DE4316424A1 - Akkumulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Akkumulator, insbesondere alkalischen Akkumulator, der in einer Einzelzelle eine positive und eine negative Elektrode mit einem zwischen den Elektroden liegenden Separator enthält.

Die am meisten verbreitete Ausführungsform eines einzelligen alkalischen Akkumula­ tors ist die der Knopfzelle. Ihr Zellengefäß besteht aus einem napfförmigen Unterteil und einem Deckel aus vernickeltem Stahlblech. Das Unterteil enthält im allgemeinen die positive Elektrode in Form einer Preßpulvertablette, die von einem Nickeldrahtge­ webe umhüllt ist. Dann folgt ein laugegetränktes Kunststoffmaterial als Separator und auf dieses die negative Elektrode, welche ebenso wie die positive Elektrode her­ gestellt ist. Eine der negativen Elektrode aufliegende Feder stützt sich am Gehäuse­ deckel ab und stellt einen guten Kontakt der Elektroden zu den Zellengefäßteilen her. Letztere sind durch einen Kunststoffring gegeneinander isoliert. Durch Umbördeln und Festpressen des Napfrandes wird ein dichter Verschluß erreicht.

Durch das Mittel der Ultraschallschweißung ist es möglich geworden, einzellige Akkumulatoren in Form der Knopfzelle auch mit einem Kunststoffgehäuse, z. B. ge­ mäß DE-PS 30 11 422, herzustellen. Während in diesem Falle die dichte Verbindung der Gehäuseteile entlang ihrer Randzonen keine Probleme bereitet, müssen Stromab­ leiter durch die Kunststoffwände hindurch elektrolytdicht nach draußen geführt wer­ den, was wegen der begrenzten Anschmiegsamkeit des Gehäusekunststoffs an ein Metall, zumal bei nachlassendem Anpreßdruck, kritisch ist.

Als Lösung für dieses Problem hat man, wie z. B. auch bei dem aus der DE-PS 29 36 857 bekannten galvanischen Element, die Schaffung einer möglichst ausge­ dehnten Kunststoff-Metall-Verbundzone vorgeschlagen, die dem Elektrolyten einen langen, gegebenenfalls auch labyrinthartigen Kriechweg aufzwingt. Solche Abdich­ tungsmaßnahmen sind aber materialaufwendig, ihre technische Realisierung zudem kompliziert.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 91 04 180 oder der DE-OS 38 24 222 sind auch mehrzellige Akkumulatoren mit stapelartig übereinander angeordneten Zellen und zylindrischen Wandumhüllungen derselben aus Kunststoff bekannt. Zwischen den einzelnen Zellen befinden sich Trennscheiben aus Metall, welche die Zellen elektro­ lytdicht gegeneinander abschließen und sie elektrisch in Reihe schalten. Das eigentli­ che Batteriegehäuse bei diesen mehrzelligen Akkumulatoren ist jedoch ein Stahlbe­ cher.

Der Zusammenbau mehrzelliger Akkumulatoren ist arbeitsintensiv und dadurch teuer, insbesondere dann, wenn bestimmte Bauteile in Form und Größe wie der eben er­ wähnte Stahlbecher von der Zellenzahl abhängen. Ihre Herstellung in demzufolge ver­ schiedenen Versionen und deren Bevorratung verursacht Mehrkosten, besonders bei kleinen Losgrößen, was wiederum mit zusätzlichen logistischen Problemen verbunden ist.

Aber auch bei den einzelligen Akkumulatoren der klassischen Bauart ist allein die Armierung der Massetabletten mit Nickelgewebenetzen ein aufwendiger Arbeits­ schritt, wobei außerdem ein relativ hoher Materialausschuß anfällt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gasdichten Akkumulator ver­ fügbar zu machen, der sowohl in einer einzelligen als auch in einer mehrzelligen Aus­ führung durch Materialeinsparung und fertigungsfreundliche, möglichst automatisier­ bare Montageschritte kostengünstiger hergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Akkumulator gelöst, wie er in Pa­ tentanspruch 1 definiert ist.

Der neue Akkumulator in seiner einzelligen Grundausführung besitzt demnach ein Ge­ häuse, das sich aus vier Teilen zusammensetzt, nämlich zwei ringförmigen, einander überlappenden Wandelementen aus thermoplastischem Kunststoff und zwei Metall­ teilen, welche als Verbundteile allerdings zweimal, auf beiden Stirnseiten des Gehäu­ ses, vorhanden sind.

Die Verbundteile bestehen jeweils aus einer Kontaktscheibe und einer darauf aufge­ schweißten Blechauflage, die vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist. Entlang der Randzone jeder Scheibe stehen diese und das ringförmige Teil jedoch ein wenig von­ einander ab und definieren einen horizontal umlaufenden, nach außen offenen Ringspalt. Von diesem Ringspalt wiederum ist jeweils ein den Kunststoff-Wandele­ menten angeformter, einwärts weisender und dabei umlaufender Ansatz erfaßt und elektrolytdicht eingequetscht. Jedes der Wandelemente ist somit durch den umlau­ fenden Ansatz zugleich mit einem eigenen Dichtring ausgestattet. An ihren gegensei­ tigen Berührungsflächen sind die Wandelemente miteinander verschweißt.

Ein großer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Akkumulator in der einzelligen Form unter Zuhilfenahme nur eines einzigen weiteren Konstruktionselements zu einer größeren Batterie mit einer beliebigen Anzahl übereinander angeordneter Zellen aus­ gebaut werden kann.

Das Gehäuse des mehrzelligen Akkumulators setzt sich nämlich zusammen aus den beiden Wandelementen für die Grundausführung, aus einer entsprechend der aufge­ stockten Zellenzahl vermehrten Anzahl von Kontaktscheiben mit darauf aufge­ schweißten Blechauflagen und aus zusätzlichen ringförmigen Wandelelementen, wel­ che ebenfalls aus thermoplastischem Kunststoff bestehen, im Gegensatz zu den Wan­ delementen der Grundausführung jedoch eine einheitliche Form besitzen.

Die von den zusätzlichen Wandelementen benötigte Anzahl ist, wie bei dem zusätzli­ chen Bedarf an Kontaktscheiben, gleich der Anzahl der aufgestockten Zellen. Den zu­ sätzlichen Wandelementen ist ebenfalls ein einwärts weisender, umlaufender Ansatz angeformt, der jeweils in einen Ringspalt an der Peripherie einer Kontaktscheibe ein­ greift bzw. in diesen eingequetscht ist.

Weiterhin erstrecken sich die ringförmigen zusätzlichen Wandelemente zum einen Teil nach oben, zum anderen Teil nach unten, wobei sie sich mit dem nächst höheren und dem nächst niederen Wandelement überlappen und so zusammen mit den überlapp­ ten Abschnitten dieser Wandelemente die Umfangswände für zwei benachbarte Zel­ len bilden.

Die in dem neuen Akkumulator vorzugsweise verwendbaren elektrochemischen Sy­ steme sind das Nickel/Cadmium- und das Metalloxid/Metallhydrid-System. Die Elektrodenbestückung des neuen Akkumulators entspricht somit derjenigen des Nickel/Cadmium- oder z. B. eines Nickel/Metallhydrid-Akkumulators, dessen negativer Elektrode eine Wasserstoffspeicherlegierung zugrunde liegt.

Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Gehäusekonstruktion optimal zu nutzen, werden jedoch erfindungsgemäß nicht die von herkömmlichen Akkumulatoren be­ kannten Elektroden in Gestalt der netzarmierten Preßpulvertabletten verwendet, son­ dern sogenannte Walzelektroden, die durch Komprimieren der Elektrodenmasse zwi­ schen einem Walzenpaar und Ausstanzen der Elektrodenform aus dem so erzeugten kontinuierlichen Walzband hergestellt werden.

Die hier zur Anwendung kommende Walztechnik wird weiter unten im Anschluß an eine detaillierte Beschreibung der Erfindung näher erläutert. Zur Verdeutlichung die­ nen einige Figuren.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines einzelligen Akkumulators gemäß der Erfindung

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt eines mehrzelligen Akkumulators gemäß der Erfin­ dung

Fig. 3 zeigt ein Wandelement des Kunststoffgehäuses mit eingespritzter Berstmem­ bran im Detail

Fig. 4 zeigt den Herstellungsprozeß von Walzelektroden zur Verwendung in dem er­ findungsgemäßen Akkumulator, schematisch.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Gehäusekonstruktion des erfindungsgemäßen Akkumulators in der einzelligen Ausführung zwei Gehäuse-Spritzteile aus einem thermoplastischen Kunststoff, ein Spritzteil 1 auf der positiven und ein Spritzteil 2 auf der negativen Seite des Akkumulators. Beide Spritzteile besitzen jeweils einen innenliegenden, um­ laufenden Ansatz 3.

Weiterhin sind Bestandteile des Gehäuses jeweils eine mehrfach abgesetzte Kontakt­ scheibe 4 und ein abgesetzter Ring 5, beides nickelplattierte oder nach dem Ausstan­ zen vernickelte Metallteile, die in einem automatisch ablaufenden Vormontageprozeß, vorzugsweise durch eine Widerstands-Buckelschweißung, verbunden werden.

Während dieser Vormontage der Metallteile wird der umlaufende Ansatz 3 in dem sich zwischen Kontaktscheibe 4 und Metallring 5 ergebenden Ringspalt zusammen­ gequetscht, so daß die Konstruktion dicht gegenüber dem Elektrolyten ist.

Ein Dichtungsmittel 6, vorzugsweise ein Mittel auf Bitumenbasis, wird vor dem Zu­ sammenfügen oder nach der Vormontage zur Verbesserung der Dichtungseigenschaf­ ten in die Dichtungszone eingebracht.

Nach der Vormontage kann die Zelle montiert werden, indem der Reihe nach z. B. zu­ erst die negative Elektrode 7, der Elektrolyt 8, der Separator 9 und die positive Elektrode 10 in der vormontierten negativen Gehäusehälfte positioniert werden. Durch Aufsetzen der positiven Gehäusehälfte und anschließender Ultraschall­ schweißung oder Verklebung ist die Montage der Einzelzelle abgeschlossen. Die Mon­ tage kann auch in umgekehrter Reihenfolge geschehen.

Soll ein mehrzelliger Akkumulator hergestellt werden, wird ein zusätzliches Kunst­ stoffteil 11 zwischen positiver und negativer Gehäusehälfte eingesetzt, welches auf die gleiche Art mit der Kontaktscheibe 4 und dem Metallring 5 vormontiert wurde wie die anderen Gehäuseteile.

Bei einem dreizelligen Akkumulator, wie in Fig. 2 dargestellt, werden zwei dieser zu­ sätzlichen Gehäuseteile benötigt.

Dieses Kunststoffteil oder Wandelement ist gleichartig geformt und gleichartig mit der gleichen Kontaktscheibe und dem gleichen Metallring vormontiert wie die Gehäuse­ hälften des einzelligen Akkumulators.

Damit ist es möglich, mehrzellige Akkumulatoren zu bauen, ohne Teile zu verwen­ den, die in ihrer Gestaltung oder in ihren Dimensionen abhängig von der Anzahl der Zellen des Akkumulators sind. Dies bedeutet eine Standardisierung der Teile und da­ mit einen Kostenvorteil gegenüber bekannten Konstruktionen mehrzelliger Akkumula­ toren. Es entfallen zusätzliche Verbindungselemente, um die einzelnen Zellen elektrisch in Reihe zu schalten. Zwangsläufig entfallen auch Sonderkosten für die Montage von mehrzelligen Akkumulatoren.

Da die Umfangswand des Gehäuses ausschließlich aus Kunststoff besteht, ist die Ge­ fahr einer unbeabsichtigten Überbrückung der beiden Polseiten des Akkumulators, der man bei konventionellen Batterien mit Metallgehäuse durch eine Verpackung des Zellenstapels in einen Schrumpfschlauch vorbeugt, äußerst gering. Daher kann in den meisten Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen Akkumulators auf eine zusätzli­ che Isolation verzichtet werden. Dies wirkt sich in einer weiteren Kostenersparnis aus.

In Fig. 3, die einen vergrößerten Ausschnitt eines Wandelements 11 wiedergibt, ist eine Berstmembran 12 zu erkennen. Durch die Ausstattung einer jeden Zelle mit einer solchen Berstmembran, die eine Wandverdünnung durch Materialabtragung darstellt, wird eine Zerstörung des Akkumulators durch unzulässig hohe Innendrucke verhin­ dert, da sie die Funktion eines Sicherheitsventils innehat. Dies verleiht dem erfin­ dungsgemäßen Akkumulator einen besonderen Sicherheitsstandard, der bei bekann­ ten Konstruktionen nicht anzutreffen ist, weil dort alle einzelnen Akkumulatorenzellen mit einem alles umschließenden Metallgehäuse umhüllt sind.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Akkumulators liegt darin, daß das Ver­ schließen der Zellen nicht über einen Bördelprozeß erfolgt, der nur bei runden oder ovalen Formen angewendet werden kann. Dieser Umstand erlaubt eine gewisse Frei­ heit in der Querschnittsgestaltung, indem z. B. auch rechteckige, dreieckige und nie­ renförmige Formen in der Draufsicht möglich sind, so daß der Akkumulator im Be­ darfsfall anpassungsfähig ist an die räumlichen Gegebenheiten in einem Gerät, in das er eingebaut werden soll.

Wie bereits erwähnt, kommen in dem erfindungsgemäßen Akkumulator vorzugsweise Elektroden vom Typ der Walzelektrode zum Einsatz. Zu deren Herstellung in einem aus Fig. 4 ersichtlichen kontinuierlichen Prozeß wird Elektrodenmasse 13 auf ein Walzenpaar aufgegeben und dort zu einer Folie bzw. einem Walzband 1 5 kompri­ miert. Zur Verbesserung seiner Stabilität und zur besseren elektrischen Kontaktierung der Masse an den Kontaktscheiben des Gehäuses nach dem Einbau erhält das Walz­ band einen Träger aus einem Nickel- oder Edelstahlstreckmetall, gegebenenfalls auch aus nickelplattiertem Stahlblechstreckmetall, der ihm in Form des Bandmaterials 17 bei Durchlauf durch das Rollenpaar 16 aufgeprägt wird. Anschließend wird das Walz­ band mittels Schneidrollen 18 in Streifen gewünschter Breite längsgeteilt und in der Stanzvorrichtung 19 zu Einzelelektroden 20 aufgeschnitten.

Sehr vorteilhaft läßt sich bei negativen Elektroden dieser Herstellungsprozeß mit dem Aufbringen eines kohlehaltigen Pulvermaterials, welches die Sauerstoffreduktion ka­ talysiert, auf das Elektrodenwalzband verbinden. Die Überladesicherheit des erfin­ dungsgemäßen Akkumulators wird mit dieser Maßnahme, die der Intensivierung des Gasverzehrs dient und insbesondere bei hohen Ladeströmen die Entstehung eines ge­ fährlichen Innendrucks verhindert, wirksam gefördert. Eine solche Verzehrmasse aus einer Mischung von Aktivkohle, Ruß und PTFE-Binder wird z. B. in der DE-OS 34 33 544 beschrieben; ihre Aufbringung kann durch Aufpudern und Einwalzen in die Walzbandoberfläche erfolgen. Die so präparierte Walzbandelektrode hat neben der Funktion als negative Hauptelektrode noch diejenige einer Sauerstoff-Hilfselektrode.

Claims (8)

1. Akkumulator, insbesondere alkalischer Akkumulator, der in einer Einzelzelle eine positive und eine negative Elektrode mit einem zwischen den Elektroden liegenden Separator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse aus ringförmigen, einander überlappenden Wandelementen (1, 2) aus thermo­ plastischem Kunststoff sowie aus gleichartigen Kontaktscheiben (4), die als Anschlußpole dienen und deren Randzonen jeweils zusammen mit einer auf die Kontaktscheibe aufgeschweißten Blechauflage (5) einen horizontal umlaufenden, nach außen offenen Ringspalt definieren, gebildet ist, und daß an jedes Wandelement ein einwärts weisender, umlaufender Ansatz (3) ange­ formt ist, welcher in dem Ringspalt elektrolytdicht eingequetscht ist.

2. Akkumulator, insbesondere alkalischer Akkumulator, mit zwei oder mehreren übereinander angeordneten Zellen, die jeweils eine positive und eine negative Elektrode mit zwischenliegendem Separator enthalten, dadurch gekennzeich­ net, daß sein Gehäuse einerseits aus ringförmigen, einander überlappenden Wandelementen (1, 2) aus thermoplastischem Kunststoff für eine Einzelzelle besteht, an die ein einwärts weisender, umlaufender Ansatz (3) angeformt ist , und daß das Gehäuse andererseits zusätzlich ein oder mehrere unter sich gleiche, ringförmige Wandelemente (11) aus Kunststoffmaterial umfaßt, an die ebenfalls ein einwärts weisender, umlaufender Ansatz angeformt ist und welche mit einem sich aufwärts und einem sich abwärts erstreckenden Teil, wobei sie sich mit dem nächst höheren und dem nächstniederen Wand­ element überlappen, die Umfangswände für zwei benachbarte Zellen bilden, daß mehrere gleichartige Kontaktscheiben (4) aus Metall, die sowohl die elektrolytische Trennung der Zellen voneinander bilden als auch die Zellen elektrisch in Reihe schalten, übereinander in dem Gehäuse angeordnet sind, daß die Randzone einer jeden Kontaktscheibe zusammen mit einer der Scheibe aufgeschweißten Blechauflage (5) einen horizontal umlaufenden, nach außen offenen Ringspalt definiert, und daß die einwärts weisenden An­ sätze sämtlicher Wandelemente jeweils in einem Ringspalt elektrolytdicht eingequetscht sind.

3. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechauflage die Form eines Ringes besitzt.

4. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente aus Kunststoff im Bereich der gequetschten Ansätze zusätzlich durch Dichtungsmittel gegen die Kontaktscheiben abgedichtet sind.

5. Akkumulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Abdichtung ein Dichtungsmittel auf Bitumenbasis ist.

6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktscheiben mit Vorsprüngen versehen sind.

7. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche der negativen Elektrode ein kohlehaltiges Material zur katalytischen Unterstützung des Gasverzehrs aufgebracht ist.

8. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle mit einem Sicherheitsventil in Form einer Berstmembran (12) versehen ist, die in ein Wandelement eingearbeitet ist.