DE60017278T2

DE60017278T2 - Strohmabnehmer und Dichtungsanordnung für elektrochemische Zelle

Info

Publication number: DE60017278T2
Application number: DE60017278T
Authority: DE
Inventors: M. Robert JANMEY
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: EP1224701A1; DE60017278D1; CN1390364A; CN100334749C; JP5001497B2; ATE286626T1; JP2003509827A; EP1224701B1; WO2001020693A1; AU7702600A; US6312850B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Zellen und insbesondere auf eine Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung für eine elektrochemische Zelle.
Alkalische elektrochemische Zellen schließen typischerweise einen zylindrischen Stahlbecher ein, der ein geschlossenes Ende, ein offenes Ende und Seitenwände aufweist, die sich zwischen denselben erstrecken. Der Becher enthält elektrochemisch aktive Materialien, die Folgendes einschließen: eine positive Elektrode, die üblicherweise als Kathode bezeichnet wird und Mangandioxid als aktives Material umfasst, und eine negative Elektrode, die üblicherweise als Anode bezeichnet wird und Zinkpulver umfasst. Bei konventionellen Zellen verwendet man oft eine spulenartige Konstruktion, in der die Anode im Mittelpunkt lokalisiert ist und von einer röhrenartig geformten Kathode umgeben ist, die mit den Becherwänden in Kontakt steht. Ein Separator ist im Allgemeinen zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, und eine alkalische Elektrolyt-Lösung tritt gleichermaßen mit der Kathode, der Anode und dem Separator in Kontakt.
Konventionelle elektrochemische Zellen haben einen leitfähigen Stromkollektor, der typischerweise in Form eines länglichen Messingnagels vorliegt und in das aktive Anodenmaterial eingefügt ist, und eine Abdichtungsanordnung, die ein Schließen des offenen Endes des Stahlbechers bereitstellt. Der Stromkollektor erstreckt sich im Allgemeinen durch eine Öffnung oder Apertur, die in der Abdichtung bereitgestellt wird, und stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und der äußeren leitfähigen Abdeckung bereit, die als negative Anschlussklemme dient.
Der Stromkollektor, die Abdichtung und die innere Metallabdeckung werden üblicherweise vorher zusammengefügt, um das zu bilden, was üblicherweise als Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung bezeichnet wird. Die Dichtung hat eine zentral angeordnete Öffnung, durch die der Stromkollektor hervorsteht, und ein Dichtungsmittel ist typischerweise zwischen dem Stromkollektor und der Dichtung angeordnet. Der Außenrand der Dichtung und der zentrale Teil der Dichtung, der die zentral angeordnete Öffnung umgibt, sind typischerweise durch eine Verdickung des Abdichtungsmaterials verstärkt. Zwischen dem Außenrand und dem zentralen Teil liegt ein Diaphragma vor, das oft einen verdünnten Bereich aufweist, um eine Druckentspannungsöffnung für die Spannungskonzentration bereitzustellen, um ein Reißen der Dichtung zu ermöglichen, wenn der Innendruck der Zelle eine vorher bestimmte Grenze überschreitet, um dadurch Gase hohen Drucks aus der Zelle auszutreiben.
Der verstärkte zentrale Teil der Dichtung, die die zentral angeordnete Öffnung umgibt und definiert, wird üblicherweise als die "Nabe" bezeichnet. Der Stromkollektor wird durch die Öffnung in die Nabe eingeführt, so dass ein Pressverband zwischen der Abdichtungsnabe und dem Kollektor existiert. In einigen im Handel verfügbaren Zellen ist der Durchmesser des Kollektornagels größer als der anfängliche Innendurchmesser der Öffnung, um einen solchen Pressverband zu bilden, so dass Elektrolyt nicht aus der Zelle entlang der Oberfläche des Kollektors entweichen kann. Häufig ergibt der Pressverband die Bildung einer tangentialen Spannung, die – falls sie übermäßig ist – die Festigkeit des Materials der Abdichtungsnabe überschreiten kann und ein Aufspalten der Dichtung verursachen kann und ein Entweichen von Elektrolyt-Lösung ermöglichen kann. Wenn andererseits der Pressverband ungenügend ist, kann Elektrolyt-Lösung zwischen dem Kollektor und der Abdichtung entweichen.
Eine Anzahl von Stromkollektor- und Abdichtungsanordnungen ist bekannt, um ein dichtes Verschließen zwischen der Dichtung und dem Stromkollektor beizubehalten. Eine Methode ist die Verwendung einer Kunststoff-beschichteten Metallmuffe, die auf der Innenfläche der Dichtung angeordnet ist, um den Kunststoff gegen den Kollektor zu pressen, um ein Ausfließen von Elektrolyt zu verhindern.
Eine andere Methode ist die Verwendung einer inneren Metallabdeckung, in die der Kollektor durch die zentrale Öffnung der Dichtung eingefügt wird, so dass die aufragende Wand der Abdichtungsnabe, die den Kollektor umgibt, nach außen gegen die innere Metallabdeckung gedrückt wird. Der Stromkollektor übt jedoch eine tangentiale Spannung in der aufragenden Wand der Dichtung, die die Nabe bildet, aus. Zusätzlich dazu wird in einer im Handel erhältlichen Batterie ein flacher Metallring um den Abdichtungskörper herum verwendet, so dass die Dichtung zwischen dem Kollektor und dem Ring zusammengedrückt wird, wenn der Kollektor durch die zentrale Öffnung der Dichtung gedrückt wird.
Daher ergeben viele der obigen Anordnungen die Bildung einer tangentialen Spannung in der Dichtung, die, wenn die Dichtung Kaliumhydroxid (KOH) ausgesetzt wird, einen Spannungskorrosionsriss ergeben kann und somit eine Elektrolyt-Leckage ermöglichen kann. In einem Versuch zur Minimierung der Wahrscheinlichkeit eines Spannungskorrosionsrisses ist bei vorhergehenden Versuchen oft eine Beschichtung der Dichtung mit einem Schutzmittel wie Asphalt notwendig.
Eine jüngere Methode – wie in US-A-5,422,201 offenbart wird – besteht in der Verwendung eines Kompressionsmittels in Form einer röhrenartig geformten metallischen Komponente, die ein Ende aufweist, das radial nach außen konisch erweitert ist. Die metallische Komponente wird um die aufragende Wand herum, die die Nabe der Abdichtung bildet, eingeführt, um eine zentrale Öffnung, die in der Nabe ausgebildet ist, zusammenzudrücken. Wenn die röhrenartige metallische Komponente an ihrem Platz vorliegt, wird der Stromkollektor-Nagel durch die zusammengedrückte Öffnung von der unteren Seite aus nach oben getrieben. Indem man dies durchführt, wird der Durchmesser der zusammengedrückten Öffnung zwangsweise vergrößert, und zwar um eine Größe, die die Bildung einer tangentialen Spannung in der Abdichtungsnabe verhindert, jedoch ein Zusammendrücken der Nabe gegen den Stromkollektor ermöglicht. Das konisch erweiterte Ende der röhrenartig geformten metallischen Komponente erzeugt eine Schnittfläche gegen die Abdichtungs-Belüftungsöffnung.
US-A-5,667,912 offenbart eine alkalische elektrochemische Zelle, umfassend eine Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung, die eine röhrenartig geformte Kompressionsbuchse umfasst, die mit dem Außenrand der aufragenden Innenwand der Nabe in Kontakt steht, die in dem Abdichtungskörper bereitgestellt wird und die aufragende Innenwand der Nabe gegen die Stromkollektor presst, wodurch nach dem Einfügen des Kollektors durch die Öffnung, die durch die Buchse zusammengedrückt wird, radiale und tangentiale Druckspannungen an die aufragenden Wände der Nabe angelegt werden, und keine tangentiale Zugspannung daran angelegt wird.
US-A-3,740,271 offenbart eine zylindrische trockene Zelle, in die ein Metallbehälter, der mit Kunststoff ausgekleidet ist, eingefügt ist, der eine Abdeckung einschließt, die an einem Ende der Auskleidung ausgebildet ist. Die Abdeckung hat im Wesentlichen parallele Gruppen, die darin ausgebildet sind, um die Enden des Metallbehälters und die Enden der anderen Elektroden-Anschlussklemme aufzunehmen, wobei diese Enden in einer permanent voneinander getrennten Beziehung gehalten werden.
Obwohl bekannte Stromkollektor-Anordnungen seit vielen Jahren verwendet werden, besteht ein Bedarf an einer verbesserten Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung, die sich leicht zusammenfügen lässt, die der Abdichtungsnabe eine geringe oder keine tangentiale Zugspannung verleiht, um ein Aufspalten der Nabe zu vermeiden, und die der Abdichtungsnabe eine ausreichende radiale Druckspannung und tangentiale Druckspannung verleiht, um eine Leckage von Elektrolyt zwischen dem Kollektor und der Dichtung zu vermeiden. Wir haben jetzt überraschenderweise gefunden, dass dies durch die Bereitstellung einer Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung erreicht werden kann, die eine Kompressionsbuchse umfasst, wie hierin beschrieben wird.
Demgemäß stellt die Erfindung in einem ersten Aspekt eine Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung zum Verschließen elektrochemisch aktiver Komponenten in einem Behälter bereit, wobei die Anordnung Folgendes umfasst:
einen elastischen und elektrisch nicht leitfähigen Abdichtungskörper, der eine Nabe mit einer aufragenden Innenwand aufweist, durch die eine Öffnung ausgebildet ist,
einen Stromkollektor, der durch die Öffnung eingefügt wird und befähigt ist, mit elektrochemisch aktiven Komponenten in der elektrochemischen Zelle in Kontakt zu treten, und
eine Kompressionsbuchse mit einer Öffnung, die durch die zentrale Längsachse ausgebildet ist und mit dem Außenrand der aufragenden Innenwand der Nabe in Kontakt steht und die aufragende Wand der Nabe gegen den Stromkollektor drückt, wobei die Kompressionsbuchse um eine Achse senkrecht zur Längsachse herum im Wesentlichen symmetrisch angeordnet ist.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle bereit, die eine Stromkollektor- und Abdichtungsanordnung umfasst, wie sie oben definiert wurde.
In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
das Bereitstellen eines Behälters, der ein geschlossenes unteres Ende, ein offenes oberes Ende und aufragende Wände zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende aufweist,
das Anordnen von elektrochemisch aktiven Materialien, einschließlich einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode, in dem Behälter,
das Bereitstellen eines Abdichtungskörpers, der eine aufragende Innenwand aufweist, in der eine Öffnung ausgebildet ist, die einen ersten darin bereitgestellten Durchmesser aufweist,
das Anordnen einer Kompressionsbuchse um den Außenumfang der aufragenden Innenwand der Dichtung herum und unter Zusammendrücken, um so die aufragende Wand zusammenzudrücken, um die Größe der Öffnung auf einen zweiten Durchmesser zu reduzieren, wobei die Kompressionsbuchse eine Öffnung hat, die sich durch die Längsachse der Zelle erstreckt, und die Kompressionsbuchse um eine Achse senkrecht zur Längsachse im Wesentlichen symmetrisch angeordnet ist,
das Einführen eines Stromkollektors durch die Öffnung, die in der aufragenden Wand ausgebildet ist, so dass der Stromkollektor eine Zunahme der Größe der Öffnung bewirkt, und zwar vom zweiten Durchmesser auf etwa den ersten Durchmesser, wodurch das Vorliegen von Zugkräften in der aufrechten Wand der Dichtung verhindert wird, und
das Anordnen der Abdichtungs- und Stromkollektoranordnung in dem offenen Ende des Behälters, um den Behälter zu verschließen und abzudichten.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Zuverlässigkeit und die Verfahrensanordnung der Kollektor- und Abdichtungsanordnung verbessert, die in einer elektrochemischen Zelle verwendet werden soll. Die Kollektor- und Abdichtungsanordnung schließt einen elastischen und elektrisch nicht leitfähigen Abdichtungskörper ein, der eine aufragende Wand aufweist, durch die eine Öffnung ausgebildet ist. Ein Stromkollektor wird durch die Öffnung eingeführt und ist befähigt, mit elektrochemisch aktivem Material in einer Zelle in Kontakt zu treten. Eine polymere Kompressionsbuchse tritt mit der aufragenden Wand der Dichtung in Kontakt und drückt dieselbe zusammen. Demgemäß arbeiten der Kollektor und die Kompressionsbuchse vorzugsweise zusammen, um nach dem Einführen des Stromkollektors durch die Öffnung eine radiale Druckspannung und eine tangentiale Druckspannung auf die aufragende Wand auszuüben.
Die Kollektor- und Abdichtungsanordnung der vorliegenden Erfindung wird zur Anwendung in einer elektrochemischen Zelle zusammengebaut. Die elektrochemische Zelle hat einen Behälter, der im Allgemeinen ein geschlossenes unteres Ende, ein offenes oberes Ende und Seitenwände einschließt, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstrecken. Elektrochemisch aktive Materialien werden in den Behälter gegeben, und dieselben schließen im Allgemeinen eine positive Elektrode und eine negative Elektrode ein. Die Kollektor- und Abdichtungsanordnung wird in dem offenen Ende des Behälters angeordnet, um das offene Ende dicht zu verschließen. Die Kollektor- und Abdichtungsanordnung lässt sich leicht montieren und minimiert die Spannung in der Dichtung, um einen Spannungskorrosionsriss der Abdichtung zu verhindern.
Die Zelle ist vorzugsweise eine zylindrische Zelle, es wird aber anerkannt, dass andere Zellformen verwendet werden können, bei denen eine Dichtung mit einem Stromkollektor, der durch dieselbe eingeführt wird, verwendet wird, z.B. eine prismatische Zelle.
Vorzugsweise ist die Zelle eine alkalische Zelle. Somit hat die Zelle in einer bevorzugten Ausführungsform eine Anode, die Zink umfasst, eine Kathode, die Mangandioxid umfasst, und einen alkalischen Elektrolyten, vorzugsweise einen Kaliumhydroxid (KOH)-Elektrolyten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Kathode aus einer Mischung von Mangandioxid, Graphit, KOH-Lösung und Additiven gebildet, und die Anode wird aus Zink-Pulver, einem Geliermittel und Additiven gebildet. Demgemäß ist die Kathode vorzugsweise als die positive Elektrode der Zelle konfiguriert, und die Anode ist als die negative Elektrode der Zelle konfiguriert.
Ein Separator ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, vorzugsweise in Form eines becherförmigem Separators, der um die Innenfläche der Kathode herum angeordnet ist. Der Separator wird vorzugsweise aus einem Faservlies gebildet, das eine Wanderung irgendwelcher festen Teilchen in die Zelle verhindert. Die Anode ist mit einem alkalischen Elektrolyten versehen, vorzugsweise innerhalb des Separators im Mittelpunkt der Zelle.
Der Stromkollektor ist im Allgemeinen in die Länge gezogen, um in eine der Elektroden, vorzugsweise die Anode, hineinzuragen. Alle geeigneten Stromkollektor-Materialien und Konstruktionen, die in der Technik bekannt sind, können verwendet werden. Vorzugsweise wird der Stromkollektor aus Messing gebildet, z.B. in Form eines Messingnagels, der einen länglichen Körper und einen vergrößerten Kopf an einem Ende aufweist.
Vorzugsweise sind die Anode, die Kathode und der Separator in einer Konfiguration vom Spulentyp konfiguriert. Die Anode, die Kathode und der Separator können jedoch alternativ dazu in einer spiralförmig aufgewickelten Konfiguration für eine Zellkonstruktion in Form einer gefüllten Gebäckrolle ("jelly-roll") konfiguriert sein oder sie können anderweitig in primären und sekundären Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert sein.
Die Kompressionsbuchse wird aus einem steifen und nicht streckbaren Material gebildet, vorzugsweise einem nichtmetallischen Material, mehr bevorzugt einem polymeren Material, und besonders bevorzugt wird sie aus Polystyrol gebildet, das steif und nicht streckbar ist. Die Kompressionsbuchse wird vorzugsweise durch Spritzgießen hergestellt. Die Kompressionsbuchse ist im Allgemeinen in einer zylindrischen Form ausgebildet, so dass sie in Bezug auf die mittlere Längsachse der Zelle, die durch die Öffnung hindurchgeht, symmetrisch ist.
Die Kompressionsbuchse ist vorzugsweise auch zu einer Ebene symmetrisch, die senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist. Da das obere Ende der Buchse daher zum unteren Ende symmetrisch ist, ist die Kompressionsbuchse dann gegen eine Orientierung unempfindlich. Demgemäß kann die Kompressionsbuchse entweder von ihrem oberen oder unteren Ende her auf die Nabe gesetzt werden. Dies vereinfacht vorteilhafterweise das Verfahren des Zusammenbauens der Zelle, da Herstellungsgerätschaften die Kompressionsbuchse leicht handhaben können und sie in eine aufrechte Position zum Einfügen in die Nabe und orientieren können, ohne dass zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende unterschieden werden muss.
Der Stromkollektor, die ringförmige Dichtung (die aus einem elastischen Material hergestellt wird und vorzugsweise aus Nylon hergestellt wird) und die Kompressionsbuchse werden vorzugsweise vorher zusammengefügt und in das offene Ende des Batteriebechers (der vorzugsweise aus Stahl besteht) als eine zusammengebaute Einheit eingefügt. Somit schließt die Zelle vorzugsweise eine Kollektor- und Abdichtungsanordnung ein, die das offene Ende des Bechers verschließt. In der Kollektor- und Abdichtungsanordnung sind der Stromkollektor, die ringförmige Dichtung und die Kompressionsbuchse eingeschlossen. Während der Herstellung wird die Kompressionsbuchse kraftvoll in die Nabe eingefügt, und danach wird der Stromkollektor vom oberen Ende aus gesehen vorzugsweise nach unten gerichtet in die zentrale Öffnung, die in der Nabe der Dichtung ausgebildet ist, eingefügt.
Eine äußere leitfähige Abdeckung, die vorzugsweise aus gewalztem Stahl besteht, wird vorzugsweise über der Kollektor- und Abdichtungsanordnung angebracht und bildet vorzugsweise die negativen Kontakt-Anschlussklemme der Zelle. Die äußere leitfähige Abdeckung steht im elektrischen Kontakt mit dem Stromkollektor, vorzugsweise über einen Druckkontakt oder eine Schweißstelle. Die äußere Abdeckung schließt vorzugsweise eine oder mehrere Belüftungsöffnungen ein, die dazu dienen, das nicht abgeschlossene Volumen der Zelle der umgebenden Außenatmosphäre auszusetzen, um das Austreten von Gasen während eines Belüftungszustandes der Zelle zu ermöglichen.
Die ringförmige Dichtung hat vorzugsweise eine periphere aufragende Außenwand, die an ihrem Außenrand ausgebildet ist, eine aufragende Innenwand, die eine verdickte Nabe im Mittelpunkt der Dichtung bildet, und einen Diaphragma-Anteil, der zwischen der peripheren aufragenden Außenwand und der zentralen Nabe gebildet wird. Die Nabe ragt vorzugsweise von der Außenfläche der Dichtung heraus, und zwar weg von den Inhaltsstoffen der Zelle.
Das Diaphragma ist vorzugsweise konkav, wenn man es von der Außenseite der Zelle aus betrachtet. Demgemäß zeigt das Diaphragma, wenn es im Querschnitt betrachtet wird, eine nach innen gerichtete Krümmung, eine Ellenbogenform oder eine andere Konfiguration, vorzugsweise eine Krümmung oder eine Ellenbogenform. Indem man ein konkaves Diaphragma bereitstellt, das nach innen gekrümmt oder gebogen ist, und zwar hin zum verschlossenen Innenvolumen des Bechers, wird bewirkt, dass eine Druckkraft auf die Dichtung angelegt wird, wenn der Druck in dem abgeschlossenen Volumen der Zelle größer ist als atmosphärischer Druck in dem nicht abgeschlossenen Volumen. Wenn die Dichtung in dem Becher angeordnet wird, wird das abgeschlossene Volumen unter einen geringen Druck gesetzt und, wenn die Zelle entladen wird, nimmt der Druck im Allgemeinen zu. Da das abgeschlossene Volumen der Zelle im Allgemeinen immer einen Druck hat, der größer ist als atmosphärischer Druck, steht die Dichtung im Allgemeinen immer unter Kompression. Indem man die Dichtung in einem zusammengedrückten Zustand hält, ist die Dichtung vorteilhafterweise für eine Beschädigung weniger anfällig, wenn sie einem Elektrolyten wie KOH ausgesetzt wird. Da die negativen Effekte, die durch KOH oder einen anderen Elektrolyten verursacht werden, reduziert werden, indem man die Dichtung unter Kompression hält, ist eine geringe oder keine schützende Asphalt-Beschichtung notwendig.
Im Querschnitt zeigt die Dichtung vorzugsweise auch einen Bereich in Form eines umgekehrten V an der Verbindung des Diaphragmas mit der peripheren aufragenden Außenwand. Somit stellt der Bereich in Form eines umgekehrten V eine erhöhte Furche zwischen dem Diaphragma und der aufragenden Außenwand bereit, um das obere offene Ende des Separators aufzunehmen, wobei der Separator in den Bereich in Form eines umgekehrten V hineinpassen und sich daran anpassen kann.
Die zentrale Nabe der Dichtung hat eine zylindrische Öffnung, die vertikal durch sie hindurch ausgebildet ist, um den Stromkollektor aufzunehmen und einen durch einen Pressverband abgedichteten Verschluss zwischen dem Stromkollektor und der Nabe bereitzustellen. Die Nabe hat eine zylindrische aufragende Außenwand, die ihre äußere Begrenzung definiert. Die Kompressionsbuchse wird um die aufragende Innenwand der Nabe herum mit Kraft eingepasst, um so die Nabe radial nach innen zusammenzudrücken. Die Kompressionsbuchse umgibt vorzugsweise vollständig die aufragende Außenwand der Nabe. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Buchse ferner über die Nabe hinaus und tritt mit der unteren Fläche einer Außenabdeckung in Kontakt, um eine Trägerstruktur bereitzustellen, die die Belüftungsschnittfläche verstärkt und die Kollektor- und Dichtungsorientierung stützt, wie nachstehend weiterhin erklärt wird.
Die Dichtung hat weiterhin vorzugsweise einen verdünnten Bereich, der in dem Diaphragma benachbart zum unteren Außenrand der Kompressionsbuchse ausgebildet ist. Der verdünnte Bereich dient zur Bereitstellung einer Druckkonzentrations-Belüftungsöffnung, um Druck abzulassen, wenn der Innendruck in dem abgeschlossenen Volumen der Zelle eine vorher bestimmte Druckhöchstgrenze erreicht. In dem man den verdünnten Bereich an einer Stelle benachbart zum unteren Außenrand der Kompressionsbuchse platziert, dient der untere Außenrand der Kompressionsbuchse dazu, eine Schnittfläche bereitzustellen, um eine gleichmäßigere Belüftungswirkung zu erreichen. Zusätzlich dazu hat die Kompressionsbuchse vorzugsweise wenigstens eine vertikale Rille und vorzugsweise eine Mehrzahl vertikaler Rillen, die in ihrer peripheren aufragenden Außenwand ausgebildet sind, um ein Abdichten des gebogenen Abdichtungsdiaphragmas gegen die aufragenden Wände der Kompressionsbuchse während eines Belüftungszustandes der Zelle zu verhindern. Die Rillen oder Furchen sind vorzugsweise peripherisch um den Rand der Außenfläche der Kompressionsbuchse herum räumlich verteilt und haben eine bevorzugte Tiefe von etwa 130 – 180 μm (5 – 7 mil).
Die aufragenden Außenwände der Nabe definieren einen anfänglichen nicht komprimierten Durchmesser D_H. Der Durchmesser der Außenwand der Nabe, wenn sie in ihrem anfänglichen nicht komprimierten Zustand vorliegt, ist größer als der Innendurchmesser der zentralen Öffnung, die in der Kompressionsbuchse ausgebildet ist.
Zusätzlich dazu kann die aufragende Wand der Nabe eine geringe Verjüngung mit einem kleineren Durchmesser am oberen Ende haben, um zu ermöglichen, dass die Kompressionsbuchse leichter in die Nabe eingreift.
Wenn die Kompressionsbuchse in die aufragende Außenwand der Nabe kraftvoll eingeführt wird, wird die aufragende Wand der Nabe radial nach innen zusammengedrückt. Wenn die Kompressionsbuchse unter Krafteinsatz auf die aufragenden Wände der Nabe gesetzt wird, wird der Durchmesser der zentralen Öffnung in der Nabe reduziert, und zwar aufgrund der radialen Kompression, die durch die Kompressionsbuchse auf der Nabe verursacht wird. Der Durchmesser der Außenwand der Nabe wird auch reduziert.
Sobald die Kompressionsbuchse unter Krafteinsatz auf der Nabe angebracht ist, um die Größe der zentralen Öffnung der Nabe zu reduzieren, wird dann der Stromkollektor in die Nabenöffnung eingeführt. Wenn der Kollektor vollständig eingeführt ist, wird die Öffnung gezwungen, sich im Wesentlichen auf ihre ursprüngliche, nicht komprimierte Größe auszudehnen. Wird dies durchgeführt, so stellt die Kompressionsbuchse eine Druckkraft auf der Nabe bereit, um so die Nabe in einem Druckzustand zu halten, anstatt zu erlauben, dass sich die Nabe unter Spannung befindet.
Demgemäß wird die Abdichtungsnahe zwischen der Kompressionsbuchse und dem Kollektor zusammengedrückt, um eine radiale Druckspannung und eine tangentiale Druckspannung auf die Nabe der Dichtung auszuüben. Es wurde gefunden, dass, indem man die Nabe unter Kompression und nicht unter Spannung hält, die Nabe für ein Spannungskorrosionsreißen weniger anfällig ist, das insbesondere signifikant ist, wenn die Dichtung Elektrolyten wie KOH ausgesetzt wird. Als Konsequenz kann die Menge des Dichtungsmittels, das zwischen dem Kollektor und der Dichtung verwendet wird, und die Menge an Asphalt, der an der Unterseite der Dichtung verwendet wird, reduziert oder sogar eliminiert werden. Es sollte auch zur Kenntnis genommen werden, dass in der Kollektor- und Abdichtungsanordnung keine innere Metallabdeckung verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
einen Behälter mit einem verschlossenen unteren Ende, einem offenen oberen Ende und aufragende Wände, die sich zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende erstrecken,
elektrochemisch aktive Materialien, die in dem Behälter angeordnet sind, wobei die elektrochemisch aktiven Materialien eine positive Elektrode und eine negative Elektrode einschließen,
einen elastischen und elektrisch nicht leitfähigen Abdichtungskörper, der eine Nabe mit einer aufragenden Innenwand aufweist, die aus einer Fläche herausragt und eine Öffnung durch den Abdichtungskörper ausbildet,
einen elektrisch leitfähigen Kollektor, der sich durch die Öffnung in dem Abdichtungskörper erstreckt, um eine elektrische Kontinuität zwischen den elektrochemisch aktiven Materialien in der Zelle und der Außenseite der Zelle bereitzustellen, und
eine polymere Kompressionsbuchse, die mit dem Außenrand der aufragenden Innenwand in Kontakt steht und die aufragende Wand der Nabe gegen den Stromkollektor drückt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
einen Behälter mit einem verschlossenen unteren Ende, einem offenen oberen Ende und aufragenden Wänden, die sich zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende erstrecken,
elektrochemisch aktive Materialien, die in dem Behälter angeordnet sind, wobei die elektrochemisch aktiven Materialien eine positive Elektrode und eine negative Elektrode einschließen,
einen elastischen und elektrisch nicht leitfähigen Abdichtungskörper, der eine Nabe mit einer aufragenden Innenwand aufweist, die aus einer Fläche herausragt und eine Öffnung durch den Abdichtungskörper ausbildet,
einen elektrisch leitfähigen Kollektor, der sich durch die Öffnung in dem Abdichtungskörper erstreckt, um eine elektrische Kontinuität zwischen den elektrochemisch aktiven Materialien in der Zelle und der Außenseite der Zelle bereitzustellen, und
eine Kompressionsbuchse, die eine darin ausgebildete Öffnung aufweist und sich entlang einer Längsachse der Zelle erstreckt und mit dem Außenrand der aufragenden Innenwand in Kontakt steht und die aufragende Wand der Nabe gegen den Stromkollektor drückt, wobei die Kompressionsbuchse um eine Achse senkrecht zur Längsachse herum im Wesentlichen symmetrisch ist.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen verstanden, in denen
1 eine Längsansicht im Querschnitt einer elektrochemischen Zelle ist, die eine Kollektor- und Abdichtungsanordnung aufweist, welche eine Kompressionsbuchse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält,
2 eine in Einzelteile aufgelöste Ansicht im Aufriss der Kollektor- und Abdichtungsanordnung der 1 ist,
3 eine Schnittansicht von oben der Dichtung vor dem Zusammenbauen ist,
4 eine Schnittansicht von oben der Dichtung ist, die teilweise mit der Kompressionsbuchse zusammengebaut ist, und
5 eine Schnittansicht von oben der Dichtung ist, die weiterhin das Einbauen des Kollektors erläutert, der durch die zentrale Öffnung in der Abdichtungsnabe eingeführt wird.
In der 1 wird eine zylindrische elektrochemische Zelle 10 wie eine alkalische Zelle gemäß einem Beispiel gezeigt. Die elektrochemische Zelle 10 schließt einen zylindrischen Stahlbecher 12 ein, der ein geschlossenes unteres Ende 14 und ein offenes oberes Ende 16 aufweist. Das geschlossene untere Ende 14 des Bechers 12 schließt eine positive Abdeckung 18 ein, die daran geschweißt oder anderweitig befestigt ist und aus gewalztem Stahl besteht, mit einer hervorstehenden Nabe in ihrem mittleren Bereich, die die positive Kontakt-Anschlussklemme der Zelle 10 bildet. Ein metallisiertes Kunststoff-Folienetikett 20 ist um die Außenfläche des Stahlbechers 12 herum ausgebildet, außer an den Enden des Stahlbechers 12. Das Folienetikett 20 kann über dem Außenrand der positiven Abdeckung ausgebildet sein und sich teilweise auf die negative Abdeckung hin erstrecken, wie gezeigt wird.
Eine Kathode 22 ist um die Innenfläche des Stahlbechers 12 herum ausgebildet und weist im Allgemeinen eine röhrenartige Form auf. Gemäß einem Beispiel wird die Kathode 22 aus einer Mischung von Mangandioxid, Graphit, Kaliumhydroxid (KOH)-Lösung und Additiven gebildet. Ein Separator 24, der vorzugsweise aus einem Faservlies gebildet wird, ist um die Innenfläche der Kathode 22 herum angeordnet. Eine Anode 26 ist mit einem alkalischen Elektrolyten innerhalb des Separators 24 angeordnet, im Allgemeinen im Mittelpunkt der Zelle 10. Gemäß einem Beispiel wird die Anode 26 aus Zink-Pulver, einem Geliermittel und Additiven gebildet.
Ein Stromkollektor 28, z.B. ein Messingnagel mit einem länglichen Körper und einem vergrößerten Kopf an einem Ende, ist mit der Anode 26 in Kontakt stehend angeordnet. Demgemäß ist die Kathode 22 als die positive Elektrode der Zelle konfiguriert, und die Anode 26 ist als die negative Elektrode der Zelle konfiguriert.
Die elektrochemische Zelle 10 schließt eine Kollektor- und Abdichtungsanordnung ein, die das offene Ende 16 des Stahlbechers 12 verschließt. In der Kollektor- und Abdichtungsanordnung sind der Stromkollektor 28, eine ringförmige Nylondichtung 30 und eine polymere Kompressionsbuchse 42 eingeschlossen. Der Stromkollektor 28, die Nylondichtung 30 und die polymere Kompressionsbuchse 42 werden vorzugsweise vorher zusammengefügt und in das offene Ende 16 des Stahlbechers 12 als eine montierte Einheit eingeführt. Zusätzlich dazu ist eine äußere leitfähige Abdeckung 46, die die negative Kontaktanschlussklemme der Zelle 10 bildet, über der Kollektor- und Abdichtungsanordnung angeordnet. Die äußere negative Abdeckung 46, die vorzugsweise aus gewalztem Stahl besteht, steht mit dem Stromkollektor 28 vorzugsweise über einen Druckkontakt oder eine Schweißstelle im Kontakt. Die äußere negative. Abdeckung 46 schließt eine oder mehrere Belüftungsöffnungen 48 ein.
Die ringförmige Nylondichtung 30 hat eine aufragende Außenwand 32, die an ihrem Außenrand ausgebildet ist, und eine aufragende Innenwand, die eine verdickte Nabe 38 im Mittelpunkt der Dichtung 30 bildet. Zwischen der zentralen Nabe 38 und der aufragenden Außenwand 32 sind ein nach innen gekrümmtes, d.h. konkaves Diaphragma 34 und ein Bereich in Form eines umgekehrten V 36 ausgebildet. Der Bereich in Form eines umgekehrten V stellt eine erhöhte Furche zwischen dem Diaphragma 34 und der aufragenden Außenwand 32 bereit, um das obere offene Ende des Separators 24 aufzunehmen. Demgemäß wird der Separator 24 in den Bereich in Form eines umgekehrten V eingefügt und demselben angepasst.
Die zentrale Nabe der Dichtung 38 hat eine zylindrische Öffnung, die vertikal durch dieselbe hindurch ausgebildet ist, um den Stromkollektor 28 aufzunehmen und einen durch einen Pressverband abgedichteten Verschluss zwischen dem Kollektornagel 28 und der Nabe 38 bereitzustellen. Um den Außenrand der Nabe 38 herum ist eine zylindrische aufragende Außenwand ausgebildet. Die polymere Kompressions-Durchgangshülse 42 wird um die aufragende Außenwand der Nabe 38 herum unter Pressen festgesetzt, um die Nabe 38 radial nach innen zusammenzudrücken. Die Kompressions-Durchgangshülse 42 umgibt die aufragende Außenwand der Nabe 38 vollständig und erstreckt sich weiterhin über die Nabe 38 hinaus und tritt mit der unteren Fläche der äußeren Abdeckung 46 in Kontakt, um eine Trägerstruktur bereitzustellen, die die Schnittfläche der Belüftungsöffnung verstärkt und die Kollektor- und Abdichtungsorientierung stützt.
Die Dichtung 30 hat weiterhin einen verdünnten Bereich 40, der in dem Diaphragma 38 benachbart zu den unteren äußeren peripheren Rand der Kompressionsbuchse 42 ausgebildet ist. Der verdünnte Bereich 40 dient zur Bereitstellung einer Druckkonzentrations-Belüftungsöffnung, um Druck abzulassen, wenn der Innendruck in dem abgeschlossenen Volumen der Zelle eine vorher bestimmte Druckhöchstgrenze erreicht. Indem man den verdünnten Bereich 40 an einer Stelle benachbart zum unteren Außenrand der polymeren Kompressionsbuchse 42 platziert, dient der untere Außenrand der Kompressionsbuchse 42 dazu, eine Schnittfläche bereitzustellen, um eine gleichmäßigere Belüftungswirkung zu erreichen. Zusätzlich dazu hat die polymere Kompressionsbuchse 42 vertikale Rillen 44, die darin ausgebildet sind, um ein Abdichten des gebogenen Abdichtungsdiaphragmas 34 gegen die aufragenden Wände der Kompressionsbuchse 42 während eines Belüftungszustandes der Zelle zu verhindern.
Die Anordnung von Kollektor 28, Dichtung 30 und Kompressionsbuchse 42, um die Kollektor- und Abdichtungsanordnung zu bilden, ist in den 2 bis 5 erläutert. Wenn man insbesondere auf die 2 Bezug nimmt, so hat die polymere Kompressionsbuchse 42 eine zylindrische Öffnung 52, die zentral durch dieselbe mit einem Durchmesser D_B ausgebildet ist. Die polymere Kompressionsbuchse 42 besteht aus einem steifen und nicht verstreckbaren Material, z.B. Polystyrol. Die Kompressionsbuchse 42 ist in einer im Allgemeinen zylindrischen Form ausgebildet, so dass sie sowohl in Bezug auf die zentrale Längsachse der Zelle, die durch die Öffnung 52 hindurchgeht, als auch eine Ebene, die senkrecht zur Längsachse orientiert ist, symmetrisch ist.
Die Kompressionsbuchse 42 hat eine periphere Außenwand 50 mit einer Mehrzahl von vertikalen Furchen 44, die ihrer aufragenden Außenwand ausgebildet sind. Die Furchen 44 sind peripherisch um den Rand der Außenfläche der Kompressionsbuchse 42 herum räumlich verteilt angeordnet. Die Kompressionsbuchse 42 ist gegen eine Orientierung unempfindlich, da das obere Ende zum unteren Ende symmetrisch ist, und demgemäß kann sie sowohl vom oberen Ende als auch vom unteren Ende her auf die Nabe 38 gesetzt werden. Während der Herstellung wird die polymere Kompressionsbuchse 42 unter Krafteinsatz auf die Nabe 38 gesetzt, und danach wird der Stromkollektor 28 von dem oberen Ende her nach unten in die zentrale Öffnung 54, die in der Nabe 38 der Dichtung 30 ausgebildet ist, eingeführt.
Wenn man insbesondere auf die 3 Bezug nimmt, so wird die Nylon-Dichtung 30 vor dem Zusammenbauen der Kollektor- und Abdichtungsanordnung gezeigt. Die zentrale Öffnung 54, die in der Nabe der Dichtung 38 ausgebildet ist, hat einen anfänglich nicht komprimierten Innendurchmesser D_O. Die aufragenden Außenwände der Nabe 38 bilden einen anfänglich nicht komprimierten Durchmesser D_H aus. Der Außenwand-Durchmesser D_H der Nabe 38 ist größer als der Innendurchmesser D_B der zentralen Öffnung 52, die in der Kompressionsbuchse 42 ausgebildet ist. Zusätzlich dazu kann die aufragende Wand der Nabe 38 eine geringe Verjüngung mit einem kleineren Durchmesser am oberen Ende haben, um zu ermöglichen, dass die Kompressionsbuchse 42 leichter in die Nabe 38 eingreift.
Wenn die Kompressionsbuchse 42 unter Krafteinsatz auf die aufragende Außenwand der Nabe 38 gesetzt wird, wird die aufragende Wand der Nabe 38 radial nach innen zusammengedrückt, wie in der 4 gezeigt wird. Wenn die polymere Kompressionsbuchse 42 unter Krafteinsatz auf die aufragenden Wände der Nabe 38 gesetzt wird, wird die zentrale Öffnung 54' auf einen reduzierten Durchmesser D_O' verkleinert, und zwar wegen der radialen Kompression, die durch die Kompressionsbuchse 42 verursacht wird, auf die Nabe 38. Auch der Durchmesser D_H der Außenwand der Nabe 38 wird auf einen Durchmesser D_H' reduziert.
Sobald die Kompressionsbuchse 42 unter Pressen auf der Nabe 38 festgesetzt ist, um die Größe der Öffnung 54' zu reduzieren, wird dann der Stromkollektornagel 28 in die Öffnung 54 eingeführt, wie in der 5 gezeigt wird. Mit dem vollständig eingeführten Kollektornagel 28 wird die Größe der Öffnung 54' gezwungen, sich im Wesentlichen auf ihre ursprüngliche Größe 54 auszudehnen. Auf diese Weise stellt die Kompressionsbuchse 42 eine Druckkraft auf die Nabe 38 bereit, um die Nabe 38 in einem Druckzustand zuhalten, anstatt zu ermöglichen, dass die Nabe 38 unter Spannung steht. Demgemäß wird die Abdichtungsnabe 38 zwischen der polymeren Kompressionsbuchse 42 und dem Kollektor 28 zusammengedrückt, um eine radiale Druckspannung und eine tangentiale Druckspannung auf die Abdichtungsnabe 38 auszuüben.

Claims

Stromkollektor (28)- und Abdichtungs (30)-Anordnung zum Verschließen elektrochemisch aktiver Komponenten in einem Behälter, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: einen elastischen und elektrisch nicht leitfähigen Abdichtungskörper, der eine Nabe (38) mit einer aufragenden Innenwand aufweist, durch die eine Öffnung ausgebildet ist, einen Stromkollektor (28), der durch die Öffnung (52) eingefügt wird und befähigt ist, mit elektrochemisch aktiven Komponenten in der elektrochemischen Zelle (10) in Kontakt zu treten, und eine Kompressionsbuchse (42) mit einer Öffnung, die durch die zentrale Längsachse ausgebildet ist und mit dem Außenrand der aufragenden Innenwand der Nabe (38) in Kontakt steht und die aufragende Innenwand der Nabe (38) gegen den Stromkollektor drückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsbuchse (42) um eine Achse senkrecht zur Längsachse herum im Wesentlichen symmetrisch angeordnet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Kompressionsbuchse (42) ein polymeres Material umfasst.
Anordnung gemäß Anspruch 2, wobei die Kompressionsbuchse (42) Polystyrol umfasst.
Anordnung gemäß den Ansprüchen 2 oder 3, wobei die Kompressionsbuchse (42) spritzgegossen wird.
Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompressionsbuchse (42) ringförmig ist.
Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromkollektor (28) und die Kompressionsbuchse (42) zusammenarbeiten, um eine radiale Druckspannung und eine tangentiale Druckspannung auf die aufragende Innenwand der Nabe (38) der Abdichtung (30) auszuüben, nachdem der Stromkollektor (28) durch die Öffnung (52) eingeführt wurde.
Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtung (30) weiterhin eine aufragende Außenwand, die an der äußeren Begrenzung der Abdichtung (30) ausgebildet ist, und ein Diaphragma (34) umfasst, das die aufragende Innenwand und die aufragende Außenwand verbindet.
Anordnung gemäß Anspruch 7, die weiterhin einen Spannungskonzentrationsbereich umfasst, der in dem Diaphragma (34) in einem Bereich benachbart zur äußeren Begrenzung der Buchse ausgebildet ist.
Anordnung gemäß den Ansprüchen 7 oder 8, wobei das Diaphragma (34) eine konkave untere Fläche aufweist, die bewirkt, dass das Diaphragma (34) zusammengedrückt wird, wenn ein erhöhter Druck im Behälter existiert.
Anordnung gemäß Anspruch 9, wobei die konkave untere Fläche des Diaphragmas (34) eine Ellenbogenform hat.
Anordnung gemäß irgendeinem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Abdichtung (30) einen Bereich in Form eines umgekehrten V hat, der zwischen dem Diaphragma (34) und der aufragenden Außenwand (32) lokalisiert ist, um ein Ende eines Separators (24) aufzunehmen.
Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompressionsbuchse (42) eine aufragende Wand umfasst, die wenigstens einen vertikalen Durchgang hat, um ein Verschließen der Abdichtung (30) gegen die Wand der Kompressionsbuchse (42) während eines Belüftungszustandes zu verhindern.
Anordnung gemäß Anspruch 14, wobei wenigstens ein vertikaler Durchgang eine Mehrzahl von Rillen umfasst, die in der aufragenden Wand der Kompressionsbuchse (42) vorgefunden werden.
Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdichtung (30) nicht durch ein radiales Trägerteil radial gestützt wird.
Elektrochemische Zelle (10), umfassend eine Stromkollektor (28)- und Abdichtungs (30)-Anordnung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche.
Zelle (10) gemäß Anspruch 15, die weiterhin eine Endabdeckung im Kontakt mit dem Stromkollektor (28) umfasst.
Zelle (10) gemäß Anspruch 16, die einen alkalischen Elektrolyten umfasst, der Kaliumhydroxid einschließt.
Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle (10), das die folgenden Schritte umfasst: das Bereitstellen eines Behälters (12), der ein geschlossenes unteres Ende (14), ein offenes oberes Ende (16) und aufragende Wände zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende aufweist, das Anordnen von elektrochemisch aktiven Materialien, einschließlich einer positiven Elektrode (22) und einer negativen Elektrode (26), in dem Behälter (12), das Bereitstellen eines Abdichtungskörpers, der eine aufragende Innenwand aufweist, in der eine Öffnung (52) ausgebildet ist, die einen ersten darin bereitgestellten Durchmesser aufweist, das Anordnen einer Kompressionsbuchse (42) um den Außenumfang der aufragenden Innenwand der Abdichtung (30) herum und unter Zusammendrücken, um so die aufragende Wand zusammenzudrücken, um die Größe der Öffnung (52) auf einen zweiten Durchmesser zu reduzieren, wobei die Kompressionsbuchse (42) eine Öffnung hat, die sich durch die Längsachse der Zelle erstreckt, und die Kompressionsbuchse um eine Achse senkrecht zur Längsachse im Wesentlichen symmetrisch angeordnet ist, das Einführen eines Stromkollektors (28) durch die Öffnung (52), die in der aufragenden Wand ausgebildet ist, so dass der Stromkollektor (28) eine Zunahme der Größe der Öffnung (52) bewirkt, und zwar vom zweiten Durchmesser auf etwa den ersten Durchmesser, wodurch das Vorliegen von Zugkräften in der aufrechten Wand der Abdichtung verhindert wird, und das Anordnen der Abdichtung (30)- und Stromkollektor (28)-Anordnung in dem offenen Ende (16) des Behälters (16), um den Behälter (42) zu verschließen und abzudichten.