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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrochemischen
Zellen und insbesondere elektrochemische Zellen mit einem sehr großen Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und daher einer hohen Entladeeffizienz.
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Elektrochemische
Zellen werden im Allgemeinen zum Liefern von Spannung für elektrisch
betriebene Vorrichtungen und insbesondere für tragbare elektrisch betriebene
Vorrichtungen verwendet. Weit verbreitete Alkalizellen des im Wesentlichen
zylindrischen Typs sind in Industriestandardgrößen erhältlich, einschließlich Zellen
der Größe D, C,
AA, AAA und AAAA. Es besteht ein wachsender Bedarf an Alkalizellen,
insbesondere Alkalizellen mit normalen handelsüblichen Größen, die bei hohen Entladeraten
eine verbesserte Entladeleistung aufweisen.
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Eine
häufig
verwendete Konfiguration für Batterien
mit einer hohen Entladerate ist eine spiralförmig gewickelte Elektrodenanordnung,
die auch als biskuitrollenartige Anordnung bekannt ist, bei der eine
positive Elektrode, eine negative Elektrode und eine Separatorplatte
spiralförmig
gewickelt sind, um einen großen
Flächenbereich
zwischen den Elektroden zu bilden, wodurch eine hohe Entladerate
erreicht werden kann. Bei der spiralförmig gewickelten Konstruktion
ist es erforderlich, dass die Elektroden einen Separator aufweisen,
um Kurzschlüsse
zu vermeiden. Wenn herkömmliche
Separatoren, wie z.B. Papier- oder Zelluloseseparatoren, verwendet
werden, wird typischerweise ungefähr 10 % bis 20 % des Gesamtvolumens
einer biskuitrollenartigen Zelle der Größe AA mit einem 110 Quadratzentimeter
großen Anoden-Kathoden-Flächenbereich
von nichtaktivem Separatormaterial eingenommen. Der größere Grenzflächenbereich
führt zu
einer höheren
Hochratenkapazität.
Die Reduzierung des Volumens für
das aktive Material führt
jedoch zu einer reduzierten Kapazität bei niedrigen Entladeraten.
Wenn der derzeit verwendete Separator durch einen dünneren Separator
ersetzt werden kann, können
spiralförmig gewickelte
Elektrodenkonfigurationen und alternative Zellenkonstruktionen hergestellt
werden, die zu einer Alkalizelle mit größerem Grenzflächenbereich
und höherer
Hochratenleistung führen.
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Ein
weiterer Nachteil bei der herkömmlichen spiralförmig gewickelten
Zellenkonstruktion besteht darin, dass die für das spiralförmige Wickeln
zweier Elektroden und eines Separators verwendeten Maschinen in
Herstellung, Betrieb und Wartung relativ teuer sind. Entsprechend
sind verbesserte Verfahren und Zellenkonstruktionen gewünscht.
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In
US-A-5,869,205 ist eine elektrochemische Zelle mit mehreren Anodenkammern
zum Vergrößern des
Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereichs beschrieben.
Eine Ausführungsform
weist eine in einem Behälter
angeordnete erste Elektrode mit vier zylindrisch ausgebildeten Hohlräumen auf,
wobei eine zweite Elektrode in jedem der vier Hohlräume angeordnet
ist. Ein herkömmlicher
Separator ist in jedem der vier Hohlräume angeordnet. Obwohl die
in US-A-5,869,205 beschriebene Zellenkonfiguration eine wesentliche
Verbesserung bei der Hochratenkapazität darstellt, werden herkömmliche
Separatoren verwendet. Entsprechend geht die verbesserte Entladeeffizienz
bei hohen Entladeraten, die mit einer Vergrößerung des Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereichs
in Zusammenhang steht, auch mit einer proportionalen Vergrößerung der
Separatorfläche
und des Separatorvolumens einher. Daher wird eine verbesserte Entladeeffizienz
bei hohen Entladeraten zumindest teilweise durch Verlust bei der
Gesamtkapazität
erreicht. Es wäre
wünschenswert,
noch größere Verbesserungen
bei der Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten zu erreichen und
vorzugsweise solche Verbesserungen ohne Verlust bei der Gesamtkapazität zu erreichen.
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In
US-A-3,156,585 ist ein hermetisch abgedichteter Akkumulator mit
mehreren konzentrisch angeordneten ringförmigen Elektroden beschrieben, von
denen jede durch einen herkömmlichen
Separator von einer benachbarten Elektrode getrennt ist. Obwohl
in dem Patent eine verbesserte Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten
nicht spezifisch erwähnt ist,
würde bei
der dargestellten Batteriekonstruktion erwartet, dass sie einen
größeren Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
aufweist, und es würde
erwartet, dass sie zumindest eine gewisse Verbesserung bei der Entladeeffizienz
bei hohen Entladeraten bietet. Die Batteriestruktur ist jedoch extrem
kompliziert, und würde
schwierig sein, diese zu einem konkurrenzfähigen Preis herzustellen. Jede
Verbesserung der Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten würde mit
einer wesentlichen Vergrößerung der
Separatorfläche
und des Separatorvolumens und somit einer wesentlichen Verringerung
der Gesamtkapazität
einhergehen. Es wäre
wünschenswert,
Alkalizellen mit einem größeren Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und mit einer einfacheren Ausführung bereitzustellen,
die somit kostengünstiger
wären und mit
denen vorzugsweise eine verbesserte Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten
ohne Verlust bei der Gesamtkapazität erreicht wird.
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In
US Ser.-Nr. 09/198,802 vom 24. November 1998, die als WO-A-00/33397
veröffentlicht
worden ist, ist eine elektrochemische Hochraten-Zelle mit einer
in einem Behälter
angeordneten ersten Elektrode mit einer ersten Polarität, einer
auf einer Seite der ersten Elektrode angeordneten zweiten Elektrode
mit einer zweiten Polarität,
einem mit der ersten Elektrode in Kontakt stehenden ersten Stromkollektor
und einer elektrochemisch aktiven Außenschicht, die die zweite
Polarität
aufweist und auf der anderen Seite der ersten Elektrode angeordnet
ist, beschrieben. Ein Separator ist zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und
der elektrochemisch aktiven Außenschicht
angeordnet. Die in der als WO-A-00/33397 veröffentlichten US Ser.-Nr. 09/198,802
beschriebene Konstruktion bietet den Vorteil, dass eine wesentliche
Vergrößerung des
Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereichs
und somit eine Verbesserung der Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten
unter Verwendung eines relativ einfachen Aufbaus, die zu einem konkurrenzfähigen Preis hergestellt
werden kann, erreicht wird. Da jedoch der Separator zwischen der
ersten und der zweiten Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode
und der elektrochemisch aktiven Außenschicht ein herkömmlicher
Separator ist, geht mit der verbesserten Entladeeffizienz bei hohen
Entladeraten eine Vergrößerung des
Separatorvolumens und somit eine Verringerung der Gesamtkapazität einher.
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In
EP-A 0 312 330 ist eine Alkalimetallanode, typischerweise Lithium,
beschrieben, die als flache Platte ausgeführt sein oder Rippen oder eine
Riffelung aufweisen kann, wobei die Anode mit einer Beschichtung,
wie z.B. durch Tauchbeschichtung oder Druckbeschichtung, versehen
ist. Die Beschichtung, die typischerweise PVC aufweisen kann, fungiert
als Separator, und die beschichtete Anode ist von in dem Batteriegehäuse enthaltenem
flüssigen
Oxihalogenid umgeben.
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In
US-A-2 605 298 ist das Konzept des Wickelns, Aufsprühens oder
Tauchaufbringens eines Separators auf eine Zinkanode einer Zn/Kohlenstoff-Leclanche-Batterie beschrieben.
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Ähnliche
Beschreibungen finden sich in US-A-2 424 149, FR-A-1 211 799, GB-A-150 848, GB-A-1
387 073, DE-A-55 781 und FR-A-589 729.
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Die
Erfindung betrifft Batterien mit einem großen Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und verbesserter Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten. Die Erfindung
betrifft ferner Verfahren zum Herstellen von Batterien mit einem
großen
Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und verbesserter Entladeeffizienz bei hohen Entladeraten. Die erfindungsgemäßen Batterien
und Verfahren umfassen generell die Verwendung einer ersten Elektrode
oder eines ersten Elektrodenmaterials, die/das mit einer Beschichtung
versehen ist, welche als Separator fungiert, und die Verwendung
eines fließfähigen Elektrodenmaterials,
das die beschichtete Elektrode umfließt und mit dieser in Kontakt
kommt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Batterie mit:
einem
Gehäuse;
einer
in dem Gehäuse
angeordneten ersten Elektrode;
einer als Separator fungierenden
Beschichtung auf einer Fläche
der ersten Elektrode; und
einem in dem Gehäuse angeordneten und die beschichtete
Fläche
der ersten Elektrode umgebenden fließfähigen zweiten Elektrodenmaterial,
wobei
die Separatorbeschichtung eine Dicke von weniger als 100 Mikrometern
aufweist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Herstellen einer Batterie, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen
eines Gehäuses;
Bereitstellen
einer ersten Elektrode;
Ausbilden einer Beschichtung auf einer
Fläche
der ersten Elektrode, wobei die Beschichtung als Separator fungiert
und eine Dicke von weniger als 100 Mikrometern aufweist;
Anordnen
der beschichteten ersten Elektrode in dem Gehäuse; und
Anordnen eines
fließfähigen Materials
in dem Gehäuse,
wobei das fließfähige Material
ein zweites Elektrodenmaterial aufweist und den auf die Fläche der
ersten Elektrode aufgebrachten Separator umgibt.
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Der
Ausdruck "fließfähiges Elektrodenmaterial" bezieht sich auf
ein Elektrodenmaterial, das in der Lage ist, eine feste Elektrode
zu umfließen
und diese vollständig
zu umgeben. Solche Materialien weisen generell eine Mischung aus
flüssigem
Elektrolyt und dispergierten Feststoffteilchen eines elektrochemisch
aktiven Materials auf. Die fließfähige Elektrode
kann ein niederviskoses Material, wie z.B. eine Flüssigkeit,
oder ein relativ hochviskoses Material, wie eine Paste, sein. Alternativ
kann die fließfähige Elektrode
ein Pulver sein. Diese Kombination aus Merkmalen ermöglicht es,
elektrochemische Zellen mit einem sehr großen Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und einem relativ kleinen Separatorvolumen herzustellen. Die Prinzipien
der vorliegenden Erfindung können
zum Erreichen einer wesentlichen Vergrößerung des Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereichs
und somit einer wesentlichen Verbesserung der Entladeeffizienz bei
hohen Entladeraten im Vergleich zu herkömmlichen Alkalizellen mit einer spulenartigen
Zellenkonstruktion, bei der eine Anode in einem zylindrischen Volumen
angeordnet ist, das mittig in einer benachbart zu der Innenwand
einer die elektrochemische Zelle bildenden Stahldose angeordneten
Kathode ausgebildet ist, angewendet werden, wobei die Gesamt-Zellen-kapazität beibehalten oder
sogar erhöht
wird.
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Die
erste Elektrode weist eine Beschichtung auf Flächen der ersten Elektrode auf,
wobei die Beschichtung als Separator fungiert. Bei der Separatorbeschichtung
handelt es sich um einen dünnen
Film oder eine dünne
Schicht aus Material, der/die auf der Elektrodenfläche ausgebildet
ist. Die Beschichtung ist zumindest anfangs durch mechanische, chemische
oder elektrische Kräfte
mit der Elektrodenfläche verbunden.
Nach dem Zusammenbauen der Zelle kann die Beschichtung nicht länger mit
der Elektrodenfläche
verbunden bleiben. Im Gegensatz dazu werden herkömmliche Separatormaterialien
vor dem Platzieren des Separators in Nachbarschaft zu der Fläche einer
Elektrode vorsichtig in einen trockenen freistehenden Film konvertiert.
Herkömmliche
Separatoren passen sich der Elektrodenfläche in makroskopischem Maßstab an
und sind somit nicht in der Lage, gleichmäßig dicke Schichten auf der
Fläche
einer unregelmäßig geformten
Elektrode zu bilden. Separatorbeschichtungen unter scheiden sich
ferner von herkömmlichen
Separatormaterialien durch den Umstand, dass die Separatorbeschichtungen
anfangs entlang dem gesamten Grenzflächenbereich zwischen dem Separator
und der Elektrode mit der Elektrodenfläche verbunden sind. Es ist
nicht erforderlich, dass das Separatormaterial nach dem Zusammenbau
der Zelle mit der Elektrode verbunden bleibt.
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Beispiele
für geeignete
Separatorbeschichtungen umfassen Beschichtungen, die durch Aufbringen
einer polymeren Beschichtungszusammensetzung auf die Elektrode oder
das Elektrodenmaterial und Konvertieren der polymeren Beschichtungszusammensetzung
in einen Polymerfilm ausgebildet sind. Solche polymeren Beschichtungszusammensetzungen
können
durch Lösen
eines Polymers, wie z.B. Zellulose, in einem Lösungsmittel hergestellt werden.
Geeignete Separatorbeschichtungen können ferner durch Polymerisieren
der Separatorbeschichtung direkt auf Flächen einer Elektrode ausgebildet
werden. Eine detailliertere Beschreibung der verschiedenen Separatorbeschichtungen,
die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet sind, findet sich
in US Ser.-Nr. 09/410,300 vom 30. September 1999 (jetzt als WO-A-91/24291
veröffentlicht).
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Die
bei der Erfindung verwendeten Separatorbeschichtungen oder -filme
weisen eine Dicke von weniger als 100 Mikrometern, vorzugsweise
eine Dicke von weniger als 60 Mikrometern, bei einer stärker bevorzugten
Variante weniger als 40 Mikrometern und bei der am stärksten bevorzugten
Variante von weniger als 30 Mikrometern auf. Aufgrund der wesentlichen
Reduzierung der Dicke der hier verwendeten Separatorbeschichtungen
im Vergleich zu herkömmlichen
Papierseparatoren (typischerweise mit einer Dicke von mindestens
200 Mikrometern) ist es möglich,
den Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
wesentlich zu vergrößern und
das Gesamt-Separatorvolumen zu reduzieren. Entsprechend ermöglicht die
Verwendung von Separatorbeschichtungen mit einer Dicke von weniger
als 100 Mikrometern, weniger als 60 Mikrometern, weniger als 40
Mikrometern oder weniger als 30 Mikrometern die Herstellung von
elektrochemischen Zellen, die gleichzeitig eine verbesserte Entladeeffizienz
bei hohen Entladeraten und eine größere Gesamt-Entladekapazität aufweisen.
Beispielsweise würde
eine Separatorbeschichtung mit einer Dicke von 25 Mikrometern die
Herstellung einer elektrochemischen Zelle der Größe AA mit einem Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich,
der ungefähr
das 10fache desjenigen einer herkömmlichen Batterieausführung der
Größe AA mit
einer spulenartigen Konfiguration und einem 250-Mikrometer-Separator
beträgt,
vereinfachen, ohne dass die Gesamtkapazität verringert wird. Alternativ
können die
dünneren
Separatorbeschichtungen zum Herstellen von elektrochemischen Zellen
mit einer Kombination aus größerem Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich,
verbesserter Entladekapazität
bei hohen Entladeraten und höherer
Gesamtkapazität
verwendet werden.
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Zusätzlich zu
der Vereinfachung der Herstellung von dünneren Separatoren wird es
durch Verwendung einer direkt auf der Fläche einer Elektrode ausgebildeten
Separatorbeschichtung möglich,
elektrochemische Zellen mit Elektroden herzustellen, die sehr unregelmäßige Formen
und einen großen
Flächenbereich
aufweisen. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen Papier- und Zellophanseparatoren, die
sich im Wesentlichen nur Planaren und glatt gekrümmten Flächen anpassen können. Insbesondere hat
die Unfähigkeit
herkömmlicher
Papier- und Zellophanseparatoren, sich an ungleichförmige Flächen anzupassen,
deren Verwendung auf elektrochemische Zellen mit Plattenelektroden,
Bandelektroden und zylindrisch geformten Elektroden begrenzt. Ein Versuch,
herkömmliche
Papier- oder Zellophanseparatoren an eine unregelmäßig geformte
Elektrode anzupassen, bewirkt generell, dass der Separator knickt
und einen inakzeptabel großen
Teil des Volumens einer elektrochemischen Zelle einnimmt, wohingegen
die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Separatorbeschichtungen
direkt auf unregelmäßig geformten
Flächen
einer Elektrode ausgebildet werden können, um einen im Wesentlichen gleichförmigen dünnen Separator
zu bilden, der kein inakzeptabel großes Volumen in einer elektrochemischen
Zelle einnimmt.
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Ein
weiteres bedeutendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die
Verwendung eines fließfähigen zweiten
Elektrodenmaterials, das in der Lage ist, um die Flächen einer
unregelmäßig geformten, nichtsymmetrisch
geformten und/-oder
nichtzylindrisch geformten, eine Separatorbeschichtung aufweisenden
ersten Elektrode zu fließen
und diese zu umgeben. Ein Beispiel für eine Elektrode mit einer
nichtsymmetrischen und nichtzylindrischen Form ist eine spiralförmig gewickelte
Elektrode oder eine dendritische Zinkelektrode (die nachstehend
beschrieben ist). Die Verwendung einer eine Separatorbeschichtung
aufweisenden Elektrode in Kombination mit einem fließfähigen zweiten
Elektrodenmaterial bietet eine ökonomische
Möglichkeit
zum Herstellen von elektrochemischen Zellen mit einem sehr großen Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und somit einer verbesserten Entladekapazität bei hohen Entladeraten ohne
Verlust bei der Gesamt-Entladekapazität.
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Bei
einer Ausführungsform,
bei der eine spiralförmig
gewickelte Bandelektrode, beispielsweise eine in 1 gezeigte
elektrochemische Zellenkonstruktion, verwendet wird, kann die Zelle
durch Einbringen eines fließfähigen Elektrodenmaterials
in eine Dose oder ein Gehäuse
und anschließendes Einsetzen
einer spiralförmig
gewickelten, eine Separatorbeschichtung aufweisenden Elektrode in
die Dose ausgebildet werden. Beim Einsetzen der spiralförmig gewickelten
Elektrode in die Dose fließt
das fließfähige Elektrodenmaterial
aufwärts
und füllt
die von der spiralförmig
gewickelten Elektrode gebildeten Räume und umgibt die Flächen der
spiralförmig gewickelten
Elektrode vorzugsweise vollständig.
Alternativ kann die Zelle dadurch hergestellt werden, dass zuerst
die spiralförmig
gewickelte Elektrode in die Dose eingesetzt wird und danach das
Elektrodenmaterial derart in die Dose abgeschieden wird, dass es
um die und zwischen den Flächen
der spiralförmig gewickelten
Elektrode und der Dose fließt.
Elektrisch leitende Leitungen können
entweder vor oder nach dem Einsetzen der spiralförmig gewickelten Elektrode
in die Dose mit dem oberen Ende der spiralförmig gewickelten Elektrode
verbunden werden. Die elektrochemische Zelle kann auf herkömmliche
Weise mit einer Dichtung und einem Deckel fertiggestellt werden.
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Vorzugsweise
bildet das zweite Elektrodenmaterial eine positive Elektrode, und
die erste Elektrode ist eine negative Elektrode. In diesem Fall
weist die erste Elektrode vorzugsweise Zink als Anodenmaterial auf,
vorzugsweise in Form eines Bands, wie z.B. einer Zinkfolie, und
das zweite Elektrodenmaterial weist vorzugsweise Mangandioxid als
aktives Material der Kathode auf. Alternativ ist die zweite Elektrode
die negative Elektrode, wobei das fließfähige Material ein anodenaktives
Material aufweist. Ein fließfähiges Material
mit Zink als aktivem Material der Anode kann beispielsweise eine
Mischung aus Zink, einem Bindemittel, Kaliumhydroxid, Wasser und wahlweise
einem Geliermittel aufweisen.
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Weitere
geeignete Elektrodenmaterialien können entsprechend dem gewünschten
Batterietyp und der Zellenchemie ausgewählt werden. Beispielsweise
kann die erste Elektrode oder das zweite Elektrodenmaterial mindestens
ein elektrochemisch aktives Material aufweisen, das aus Lithium,
Nickel, Metallhydrid, Cadmium, Kohlenstoff, Graphit und lithiiertem
Mangandioxid ausgewählt
ist.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung, insbesondere bei einer Ausführungsform,
bei der eine spiralförmig
gewickelte Bandelektrode, beispielsweise eine in 1 gezeigte
elektrochemischen Zellenkonstruktion, verwendet wird, besteht darin,
dass hierbei verschiedene mit herkömmlichen Verfahren zum Herstellen
spiralförmig
gewickelter oder biskuitrollenartiger elektrochemischer Zellen in
Zusammenhang stehende Probleme eliminiert werden. Spiralförmig gewickelte
elektrochemische Zellen werden herkömmlicherweise durch Wickeln
einer Anode und einer Kathode zusammen mit einem zwischen der Anode
und der Kathode angeordneten Separator hergestellt. Bei einem herkömmlichen
Prozess müssen
der Separator und die Elektroden vor dem Wickeln der Elektroden
und des Separators korrekt miteinander ausgerichtet werden. Durch
Ausbilden des Separators direkt auf mindestens einer der Elektroden
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Erfordernis des Ausrichtens des Separators mit
den Elektroden eliminiert, und das Erfordernis des Ausrichtens einer
ersten Elektrode mit einer zweiten Elektrode wird eliminiert. Dadurch
wird das Zusammenbauen der Batterie vereinfacht, und somit werden
die Kosten für
die Herstellung einer spiralförmig gewickelten
Batterie reduziert. Eine Einrichtung zum Wickeln einer einzelnen
Bahn ist kostengünstiger
als eine Einrichtung zum gleichzeitigen Wickeln und Ausrichten von
drei oder mehr Bahnen. Die Anode ist üblicherweise eine Metallfolie,
und die Kathode ist üblicherweise
ein Verbundmaterial aus einem partikulären Elektrodenmaterial und
einem Bindemittel. Um ein spiralförmiges Wickeln der Kathode
mit der Anode zu ermöglichen,
muss das Bindemittel flexibel sein. Ferner sind herkömmliche
Maschinen zum gemeinsamen Wickeln einer Kathode und einer Anode teuerer
als Maschinen zum Wickeln von nur einer Folienanode. Entsprechend
ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zellenkonstruktion, wie
beispielsweise in 1 gezeigt, die das Erfordernis
teuerer Maschinen zum biskuitartigen Wickeln eliminiert und das
Erfordernis eines flexiblen Bindemittels in dem Kathodenmaterial
eliminiert. Somit werden Zellenkonstruktionen ermöglicht,
die ein kostengünstigeres
Herstellen von spiralförmig
gewickelten elektrochemischen Zellen erlauben. Ferner können die
Separatorbeschichtungen auf jeder Seite der spiralförmig gewickelten
Bandelektrode dünner
ausgebildet sein und weniger Volumen einnehmen als herkömmliche
Papier- oder Zellophanseparatoren, wodurch die Herstellung von spiralförmig gewickelten elektrochemischen
Zellen mit einem größeren Anoden-Kathoden-Grenzflächenbereich
und/oder einer höheren
Gesamtkapazität
vereinfacht wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
weisen die Zellen eine Bandelektrode auf, die mit einer Separatorbeschichtung
versehen und zickzackförmig gefaltet
ist, beispielsweise eine elektrochemische Zellenkonstruktion wie
in 2 gezeigt. Die gefaltete Elektrode wird in die
Dose eingesetzt und ist von einem fließfähigen Elektrodenmaterial umgeben.
Das Elektrodenmaterial kann in die Dose abgeschieden werden, bevor
oder nachdem die eine Separatorbeschichtung aufweisende Elektrode
in die Dose eingesetzt worden ist.
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Bei
weiteren alternativen Ausführungsformen
weist die erste Elektrode ein poröses festes Netzwerk aus elektrochemisch
aktivem Material, wie z.B. Zink, oder ein poröses festes Netzwerk aus einem
elektrisch leitenden Material, wie z.B. Messing, auf, auf dem ein
elektrochemisch aktives Material, wie z.B. Zink, abgeschieden ist.
Beispiele, wie Metallschäume
und "dendritisches
Zink" sind nachstehend beschrieben.
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Somit
weist bei einer Ausführungsform
die elektrochemische Zelle eine mit einer Separatorbeschichtung
versehene Elektrode aus porösem
Metall (wie z.B. Zink) auf, die in die Dose eingesetzt ist, beispielsweise
eine in 3 gezeigte elektrochemische Zellenkonstruktion.
Die poröse
oder netzartige Elektrode kann eine Metallschaumelektrode oder eine Elektrode
aus gesintertem Metall sein.
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Metallschäume können durch
Anwendung einer Vielzahl bekannter Verfahren hergestellt werden.
Beispielsweise kann ein geschmolzenes Metall derart unter hohen
Druck gesetzt werden, dass es ein nichtreaktives Gas löst. Wenn
der Druck abgebaut wird und das Metall abkühlen kann, entweicht das gelöste Gas
und verlässt
die offenzelligen Poren in dem Metallkörper. Bei einem weiteren Prozess
können Schaummittel
dem geschmolzenen Metall hinzugegeben werden. Bei einem weiteren
Prozess werden Monomere mit Metallteilchen gemischt, und die Mischung
wird erwärmt,
um eine Schaumbildung und Verfestigung des Harzes zu induzieren.
Bei einem weiteren Prozess können
Metallteilchen unter geeigneten Bedingungen hoher Temperatur und
hohen Drucks auf herkömmliche
Weise komprimiert werden, um eine Anode mit einer gewünschten
Form auszubilden. Die verwendete Temperatur und der verwendete Druck
sind nicht besonders kritisch, vorausgesetzt, dass keine vollständige Sinterung
und Koaleszenz der Teilchen erfolgt. Temperaturen, die ungefähr bei der
Sintertemperatur des Metalls bei den verwendeten Drücken liegen,
werden bevorzugt. Alternativ können
die Metallteilchen mit einem pulverförmigen Harzbindemittel, wie
z.B. Polytetrafluorethylen, trockengemischt werden. Die Mischung
aus Metallteilchen und Bindemittel kann auf herkömm liche Weise komprimiert werden,
und zwar auch hier wieder unter geeigneten Bedingungen hoher Temperatur
und hohen Drucks, um eine Anode mit der gewünschten Form zu bilden. Die
Temperatur hängt
von dem gewählten
Harz und dem aufgebrachten Druck ab, der normalerweise zwischen
ungefähr
1,7 und 170 MPa (250 bis 25.000 Pounds pro Quadrat-Inch) liegt.
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Ein
weiteres Verfahren zum Herstellen einer Elektrode mit einer offenporigen
Struktur umfasst das Aufbringen eines Metalls durch Lichtbogen-Dampfauftrag
auf und in einen durchbrochenen pyrolisierbaren Kunstharzträger durch
Nebeneinanderanordnen des Trägers
und eines Elektrodenpaars, von dem mindestens eine Elektrode aus
mindestens einem Element des gewählten
Materials gebildet ist. Die Elektroden werden in Kontakt miteinander
bewegt, um einen Lichtbogen zwischen den Elektroden zu erzeugen
und das Metall von einer der Elektroden zu verdampfen und ein Auftragen
des Metalls auf den Träger
zu bewirken. Der Raum, in dem der Träger neben den Elektroden angeordnet
ist, wird vor oder während
des Auftragens des Metalls evakuiert, wodurch ein Teil der Gesamtmenge
des Metalls, das letztlich die offenporige Struktur bilden soll,
in Form einer Beschichtung aufgetragen wird. Bei einem Sprühauftragsvorgang
wird eine Menge des Metalls, die ausreicht, um den Rest bis zur
Gesamtmenge auszugleichen, auf den Träger und/oder die Beschichtung
aufgesprüht.
Danach wird der Träger
pyrolisiert, um ein durchbrochenes Gerüst, das im Wesentlichen aus
dem Metall besteht, zu bilden. In einem abschließenden Schritt wird das Metallgerüst zu einem
kohärenten
Körper
gesintert, der eine offenporige Struktur bildet. Weitere Details
zu diesem Verfahren sind in US-A-5,011,638 beschrieben.
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Die
netzartige oder poröse
Metallelektrode (z.B. Metallschaum, Sintermetall etc.) kann durch
Anwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens, beispielsweise
einer der in der US Ser.-Nr. 09/410,300 von 30. September 1999,
die jetzt als WO-A-01/24291 veröffentlicht
ist, beschriebenen Techniken, mit einer Separatorbeschichtung versehen
werden. Danach wird die mit einer Separatorbeschichtung versehene
poröse
Elektrode in die Dose eingesetzt und ist dort von einem fließfähigen Elektrodenmaterial
umgeben, das um und in die Poren der porösen Elektrode fließt. Alternativ
kann die poröse
Elektrode in die Dose eingesetzt werden, bevor sie mit der Separatorbeschichtung
versehen wird. Das fließfähige Material
kann vor und/oder nach dem Einsetzen der porösen Elektrode in die Dose eingebracht
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform, beispielsweise
der in 4 gezeigten, weist die elektrochemische Zelle
eine dreidimensionale baumartige Struktur aus einem Metall, wie
z.B. einem als "dendritisches
Zink" bekannten
Material, auf, die den Adern eines Blatts ähnelt und die mit der Separatorbeschichtung
beschichtet ist. Die Elektrode, die mit der Separatorbeschichtung
versehen ist, wird in eine das fließfähige Kathodenmaterial, beispielsweise eine
Aufschlämmung
aus einem Kathodengemisch, enthaltende Dose eingetaucht. Alternativ
wird das fließfähige Material
nach dem Einsetzen der Elektrode eingebracht. Geeignete Verfahren
zum Herstellen von Elektroden aus dendritischem Zink sind in US-A-3,071,638
und US-A-3,753,779 beschrieben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des ersten Aspekts ist eine Batterie vorgesehen, die aufweist:
ein
Gehäuse
mit einer Innenwand;
eine in dem Gehäuse angeordnete erste Elektrode, die
mit einem Separatormaterial beschichtet ist; und
eine fließfähige Mischung
aus einem zweiten Elektrodenmaterial und einem Elektrolyt, die derart
in dem Gehäuse
verteilt ist, dass die fließfähige Mischung um
die beschichtete erste Elektrode und zwischen der ersten Elektrode
und der Innenwand des Gehäuses
fließt.
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Gemäß dieser
bevorzugten Ausführungsform
weist die erste Elektrode vorzugsweise mindestens einen Streifen
mit einem elektrisch aktiven Material, vorzugsweise ein Zinkband,
auf. Der Streifen kann beispielsweise spiralförmig gewickelt oder zickzackförmig gefaltet
sein. Alternativ kann die erste Elektrode ein poröses festes
Netzwerk aus einem elektrochemisch aktiven Material, wie z.B. Zink,
oder ein poröses
festes Netzwerk aus einem elektrisch leitenden Material, auf dem
ein elektrochemisch aktives Material, wie z.B. Zink, abgeschieden
ist, aufweisen. Die Batterie kann eine erste Elektrode oder mehrere erste
Elektroden aufweisen, von denen jede mit einem Separatormaterial
beschichtet ist und jede derart in einem Gehäuse angeordnet ist, dass die
fließfähige Mischung
um die beschichteten ersten Elektroden und zwischen den ersten Elektroden
und der Innenwand des Gehäuses
fließt.
Vorzugsweise bildet das zweite Elektrodenmaterial eine positive
Elektrode, und die erste Elektrode bildet eine negative Elektrode.
Beispielsweise kann das zweite Elektrodenmaterial Mangandioxid aufweisen,
und die erste Elektrode weist vorzugsweise Zink auf. Alternativ kann
jedoch eines der ersten Elektrode und des zweiten Elektrodenmaterialials
Lithium, Nickel, Metallhydrid, Cadmium, Kohlenstoff, Graphit und/oder
lithiiertes Mangandioxid aufweisen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des ersten Aspekts ist eine Batterie vorgesehen, die aufweist:
ein
Gehäuse;
eine
in dem Gehäuse
angeordnete geformte negative Elektrode, die Zink aufweist und mit
dem oben beschriebenen Separator beschichtet ist; und
eine
fließfähige Mischung
aus einem Elektrolyt und einer Mangandioxid aufweisenden positiven
Elektrode, die derart in dem Gehäuse
verteilt ist, dass die fließfähige Mischung
die negative Elektrode umgibt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des zweiten Aspekts ist ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie
vorgesehen, das folgende Schritte umfasst:
Verteilen eines
fließfähigen Elektrodenmaterials
in einem Gehäuse;
Ausbilden
einer Elektrode mit einer festen Struktur;
Beschichten der
eine feste Struktur aufweisenden Elektrode mit dem oben beschriebenen
Separatormaterial; und
Eintauchen der beschichteten Elektroden
in das in dem Gehäuse
befindliche fließfähige Elektrodenmaterial.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen besser
verständlich.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht einer spiralförmig gewickelten elektrochemischen
Zelle gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht einer elektrochemischen Zelle mit
einer zickzackförmig
gefalteten Bandelektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
schematische Längsschnittansicht
einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle
mit einer Elektrode aus porösem
Metall gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 eine
schematische Längsschnittansicht
einer elektrochemischen Zelle mit einer Elektrode mit einer dreidimensionalen
fraktalen Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Somit
ist eine Ausführungsform
der Erfindung in 1 dargestellt. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird eine elektrochemische Zelle 10 durch Abscheiden eines
fließfähigen Elektrodenmaterials 12 in
eine Dose oder ein Gehäuse 14 und
durch Einsetzen einer spiralförmig
gewickelten, eine Separatorbe schichtung aufweisenden Elektrode 16 in
die Dose 14 hergestellt. Beim Einsetzen der spiralförmig gewickelten
Elektrode 16 in die Dose 14 fließt das fließfähige Elektrodenmaterial 12 aufwärts und
füllt die
Räume 18,
die von der spiralförmig
gewickelten Elektrode 16 gebildet sind und umgibt vollständig die Flächen der
spiralförmig
gewickelten Elektrode 16. Alternativ kann die elektrochemische
Zelle 10 dadurch hergestellt werden, dass zuerst die spiralförmig gewickelte
Elektrode 16 in die Dose 14 eingesetzt wird und
danach das Elektrodenmaterial 12 derart in die Dose 14 abgeschieden
wird, dass es um die und zwischen den Flächen der spiralförmig gewickelten
Elektrode 16 und der Dose 14 fließt. Elektrisch leitende
Leitungen 20 können
entweder vor oder nach dem Einsetzen der spiralförmig gewickelten Elektrode 16 in
die Dose 14 mit dem oberen Ende der spiralförmig gewickelten
Elektrode 16 verbunden werden. Die elektrochemische Zelle 10 wird
auf herkömmliche
Weise mit einer Dichtung 22 und einem Deckel 24 fertiggestellt.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 gezeigt. Gemäß dieser
Ausführungsform
weist eine elektrochemische Zelle 30 eine zickzackförmig gefaltete
Bandelektrode 32 mit einer Separatorbeschichtung 33 auf.
Die gefaltete Elektrode 32 wird in eine Dose 34 eingesetzt
und ist dort von einem fließfähigen Elektrodenmaterial 36 umgeben. Das
Elektrodenmaterial 36 kann in die Dose 34 abgeschieden
werden, bevor oder nachdem die eine Separatorbeschichtung aufweisende
Elektrode 32 in die Dose 34 eingesetzt wird.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der
Erfindung ist in 3 gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform
weist eine elektrochemische Zelle 40 eine eine Separatorbeschichtung
aufweisende Elektrode 42 aus porösem Metall (wie z.B. Zink)
auf, die in eine Dose 44 eingesetzt ist. Die poröse oder netzartige
Elektrode 42 kann eine Metallschaum- oder Sintermetall-Elektrode
sein. Die netzartige oder poröse
Elektrode kann mit einer Separatorbeschichtung versehen sein. Danach
wird die mit einer Separatorbeschichtung versehene poröse Elektrode 42 in die
Dose 44 eingesetzt und ist dort von einem fließfähigen Elektrodenmaterial 46 umgeben,
das um und in die Poren 49 der porösen Elektrode 42 fließt.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der
Erfindung ist in 4 gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform
weist eine elektrochemische Zelle 50 eine dreidimensionale
baumartige Struktur 52 aus einem Metall, wie z.B. einem
als "dendritisches
Zink" bekannten
Material, auf, die den Adern eines Blatts ähnelt und die mit einem Separator
beschichtet ist. Die Elektrode 52, die mit einer Separatorbeschichtung 53 versehen
ist, wird in eine eine Aufschlämmung
aus einem Kathodengemisch 56 enthaltende Dose 54 eingetaucht.