DE4413808B4 - Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemische Zelle, Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle und Knopfzelle - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemische Zelle
aus einem aktiven Anodenmaterial, einem aktiven Kathodenmaterial
und einem Halterahmen (32), wobei
der Halterahmen (32) in einem Formwerkzeug (40) mit einer Trennfolie angeordnet,
innerhalb des Halterahmens (32) ein flacher Anodenmaterialkörper (14) angeordnet,
in den Halterahmen (32) flüssiges Kathodenmaterial eingegossen und
die Baugruppe nach Verfestigung aus dem Formwerkzeug (40) entnommen wird.
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die Baugruppe nach Verfestigung aus dem Formwerkzeug (40) entnommen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Zellen sowie die Herstellung solcher Zellen. Speziell betrifft sie ein Verfahren zum Herstellen elektrochemischer Zellen aus Baugruppen mit neuartigem Aufbau und mit einer neuartigen Struktur der sich ergebenden elektrochemischen Zelle selbst.
- Bei den aktiven Materialien der Anode und der Kathode derartiger Zellen kann es sich um Lithiummaterialien für die Anode und Halogenmaterialien für die Kathode handelt, und, zwischen der eigentlichen Anode und der eigentlichen Kathode kann ein Bauelement vorhanden sein, das Jod oder eine Polyjodverbindung aufweist, die in einem organischen Material wie Polyvinylpyridin enthalten ist.
- In der Vergangenheit wurden Zellen, die derartige Halogenmaterialien für die Kathode verwenden, innerhalb eines Gehäuses zusammengebaut. Geschmolzenes Kathodenmaterial wurde durch eine Öffnung in das Gehäuse eingegossen, nachdem die Hauptbestandteile innerhalb des Gehäuses zusammengebaut waren. Danach wurde die Einfüllöffnung versiegelt. Für die Zwecke dieser Erfindung bedeutet der Begriff "Fluid" jedes Kathodenmaterial, das zumindest während eines Schritts der Zellenherstellung fließen kann. Die US-Patente 4,105,833; 4,135,519; 4,132,836; 4,166,887 und 4,211,832 zeigen verschiedene Lithium/Halogen-Batterien oder elektrochemische Zellen mit einem Gehäuse, in das eine flüssige Kathodenkomponente über eine Einfüllöffnung eingefüllt wird. Weitere US-Patente von Interesse sind 4,217,403 und 3,874,929.
- Auch elektrochemische Zellen, die andere Komponenten beinhalten, können die Erfindung nutzen. Die verwendete Fluidkomponente muss nur zum Zeitpunkt der Zellenherstellung oder des Zusammenbaus in flüssiger Form vorliegen. Danach kann sie sich für den Zellenbetrieb verfestigen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum einfachen Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle sowie eine einfach zu sammenbaubare elektrochemische Zelle zu schaffen.
- Diese Aufgabe ist gemäß den Lehren der beigefügten unabhängigen Ansprüche gelöst. Danach wird eine Kathodenkomponente in eine Baugruppe und nicht über eine Einfüllöffnung in die zusammengebaute Zelle eingefüllt. Es ergibt sich eine elektrochemische Zelle mit entsprechendem Aufbau. Diese ist einfach und damit billig zusammenbaubar.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; darin zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung einer elektrochemischen Zelle; -
2 eine geschnittene Seitenansicht entlang der Linie 2-2 in1 ; -
3a bis3e vereinfachte Querschnitte durch eine Anoden/Kathoden-Baugruppe während des Zusammenbaus in einem Formwerkzeug; -
3f eine Draufsicht auf eine bevorzugte Kontaktstruktur für den Kathodenstrom, wie sie bei der Baugruppe der3a bis3e verwendet wird; -
4 eine geschnittene Explosionsdarstellung, die die verschiedenen Baugruppen bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle zeigt, woraus erkennbar ist, wie diese für den Endzusammenbau zusammenpassen; und -
5 ein Querschnitt durch eine zusammengebaute elektrochemische Zelle ähnlich2 , wobei ein anderer Halterahmen-Aufbau dargestellt ist. - In
1 und2 Bezug ist eine versiegelte Lithium/Halogen-Zelle dargestellt, die eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist. Die Zelle weist einen Gehäuse-Unterteil10 auf, das die Form eines flachen Metallbechers haben kann, z.B. die Form eines runden Behälters zum Herstellen einer Knopfzelle vom dargestellten Typ. Das Gehäuse-Unterteil10 kann aus rostfreiem Stahl bestehen, dessen offene Oberseite durch ein im Wesentlichen flaches Gehäuse-Oberteil12 verschlossen ist, der ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht. Ober- und Unterteil12 ,10 werden in einem abschließenden Zusammenbauschritt zu einem dichten Gehäuse miteinander verschweißt. - Die Zelle beinhaltet ein Lithiumelement
14 mit einem Anodenkontaktelement18 . Das Kontaktelement18 ist ein relativ dünnes Metallelement, das mit (nicht dargestellten) Öffnungen versehen sein kann, um für innigen Kontakt mit der relativ dünnen Anode zu sorgen. Das Kontaktelement18 kann aus verschiedenen Metallen wie Nickel, Zirkonium, rostfreiem Stahl usw. bestehen. - Eine insgesamt mit
20 bezeichnete Durchführung enthält einen Durchführungsstift22 aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall, der mit dem Kontaktelement18 stumpf verschweißt ist und eine ausreichende Länge hat, so dass er zum externen elektrischen Anschluss aus der Durchführung20 herausragt. Der Durchführungsstift22 ist durch die Durchführung20 , die ein Glasisolatorelement24 und eine nach oben ragende metallische Muffe26 aufweist, gegen den Rest der Zelle abgedichtet. Die Muffe26 kann ein getrenntes, mit dem Gehäuse-Oberteil12 verschweißtes Element oder als nach oben ragendes Element einstückig mit dem Gehäuse-Oberteil12 durch Stanzen oder dergleichen ausgebildet sein. - Unter den Anodenmaterialkörper
14 liegt das Halogenmaterial der Kathode28 . - Gemäß der Darstellung enthält die Zelle zusammen mit der Anode einen Polymer-Trennfilm
30 , etwa aus Polyvinylpyridin. Der Trennfilm ist von Vorteil, jedoch nicht erforderlich. - Die Anode, die Kathode und der Trennfilm sind von einem Halterahmen
32 umgeben, der, wie in der Figur dargestellt, ein flaches Band aus inertem Kunststoff mit einer Ober- und einer Unterkante aufweist. Jeder nicht-reagierende Kunststoff, der gegen den Zelleninhalt inert ist, und der als umrahmendes Halteteil für die aktiven Komponenten der Anode und Kathode dienen kann, ist für den Halterahmen32 geeignet. Typischerweise wird ein modifiziertes Polytetrafluorethylen bevorzugt, wobei es sich um ein Copolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen handelt. Jedoch kann auch ein anderes Fluorpolymer, z.B. Polyvinylidenfluorid, verwendet werden. Andere Materialien können vom Fachmann verwendet werden. - In
2 ist dargestellt, dass die Baugruppe aus Anode, Trennfilm, Kathode und Halterahmen innerhalb eines nach oben offenen Isolatorbe chers34 aufgenommen ist, der ebenfalls aus einem nicht-reagierenden Kunststoff der vorstehend angegebenen Typen oder auch aus Polypropylen besteht. Eine weitere Baugruppe wird durch das Gehäuse-Oberteil12 , den Durchführungsstift22 , den Isolatorbecher34 und das Anodenkontaktelement18 gebildet. Diese zwei Baugruppen werden nachfolgend näher erörtert. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Anoden-Baugruppe innerhalb des Isolatorbechers so angeordnet wird, dass die Lithiumoberfläche der Anoden14 in innigem Kontakt mit dem Anodenkontaktelement18 und dem Boden des Isolatorbechers34 steht, wie dies in2 dargestellt ist. - Wie bereits angegeben, kann das Halogenmaterial der Kathode
28 aus irgendeinem der verschiedenen im Stand der Technik bekannten Materialien bestehen, etwa Jod oder einer Polyjodverbindung in einem organischen Material wie Polyvinylpyridin. Diese Art von Kathodenmaterial ist wohlbekannt. Es wird im flüssigen oder geschmolzenen Zustand in die Zelle eingefüllt und kann sich dann beim Abkühlen verfestigen. - Anhand von
3a –3f wird nun ein erfindungsgemäß vereinfachtes Verfahren zum Herstellen einer Baugruppe mit vereinfachter Struktur beschrieben. - Die Herstellung der Baugruppe aus Anode, Trennfilm und Kathode beginnt mit dem Bereitstellen eines Formwerkzeugs
40 mit vorzugsweise zylindrischer Form, wie in den3a –3e dargestellt, aus einem relativ schweren Werkzeugmaterial, wie es typischerweise beim Stand der Technik für Formwerkzeuge verwendet wird. Das Formwerkzeug40 kann, wie dargestellt, oben und unten offen oder auch unten geschlossen sein. - In jedem Fall wird am Boden des Formwerkzeugs eine Trennfolie
42 aus geeignetem Kunststoff angeordnet, um den Halterahmen32 aufzunehmen, wie in3a dargestellt. Danach wird, wie dies in3b dargestellt ist, eine Scheibe aus Lithium durch Presspassung in den Halterahmen eingesetzt, wobei die Presskraft erhöht wird, bis das Lithium so fließt, dass es den Innendurchmesser des Halterahmens32 ausfüllt. - Anschließend wird auf die Oberseite der Anode ein Trennfilm
30 , etwa aus Poly-2-Vinylpyriden, in den Halterahmen32 eingesetzt, wie in3c dargestellt. Der Film kann während des Einpressens durch Druckbonden mit der Anode verbunden werden. - Dann wird das geschmolzene Kathodenmaterial auf den Trennfilm
30 in dem Halterahmen eingegossen, wie in3d dargestellt. Der Halterahmen kann bis zu seiner Oberkante mit dem Anodenmaterial aufgefüllt werden, oder es kann ein kleiner Raum freigelassen werden, wie in3d dargestellt, um Platz für ein metallisches Kathodenkontaktelement42a /42b von dem in3f dargestellten Typ freizulassen. - Das Kontaktelement
42a /42b , wie es in3f dargestellt ist, beinhaltet einen runden Hauptteil42a und einen Zuleitungsteil42b , und es kann über der Kathode28 so angeordnet werden, wie es in3e dargestellt ist. Das Kathodenkontaktelement42a /42b besteht typischerweise aus rostfreiem Stahl, und es ist extrem dünn, beinahe mit Foliendicke. Inniger Kontakt zwischen der Kathode und dem Gehäuse mit oder ohne das Kontaktelement erlaubt es, dass das Gehäuse als Kathodenanschluss der Zelle wirken kann. - In
4 ist die Baugruppe aus Gehäuse-Oberteil, Isolatorbecher und Anodenkontaktelement am besten erkennbar und hinsichtlich ihres Zusammenbaus am besten verständlich. Das mit der Durchführung20 versehene Gehäuse-Oberteil12 wird mit dem mit dem Kontaktelement18 verschweißten Durchführungsstift22 bestückt, nachdem der umgedrehte Isolatorbecher34 auf den Durchführungsstift aufgesetzt und das Kontaktelement18 zum Verschweißen in Kontakt mit der relativ großen Fläche des Durchführungsstifts22 gebracht wurde. Anstelle einer Verschweißung kann eine Befestigung durch Einschieben, Verfalzen usw. erfolgen. - Nun ist die Baugruppe so weit fertig, dass sie mit der Baugruppe aus Anode, Kathode und Trennfolie zusammengepasst werden kann, wie in
4 dargestellt, wobei die Anodenoberfläche so positioniert ist, dass sie das Kontaktelement18 kontaktieren kann. In dieser Figur ist dargestellt, dass der Halterahmen32 eine wahlweise bauliche Abänderung aufweist, bei der an seinem oberen Ende ein nach innen gerichteter Flansch32a vorhanden ist. Diese Baugruppe wird lediglich im Isolatorbecher34 aufgenommen und dann in das Gehäuse-Unterteil10 eingesetzt, dessen Flansch10a dann mit dem Gehäuse-Oberteil12 verschweißt wird, um die Zelle zu versiegeln. Das Kathodenkontaktelement42a /42b kann vorhanden sein, falls erwünscht, ist aber in4 nicht dargestellt. - Wie ersichtlich, ist der schrittweise Zusammenbaus aus Baugruppen ohne das Erfordernis, irgendein Teil der Baugruppe auszurangieren, kostengünstig, da nicht immer die gesamte Zelle betroffen ist. Darüberhinaus führen derartige Baugruppen zu vereinfachten Herstellabläufen bei der Handhabung und damit zu geringeren Kosten.
- Die Baugruppen können gegenüber der oben beschriebenen Vorgehensweise auch in umgekehrter Reihenfolge zusammengesetzt werden.
- Wie es bereits in Verbindung mit
4 dargelegt wurde, kann der Halterahmens32 alternativ einen nach innen regenden Flansch32a aufweisen. Eine weitere Variante mit einem nach außen weisenden Flansch32b ist in5 dargestellt. Diese Flanschanordnung ist besonders günstig, da sie dazu verwendet werden kann, einen Halterahmen32 mit kleinerem Durchmesser zu positionieren, was in solchen Fällen erwünscht sein kann, bei denen eine Einstellung der Zellenkapazität erforderlich ist.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemische Zelle aus einem aktiven Anodenmaterial, einem aktiven Kathodenmaterial und einem Halterahmen (
32 ), wobei der Halterahmen (32 ) in einem Formwerkzeug (40 ) mit einer Trennfolie angeordnet, innerhalb des Halterahmens (32 ) ein flacher Anodenmaterialkörper (14 ) angeordnet, in den Halterahmen (32 ) flüssiges Kathodenmaterial eingegossen und die Baugruppe nach Verfestigung aus dem Formwerkzeug (40 ) entnommen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Formwerkzeug (
40 ) zylindrisch und der Halterahmen ringförmig gestaltet werden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für den Anodenmaterialkörper (
14 ) ein Lithium enthaltendes Material mit einem Polyvinylpyridin-Film (30 ) und als Kathodenmaterial ein Jod und ein Polyvinylpyridin enthaltendes Material verwendet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halterahmen (
32 ) an seiner Ober- und/oder Unterkante mit einem Flansch (32a ,32b ) versehen wird. - Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Flansch (
32b ) an der Unterkante und nach außen oder innen verlaufend ausgebildet wird. - Verfahren zum Zusammenbauen einer flachen elektrochemischen Zelle, wobei eine Zellen-Unteranordnung hergestellt wird, die ein Gehäuse-Oberteil (
12 ), einen nach unten offenen Isolatorbecher (34 ), eine an dem Oberteil (12 ) vorgesehene Durchführung (20 ), einen das Oberteil (12 ) und den Isolatorbecher (34 ) durchsetzenden Durchführungsstift (22 ) und ein an dessen innerem Ende innerhalb des Oberteils (12 ) und des Isolatorbechers (34 ) befestigtes Anodenkontaktelement (18 ) aufweist, eine Baugruppe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird, die Baugruppe innerhalb des Isolatorbechers (34 ) der Unteranordnung so angeordnet wird, dass der Anodenmaterialkörper (14 ) das Anodenkontaktelement (18 ) kontaktiert, und das Gehäuse-Oberteil (12 ) mit dem Gehäuse-Unterteil (10 ) zu einem dichten Gehäuse verschweißt wird. - Knopfzelle mit einem metallischen Gehäuse-Oberteil (
12 ) und einem metallischen Gehäuse-Unterteil (10 ), wobei das Oberteil (12 ) eine abgedichtete Durchführung (20 ) mit einem Durchführungsstift (22 ) aufweist, mit einem an der Innenseite des Oberteils (12 ) nach unten offenen Kunststoff-Isolatorbecher (34 ), den der Durchführungsstift (22 ) durchsetzt, wobei am inneren Ende des Durchführungsstifts (22 ) ein am Boden des Isolatorbechers (34 ) liegendes Anodenkontaktelement (18 ) angebracht ist, und einer vorher zusammengebauten Baugruppe aus einem Haltering (32 ) mit einem diesen umgebenden Flansch (32a ,32b ), einer auf dem Flansch (32a ,32b ) angeordneten, Lithium-Anodenschicht (14 ), einem an deren Innenfläche innerhalb des Halterings (32 ) liegenden Polyvinylpyridin-Film (30 ) und einer an dem Film (30 ) anliegenden verfestigten Kathode (28 ) aus J2/Polyvinylpyridin, wobei die Anodenschicht (14 ) und der Flansch (32a ,32b ) am Boden des Isolatorbechers (34 ) anliegen, die Anodenschicht (14 ) das Anodenkontaktelement (18 ) kontaktiert und der Flansch (32a ,32b ) die Baugruppe in dem Isolatorbecher (34 ) positioniert, wobei das Gehäuse-Unterteil (10 ) an der Kathode (28 ) anliegt und mit dem Oberteil (12 ) zu einem dichten Gehäuse verbunden ist. - Knopfzelle nach Anspruch 7, wobei zwischen der Kathode (
28 ) und dem Gehäuse-Unterteil (10 ) ein Kathodenkontaktelement (42a /42b ) vorgesehen ist. - Knopfzelle nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Flansch (
32b ) von einer Kante des Halterings (32 ) nach außen oder innen verläuft.
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