DE60104862T2

DE60104862T2 - Batterie und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE60104862T2
Application number: DE60104862T
Authority: DE
Inventors: Masumi Katsumoto; Hideki Kasahara; Masaharu Miyahisa; Yoshihiro Boki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: CN1636290A; DE60104862D1; WO2002017412A2; WO2002017412A3; EP1312125B1; JP3923259B2; JP2002141100A; US7455930B2; TW508854B; US20030182792A1; CN1299385C; EP1312125A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Batterien für tragbare Vorrichtungen.
Hintergrund-Fachwissen
Wiederaufladbare Batterien, so wie wiederaufladbare Nickel-Metallhydrid Batterien und Lithium-basierte wiederaufladbare Batterien werden in weiten Kreisen verwendet als Stromquellen für tragbare Vorrichtungen, so wie tragbare Telefone, Personalcomputer des Notebook-Typs, Videokameras und ähnliches. Heutzutage wird eifrig eine weitere Miniaturisierung solcher elektronischer Geräte angestrebt. Um das Volumen zu minimieren, das durch Batterien in den Vorrichtungen eingenommen wird, sollten die Batterien, vom Gesichtspunkt der effizienten Nutzung des verfügbaren Raumes aus, eine prismatische Form aufweisen. Während eine prismatische Batterie eine vorzügliche Raumeffizienz bietet, weist sie jedoch im Vergleich mit einer zylindrischen Batterie die im Folgenden dargestellten Nachteile auf.
5 stellt eine perspektivische Teil-Ausschnittsansicht dar, die eine gewöhnlich verwendete prismatische, alkalische wiederaufladbare Batterie zeigt, und 6 stellt eine perspektivische, semi-graphische Teil-Schnittansicht dar, die eine gewöhnlich verwendete zylindrische, alkalische wiederaufladbare Batterie zeigt.
In der zylindrischen Batterie sind die Elemente für eine elektromotorische Kraft gestaltet durch das Wickeln eines Streifens einer positiven Elektrode 7 und eines Streifens einer negativen Elektrode 9 mit einem dazwischen angeordneten Separator 8 zu einer Rolle, wie in 6 dargestellt. Im Gegensatz dazu umfassen die Elemente für eine elektromotorische Kraft bei der prismatischen Batterie eine Mehrzahl von positiven Elektrodenplatten 7 und eine Mehrzahl von negativen Elektrodenplatten 9, die mit einer Mehrzahl von dazwischen angeordneten Separatoren aufeinander geschichtet sind, wie in 5 dargestellt. Folglich schließt die Herstellung der prismatischen Batterie weit mehr komplizierte Verfahrensschritte ein, was zu einer geringen Produktivität führt.
Insbesondere sind die Separatoren 8 für die prismatische Batterie in einer Taschenform gebildet, um eine der positiven und negativen Elektrodenplatten zu umhüllen, um ein Kurzschließen zu verhindern, wobei dieses ferner bewirkt, dass der Herstellungsvorgang kompliziert wird.
Außerdem ist es im Allgemeinen schwierig, einen vollständig luftdichten Verschluss zwischen dem Gehäuse 1 und der Verschlussplatte 3 am offenen Ende des prismatischen Batteriegehäuses bereitzustellen, was zu dem weiteren Nachteil führt, dass die Batterie schlechtere Merkmale bezüglich der Undichtigkeits-Sicherheit aufweist. Ein allgemein bekanntes Verfahren zur Abdichtung einer prismatischen Batterie umfasst das Schweißen der Grenzlinie zwischen der offenen Endkante des Gehäuses 1 und der Verschlussplatte 3 durch einen Laserstrahl. Das Verfahren erfordert an sich schon hohe Kosten, da es Laser verwendet, und es ist hinsichtlich der Zuverlässigkeit nicht notwendigerweise vielversprechend, aufgrund der Schwierigkeit, eine Laser-Leistungsabgabe zu steuern, um dauerhaftes Schweißen sicherzustellen.
Folglich haben sowohl die prismatische Batterie, als auch die zylindrische Batterie ihre jeweiligen Vorzüge und Nachteile, und es ist ein Kompromiss wünschenswert zwischen der Raumnutzungseffizienz der prismatischen Batterie und ihrer Minderwertigkeit bezüglich der Herstellbarkeit und Zuverlässigkeit verglichen mit der zylindrischen Batterie.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Batterie vorzustellen, die zur Verwendung in kleinen tragbaren Vorrichtungen passend ist und die hinsichtlich der Herstellbarkeit, Zuverlässigkeit und Raumeffizienz vorzügliche Eigenschaften aufweist.
Eine Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Metallgehäuse mit einem offenen Ende ein, eine Elektrodenplattenanordnung, welche in dem Metallgehäuse angeordnet ist, wobei das offene Ende des Metallgehäuses mit einer Verschlussplatte luftdicht verschlossen ist, worin das Metallgehäuse einen oberen Abschnitt aufweist, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und einen Gehäuseabschnitt, der einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist, wobei eine Seite des quadratischen Querschnitts des Gehäuseabschnitts eine Länge aufweist, die gleich oder größer ist, als der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts des oberen Abschnitts.
Verfahren zur Herstellung von Batterien, die ein Metallgehäuse mit einem offenen Ende, eine Elektrodenplattenanordnung, welche in dem Metallgehäuse angeordnet ist, und eine Verschlussplatte zum Verschließen des offenen Endes des Metallgehäuses umfassen, können gemäß der Erfindung die folgenden Schritte umfassen:

Anordnen der Elektrodenplattenanordnung in einem zylindrischen Gehäuse mit einem offenen Ende und einem Querschnittsdurchmesser, welcher größer ist als der der Verschlussplatte;
Verringern des Durchmessers des zylindrischen Gehäuses an einem oberen Endabschnitt, welcher das offene Ende desselben beinhaltet, um es mit dem Durchmesser der Verschlussplatte in Übereinstimmung zu bringen;
Verschließen des offenen Endes des zylindrischen Gehäuses mit der Verschlussplatte durch Verstemmen; und
Bearbeiten des zylindrischen Gehäuses, so dass es einen Gehäuseabschnitt mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist.

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine Vorderansicht der Batterie,
2B eine Schnittansicht der Batterie, ausgeführt in der Richtung des Pfeils II B – II B von 2A, und
2C eine Schnittansicht der Batterie, ausgeführt in der Richtung des Pfeils II C – II C von 2A;
3 ein Prozessablauf-Schaubild, welches das Verfahren zur Herstellung einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Form darstellt;
4A eine Ansicht eines Batteriegruppen-Gehäuses, worin die Batterien gemäß der Erfindung untergebracht sind,
4B eine Schnittansicht desselben,
4C eine Ansicht eines Batteriegruppen-Gehäuses, in dem als vergleichende Beispiele herkömmliche zylindrische Batterien untergebracht sind, und
4D eine Querschnittsansicht desselben;
5 eine perspektivische Teil-Ausschnittsansicht einer bekannten prismatischen alkalischen wiederaufladbaren Batterie; und
6 eine perspektivische semi-graphische, zur Hälfte den Querschnitt darstellende Ansicht einer bekannten zylindrischen alkalischen wiederaufladbaren Batterie.
Bestes Verfahren zum Ausführen der Erfindung
Im Folgenden wird die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahmen auf die beigefügten Abbildungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sollte der Begriff „Batterie" als Hochleistungsbatterien jeder Art verstanden werden, insbesondere wiederaufladbare Batterien, einschließlich Nickel-Metallhydrid Batterien, Nickel-Kadmium Batterien und lithium-basierte Batterien.
Mittels eines Beispiels wird die im Folgenden dargestellte bevorzugte Ausführungsform als eine Nickel-Metallhydrid Batterie beschrieben, welche auf Nickel basiertes Material für die positive Elektrode und eine Legierung zur Wasserstoffaufnahme für die negative Elektrode gebraucht.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung. 2A ist eine Vorderansicht und 2B und 2C sind Schnittansichten davon. In den 2B und 2C wurden zur Vereinfachung der Darstellung Elemente für die elektromotorische Kraft und andere strukturelle Bauteile weggelassen.
Die Batterie der vorliegenden Erfindung verwendet ein zylindrisches metallisches Bestandteil für das Gehäuse, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wird, und entsprechend sind die Elemente für die elektromotorische Kraft in einer gleichen Weise zusammengesetzt, wie bei der Herstellung von zylindrischen Batterien, welche in einfacher und effizienter Weise ausgeführt wird. Das Batteriegehäuse wird durch eine scheibenähnliche Verschlussplatte 3 durch Verstemmen verschlossen, wie in einer bekannten zylindrischen Batterie, so dass die Batterie exzellente Verschlusseigenschaften gegenüber dem Austreten von Elektrolyt aufweist.
Nach dem Zusammenbau wird die Batterie so bearbeitet, dass ihr Gehäuseabschnitt 1b einen quadratischen Querschnitt aufweist, wie in 2C dargestellt. Die Länge t 1 einer Seite des Querschnitts des Gehäuseabschnitts 1b ist gleich oder größer als der Durchmesser t 2 des Querschnitts des oberen Abschnitts 1a. Somit weist die Batterie einen im Wesentlichen prismatischen Gehäuseabschnitt 1b mit einem zylindrischen oberen Abschnitt 1a auf.
Vorzugsweise sollte der quadratische Querschnitt des Gehäuseabschnitts 1b leicht abgerundete Ecken aufweisen, wie in 2C dargestellt, wodurch das Batteriegehäuse eine vergrößerte Druckfestigkeit aufweist. Der Gehäuseabschnitt 1b kann ohne Weiteres gebildet werden, um solch einen Querschnitt von einem zylindrischen Bestandteil zu erhalten.
Die Batterie der Erfindung wird wie im Folgenden dargestellt gefertigt. In 3 kennzeichnet Bezugszeichen 2 einen Elektrodenplattenaufbau, der einen Streifen einer positiven Elektrodenplatte umfasst, die als aktive Masse Nickel-Hydroxid enthält, und einen Streifen einer negativen Elektrodenplatte umfasst, die ein Legierungspulver zur Wasserstoffaufnahme enthält, wobei diese zu einer Rolle mit einem dazwischen angeordneten Separator gewickelt sind. Ein Bleidraht 4 zum Sammeln von Strom, der aus Nickel gebildet ist, ist an das obere Teil der positiven Elektrodenplatte geschweißt. Der Separator ist aus Polypropylen gebildet und ist einer hydrophilen Behandlung unterzogen worden. Der Elektrodenplattenaufbau 2 wird in ein zylindrisches Metallgehäuse 1 eingeführt, das eine Höhe von 52 mm und einen Durchmesser von 11 mm aufweist. Das Metallgehäuse 1 dient auch als der negative Elektroden-Anschlusspunkt.
Nachdem der Elektrodenplattenaufbau 2 und eine Isolierscheibe 5, die zum Verhindern von Kurzschlüssen vorgesehen ist, innerhalb des Gehäuses 1 untergebracht sind, wird das Gehäuse 1 der Pressformung ausgesetzt, um den Durchmesser seines oberen Abschnitts 1a auf etwa 9,8 mm zu verringern. Der „obere Abschnitt 1a" der Batterie ist der etwa 8 mm lange obere Endabschnitt des zylindrischen Gehäuses 1 von seiner offenen oberen Endkante.
Dann wird eine zylindrische innere Form (nicht dargestellt) in die obere Öffnung des Gehäuses 1 eingepasst, während das Gehäuse 1 nach oben gedrückt und gedreht wird, wobei eine Walzen-Form, die sich in einer entgegengesetzten Richtung zur Drehrichtung des Gehäuses 1 dreht, gegen den oberen Abschnitt 1a gepresst wird. Auf diese Weise wird eine Rille 6 oder eine ringförmige Aussparung auf der Seitenwand des oberen Abschnitts 1a gebildet, so dass die Elektrodenplattengruppe 2 fest innerhalb des Gehäuses 1 gehalten wird.
Anschließend wird alkalisches Elektrolyt in das Gehäuse 1 eingespritzt, und die Verschlussplatte 3 und der Bleidraht 4 werden mittels Widerstandsschweißung miteinander verbunden. Die Verschlussplatte 3, die als positiver Elektroden-Anschlusspunkt dient, ist über dem ringförmigen Vorsprung angeordnet, welcher die rückwärtige Seite der Rille 6 darstellt, innerhalb des oberen Abschnitts 1a, und die obere Endkante des Gehäuses 1 wird nach innen verstemmt, wobei auf diese Weise die Batterie luftdicht verschlossen wird.
Die auf diese Weise erzielte Batterie wird dann einer anfänglichen Aufladung und Entladung ausgesetzt, wonach der Batteriegehäuse-Abschnitt 1b der Pressformung unterzogen wird, so dass dieser einen quadratischen Querschnitt auf weist. In dieser Ausführungsform weist der quadratische Querschnitt des Gehäuseabschnitts 1b eine Seitenlänge von 10 mm auf, mit abgerundeten Ecken mit einem Rundungshalbmesser von 3 mm.
Die 4A bis 4D sind Schaubilder, die für den Vergleich der Effizienz in der Ausnutzung des Raumes bestimmt sind, der in einem Batteriegruppen-Gehäuse zum Bilden einer Batteriegruppe verfügbar ist, zwischen der Batterie gemäß der Erfindung und einer bekannten zylindrischen Batterie mit einem Durchmesser von 10 mm.
Beispielsweise sind die Batterie A, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren erzielt wurde, und die herkömmliche zylindrische Batterie B, jede in einer Dreier-Gruppe, jeweils in Batteriegruppen-Gehäusen 10 untergebracht. Wie in den 4B und 4D am besten zu erkennen ist, nutzt die Batterie A effizient den innerhalb des Batteriegruppen-Gehäuses verfügbaren Raum aus, indem sie einen im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt aufweist und folglich über eine größere Kapazität als die Batterie B verfügt. Die Vergrößerung des inneren Fassungsvermögens führt offensichtlich zu verschiedenen Vorteilen bezüglich der Leistung der Batterie.
Die vorstehend beschriebene spezielle Ausführungsform veranschaulicht die Technik der Erfindung. Es versteht sich deshalb, dass andere Mittel, die denen bekannt sind, welche im Fachgebiet erfahren sind, oder die hierin dargestellt sind, eingesetzt werden können, ohne sich von der Erfindung oder dem Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche zu entfernen. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung nicht auf Batteriegehäuse begrenzt, die Enden einschließen, welche mit gebogenen Kanten mit konstanten Krümmungsradien gebildet sind, sondern sie kann Batteriegehäuse einschließen, mit Kanten, die unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, oder mit Abschnitten, die unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie vorstehend beschrieben, besitzt die vorliegende Erfindung die Vorzüge sowohl der zylindrischen Batterie als auch der prismatischen Batterie, und stellt eine zuverlässige und leicht herzustellende Hochleistungsbatterie bereit, die in effizienter Weise innerhalb begrenzter Räume untergebracht werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Batterie, die ein Metallgehäuse mit einem offenen Ende, eine Elektrodenplattenanordnung, welche in dem Metallgehäuse angeordnet ist und eine Verschlussplatte zum Verschließen des offenen Endes des Metallgehäuses umfasst, mit den Schritten: – Anordnen der Elektrodenplattenanordnung (2) in einem zylindrischen Gehäuse (1) mit einem offenen Ende und einem Querschnittsdurchmesser, welcher größer ist als der der Verschlussplatte (3); und – Verringern des Durchmessers des zylindrischen Gehäuses an einem oberen Endabschnitt, welcher das offene Ende desselben beinhaltet, um es mit dem Durchmesser der Verschlussplatte in Übereinstimmung zu bringen, – Verschließen des offenen Endes des zylindrischen Gehäuses mit der Verschlussplatte durch Verstemmen; und – Bearbeiten des zylindrischen Gehäuses, so dass es einen Gehäuseabschnitt (ib) mit einem im Wesentlichen quadratischen Querschnitt aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach Anspruch 1, wobei eine Seite des quadratischen Querschnitts des Gehäuseabschnitts des zylindrischen Gehäuses eine Länge größer oder gleich dem Durchmesser des oberen Gehäuseabschnitts des zylindrischen Gehäuses aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei der quadratische Querschnitt des Gehäuseabschnitts des zylindrischen Gehäuses abgerundete Ecken aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Verschlussplatte (3) scheibenförmig ist und das offene Ende des metallischen Gehäuses mit der Verschlussplatte durch Verstemmen verschlossen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenplattenanordnung einen Streifen einer positiven Elektrodenplatte und einen Streifen einer negativen Elektrodenplatte beinhaltet, welche laminiert und zu einer Rolle mit einem dazwischen angeordneten Separator gewickelt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Batterie eine alkalische wiederaufladbare oder eine lithiumbasierte wiederaufladbare Batterie ist.