DE60029123T2

DE60029123T2 - Galvanische zelle mit metallischem gehäuse und herstellungsverfahren für solch eine zelle

Info

Publication number: DE60029123T2
Application number: DE60029123T
Authority: DE
Inventors: Stanley Robert Masury STOSKY; Cornelis Gijsbertus VAN HAASTRECHT
Original assignee: Thomas Steel Strip Corp
Current assignee: Thomas Steel Strip Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2020-11-04
Also published as: MXPA02004275A; EP1230692B1; EP1230692A1; WO2001033650A1; DE60029123D1; ATE332014T1; AU2158301A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Zelle, die zwei Elektroden und einen Elektrolyten in einem geschlossenen Gehäuse umfasst, bei der die Elektroden jeweils mit einem äußeren Pol verbunden sind und bei der das Gehäuse eine Metallbüchse umfasst, die von dem Elektrolyten durch eine elektrisch isolierende organische Schicht getrennt ist, in der die Büchse aus einem Blech aus Metallmaterial gebildet ist.
Galvanische Zellen dieses Typs werden oft als wiederaufladbare Batterien verwendet. Die Erfindung wird im Hinblick auf die Anwendung von wiederaufladbaren Batterien genauer beschrieben, obgleich sie nicht darauf beschränkt werden soll. Die Erfindung kann somit auch auf eine Zelle des Nickel-Metall-Hydrid-(NiMh)-Typs Anwendung finden.
Diese Art galvanischer Zellen weicht zum Beispiel von nicht wiederaufladbaren Batterien insofern ab, als bei diesen in vielen Fällen die Metallbüchse eine der Elektroden bildet.
Gegenwärtig wird nickelbeschichteter Stahl verwendet, um zylindrische Büchsen für verschiedene Arten von wiederaufladbaren Batterien, wie NiCd-Batterien, zu bilden. Diese Büchsen werden dann durch Tiefziehen von nickelbeschichtetem Blech hergestellt.
Bei der wiederaufladbaren NiCd-Batterie werden die positiven und negativen Elektroden mit einer Abtrennung zwischen ihnen zu einer Rollenpackung geformt. Die Stromabnahme an der negativen Elektrode erfolgt am unteren Ende der Büchse durch die Verwendung eines negativen Stromabnehmers. Dieser ist üblicherweise am Boden der Rollenpackung an die negative Elektrode widerstandsgeschweißt, die leicht verschoben ist und den Stahlgitterrost freilegt, an den der Abnehmer angeordnet/geschweißt ist. Die Stromabnahme der positiven Elektroden erfolgt an der positiven Abschlusskappe, die mit der positiven Elektrode über einen geschweißten positiven Stromabnehmer verbunden ist.
Die positive Abschlusskappe einer wiederaufladbaren Batterie ist historisch gesehen eine Metallscheibe, umgeben von einem aus Kunststoff bestehenden, ringförmigen Sicherheitsring. Der Kunststoffring verhindert den elektrischen Kontakt zwischen der positiven Polkappe und der Batteriebüchse. Die derzeitige Technologie diktiert den Gebrauch einer teerartigen Substanz (Brai), um den Kunststoffring an die Metallwand der Büchse zu siegeln und ein Kriechen des Elektrolyten zu verhindern.
Ein Problem bei dem gegenwärtigen Batteriedesign besteht darin, dass sich Eisen aus der Batteriebüchse in dem Elektrolyten, z.B. KOH, lösen kann, wobei das Eisen daraufhin in die Elektroden eindringen und sich darin ablagern kann. Dieses Phänomen führt zum Vergiften der Zelle und zum Verlust an Leistung, was wiederum zu einer verkürzten Lebensdauer führt.
Dieses Problem wurde durch die Verwendung einer Metallbüchse behoben, die von dem Elektrolyten durch eine elektrisch isolierende organische Schicht getrennt ist. Die organische Schicht kann so ausgelegt sein, dass sie den Elektrolyten und die Metallbüchse chemisch trennt, wodurch verhindert wird, dass sich Eisen aus der Metallbüchse in dem Elektrolyten lösen und zu den Elektroden abwandern kann. Eine Batterie mit einer Metallbüchse mit einer elektrisch isolierenden organischen Schicht ist in der Zusammenfassung der japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 03008256, gezeigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem eine galvanische Zelle mit einer elektrisch isolierenden organischen Schicht in ihrer Metallbüchse hergestellt wird, das auf eine relativ einfache und billige Art erfolgen kann.
Obwohl das Kriechen des Elektrolyten durch die Versiegelung zwischen der positiven Abschlusskappe und der Batteriebüchse durch die Verwendung einer Substanz wie Brai üblicherweise verhindert wird, kann die Anwendung einer solchen Substanz zu Komplikationen beim Zusammenbau sowie beim Gebrauch und der Entsorgung der Batterien führen. Mit der Zeit kann Brai einen Teil seiner Versiegelungseffektivität durch Austrocknen und Druckkriechverlust einbüßen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, den Gebrauch von Substanzen wie Brai zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung wird bei der Herstellung der galvanischen Zelle des bekannten Typs die organische Schicht durch Lackieren, Farbbeschichten, Spritzbeschichten oder Filmbeschichten des Blechs aus Metallmaterial aufgetragen.
Beschichtet man das Blechmetallmaterial, bevor die Büchsen gebildet werden, beispielsweise durch Tiefziehen, ist das Beschichten des Blechs einfach und billig, und es ist nicht erforderlich, jede Metallbüchse auf ihrer Innenseite zu beschichten, was mühsam und zeitaufwändig wäre.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte des Vorbehandelns einer Metallbüchse mit einer organischen Schicht, die die Innenflächen der Büchse bedecken, wobei die Schicht wenigstens an dem Boden der Innenfläche befestigt wird, Befüllen der Metallbüchse mit einer positiven und einer negativen Elektrode, Verbinden dieser Elektroden mit äußeren Polen mithilfe von Stromabnehmern, Bereitstellen eines Elektrolyten in der Zelle und Schließen der Zelle, wobei vor dem Bereitstellen des Elektrolyten der negative Stromabnehmer elektrisch mit der Innenseite der Metallbüchse verbunden wird durch Punktschweißen durch die organische Schicht. Diese Innenseite kann der Boden der Büchse sein. Auf gleiche Weise kann der positive Stromabnehmer mit der Innenseite der Abschlusskappe durch Punktschweißen durch die organische Schicht verbunden sein, wenn sich die organische Schicht auf der Innenseite der Abschlusskappe befindet.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens zur Herstellung einer galvanischen Zelle der oben beschriebenen Art, umfasst das Verfahren die Schritte des Vorbehandelns einer Metallbüchse mit einer organischen Schicht, die die Innenfläche der Büchse bedeckt, Befüllen der Metallbüchse mit einer positiven und einer negativen Elektrode, Verbinden dieser Elektroden mit äußeren Polen mithilfe von Stromabnehmern, Bereitstellen eines Elektrolyten in der Zelle und Schließen der Zelle mithilfe eines kappenförmigen positiven Pols, der, elektrisch isoliert, an dem oberen Rand der Metallbüchse befestigt wird, wobei der äußere Rand des kappenförmigen positiven Pols mit einem ringförmigen Kunststoffelement ausgestattet wird, so dass der obere Rand der Metallbüchse zu einem verschließbaren Sitz für den kappenförmigen positiven Pol geformt wird, wobei beim Schließen der Zelle der positive Pol auf dem Sitz platziert wird, wobei die organische Schicht den positiven Pol und den Randabschnitt der Metallbüchse trennt, worauf der Randabschnitt der Metallbüchse um das ringförmige Kunststoffelement herumgepresst wird und Wärme dem gepressten Randabschnitt der Metallbüchse zugeführt wird, um die organische Schicht örtlich zu erweichen, bis das ringförmige Kunststoffelement und der gepresste Randabschnitt aneinander befestigt sind.
Die Erfindung wird anhand einiger Zeichnungen weiter illustriert.
1 zeigt einen Längsschnitt einer wiederaufladbaren Batterie.
2 zeigt Detail II aus 1 in größerem Maßstab.
3 zeigt den negativen Stromabnehmer aus 1.
In 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 eine Stahlbüchse, die durch Tiefziehen von nickelbeschichtetem Blechmaterial erhalten wurde. Die Metallbüchse 1 ist an ihrer Innenseite mit einer organischen Schicht 2 versehen. Im gezeigten Fall ist das Blechmaterial mit einem organischen Film, der beispielsweise aus Polypropylen (PP) oder PET besteht, beschichtet. Das beschichtete Blech wurde tiefgezogen, um die Büchse 1 zu bilden auf eine im Stand der Technik allgemein bekannte Weise. Eine positive Elektrode 6 und eine negative Elektrode 3 wurden in eine Rollenpackung mit einer Isolationstrennung (nicht dargestellt) zwischen ihnen gefaltet. Die Elektroden 3 und 6 sind in axialer Richtung etwas relativ verschoben. Auf diese Weise können die negative Elektrode mit dem negativen Stromabnehmer 5 und die positive Elektrode mit dem positiven Stromabnehmer 7 verbunden werden. Der negative Stromabnehmer 5 ist, wie in 1 und in einer Draufsicht in 3 dargestellt, geformt.
Ein in der Mitte gelegener Abschnitt 13, der auf dem Boden 4 der Metallbüchse 1 ruht, wurde vertieft. Durch Punktschweißen, durch das Kreuz 14 dargestellt, wurde der in der Mitte gelegene Abschnitt 13 an den Boden 4 geschweißt. Die Schweißung durchdringt die Überzugsschicht 2, was einen elektrischen Kontakt zwischen dem Stromabnehmer 5 und dem Boden 4 erzeugt. Dies führt dazu, dass der Boden 4 als negativer äußerer Pol der Batterie arbeiten kann.
Es ist jedoch auch möglich (nicht gezeigt), das Blechmaterial mit einer organischen Schicht, die Öffnungen an bestimmten Punkten hat, zu versehen. Während des Tiefziehens von Metallblechen können diese Öffnungen in der organischen Schicht am Boden der tiefgezogenen Metallbüchsen angeordnet werden, und der negative Stromabnehmer kann an den Boden auf normale Weise geschweißt werden, ohne dass die Überzugsschicht durchdrungen werden muss.
Anstatt das Blechmaterial mit PP oder PET zu beschichten, kann das Blech auch mit einem Lack oder mit Farbe beschichtet werden. Abhängig von der Art der verwendeten organischen Schicht, kann die organische Schicht durch Lackieren, Farbbeschichten, Spritzbeschichten oder Filmbeschichten aufgebracht werden. Es können verschiedene Arten von organischem Schichtmaterial verwendet werden, einschließlich wärmehärtbaren und thermoplastischen Kunstharzen. Bei vielen Anwendungen bei der Herstellung der Zellen hat sich gezeigt, dass der Verwendung von thermoplastischen Kunstharzen, wie beispielsweise Polyester, Polyolefine und Polyamide und/oder Copolymere und Gemischen hieraus, der Vorzug gegeben wird.
Obgleich die organische Schicht eine Beschichtung auf einer unbehandelten Metalloberfläche sein kann, kann ein korrosionsbeständigeres Produkt erzielt werden, wenn die Metallbüchse aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe umfassend kohlenstoffarmen Stahl, extra- oder ultrakohlenstoffarmen Stahl, Bor-, Titan- oder Niobium-stabilisierten kohlenstoffarmen Stahl, Zwischengitter-freien Stahl, hochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von über 350 N/mm², Aluminium und Al-Legierungen gewählt wurde, wobei das Metall wenigstens auf der Innenseite der Büchse mit einer Beschichtung metallisch beschichtet ist, die aus einem oder mehreren der Gruppe bestehend aus Nickel, Nickelkobalt, Zinn, Konversionsbeschichtungen und elektrobeschichtetem Chrom gewählt wurde. Diese Gruppe kann auch andere Metallummantelungen enthalten wie Au, Ag, Mo, Ir, Rh, W, Zn, Sn, B, Mn, Fe, Si, In, Ge, Ln, Ti, P, Ga und deren Legierungen mit Nickel und/oder Kobalt und möglicherweise mit organischen Substanzen kombiniert.
Vorzugsweise ist auch die Außenseite der Metallbüchse, abgesehen von dem unteren Abschnitt, mit einer organischen Beschichtung versehen worden. Vorteilhafterweise ist diese äußere Beschichtung der Metallbüchse ein bedruckbares Material, auf das Namen, Markierungen usw. aufgedruckt werden können.
Der positive Stromabnehmer 7 ist durch die Mittel 11 mit dem kappenförmigen positiven Pol 8 elektrisch verbunden. In 2 ist gezeigt, dass der äußere Rand des positiven Pols 8 mit einem ringförmigen Kunststoffelement 12 versehen ist, was dazu dient, den positiven Pol 8 von der Metallbüchse 1 elektrisch zu isolieren.
Der obere Rand der beschichteten Metallbüchse 1 ist mit einem Sitz 9 ausgebildet, auf dem der positive Pol mit dem ringförmigen Element 12 ruht. Nach dem Positionieren des positiven Pols 8, wird der obere Rand der Metallbüchse nach innen gefaltet (siehe 10). Die organische Schicht 2 trennt dadurch die Metallbüchse 1 und das ringförmige Element 12.
Die Batterie wird durch Drücken des oberen Randes 10 gegen den Sitz 9 schließlich geschlossen. Gleichzeitig wird ausreichend Wärme zugeführt, um die organische Schicht zwischen dem Randabschnitt der Metallbüchse und dem ringförmigen Element 12 teilweise zu schmelzen.
Nach dem Abkühlen wird ein Verschluss erreicht, der verhindert, dass sich Elektrolyt dochtartig um den positiven Pol bilden kann und aus der Zelle tropft. Durch diesen Verschluss wird die Verwendung eines teerähnlichen Produkts leichter ausgeschlossen und engere Toleranzen werden zugelassen. Hierdurch entfällt wieder eine große Variable beim Zusammenbau.
Es hat sich gezeigt, dass die neue Versiegelung während der Entsorgung und dem Recycling der Batterie hermetisch bleibt.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer galvanischen Zelle, die zwei Elektroden und einen Elektrolyten in einem geschlossenen Gehäuse umfasst, bei der die Elektroden jeweils mit einem äußeren Pol verbunden sind und bei der das Gehäuse eine Metallbüchse umfasst, die von dem Elektrolyten durch eine elektrisch isolierende organische Schicht getrennt ist, in der die Büchse aus einem Blech aus Metallmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Schicht durch Lackieren, Farbbeschichten, Spritzbeschichten oder Filmbeschichten des Blechs aus Metallmaterial aufgetragen wird.
Verfahren zum Herstellen einer galvanischen Zelle des Typs von Anspruch 1, die folgenden Schritte umfassend: – Vorbehandeln einer Metallbüchse mit einer organischen Schicht, die die Innenfläche der Büchse bedeckt, wobei die Schicht wenigstens an dem Boden der Innenfläche befestigt wird; – Befüllen der Metallbüchse mit einer positiven und einer negativen Elektrode; – Verbinden dieser Elektroden mit äußeren Polen mit Hilfe von Stromabnehmern; – Bereitstellen eines Elektrolyten in der Zelle und Schließen der Zelle; dadurch gekennzeichnet dass vor dem Bereitstellen des Elektrolyten der negative Stromabnehmer durch Punktschweißen durch die organische Schicht hindurch elektrisch mit der Innenseite der Metallbüchse verbunden wird.
Verfahren zum Herstellen einer galvanischen Zelle des Typs von Anspruch 1, die folgenden Schritte umfassend: – Vorbehandeln einer Metallbüchse mit einer organischen Schicht, die die Innenfläche der Büchse bedeckt; – Befüllen der Metallbüchse mit einer positiven und einer negativen Elektrode; – Verbinden dieser Elektroden mit äußeren Polen mit Hilfe von Stromabnehmern; – Bereitstellen eines Elektrolyten in der Zelle und Schließen der Zelle mit Hilfe eines kappenförmigen positiven Pols, der, elektrisch isoliert, an dem oberen Rand der Metallbüchse befestigt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand des kappenförmigen positiven Pols mit einem ringförmigen Kunststoffelement ausgestattet wird, dass der obere Rand der Metallbüchse zu einem verschließbaren Sitz für den kappenförmigen positiven Pol geformt wird, dass bei Schließen der Zelle der positive Pol auf dem Sitz platziert wird, wobei die organische Schicht den positiven Pol und den Randabschnitt der Metallbüchse trennt, worauf der Randabschnitt der Metallbüchse um das ringförmige Kunststoffelement herumgepresst wird und Wärme zu dem gepressten Randabschnitt der Metallbüchse zugeführt wird, um die organische Schicht örtlich zu erweichen, bis das ringförmige Kunststoffelement und der gepresste Randabschnitt aneinander befestigt sind.