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Einrichtungen zur Abfuhr von Wasserstoff vorgesehen.

Der negative Anschluß ist über eine abgedichtete Verbindung durch den Boden der Aufnahmeschale hindurch mit einem negativen Kollektor verbunden, der in der Aufnahmeschale angeordnet ist und Leiterstege aufweist, die sich an der Oberfläche und im Volumen der negativen Elektrodenmasse erstrecken.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Batteriezellen ist die positive Elektrodenmasse in einem positiven Kollektor aus einer ebenen Metallplatte mit einer Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen angeordnet, wobei diese Platte an ihren Rändern zu einer Seite hin bzw. zur Innenseite hin abgebogen ist und die positive Elektrodenmasse umschließt. Dieser Kollektor weist vorzugsweise Verlängerungen oder Vorsprünge zur Innenseite hin auf, in der sich die positive Elektrodenmasse befindet, wobei diese Verlängerungen oder Vorsprünge in die Masse eindringen. Diese Ausgestaltung des positiven Kollektors ermöglicht die direkte Zufuhr von Luft an die gesamte positive Elektrodenmasse, wobei diese Masse durch die Umschließung durch die Ränder des Kollektors verdichtet gehalten und zusätzlich durch die Verlängerungen oder Vorsprünge festgehalten wird.

Die Belüftung der positiven Elektrodenmasse wird durch das Zusammenwirken der am Boden der Aufnahmeschale vorhandenen Ansätze mit den Vorsprüngen auf der ebenen Metallplatte des Kollektors verbessert, da diese Ansätze und Vorsprünge einen Luftkanal zwischen Rücken an Rücken aneinandergelegten Zellen ergeben. Die Vorspünge des Kollektors können die Form von Rippen mit einer Ausrichtung haben, die quer zu der Umhüllung verläuft, die die gesamte Batteriebaugruppe umgibt, wodurch weiterhin die Belüftung der äußeren Batteriezelle verbessert wird und wobei diese Rippen beim Montagevorgang als Hilfe für die gegenseitige Ausrichtung wirken, wodurch die Aufstapelung der einzelnen Batteriezellen erleichtert wird.

Zur Erleichterung des Anschlusses der einzelnen Batteriezellen ist vorgesehen, daß die ebene Metallplatte des positiven Kollektors durch einen äußeren Anschluß verlängert ist, der mit klemmenförmigen Abbiegungen versehen ist, die den äußeren Anschluß der benachbarten Zelle aufnehmen und die Verbindung durch eine einfache Verformung herstellen kann, wobei diese Verbindung keinen thermischen Arbeitsschritt erfordert, der das Material der Aufnahmeschale beschädigen könnte. Hierdurch wird eine einfache Automatisierung und zusätzlich der Vorteil erzielt, daß das Auftragen von Zinn entfällt, so daß die hierbei gebildete Verbindung nicht durch einen eventuellen Austritt des Kaliumhydroxyds zerstört werden kann.

Wenn die Verwendung von Quecksilber bei der Herstellung der negativen Elektrode vermieden wird, so müssen Wege gefunden werden, die Verringerung der Leitfähigkeit zu beseitigen. Weiterhin sind die bekannten Anordnungen zur Durchführung des negativen Anschlusses in das Innere der Aufnahmeschale nicht mehr befriedigend. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Problem der Dichtigkeit der Durchführung des Anschlusses durch die Aufnahmeschale dadurch gelöst wird, daß im Boden der Aufnahmeschale eine Einprägung oder Bördelung vorgesehen ist, die durch eine Leiter-Befestigungsniete durchquert wird. Diese Befestigungsniete verbindet unter Beifügung einer Beilagscheibe den äußeren negativen Anschluß mit einem inneren Kollektorelement, das durch einen Mittelring und eine Vielzahl von langgestreckten Leiterstegen gebildet ist, die sich in die negative Elektrodenmasse hinein erstrecken.

Um die bei einer starken Strombelastung entstehenden Probleme hinsichtlich der Oxydation des Zinks und der Bildung von passiven Schichten zu beseitigen, ist der negative innere Kollektor mit einer Vielzahl von Leiterstegen versehen, die beträchtlich seine Auffangkapazität vergrößern, wobei sich diese Leiterstege in Vertikalrichtung in einer Folge in das Volumen erstrecken, wodurch die Bildung von nichtleitenden Schichten verhindert wird. Die Vielzahl der radialen Leiterstege gemäß der Erfindung und ihre Verlängerung in die Oberfläche der Masse bewirkt das Erreichen unterschiedlicher Bereiche dieser Masse durch unterschiedliche Neigungen der einzelnen Leiterstege, die weiterhin abgebogen oder spiralförmig ausgebildet sein können.

Vorzugsweise wird ein erhöhter Luftzutritt der Umgebungsluft zur Regeneration der positiven Elektrodenmasse dadurch erreicht, daß die die negative Elektrodenmasse enthaltende Aufnahmeschale an ihrem Boden eine Vielzahl von diskontinuierlichen Ansätzen aufweist, die bei der Aufstapelung der Elemente, bei der dieser Boden auf die Außenseite des positiven Kollektors der nächsten Zelle aufgesetzt wird, einen Abstand von diesem Kollektor sicherstellen, so daß hierdurch eine Vielzahl von Luftkanälen entsteht, die den Zutritt des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft ermöglichen, wodurch die positive Elektrodenmasse sehr schnell regeriert werden kann.

Diese Vielzahl von Ansätzen kann die Form von Rippen oder einer Vielzahl von runden oder vieleckigen Spitzen aufweisen, die am Boden der Aufnahmeschale angeordnet sind und damit eine Versteifung des plattenförmigen Isoliermaterials bewirken, das die Aufnahmeschale bildet.

Zur Beseitigung der Probleme hinsichtlich der mechanischen Stabilität des Separators, wenn dieser durch die Erhöhung der Größe der negativen Elektrode zusammengepreßt wird und zur Beseitung der Gefahr, die sich aus dem Vorhandensein von leitenden Zinkresten an den Innenwänden der Aufnahmeschale ergibt, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Aufnahmeschale für die negative Elektrodenmasse an ihrem oberen Ende einen Umfangsflansch aufweist, mit dem ein ringförmiger Schutzstreifee verbunden ist, der aus isolierendem Material besteht und die gleiche Form wie dieser Umfangsflansch aufweist, wobei dieser Schutzstreifen ebenfalls einen Flansch aufweist, der auf den Mittelbereich gerichtet ist und der zwischen dem Separator und dem positiven Kollektor liegt, wenn die Batteriezelle zusammengestellt wurde.

Auf diese Weise wird ein absoluter 'hydraulischer Verschluß' derart geschaffen, daß selbst bei erhöhtem Druck, der auf den Separator bei einer Erhöhung des Volumens der negativen Elektrode ausgeübt wird, dieser Separator nicht aus den Kanten ausfließen oder sich von diesen trennen kann, wodurch seine mechanischen Abmessungen und damit auch seine elektrischen Isoliereigenschaften aufrechterhalten werden.

Gleichzeitig verhindert dieser ringförmige Schutzstreifen, daß irgendwelche Zinkreste, die die Seitenwand verschmutzen, in Kontakt mit der positiven Elektrodenmasse gelangen können, wodurch die Gefahr eines Kurzschlusses beseitigt wird.

Zur Beseitigung der Wasserstofferzeugung an der negativen Elektrode ist vorzugsweise vorgesehen, daß am Boden der Aufnahmeschale ein oder mehrere Öffnungen ausgebildet sind, die durch ein schicht- oder plattenförmiges Element verschlossen sind, das eine ausreichende Porösität aufweist, damit es zwar für Wasserstoffmoleküle durchlässig ist, jedoch für wesentlich größere Moleküle, wie zum Beispiel von Sauerstoff, undurchlässig ist. Auf diese Weise wird zwar die Abdichtung der Aufnahmeschale aufrechterhalten, jedoch die Abführung von Wasserstoff aus dem Inneren dieser Aufnahmeschale ermöglicht.

Außer der Beseitigung der Gefahr der Verschlechterung der Leitfähigkeit durch den Wasserstoff ergibt die Ableitung des Wasserstoffs den zusätzlichen Vorteil, daß der Innendruck und damit die Verformung der Batteriezellen verringert wird.

Im Inneren einer Batteriebaugruppe sind die einzelnen Aufnahmeschalen und positiven Kollektoren durch Anlage aneinander abgestützt, während vorzugsweise auf der Außenseite des so gebildeten Stapels eine starre nichtmetallische Abstützplatte angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Geometrie dieser Batteriebaugruppe oder des Stapels konstant gehalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene vergrößerte Seitenansicht einer Ausführungsform der Batteriezelle, die mit weiteren aufeinanderfolgend aufgestapelten Zellen und einer Umhüllung 6 eine Batteriebaugruppe bildet,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Batteriebaugruppe, die durch drei Batteriezellen gemäß Fig. 1 gebildet ist,

Fig. 2a eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 2, die die Bauteile im Bereich der Aufnahmeschale einer äußeren Batteriezelle zeigt,

Fig. 2b Einzelheiten der Stapelung benachbarter Zelle mit mit Hilfe der unterbrochenen Ansätze 11 des Bodens der Aufnahmeschale 1, die Luftkanäle 15 bilden,

Fig. 2c eine perspektivische Ansicht der Batteriebaugruppe mit einer Belüftungsöffnung 29 in der Umhüllung 6,

Fig. 3 eine Vorderansicht der Batteriebaugruppe nach Fig. 2,

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Seitenansicht einer bekannten Batteriegruppe mit zwei Batteriezellen,

Fig. 4a eine vergrößerte Einzelheit, deren Position in Fig. 4b gezeigt ist, zur Erläuterung des Effektes der Passivierung, die in der Zelle auftritt und die schematisch die Bildung von nichtleitenden Oberflächenschichten in der Nähe des negativen Anschlusses 3 zeigt, die sich bei einer schnellen Entladung bilden,

Fig. 4b einen Ausschnitt ber Batteriezelle nach Fig. 4

Fig. 4c eine vergrößerte Teilansicht der Batteriezelle nach Fig. 4 in Anfangszustand vor der Entladung,

Fig. 4d eine der Fig. 4c entsprechende schematische Darstellung, die die Fehler zeigt, die bei bekannten Batteriezellen vorkommen, wenn sich die Anfangsabmessungen nach Fig. 4c durch eine Erhöhung des Volumens der negativen Elektrodenmasse ändern,

Fig. 5 eine Vorderansicht der Batteriebaugruppe nach Fig. 4,

Fig. 6, 7 u. 8 eine geschnittene Seitenansicht, eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer Ausführungsform des positiven Kollektorelementes 2.

Fig. 6a eine in Fig. 6 angedeutete vergrößerte Einzelheit, entlang einer in Fig. 7 dargestellten Schnittlinie, die in eindeutiger Weise die Krümmung der Spitzen 23 erkennen läßt,

Fig. 9 eine schematische Einzelheit, die die Anordnung der der äußeren Vorsprünge 27 des Kollektors sowie die Anordnung dieser Vorsprünge bei der Aufstapelung einer Aufnahmeschale 1 einer folgenden Batteriezelle zeigt,

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht, die die Anordnung der äußeren Vorsprünge 27 des Kollektors 2 in dem Fall zeigt, in dem dieser Kollektor sich in einer äußeren Position befindet, in der er gegen die Umhüllung 6 anliegt,

Fig. 11 eine Einzelheit, die die Verbindung zwischen äußeren Anschlüssen zeigt, die durch mechanische Verformung der klemmenförmigen Abbiegungen 26 hergestellt wird,

Fig. 12 eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der Aufnahmeschale, die die negative Elektrodenmasse aufnimmt,

Fig. 12a eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 12, die die Leiter-Befestigungsniete 35 und ihren Durchgang durch den Boden der Aufnahmeschale zeigt,

Fig. 13 eine Vorderansicht der Aufnahmeschale nach Fig. 12,

Fig. 14 eine Draufsicht auf die Aufnahmeschale nach Fig. 12,

Fig. 14a eine vergrößerte Einzelheit des in Fig. 14 gezeigten Schnittes, die die spezielle Ausführungsform der unterbrochenen Vorsprünge 11 am Boden der Aufnahmeschale zeigt, die in Fig. 14 in Form von Rippen dargestellt sind,

Fig. 14b und 14c Einzelheiten von abgeänderten Ausführungsformen der unterbrochenen Vorsprünge 11 des Bodens der Aufnahmeschale in Form einer Vielzahl von runden oder eckigen Spitzen,

Fig. 15 und 16 eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform des inneren negativen Kollektorelementes 31 in Form eines Sterns,

Fig. 17 und 18 eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Seitenansicht entlang der Achse der Aufnahmeschale 1, in der der innere Kollektor 31 noch nicht angeordnet ist,

Fig. 19 und 20 eine geschnittene Seitenansicht bzw. eine Draufsicht der Ausführungsform des ringförmigen Schutzstreifens 5, wobei die Übereinanderanordnung der Fig. 18 und 19 erkennen läßt, wie der Schutzstreifen in der Aufnahmeschale angeordnet wird,

Fig. 21 und 22 eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform der Aufnahmeschale,

Fig. 22a eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 22, die die Öffnungen 16 erkennen läßt,

Fig. 23 eine Draufsicht auf eines der Schichtelemente 17, die in der Aufnahmeschale 1 angeordnet sind,

Fig. 24 eine Draufsicht bzw. eine geschnittene Seitenansicht (ähnlich den Fig. 21 und 22), wobei in der Aufnahmeschale Schichtelemente 17 nach Fig. 23 angeordnet sind,

Fig. 25a eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 25, aus der die Anordnung des Schichtelementes 17 deutlicher zu erkennen ist,

Fig. 25b eine weitere Vergrößerung einer Einzelheit der Fig. 25a, die die Verbindung des Schichtelementes 17 mit dem Boden der Aufnahmeschale 1 erkennen läßt, und in der schematisch die Möglichkeit des Austrittes von Wasserstoff 10 sowie die Sperrung des Zutrittes von Sauerstoff 20 durch das Element 17 gezeigt ist.

In der folgenden Beschreibung werden für die in folgenden genannten Teile folgende Bezugsziffern verwendet:

Bezugszeichenliste

• 1. 1 Aufnahmeschale für die negative Elektrode oder Anode
• 2. 2 positiver Kollektor, der die positive Elektrode oder Kathode aufnimmt
• 3. 3 äußerer negativer Anschluß
• 4. 4 Separator oder Membran
• 5. 5 ringförmiger Schutzstreifen
• 6. 5a Flansch des Schutzstreifens 5
• 7. 6 Umhüllung, Verpackung
• 8. 7 negative Elektrodenmasse
• 9. 8 positive Elektrodenmasse
• 10. 9 Stützplatte
• 11. 10 Wasserstoffaustrittsöffnung
• 12. 11 unterbrochene Vorsprünge auf der Außenseite des Bodens der Aufnahmeschale 1
• 13. 12 Umfangsflansch der Aufnahmeschale 1
• 14. 13 seitliche Stufe der Aufnahmeschale 1
• 15. 14 Boden der Aufnahmeschale 1
• 16. 15 Luftkanal
• 17. 16 Öffnungen der Aufnahmeschale 1
• 18. 17 für Wasserstoff durchlässiges Schichtelement
• 19. 18 Verbindung zwischen dem wasserstoffdurchlässigen Element 16 und dem Material der Aufnahmeschale
• 20. 19 unerwünschter Luftkanal
• 21. 20 gesperrter Sauerstoffzutritt
• 22. 21 ebene Metallplatte des positiven Kollektors 2
• 23. 22 Luftzutrittsöffnungen des positiven Kollektors 2
• 24. 23 abgebogene Spitzen des positiven Kollektors 2
• 25. 24 Randabbiegung zu einer Seite des Kollektors 2
• 26. 25 äußerer Anschluß des positiven Kollektors 2
• 27. 26 Klemmabbiegung des Anschlusses 25
• 28. 27 äußere obere Vorsprünge des positiven Kollektors 2
• 29. 28 Verformung des Anschlusses
• 30. 29 kreisförmiges Belüftungsfenster
• 31. 31 innerer negativer Kollektor
• 32. 32 Mittelring des negativen Kollektors
• 33. 33 langgestreckte Leiterstege
• 34. 34 abgebogene Enden der Leiterstege 33
• 35. 35 Leiter-Befestigungsniete
• 36. 36 mit dem negativen Anschluß verbundene Beilagscheibe
• 37. 37 Einprägung des Bodens der Aufnahmeschale 1.

In den Fig. 4 und 5 ist eine bekannte Batteriebaugruppe dargestellt, bei der jede Batteriezelle aus zwei außenliegenden negativen Elektrodenmassen 7 besteht, die über zwei Separatoren 4 von einer gemeinsamen positiven Elektrode 8 getrennt sind, die in der Mitte zwischen den negativen Elektroden angeordnet ist. Es ist zu erkennen, daß diese negativen Elektrodenmassen 7 in Aufnahmeschalen 1 angeordnet sind, wobei die Batteriebaugruppe dadurch gebildet wird, daß die ebenen Böden der jeweiligen Aufnahmeschalen aneinander gelegt werden, so daß die negativen Anschlüsse 3 von zwei aneinandergrenzenden Batteriezellen einander benachbart sind.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Ausführungsform einer Batteriebaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, während in Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Batteriezelle gezeigt ist, die die neuartigen Einzelheiten erkennen läßt. Eine positive Elektrodenmasse 8 ist in einem positiven Kollektor 2 aus einer ebenen Metallplatte 21 angeordnet, die an ihren Rändern 24 zur Innenseite hin abgebogen ist und die positive Elektrodenmasse 8 umschließt, wobei in der Oberfläche des positiven Kollektors 2 eine Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen 22 ausgebildet ist. In diesem Kollektor 2 sind weiterhin Verlängerungen oder Vorsprünge 23 ausgebildet, die nach innen hin in die positive Elektrodenmasse 8 gerichtet sind und in diese Masse eindringen.

Die Anordnung der positiven Elektrodenmasse 8 in einer Umschließung, die durch die Platte des Kollektors 2 und ihre abgebogenen Ränder 24 gebildet ist und die mit ihren Vorsprüngen oder Verlängerungen auf der Innenseite des Kollektors 2 in diese Masse eindringt, ermöglicht eine ausreichende Verdichtung dieser Masse, die ohne Gefahr eines Abbröckelns, Zerfallens oder Abbrechens ihrer Kanten in diesem Kollektor geschützt ist. Aufgrund der metallisch leitenden Eigenschaft der Vorsprünge oder Verlängerungen, die in die positive Elektrodenmasse eindringen, wird die Leitfähigkeit dieses Kollektors erheblich vergrößert.

In den Fig. 6, 7 und 8 sind weitere Einzelheiten dieser Ausführungsform des positiven Kollektors 2 dargestellt. Aus diesen Zeichnungen ist zu erkennen, daß eine Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen 22 vorgesehen ist, durch die der Sauerstoff, der für die Regeneration der Kathodenmasse erforderlich ist, direkt an alle Stellen dieser Masse gelangen kann. Die Fig. 6a zeigt eine vergrößerte Einzelheit im Diagonalschnitt längs der in Fig. 7 gezeigten Schnittlinie, und es ist zu erkennen, daß die Vorsprünge oder Verlängerungen des positiven Kollektors 2 vorzugsweise Ansätze der Ränder der Lufteintrittsöffnungen 22 sind und die Form von abgebogenen Spitzen 23 aufweisen. Daher können in einem Standvorgang dieses Metallteils die abgebogenen Spitzen 23 geformt werden, die sich mit ihrer gekrümmten Abbiegung in der positiven Elektrodenmasse 8 verhaken (wie dies in Fig. 1 gezeigt ist), was zur Verdichtung dieser Elektrodenmasse beiträgt.

Es ist verständlich, daß die durch die abgebogenen Spitzen 23 gebildeten Vorsprünge oder Verlängerungen genauso mit gleicher Funktion durch eingesetzte Elemente gebildet sein können, die nicht an den Rändern der Lufteintrittsöffnungen angeordnet sind.

Die Anzahl, Größe und Anordnung der Lufteintrittsöffnungen 22 ist lediglich zu Erläuterungszwecken dargestellt, wobei in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung und der Ausführungsform eine andere Anzahl, Abmessung und Anordnung verwendet werden kann.

Die Zufuhr von Sauerstoff zur Regeneration erfolgt sehr einfach und erreicht alle Stellen der positiven Elektrodenmasse 8 über Luftkanäle 15, die bei der Übereinanderanordnung der einzelnen Batteriezellen erzeugt werden, wie dies in den Fig. 1, 9 und 10 gezeigt ist.

Die ebene Metallplatte 21 des positiven Kollektors ist zu diesem Zweck auf ihrer Außenseite mit äußeren Ansätzen oder Vorsprüngen 27 in Form von Rippen versehen, die sich quer zur Umhüllung 6 erstrecken, die die gesamte Batteriegruppe umschließt.

Die einzelnen Batteriezellen weisen weiterhin Aufnahmeschalen 1 für die negative Elektrodenmasse 7 auf, und die Aufnahmeschalen weisen an ihrem Boden unterbrochene Vorsprünge 11 auf, die beim Aufstapeln gemäß den Fig. 1 und 9 die genannten Luftkanäle 15 bilden, wobei die Funktion der äußeren Vorsprünge 27 des positiven Kollektors 2 eine mehrfache ist: Wenn auf einen derartigen Kollektor eine Aufnahmeschale aufgestapelt wird, die mit den unterbrochenen Vorsprüngen 11 am Boden versehen ist, so ermöglicht die Anordnung dieser äußeren Vorsprünge, die nicht mit der Anordnung der unterbrochenen Vorsprünge 11 der Aufnahmeschale 1 ausgerichtet ist, einen Eingriff zwischen diesen Vorsprüngen, wodurch die gegenseitige Ausrichtung der Batteriezellen in dem Stapel erleichtert wird, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, so daß der Montagevorgang vereinfacht wird.

Wenn dieser Kollektor den Kollektor der äußeren Batteriezelle der Batteriegruppe bildet (wie dies in Fig. 10 dargestellt ist) so ermöglicht das Vorhandensein der äußeren Vorsprünge 27 die Bildung eines Luftkanals 15 zwischen der Umhüllung 6 und der Oberfläche des positiven Kollektors 2, wodurch die Belüftung und die Regeneration dieses äußeren Kollektors in wirkungsvoller Weise sichergestellt ist.

Wie dies aus Fig. 9 zu erkennen ist, können die Belüftungskanäle 15 auch ausschließlich durch die äußeren Vorsprünge 27 des positiven Kollektors 2 und bei Verwendung von Aufnahmeschalen 1 mit ebenen Boden gebildet werden, das heißt ohne die Verwendung von unterbrochenen Vorsprüngen 11.

Hinsichtlich der Anordnung der äußeren Vorsprünge 27 des positiven Kollektors 2 ist festzustellen, daß es ausreichend ist, wenn zumindestens ein Teil dieser Vorsprünge benachbart zum abgebogenen Rand 24 gegenüberliegend zu den Querseiten der Umhüllung 6 angeordnet ist.

Die Metallplatte 21 des positiven Kollektors 2 ist durch einen äußeren Anschluß 25 verlängert, der mit einer Klemmabbiegung 26 versehen ist, die es in Verbindung mit einer geeigneten Anordnung der äußeren negativen Anschlüsse 3 ermöglicht, daß diese bei der Montage zwischen den Schenkeln der Klemmabbiegung 26 angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, in der die Verbindung noch nicht hergestellt ist. Durch eine einfache mechanische Verformung gemäß Fig. 11 ist es möglich, die Verbindung in einem leicht automatisierbaren Schritt und ohne thermische Verfahren herzustellen, die das benachbarte Material der Aufnahmeschale 1 beschädigen könnten.

Diese Art der Aufeinanderstapelung und Verbindung der Anschlüsse steht im Gegensatz zu der bekannten Batterie nach den Fig. 4 und 5, bei der die einzelnen Batteriezellen zwei außenliegende negative Elektrodenmassen 7 aufweisen, die über zwei Separatoren 4 von einer in der Mitte angeordneten gemeinsamen positiven Elektrode 8 isoliert sind. Allerdings sind auch hierbei die negativen Elektrodenmassen 7 in Aufnahmeschalen 1 angeordnet, doch sind hierbei die ebenen Böden der einzelnen Aufnahmeschalen derart übereinander gestapelt, daß die negativen Anschlüsse 3 benachbarter Batteriezellen aneinanderliegen.

Es ist zu erkennen, daß hierbei die negative Elektrode 7 einen negativen äußeren Anschluß 3 aufweist, der den Boden der Aufnahmeschale mit einer Dichtungsvergußmasse durchquert und zum Inneren der Masse hin verlängert ist, wobei sich diese Verlängerung normalerweise in der Nähe des Bodens der Aufnahmeschale befindet.

Diese bekannte Anordnung ruft Probleme hervor, wie sie schematisch in den Fig. 4a und 4b angedeutet sind und die darin bestehen, daß eine erhöhte örtliche Entladung im Inneren der negativen Elektrodenmasse 7 hervorgerufen wird, wodurch schichtförmige nichtleitende Oberflächen entstehen, die vorzeitig den Gebrauch der Batterie unmöglich machen.

Diese Probleme ergeben sich nicht bei der beschriebenen Ausführungsform gemäß den Fig. 1, 12 bis 14, 17 und 18, bei denen eine Aufnahmeschale 1 aus plattenförmigem isolierenden Material verwendet wird, die in ihrem Boden 14 eine wulstförmige Einprägung 37 aufweist, die durch eine Leiter-Befestigungsniete 35 durchquert wird, die aufgrund ihrer speziellen in Fig. 12a dargestellten Form eine Klemmwirkung mit erhöhter Abdichtung sowohl gegenüber einer Beilagscheibe 36, die an dem äußeren negativen Anschluß 3 vorgesehen ist, als auch gegenüber einem inneren Kollektorelement 31 bewirkt, das außer einem Mittelring eine Vielzahl von langgestreckten Leiterstegen 33 aufweist, die sich sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen der negativen Elektrodenmasse 7 erstrecken.

Die Vielzahl von Leiterstegen 33 des inneren Kollektors 31 ergibt eine erhöhte Leitfähigkeit, die die Verringerung der Leitfähigkeit ausgleicht, die sich daraus ergibt, daß das Zink nicht mehr mit Quecksilber versehen wird. Außerdem sind diese Leiterstege nicht nur in der Nähe des Bodens angeordnet, sondern die Vielzahl der Leiterstege erreicht geneigte und/oder gekrümmte und/oder unterbrochene Positionen, so daß dieser Kollektor über das gesamte Volumen der negativen Elektrodenmasse verteilt ist.

In den Fig. 15 und 16 ist eine bevorzugte Ausführungsform des inneren Kollektors 3 gezeigt, der die Form eines Sterns mit dem Mittelring 32 aufweist, der in der Mitte der Aufnahmeschale angeordnet ist, wobei dieser Stern weiterhin langgestreckte radiale Leiterstege 33 aufweist. Es ist zu erkennen, daß auch irgendeine andere Anordnung möglich ist, in der der Mittelring 32 mit seiner Verbindungsfunktion in einer unsymmetrischen Position angeordnet ist, wobei auch die Verlängerungen durch die langgestreckten Leiterstege 33 eine unsymmetrische Anordnung aufweisen, um die vorgesehene Funktion zu erfüllen.

Die Leiterstege 33 können untereinander unterschiedliche Neigungen aufweisen und an ihren Enden 34 abgebogen sein (wie dies in den Fig. 15 und 16 dargestellt ist), so daß sie in ihrer räumlichen Position im Inneren der negativen Elektrodenmasse 7 passive Oberflächenschichten 7a durchqueren, so daß die Batterie bis zum vollständigen Verbrauch der gesamten negativen Elektrodenmasse 7 brauchbar ist.

Es ist weiterhin möglich, daß diese Leiterstege 33 zu dem gleichen Zweck spiralförmig ausgebildet sind.

Zur Lösung des Problemes der Zufuhr der Umgebungsluft, die die Regeneration der positiven Elektrodenmasse 8 ermöglicht, ist in Kombination mit der neuartigen Anordnung der Batteriezellen der Batteriegruppe, bei der die einzelnen Batteriezellen aneinander anliegen, vorgesehen, daß die Aufnahmeschale 1 für die negative Elektrodenmasse auf einen positiven Kollektor 2 aufgesetzt wird, der die positive Elektrodenmasse enthält. Zu diesem Zweck ist der Boden 14 der Aufnahmeschale 1 mit einer Vielzahl von unterbrochenen Vorsprüngen 11 versehen, die nach außen hin vorspringen und einen Abstand zwischen dem Boden der Aufnahmeschale und dem benachbarten positiven Kollektor 2 der folgenden Batteriezelle sicherstellen. Dieser Abstand ermöglicht die Bildung der Luftkanäle 15, die bis zur positiven Elektrodenmasse über die Lufteintrittsöffnungen 22 reichen, die in dem positiven Kollektor 2 ausgebildet sind.

In Fig. 1 ist eine mögliche Art der Stapelung schematisch dargestellt, aus der erkennbar ist, wie die Lufkanäle 15 gebildet werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach den Fig. 1, 12, 13 und 14 können die unterbrochenen Vorsprünge 11 des Bodens in Form von Rippen die dargestellte Form und Anordnung oder irgendeine andere Anordnung aufweisen, sofern der Zweck erfüllt ist, daß der sich ergebende Zwischenraum nicht verschlossen ist, um das Vorhandensein von Luftkanälen zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang haben Versuche gezeigt, daß eine Ausführungsform besonders vorteilhaft ist, bei der die Vielzahl von unterbrochenen Vorsprüngen 11 die Form von mehreren Spitzen aufweist, wie dies in den Fig. 14b und 14c gezeigt ist. Aus diesen Figuren ist zu erkennen, daß diese Spitzen die Form einer Drehoberfläche aufweisen, die halbkreisförmig (Fig. 14b) oder konisch (Fig. 14c) ist, durch deren gegenseitigen Abstand ein wirkungsvoller Luftkanal 15 gebildet wird. Diese Wirksamkeit ist nicht mit einer bestimmten Form dieser Spitzen verknüpft, sondern diese können beliebige vieleckige oder unregelmäßige Formen aufweisen.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 und insbesondere auf die Fig. 4c und 4d ist zu erkennen, daß sich bei der bekannten Batteriezelle zu Anfang die Elemente in der in Fig. 4c gezeigten Position befinden. Im Gebrauch vergrößert die negative Elektrode 7 ihr Volumen wodurch sich eine mechanische Druckwirkung auf den Separator 4 ergibt, der sich entsprechend an seinem Mittelpunkt und an den Seiten wölbt, die dem Rand der Aufnahmeschale benachbart sind, wodurch sich ein schichtförmiges Fließen ergibt und die anfängliche Dicke des Separators weiter verringert wird, bis schließlich an den Scheitelpunkten, die seitlich der Seitenwand der Aufnahmeschale am nächsten benachbart sind, eine geringe Verformung zu einer Trennung führt, wodurch sich ein unerwünschter Luftweg 19 ergibt, der bis zur negativen Elektrode der Batteriezelle reicht, die dann nicht mehr luftdicht abgeschlossen ist und sich unnötigerweise entlädt.

Bei der Ausführungsform der Batteriezelle nach den Fig. 1, 17 bis 20 weist die Aufnahmeschale 1, die die negative Elektrode 7 aufnimmt, an ihrem oberen Rand einen Umfangsflansch 12 auf, mit dem ein ringförmiger Schutzstreifen 5 verbunden ist, der aus isolierendem Schichtmaterial besteht und die gleiche Form wie dieser Umfangsflansch 12 aufweist.

Wie dies in den Fig. 1, 17 bis 20 dargestellt ist, weist dieser ringförmige Schutzstreifen 5 einen Flansch 5a auf, der zur Mitte hin verlängert ist und der zwischen dem Separator 4 und dem positiven Kollektor 2 eingefügt werden kann, der die positive Elektrodenmasse 8 aufnimmt. Dieser Schutzstreifen verhindert beim Zusammenbau der Batteriezelle an dieser Stelle eine Berührung zwischen der positiven Elektrodenmasse 8 und der inneren Seitenwand der Aufnahmeschale 1.

Der Flansch 5a des ringförmigen Schutzstreifens 5 kann zu diesem Zweck zwischen dem Rand des positiven Kollektors 2 und der Oberseite des Separators 4 eingeklemmt werden. Bei dieser Anordnung kann selbst bei erhöhtem Druck, der durch die negative Elektrodenmasse 7 erzeugt wird, kein Austreten des Separators 4 auftreten, da an dieser Stelle eine ausreichende dimensionale Stabilität aufrechterhalten wird.

Die Verbindung zwischen dem ringförmigen Schutzstreifen 5 und dem Umfangsflansch 12 der Aufnahmeschale 1 wird vorzugsweise durch Thermoschweißen hergestellt oder es kann wahlweise eine Verbindung durch Kleben oder dergleichen hergestellt werden.

Irgendwelche Zinkreste, die sich an den Innenwänden der Aufnahmeschale befinden können, können keine Gefahr eines Kurzschlusses darstellen, weil sie nicht den Flansch 5 durchqueren und in Kontakt mit der positiven Masse 8 gelangen können. Auf diese Weise kann die Herstellung der Batteriezelle durchgeführt werden, ohne daß sehr genaue Überprüfungsvorgänge und Reinigungen durchgeführt werden müssen.

Die Anordnung einer seitlichen Stufe 13 in der Aufnahmeschale, die unterhalb des Umfangsflansches 12 angeordnet ist, ergibt eine Abstützfläche für den Separator 4, wodurch die Herstellungsschritte dieser Batteriezelle erleichtert werden.

In Fig. 1 ist eine Batteriezelle gezeigt, bei der im Boden 14 der Aufnahmeschale 1 eine oder mehrere Öffnungen 16 vorgesehen sind, die durch die Einfügung eines dünnen Schichtelementes oder plattenförmigen Elementes 17 erschlossen sind, das eine ausreichende Porösität aufweist, damit dieses Schichtelement für Wasserstoffmoleküle durchlässig ist, jedoch den Durchgang von anderen wesentlich größeren Molekülen, wie zum Beispiel von Sauerstoffmolekülen, verhindert.

In den Fig. 21, 22 und 22a ist eine Aufnahmeschale 1 dargestellt, in der die Schichtelemente 17 noch nicht angeordnet sind, während im Boden 14 mehrere Öffnungen 16 ausgebildet sind.

In den Fig. 24, 25, 25a und 25b ist die gleiche Aufnahmeschale 1 der vorangehenden Figuren dargestellt, bei der jedoch die Schichtelemente 17 vorgesehen sind, die die jeweiligen Öffnungen 16 verschließen. Das Schichtelement 17, das in diesem Fall dargestellt ist, weist die in Draufsicht in Fig. 23 dargestellte Form auf.

Obwohl in den Zeichnungen ein jeweiliges Schichtelement 17 eine jeweilige Öffnung 16 verschließt, wobei vorausgesetzt wird, daß diese Elemente am Boden 14 befestigt sind, kann genausogut ein einziges Schichtelement 17 für sämtliche Öffnungen 16 gemeinsam verwendet werden.

Die Befestigung des Schichtelementes 17 am Boden der Aufnahmeschale 1 und im Umriss der Öffnung oder der Öffnungen 16 erfolgt vorzugsweise durch Kleben an einer Verbindungsstelle 18, wie dies in Fig. 25b gezeigt ist. In dieser Hinsicht hat es sich herausgestellt, daß die Verwendung von selbstklebenden Schichten besonders vorteilhaft ist, doch kann auch irgendeine andere Art von Verbindung verwendet werden, sofern eine ausreichende Verbindung des dünnen Schichtelementes 17 zusammen mit einer einwandfreien Abdichtung zwischen dem Schichtelement 17 und dem Boden 14 der Aufnahmeschale sichergestellt ist, wobei die Gase lediglich durch das Schichtelement 17 hindurchströmen können und nicht durch die Zwischenräume strömen können, die bei einer unzureichenden Verbindung auftreten.

Das dünne Schichtelement 17 hat die Eigenschaft, daß es für den Durchgang von kleinen Wasserstoffmolekülen durchlässig ist, die nach außen gelangen, wie dies bei 10 in Fig. 25 schematisch gezeigt ist, während dieses Schichtelement für wesentlich größere Moleküle undurchlässig ist, wie dies durch den Pfeil 20 in der gleichen Figur schematisch dargestellt ist. Es ist möglich, derartige Schichtelemente aus bekannten Gruppen von Kunststoffen auszuwählen, die außer den genannten Bedingungen der Durchlässigkeit eine Dicke aufweisen, die eine geeignete mechanische Handhabung ermöglicht, so daß sie für die vorliegenden Zwecke geeignet ist.

In Fig. 1 ist die Verbindung mehrerer Batteriezellen zur Bildung einer Batteriegruppe mit Hilfe einer gemeinsamen Umhüllung 6 gezeigt. Auf der äußeren Aufnahmeschale 1 ist auf der Unterseite eine nichtmetallische starre Stützplatte 9 angeordnet. Die Steifigkeit dieser Platte 9 verhindert eine Auswölbung des Bodens der Aufnahmeschale an dieser kritischen Stelle und hält die Abmessungen der Batteriegruppe aufrecht.

Vorzugsweise ist die Stützplatte 9 aus Polyvinyl, Polystyrol oder Teflon hergestellt, das heißt aus Kunststoffmaterialien, die eine ausreichende Steifigkeit aufweisen. Die Angabe, daß diese Platte nichtmetallisch sein soll, ist dazu bestimmt, das Vorhandensein von Metallplatten zu vermeiden, die in bestimmten Anwendungsfällen der Batterie unerwünschte Magnetische Störungen in Geräten hervorrufen können, die gegenüber Magnetfeldern empfindlich sind und in der Nähe der Batterie angeordnet sein können.

Obwohl in Fig. 1 die genaue Form der Stützplatte 9 in Draufsicht nicht dargestellt ist, ist es verständlich, daß sie die Form und einen Umfang aufweisen muß, der im wesentlichen dem Boden 14 der Aufnahmeschale 1 entspricht, auf dem diese Stützplatte aufliegt.

Wie dies in Fig. 2c dargestellt ist, ist gemäß einer Ausführungsform in der Umhüllung 6 in der Oberfläche des Bereichs, der mit dem positiven Kollektor der äußeren Batteriezelle zusammenfällt, zumindestens eine Belüftungsöffnung 29 ausgebildet, durch die hindurch Luft zur Regeneration leicht zu den Lufteintrittsöffnungen 22 dieses positiven Kollektors 2 gelangen kann. Diese Lösung kann zusätzlich zu oder anstelle der Funktion vorgesehen werden, die sich aus den äußeren Vorsprüngen 27 des positiven Kollektors 2 ergibt. Das für die Umhüllung 6 ausgewählte Material ist derart ausgebildet, daß das Vorhandensein dieser Belüftungsöffnungen 9 keine Gefahr eines Reißens oder einer Verringerung der Widerstandsfähigkeit dieser Hülle 6 darstellt.

Claims (25)

1. Alkalische elektrochemische Batterie, die aus einer Anzahl von miteinander verbundenen Batteriezellen besteht, die von einer gemeinsamen Umhüllung umschlossen sind und jeweils posi­ tive und negative Elektrodenmasse und einen Separator aufweisen, der die positiven und negativen Elektrodenmassen voneinander trennt, wobei ein schalenförmiger metallischer positiver Kollek­ tor (2) vorgesehen ist, der die positive Elektrodenmasse (8) aufnimmt und Luftzutrittsöffnungen aufweist, über die Umgebungs­ luft an die im Inneren des Kollektors angeordnete positive Elektrodenmasse (8) gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Kollektor mit seiner offenen Stirnkante teilweise in eine aus Isoliermaterial beste­ hende Aufnahmeschale (1) eingesetzt ist, die den Separator (4) und die negative Elektrodenmasse (7) enthält, daß der positive Kollektor (2) weiterhin in seinen Innenbereich und damit in die positive Elektrodenmasse (8) vor­ springende Vorsprünge oder Verlängerungen (22) aufweist, daß an den Außenflächen des positiven Kollektors (2) und/oder am Boden der Aufnahmeschale (1) Abstandseinrichtungen vorgesehen sind, die beim Aufeinanderstapeln der einander jeweils zugewandten Kollektoren (2) und Aufnahmeschalen (1) diese in Abstand vonein­ ander halten, so daß zwischen der die Luftzutrittseinrichtungen (22) enthaltenden Oberfläche des Kollektors (2) und dem benach­ barten Boden einer Aufnahmeschale (1) Luftkanäle (15) gebildet werden, und daß in den Innenumfangsbereich der Aufnahmeschale (1), der die Stirnkante des positiven Kollektors (2) aufnimmt, ein ringförmiger Schutzstreifen (5) eingesetzt ist, der ein Austreten des Separators (4) sowie einen Kurzschluß zwischen der positiven Elektrodenmasse (8) in dem Kollektor (2) und der negativen Elektrodenmasse (7) in der Aufnahmeschale (1) verhindert.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeschale (1) Einrichtungen (16, 17) zur Ableitung von Wasserstoff aufweist.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußerer negativer Anschluß (3) abgedichtet durch den Boden der Aufnahmeschale (1) hindurchgeführt ist und mit einem in der Aufnahmeschale (1) angeordneten negativen Kollektor (31) mit langgestreckten Leiterstegen (33) verbunden ist, die sich an der Oberfläche und in dem Volumen der negativen Elektrodenmasse (7) verteilt erstrecken.

4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische positive Kollektor (2) einen äußeren positiven Anschluß (25) aufweist, der mit klemmenförmigen Abbiegungen (26) versehen ist, die zum Einklemmen eines benachbarten negativen äußeren Anschlusses (3) einer benachbarten Batteriezelle dienen.

5. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische positive Kollektor (2) aus einem ebenen Metallblech (21) geformt ist und eine Vielzahl von Lufteintrittsöffnungen (22) in seiner Oberfläche aufweist, daß die Ränder der ebenen Metallplatte (21) nach einer Seite hin bogenförmig abgebogen sind, um die positive Elektrodenmasse (8) zu umfassen, und daß sich die Verlängerungen (23) zur Innenseite des Kollektors (2) hin erstrecken und in der positiven Elektrodenmasse (8) liegen und in dieser verteilt sind.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen (23) des positiven Kollektors (2) von den Rändern der Lufteintrittsöffnungen (22) ausgehen und die Form von abgebogenen Spitzen (23) aufweisen.

7. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (21) des positiven Kollektors (2) durch einen äußeren Anschluß (25) verlängert ist, der mit einer klemmenförmigen Abbiegung (26) versehen ist.

8. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (21) des positiven Kollektors (2) an ihrer Außenseite die Abstandseinrichtungen bildende äußere Vorsprünge (27) in Form von Rippen mit einer Ausrichtung quer zu der Umhüllung (6) aufweist, die die Anzahl von Batteriezellen umgibt, um die Batterie zu bilden.

9. Batterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich zumindestens ein Teil der äußeren Vorsprünge (27) benachbart zum abgebogenen Rand (24) des positiven Kollektors (2) erstreckt.

10. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtungen in der die negative Elektrodenmasse (7) aufnehmenden Aufnahmeschale durch am Boden (14) dieser Aufnahmeschale angeordnete unterbrochene Vorsprünge (11) gebildet sind, die beim Aufstapeln einer Anzahl von Batteriezellen einen Abstand zwischen diesem Boden (14) und der Oberfläche eines benachbarten positiven Kollektors (2) sicherstellen.

11. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (14) der die negative Elektrodenmasse (7) aufnehmenden Aufnahmeschale eine Einprägung und Öffnung (37) mit umlaufendem Wulst vorgesehen ist, durch die hindurch sich eine Leiter-Befestigungsniete (35) unter Abdichtung hindurch erstreckt, daß sich die Leiter- Befestigungsniete (35) auf des Außenseite des Bodens (14) durch eine Beilagscheibe (36) des äußeren negativen Anschlusses (3) und auf der Innenseite der Bodenwand (14) durch einen Mittelring (2) des inneren Kollektorelementes (31) hindurch erstreckt, und daß dieses innere Kollektorelement (31) eine Vielzahl von langgestreckten, mit dem Mittelring (32) verbundenen Leiterstegen (33) aufweist, die sich sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen der negativen Elektrodenmasse verteilt erstrecken.

12. Batterie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kollektorelement (31) sternförmig mit dem Mittelring (32) in der Mitte und mit den Leiterstegen (33) als radiale Verlängerungen ausgebildet ist.

13. Batterie nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leiterstege (33) und/oder am Ende dieser Leiterstege angeordnete Abbiegungen in unterschiedliche Höhenlagen der Elektrodenmasse (7) in der Aufnahmeschale (1) erstrecken.

14. Batterie nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstege (33) unterschiedliche Neigungen und/oder Längen und/oder Abbiegungen aufweisen.

15. Batterie nach Anspruch 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstege (33) zumindestens teilweise spiralförmig ausgebildet sind.

16. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtungen der Aufnahmeschale (1) durch am Boden (14) ausgebildete unterbrochene Vorspünge (11) gebildet sind, die die Form von Rippen aufweisen.

17. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 15, daurch gekennzeichnet, daß die Abstandseinrichtungen an der Aufnahmeschale (1) durch eine Vielzahl von unterbrochenen Vorspüngen (11) an der Außenseite des Bodens (14) gebildet sind, die die Form einer Vielzahl von Spitzen mit runder oder vieleckiger Form aufweisen.

18. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeschale (1) der negativen Elektrodenmasse (7) aus plattenförmigem isolierenden Material besteht, daß die Aufnahmeschale an ihrem freien Rand einen Umfangsflansch (12) aufweist, mit dem ein ringförmiger Schutzstreifen (5) aus flachem isolierendem Material vereinigt ist, der die gleiche Form wie der Umfangsflansch (12) aufweist und mit einem sich zum Mittelpunkt der Batteriezelle hin erstreckenden Innenflansch (5a) versehen ist, der zwischen dem Separator (4) und dem positiven Kollektor (2) angeordnet ist.

19. Batterie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem ringförmigen Schutzstreifen (5) und dem Umfangsflansch (12) der Aufnahmeschale durch Thermoschweißen hergestellt ist.

20. Batterie nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (14) der Aufnahmeschale (1) zumindestens eine Öffnung (16) für den Durchtritt von Wasserstoff angeordnet ist, daß die mindestens eine Öffnung durch ein Schichtelement (17) verschlossen ist, das eine derartige Porösität aufweist, daß es für Wasserstoffmoleküle durchlässig, jedoch für wesentlich größere Moleküle, wie zum Beispiel Sauerstoff undurchlässig ist.

21. Batterie nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Schichtelementes (17) am Boden der Aufnahmeschale (1) am Rand der zumindestens einen Öffnung (16) durch Kleben erfolgt.

22. Batterie nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Öffnungen (16) ein getrenntes Schichtelement (17) für jede Öffnung vorgesehen ist.

23. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung einzelner Batteriezellen zu einer Batteriebaugruppe die außenliegende Aufnahmeschale (1) durch eine Stützplatte (2) aus starrem, nichtmetallischem Material abgestützt ist.

24. Batterie nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatte aus PVC, PE oder Teflon hergestellt ist.

25. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umhüllung (6) in dem Bereich, der dem äußeren positiven Kollektor (2) gegenüberliegt, zumindestens eine Belüftungsöffnung (29) vorgesehen ist.