DE60111030T2

DE60111030T2 - Elektrochemische zelle mit erhöhtem volumen

Info

Publication number: DE60111030T2
Application number: DE60111030T
Authority: DE
Inventors: R. William BENNETT; E. Robert RAY; Diana Dreher
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: TW507390B; AU2001243582A1; US6759162B2; US20010055715A1; DE60111030D1; EP1266413B1; WO2001069698A1; EP1266413A1; ATE296484T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf alkalische elektrochemische Zellen, typischerweise auf Zellen, die eine Metallanode und eine Luftkathode haben, die üblicherweise als Metall-Luft-Zellen bekannt sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf verschiedene strukturelle Merkmale der Zelle, die die Herstellbarkeit der Zelle verbessern, das Innenvolumen der Zelle erhöhen, das für aktives Material verfügbar ist, und die Dichtung der Zelle verbessern.
Elektrochemische Zellen werden typischerweise in Vorrichtungen verwendet, die ein fixiertes Volumen haben, das für die Zelle oder die Zellen verfügbar ist. Um die Zunahme des Volumens an aktivem Material, das in der Zelle verwendet wird, zu erhöhen, ist es daher notwendig, das Volumen der Zelle zu reduzieren, das durch die nicht reaktiven Komponenten eingenommen wird. Typischerweise wird dies auf dem Gebiet der Metall-Luft-Zellen durch die Verwendung von Becher-, Deckel- und/oder Dichtungskomponenten erreicht, die reduzierte Wanddicken haben.
JP-A-02012754 offenbart nicht alkalische Knopfzellen mit einem Größenverhältnis von größer als 1,35.
Die Konstruktion der typischen Metall-Luft-Zelle macht es erforderlich, dass eine bestimmte Volumenmenge, die ansonsten für aktive Komponenten verfügbar ist, bei der Erzeugung einer Abstufung entlang der Seitenwand des Anodendeckels verwendet wird. Diese Abstufung wird verwendet, um die Zelle zu einem geschlossenen Zustand zu crimpen, und sie wird auch beim Herstellungsverfahren als eine Fläche verwendet, auf die eine Kraft ausgeübt werden kann, um den Deckel in eine Zellen-Konfiguration mit dem Kathodenbecher und der Dichtung zu treiben. Anmelder haben gefunden, dass zusätzliches Volumen, das für aktives Material verfügbar ist, erreicht werden kann, indem man eine flache Abstufung in einer Metall-Luft-Zelle verwendet. Diese flache Abstufung erhöht die Menge an Volumen, das für aktives Material verfügbar ist, während die Fähigkeit zum Schließen oder wirksamen Crimpen der Zelle und zum Treiben des Deckels in die erwünschte Position, wie sie während des Herstellungsverfahrens erforderlich ist, beibehalten werden.
Die typische Metall-Luft-Zelle wird durch Crimpen der Seitenwände des Kathodenbechers über der Abstufung, die in der Seitenwand des Deckels ausgebildet ist, verschlossen. Anmelder haben gefunden, dass ein wirksameres Abdichten möglich ist, wenn der Radius des Becher-Crimpens größer ist als der Radius des Deckels, der die Deckel-Abstufung bildet. Die Dichtung ist besonders vorteilhaft, wenn sie in Verbindung mit der flachen Abstufung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Eine flache Abstufung erzeugt ein erhöhtes Potential dafür, dass der Becher sich auch mit anderen Bechern während des Herstellungsverfahrens verschachteln kann. Entweder der Becher selbst oder die Anordnung von Becher und Dichtung kann dazu neigen, sich mit ähnlichen Komponenten zu verschachteln, wenn sie entlang einer Zellen-Konstruktionsstraße transportiert werden. Dieses Verschachteln ist unerwünscht, weil die Komponenten vor dem Zusammenbauen der Zelle getrennt werden müssen. Anmelder haben gefunden, dass dieses Verschachteln verhindert werden kann, indem man bestimmte Innen- und Außendurchmesser für den Deckel beibehält, während dennoch ein erhöhtes Volumen bereitgestellt wird, das für aktive Materialien verfügbar ist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Zunahme des Volumens bereitzustellen, das für aktives Material in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Metall-Luft-Zelle, verfügbar ist, indem eine flache Abstufung entlang der Seitenwand des Deckels bereitgestellt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Dichtung für eine elektrochemische Zelle bereitzustellen, indem ein Becher-Crimpradius beibehalten wird, der kleiner ist als der Radius, der die Seitenwand-Abstufung des Deckels definiert.
Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Deckel oder eine Deckel- und Dichtungsanordnung bereitzustellen, die solche Ausmaße hat, dass das Verschachteln ähnlicher Komponenten vermieden wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine depolarisierte, alkalische elektrochemische Luftzelle bereit, umfassend

– eine Metall-Anode
– eine Luft-Kathode
– einen Anoden-Deckel, der ein oberes Ende, ein unteres offenes Ende und eine Seitenwand aufweist, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt, wobei der Anoden-Deckel weiterhin wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwand hat, wobei jede Abstufung durch einen ersten Radius und einen zweiten Radius entlang der Seitenwand definiert ist, wobei der erste Radius zum unteren offenen Ende des Anoden-Deckels hin vorliegt und der zweite Radius zum oberen Ende des Anoden-Deckels hin entlang der Seitenwand vorliegt;
– einen Kathoden-Becher, der ein oberes Ende und ein unteres geschlossenes Ende und eine Seitenwand aufweist, die sich zwischen dem oberen Becherende und dem unteren Becherende erstreckt, wobei die Becher-Seitenwand zu einem Kathoden-Becher-Schließradius im Schulterbereich der Zelle aufgebildet ist; und
– eine Dichtung, die zwischen dem Anoden-Deckel und dem Kathoden-Becher vorliegt; wobei das Verhältnis der Gesamtzellenhöhe, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zur oberen Fläche des oberen Deckelendes gemessen wird, zu der Becherhöhe, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zum oberen Rand des Bechers gemessen wird, größer als 1,35 ist.

Die Erfindung stellt weiterhin einen Anoden-Deckel für eine elektrochemische Zelle bereit, wobei der Anoden-Deckel einen oberen Außendurchmesser und einen unteren Außendurchmesser umfasst, wobei das Verhältnis des oberen Durchmessers zum unteren Durchmesser größer als oder gleich 0,86 ist, und das Verhältnis der Deckelhöhe am oberen Durchmesser zur Deckelhöhe am unteren Durchmesser nicht größer als 2,19 ist. Für diese minimale Horizontale oder Wegstrecke und maximale Vertikale oder Anstieg wird eine flache Abstufung gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Anoden-Deckel für eine elektrochemische Zelle bereit, wobei der Anoden-Deckel ein geschlossenes oberes Ende, ein offenes unteres Ende und eine Seitenwand umfasst, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt, wobei die Seitenwand eine Abstufung und einen im Wesentlichen senkrechten Abschnitt zwischen der Abstufung und dem geschlossenen Ende umfasst. Durch vertikales Ausdehnen der Seitenwand in dem Bereich über der Abstufung kann das Innenvolumen einer Zelle vergrößert werden, verglichen mit einer konventionellen Zelle, und die sich ergebende Zelle mit erhöhtem Volumen passt vorteilhafterweise in einen konischen Hohlraum.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Anoden-Deckel für eine elektrochemische Zelle bereit, wobei der Deckel ein oberes Ende und ein unteres offenes Ende und Seitenwände umfasst, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstrecken, wobei der Deckel einen ersten Deckel-Innendurchmesser hat, der am unteren offenen Ende gemessen wird, und einen Deckel-Außendurchmesser hat, der an dem Punkt gemessen wird, wo der Radius der Deckelecke in die Deckel-Seitenwand übergeht. Der erste Deckel-Innendurchmesser übersteigt den Deckel-Außendurchmesser. Der Deckel hat wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwände, wobei jede Abstufung durch einen ersten Radius und einen zweiten Radius entlang der Seitenwände definiert ist, wobei der erste Radius zum unteren offenen Ende des Deckels vorliegt und der zweite Radius zum oberen Ende des Deckels entlang der Seitenwände vorliegt. Der Deckel hat einen zweiten Deckel-Innendurchmesser, der an dem Punkt gemessen wird, wo der zweite Radius in die Deckel-Seitenwand übergeht. Der Deckel hat eine erste und eine zweite vertikale Höhe, die jeweils vom unteren Ende des Deckels bis zu dem Punkt, wo der Radius der Deckelecke in die Seitenwand übergeht, bzw. bis zu dem Punkt, wo der zweite Radius der Abstufung in die Seitenwand übergeht, gemessen werden. Der Deckel-Außendurchmesser übersteigt den zweiten Deckel-Innendurchmesser, und die Differenz der ersten vertikalen Höhe minus der zweiten vertikalen Höhe ist größer als Null. Indem man diese Beziehung zwischen dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Deckels beibehält, wird ein Verschachteln der Deckel während des Verfahrens des Zusammenfügens der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Anoden-Deckel- und Dichtungsanordnung für eine elektrochemische Zelle bereit. Der Anoden-Deckel umfasst ein oberes Ende und ein unteres offenes Ende und eine Seitenwand, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt. Der Deckel umfasst weiterhin einen Deckel-Außendurchmesser, der an dem Punkt gemessen wird, wo der Radius der Deckelecke in die Deckel-Seitenwand übergeht. Die Seitenwand des Deckels hat eine Abstufung, die zwischen zwei im Wesentlichen senkrechten Abschnitten ausgebildet ist. Die Dichtung umgibt das offene Ende des Deckels, wobei die Dichtung einen inneren Dichtungsanteil umfasst, der radial nach innen von der Innenfläche der Deckel-Seitenwände aus angeordnet ist und einen inneren Dichtungsdurchmesser definiert. Der Außendurchmesser des Deckels übersteigt den Innendurchmesser der Dichtung. Indem man diese Beziehung zwischen dem Innendurchmesser der Dichtung und dem Außendurchmesser des Deckels beibehält, wird ein Verschachteln der Deckel- und Dichtungsanordnung während des Verfahrens des Zusammenfügens der Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine elektrochemische Zelle bereit, umfassend einen Anoden-Deckel, einen Kathoden-Becher und eine Dichtung, die zwischen dem Anoden-Deckel und Kathoden-Becher angeordnet ist. Der Deckel umfasst ein oberes Ende, ein unteres offenes Ende und eine Seitenwand, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt. Der Becher umfasst weiterhin wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwand, wobei jede derartige Abstufung durch einen ersten Radius und einen zweiten Radius entlang der Seitenwand definiert ist, wobei der erste Radius zum unteren offenen Ende des Deckels hin vorliegt, und der zweite Radius zum oberen Ende des Deckels entlang der Seitenwand hin vorliegt. Der Becher umfasst ein oberes Ende, ein geschlossenes unteres Ende und eine Seitenwand, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende des Bechers erstreckt, wobei die Becher-Seitenwände zu einem Becher-Schließradius im Schulterbereich der Zelle ausgebildet sind. Das Verhältnis der Gesamthöhe der Zelle zur Höhe des Bechers ist größer als 1,35. Wenn man diese Beziehung zwischen der Gesamthöhe der Zelle und der Höhe des Bechers beibehält, hat eine elektrochemische Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung ein erhöhtes Innenvolumen und eine stärker konische Außenform, verglichen mit konventionellen Zellen. Die sich ergebende Zelle passt vorteilhafterweise in einen konischen Hohlraum und stellt – verglichen mit konventionellen Zellen – eine erhöhte Entladungskapazität bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine elektrochemische Zelle vom Knopftyp bereit, die einen Anoden-Deckel, einen Kathoden-Becher und eine Dichtung, die zwischen dem Deckel und dem Becher angeordnet ist, umfasst. Der Anoden-Deckel hat ein oberes Ende, ein unteres Ende und eine Seitenwand, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt, sowie wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwand. Jede Abstufung wird durch einen ersten Radius und einen zweiten Radius entlang der Seitenwand definiert, wobei der erste Radius zum unteren offenen Ende des Deckels hin vorliegt, und der zweite Radius zum oberen Ende des Deckels hin entlang der Seitenwand vorliegt. Der Becher hat ein oberes Ende, ein unteres geschlossenes Ende und eine Seitenwand, die sich zwischen dem oberen Becherende und dem unteren Becherende erstreckt, wobei die Seitenwand des Bechers zu einem Kathoden-Becher-Schließradius im Schulterbereich der Zelle ausgebildet ist. Die Gesamtzellenhöhe, die von der unteren Fläche des unteren Becher-Endes zur oberen Fläche des oberen Deckel-Endes gemessen wird, minus der Höhe des Kathoden-Bechers, die von der unteren Fläche des unteren Becher-Endes zum oberen Rand des Bechers gemessen wird, ist im Allgemeinen größer als oder gleich 1,02 mm (0,04 inch). Die sich ergebende Zelle passt vorteilhafterweise in einen konischen Hohlraum und stellt ein erhöhtes Innenvolumen bereit, verglichen mit konventionellen Zellen.
Diese und andere Merkmale, Vorteile und Zwecke der vorliegenden Erfindung werden weiterhin durch den Fachmann unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen verstanden und richtig beurteilt.
Die vorliegende. Erfindung wird ferner unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen
1 eine Querschnittsansicht eines Anoden-Deckels gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht verschiedener Komponenten einer elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine weitere Darstellung des Anoden-Deckels ist, der in der 1 gezeigt wird,
4 und eine weitere Darstellung der in der 2 gezeigten elektrochemischen Zelle ist.
Wenn man sich auf 1 bezieht, so wird dort ein Anoden-Deckel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Alle Referenzen auf "Außen"maße beziehen sich hierin auf Größen, die sich zwischen Punkten erstrecken, die auf der Außenfläche der Zelle oder Komponente lokalisiert sind. Alle Referenzen auf "Innen"maße beziehen sich hierin auf Größen, die sich zwischen Punkten erstrecken, die auf der Innenfläche der Zelle oder Komponente lokalisiert sind. Der Anoden-Deckel 1 kann ein elektrochemisch aktives Material wie Zink und Elektrolyt zur Verwendung in einer elektrochemischen Luftzelle, vorzugsweise einer Luft-depolarisierten alkalischen Zelle, enthalten.
Der Anoden-Deckel 1 umfasst ein oberes Ende 2 und ein unteres offenes Ende 3 mit einer Seitenwand 4, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt. Eine Abstufung ist entlang der Seitenwand ausgebildet und durch einen ersten Radius 6 hin zu dem unteren offenen Ende 3 des Deckels definiert und durch einen zweiten Radius 7 hin zum geschlossenen oberen Ende 2 des Deckels definiert. Vorzugsweise ist die Abstufung zwischen zwei im Wesentlichen senkrechten Abschnitten der Seitenwand 4 ausgebildet. "Im Wesentlichen senkrecht", wie es hierin verwendet wird, bedeutet nicht mehr als 6° von einer echten Senkrechten. Wie in der 1 ersichtlich ist, umfasst die Abstufung eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente. Das obere Ende des Deckels 1 ist durch einen Eckenradius 8 definiert (zwei solche Ecken erscheinen in der Schnittansicht). Der Deckel 1 hat einen oberen Außendurchmesser A und einen unteren Außendurchmesser B. Der obere Außendurchmesser A wird an dem Punkt genommen, wo der zweite Radius 7 in die Seitenwand 4 des Deckels übergeht. Dieser Punkt wird mit 7A bezeichnet. Der untere Außendurchmesser B wird an dem Punkt genommen, wo der erste Radius 6 in die Seitenwand 4 des Deckels übergeht. Dieser Punkt wird mit 6B bezeichnet. Die Deckelhöhe am oberen Außendurchmesser ist C in der 1, und die Deckelhöhe am unteren Außendurchmesser ist D in der 1.
Der Anoden-Deckel 1 schließt weiterhin einen ersten Deckel-Innendurchmesser E ein, der am unteren offenen Ende 3 des Anoden-Deckels 1 gemessen wird, und einen Deckel-Außendurchmesser F, der an dem Punkt gemessen wird, wo der Radius der Deckelecke 8 in die Seitenwand 4 des Deckels übergeht. Dieser Punkt wird mit 8F bezeichnet. Ein zweiter Deckel-Innendurchmesser G wird an dem Punkt gemessen, wo der zweite Radius 7 in die Seitenwand 4 des Deckels übergeht. Dieser Punkt wird mit 7G bezeichnet.
Die 2 erläutert verschiedene Komponenten einer elektrochemischen Zelle 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zelle 20 schließt einen Anoden-Deckel 1, eine Dichtung 9 und einen Kathoden-Becher 10 ein. Während des Zusammenbauens der Zelle werden der Anoden-Deckel 1 und die Dichtung 9 zuerst verbunden, bevor das Verbinden mit dem Kathoden-Becher 10 erfolgt. Eine Anoden-Deckel- und Dichtungs-Anordnung, wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich auf den Anoden-Deckel 1 und die Dichtung 9 zusammen genommen. Die Dichtung 9 umgibt das offene Ende 3 des Anoden-Deckels 1. Die Dichtung 9 umfasst einen inneren Dichtungsanteil 11, der sich radial nach innen von der Innenfläche der Deckel-Seitenwand 4 aus erstreckt. Der innere Dichtungsanteil 11 schließt einen Dichtungsfuß 12 ein, der einen Deckel-Innendurchmesser H definiert, der am kleinsten Durchmesser gemessen wird. Der Kathoden-Becher 10 umfasst ein oberes offenes Ende 13 und ein unteres Ende 14 und die Seitenwand 15, die sich zwischen dem oberen Becherende und dem unteren Becherende erstreckt. Die Becher-Seitenwand 15 bildet einen Becher-Schließradius 16 an dem Schulterbereich 17 der Zelle 20.
Ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf den Anoden-Deckel 1 in 3 und die elektrochemische Zelle 20 in 4 beschrieben. Die Maße, die für dieses Beispiel bereitgestellt wurden, sind in der Tabelle I unter "Beispiel 1" zusammengefasst.
Der Anoden-Deckel 1 der vorliegenden Erfindung wird wie folgt bereitgestellt. Eine flache Abstufung wird entlang der Anodendeckel-Seitenwand 4 bereitgestellt, indem man zuerst das erforderliche Verhältnis des oberen Außendurchmessers und des unteren Außendurchmessers, wie sie hierin definiert sind, bereitstellt. Im Beispiel 1 ist der obere Außendurchmesser A des Deckels etwa 7,37 mm (0,29 inch) und der untere Außendurchmesser B des Deckels ist etwa 8,48 mm (0,334 inch). Das Verhältnis A/B ist 0,87, entsprechend der horizontalen Komponente der Abstufung. Für eine horizontale Komponente von 0,86 ist die bevorzugte maximale vertikale Komponente 2,19. Mit einer solchen horizontalen Komponente erzeugen vertikale Komponenten, die 2,19 nicht übersteigen, eine Abstufung, die eine ausreichende Crimp-Oberfläche gewährleistet, um die Zelle zu verschließen. Die vertikale Komponente wird bestimmt, indem man das Verhältnis der Deckelhöhe am oberen Außendurchmesser C zur Deckelhöhe am unteren Außendurchmesser D nimmt. Im Beispiel 1 ist die Deckelhöhe am oberen Durchmesser C 2,01 mm (0,079 inch) und die Deckelhöhe am unteren Durchmesser D ist 0,91 mm (0,036 inch). Gleichermaßen ist – wie dem Fachmann klar ist – für eine vertikale Komponente eines Wertes von 2,19 die bevorzugte minimale horizontale Komponente 0,86. Mit einer derartigen vertikalen Komponente wird eine Abstufung mit einer ausreichenden Crimp-Oberfläche zum Verschließen der Zelle bei einer horizontalen Komponente von wenigstens 0,86 gewährleistet.
Der Anoden-Deckel 1 hat einen ersten Deckel-Innendurchmesser E von etwa 8,13 mm (0,32 inch) und einen Deckel-Außendurchmesser F von etwa 7,21 mm (0,284 inch). Es ist klar, dass der erste Deckel-Innendurchmesser E es ermöglicht, dass das obere Ende eines nachfolgenden Deckels in das Innere des anfänglichen Deckels eintritt, wobei es eventuell ermöglicht wird, dass sich beide Deckel "verschachteln". Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein solches Verschachteln verhindert, indem ein Eintreten des nachfolgenden Deckels in den anfänglichen Deckel über die Abstufung in der Deckel-Seitenwand des anfänglichen Deckels hinaus blockiert wird. Dies wird erreicht, indem man einen zweiten Deckel-Innendurchmesser G bereitstellt, der eine derartige Größe hat, dass der Deckel-Außendurchmesser F größer ist als der zweite Deckel-Innendurchmesser G. Im Beispiel 1 ist der zweite Deckel-Innendurchmesser G 6,96 mm (0,274 inch) (7,37–0,41 mm für zwei Wanddicken). Mit diesem Innendurchmesser wird der nachfolgende Deckel, der einen Deckel-Außendurchmesser von 7,21 mm (0,284 inch) hat, nicht über den zweiten Deckel-Innendurchmesser G des anfänglichen Deckels hinausgehen. Der Anoden-Deckel 1 wird dann mit einer Dichtung versehen, um eine Deckel- und Dichtungsanordnung zu bilden.
Der Anoden-Deckel 1 im Beispiel 1 hat auch einen flachen horizontalen Bereich am oberen Ende 2 mit einem Durchmesser I von 6,20 mm (0,244 inch). Der Anoden-Deckel 1 hat einen unteren Außendurchmesser J, der am oberen Ende 3 genommen wird, von 8,53 mm (0,336 inch). Der Anoden-Deckel 1 hat ferner eine vertikale Höhe K von 4,01 mm (0,158 inch), die vom offenen Ende 3 bis zum Punkt 8F gemessen wird, wo der Radius 8 in die im Wesentlichen vertikale Seitenwand 4 übergeht. Die gesamte Höhe M des Anoden-Deckels 1 ist 4,52 mm (0,178 inch). Das Verhältnis der gesamten Höhe M zum vertikalen Mittelpunkt der Abstufung ist 3,09 bis 1,0, wobei der vertikale Mittelpunkt der Abstufung die Hälfte der Summe der Größen von C und D beträgt, und die gesamte Höhe M das 2,25fache der Höhe C ist. Der Anoden-Deckel 1 hat eine Dicke L von 0,20 mm (0,0080 inch).
Im Allgemeinen wird es bevorzugt, dass Anoden-Deckel gemäß der vorliegenden Erfindung eine vertikale Höhe K haben, die wenigstens das zweifache der Deckelhöhe C am oberen Außendurchmesser A beträgt. Es wird auch bevorzugt, dass die Gesamthöhe M 4,52 mm (0,178 inch) oder größer ist, obwohl das Maximum durch die Fähigkeit zur Bildung von Anoden-Deckeln eingeschränkt ist. Vorzugsweise ist die Gesamthöhe M größer als das Zweifache der Höhe C oder gleich dem Zweifachen der Höhe C. Bevorzugte Anoden-Deckel haben ein Verhältnis von Gesamthöhe M zu einem vertikalen Mittelpunkt der Abstufung, das größer als 3:1 ist.
Ein Beispiel einer elektrochemischen Metall-Luft-Zelle 20 mit einem Anoden-Deckel 1, einer Dichtung 9 und einem Kathoden-Becher 10 wird nun unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben. Die Dichtung 9 umgibt das offene Ende 3 des Anoden-Deckels 1 und schließt einen inneren Dichtungsanteil ein, der radial nach innen von der Innenfläche der Deckel-Seitenwände angeordnet ist. Der innere Dichtungsanteil schließt einen Dichtungsfuß 12 ein, der einen Dichtungsinnendurchmesser H definiert. In diesem speziellen Beispiel ist der Dichtungsinnendurchmesser H 6,68 mm (0,263 inch). Bei dieser Größe ist eine nachfolgende Deckel- und Dichtungsanordnung nicht in der Lage, in das offene Ende der anfänglichen Deckel- und Dichtungsanordnung einzutreten, das der Deckel-Außendurchmesser F von 7,21 mm (0,284 inch) den Dichtungsinnendurchmesser H übersteigt.
Es ist klar, dass der innere Dichtungsanteil zweckmäßigerweise minimiert werden kann, um so viel Volumen wie möglich für aktive Materialien zurückzubehalten und dennoch einen Dichtungsinnendurchmesser von geeigneter Größe bereitzustellen, um ein Verschachteln der nachfolgenden Deckel- und Dichtungsanordnungen zu verhindern. Z.B. kann der Dichtungsfuß einen Vorsprung umfassen, der sich radial nach innen an einer oder mehreren Stellen rund um den Dichtungsanteil herum erstreckt. Der Dichtungsinnendurchmesser wird dann unter Verwendung des Vorsprungs gemessen, wobei der Vorsprung einen reduzierten Durchmesser bereitstellt, der ausreichend ist, um das Eindringen einer nachfolgenden Deckel- und Dichtungsanordnung in die anfängliche Deckel- und Dichtungsanordnung zu verhindern.
In der 4 schließt die Zelle 20 einen Anoden-Deckel 1, einen Kathoden-Becher 10 und eine Dichtung 9 ein, die zueinander angeordnet sind. Der Anoden-Deckel 1 umfasst ein oberes Ende 2, ein unteres offenes Ende 3 und eine Seitenwand 4, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende erstreckt. Eine Abstufung ist entlang der Seitenwände klar festgelegt und durch einen ersten Deckelradius und einen zweiten Deckelradius definiert, wobei der erste Deckelradius näher an dem unteren offenen Ende des Deckels vorliegt, und der zweite Deckelradius näher an dem oberen Ende des Anoden-Deckels vorliegt. Die Kathodenbecher-Seitenwand ist zu einem Becher-Schließradius 16 ausgebildet, der größer ist als der erste Radius 6, der die Anodendeckel-Abstufung definiert. Im Beispiel 1 hat der erste Deckelradius 6 einen Wert von 0,84 mm (0,033 inch), während der Becher-Schließradius 16 einen Wert von 1,52 mm (0,060 inch) hat. Der Schließradius 16 ist größer als der Radius 6, so dass die Dichtung 9 eine maximale Kompression an 6B auf dem Anoden-Deckel 1 hat. An Stellen oberhalb des Punktes 6B wird die Dichtung 9 in einem geringeren Maße komprimiert, verglichen mit der Kompression, die sie am Punkt 6B erfährt.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, wird angenommen, dass die Bereitstellung eines Radius für den Becher-Schließradius 16, der den ersten Deckelradius 6 übersteigt, eine Lokalisierung der Schließ- oder Crimpkraft ergibt. Diese Lokalisierung bewirkt, dass die Dichtung 9 einen erhöhten Betrag an Dehnung erfährt, wodurch sich eine Dichtung mit verbesserter Leistungsfähigkeit ergibt.
Es wird weiter gezeigt, dass die elektrochemische Zelle 20 des Beispiels 1 eine Gesamthöhe N, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zur oberen Fläche des oberen Deckelendes gemessen wird, von 5,33 mm (0,210 inch) aufweist. Die Höhe O der Seitenwand 15 des Kathoden-Bechers 10, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zu dem oberen Rand des Bechers gemessen wird, ist 2,69 mm (0,106 inch). Demgemäß ist die Differenz zwischen der Gesamthöhe N und Becherhöhe O 2,64 mm (0,104 inch) und das Höhenverhältnis N/O ist etwa 1,9. Das untere Ende 14 des Kathoden-Bechers 10 hat einen Durchmesser P von 9,17 mm (0,361 inch).
Beispiel 2 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 3 und 4 erläutert wird. Die Ausmaße des Anoden-Deckels 1 und der elektrochemischen Zelle 20 gemäß Beispiel 2 sind auch in der Tabelle I zusammengefasst. Die elektrochemische Zelle 20 des Beispiels 2 hat eine Zellen-Gesamthöhe N, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zur oberen Fläche des oberen Deckelendes gemessen wird, von 4,09 mm (0,161 inch) und eine Becherhöhe O, die von der unteren Fläche des unteren Becherendes zum oberen Rand des Bechers gemessen wird, von 2,95 mm (0,116 inch). Demgemäß ist die Differenz zwischen der Zellen-Gesamthöhe N und der Becherhöhe O 1,14 mm (0,045 inch) und das Höhenverhältnis N/O ist 1,39.
Im Allgemeinen haben Zellen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Höhenverhältnis N/O von größer als 1,35, mehr bevorzugt von größer als 1,50, noch mehr bevorzugt von größer als 1,7 und am meisten bevorzugt von größer als 1,9. Die Differenz zwischen der Zellen-Gesamthöhe N und der Becherhöhe O von Zellen der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise größer als oder gleich 1,02 mm (0,04 inch), mehr bevorzugt größer als oder gleich 1,52 mm (0,06 inch), noch mehr bevorzugt größer als oder gleich 2,03 mm (0,08 inch) und am meisten bevorzugt größer als oder gleich 2,54 mm (0,10 inch).
Demgemäß wurde die elektrochemische Zelle 20 der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem in den 3 und 4 bereitgestellten Beispiel beschrieben. Die Größen und Toleranzen, die in den Beispielen 1 und 2 bereitgestellt werden, sind weiterhin in der Tabelle I wie folgt aufgeführt.
Tabelle I
Die elektrochemische Zelle 20, die in den Beispielen 1 und 2 in der Tabelle I beschrieben ist und in den 3 und 4 gezeigt wird, ist eine Knopfzelle mit einer Gesamthöhe N, die nicht größer ist als der Durchmesser P des Bechers. Eine Knopfzelle ist eine bevorzugte Ausführungsform, insbesondere eine Luft-depolarisierte Knopfzelle. Es ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung in der Praxis in einer großen Vielfalt von elektrochemischen Zellen verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmte Zellwanddicken für den Deckel, den Becher oder die Dichtung oder auf die Material-Zusammensetzungen der verschiedenen Zellkomponenten beschränkt. Es ist auch klar, dass die Erfindung in der Praxis mit unterschiedlich geformten Zellen durchgeführt werden kann, einschließlich runder, ovaler, quadratischer, prismatischer oder anderer Konfigurationen.
Es ist klar, dass die Ausführungsformen, die in den Zeichnungen gezeigt und oben beschrieben wurden, nur dem Zwecke der Erläuterung dienen und nicht die Erfindung einschränken sollen.

Claims

Luft-depolarisierte, alkalische elektrochemische Zelle (20), umfassend eine Metall-Anode eine Luft-Kathode einen Anoden-Deckel (1), der ein oberes Ende (2), ein unteres offenes Ende (3) und eine Seitenwand (4) aufweist, die sich zwischen dem oberen Ende (2) und dem unteren Ende (3) erstreckt, wobei der Anoden-Deckel (1) weiterhin wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwand (4) hat, wobei jede Abstufung durch einen ersten Radius (6) und einen zweiten Radius (7) entlang der Seitenwand (4) definiert ist, wobei der erste Radius (6) zum unteren offenen Ende (3) des Anoden-Deckels (1) hin vorliegt und der zweite Radius (7) zum oberen Ende (2) des Anoden-Deckels (1) hin entlang der Seitenwand (4) vorliegt; einen Kathoden-Becher (10), der ein oberes Ende (13) und ein unteres geschlossenes Ende (14) und eine Seitenwand (15) aufweist, die sich zwischen dem oberen Becherende (13) und dem unteren Becherende (14) erstreckt, wobei die Becher-Seitenwand zu einem Kathoden-Becher (10)-Schließradius (16) im Schulterbereich (17) der Zelle (20) ausgebildet ist; und eine Dichtung (9), die zwischen dem Anoden-Deckel (1) und dem Kathoden-Becher (10) vorliegt; wobei das Verhältnis der Gesamtzellenhöhe (N), die von der unteren Fläche des unteren Becherendes (14) zur oberen Fläche des oberen Deckelendes (2) gemessen wird, zu der Becherhöhe (O), die von der unteren Fläche des unteren Becherendes (14) zum oberen Rand des Bechers (10) gemessen wird, größer als 1,35 ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis des oberen Außendurchmessers (A), der gemessen wird, wo der zweite Radius (7) in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht, zu dem unteren Außendurchmesser (B), der gemessen wird, wo der erste Radius (6) in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht, größer als oder gleich 0,86 ist, und das Verhältnis einer ersten Deckelhöhe (C), die am oberen Außendurchmesser gemessen wird, zu einer zweiten Deckelhöhe (D), die am unteren Außendurchmesser gemessen wird, nicht größer als 2,19 ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 2, wobei die Seitenwand (4) eine Abstufung und einen im Wesentlichen vertikalen Abschnitt zwischen der Abstufung und dem geschlossenen Ende (2) umfasst.
Zelle (20) gemäß den Ansprüchen 2 oder 3, wobei der Anoden-Deckel (1) weiterhin Folgendes umfasst: einen ersten Deckel-Innendurchmesser (E), der am unteren offenen Ende (3) gemessen wird, und einen Deckel-Außendurchmesser (F), der an einem Punkt (8F) gemessen wird, wo der Radius der Deckelecke (8) in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht; wenigstens eine Abstufung entlang der Seitenwände (4), wobei jede Abstufung durch einen ersten Radius (6) und einen zweiten Radius (7) entlang der Seitenwände (4) definiert ist, wobei der erste Radius (6) zum unteren offenen Ende (3) des Deckels (1) vorliegt, und der zweite Radius (7) zum oberen Ende (2) des Deckels (1) entlang der Seitenwände (4) vorliegt; einen zweiten Deckel-Innendurchmesser (G), der an einem Punkt (7G) gemessen wird, wo der zweite Radius (7) in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht; eine erste vertikale Höhe (K), die vom unteren Ende (3) bis zu dem Punkt (8F) gemessen wird, wo der Radius des Deckelrandes (8) in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht; und eine zweite vertikale Höhe (C), die vom unteren Ende (3) bis zu einem Punkt (7A) gemessen wird, wo der zweite Radius (7) dieser Abstufung in die Deckel-Seitenwand (4) übergeht; wobei der erste Deckel-Innendurchmesser (E) den Deckel-Außendurchmesser (F) übersteigt, der Deckel-Außendurchmesser (F) den zweiten Deckel-Innendurchmesser (G) übersteigt und die Differenz zwischen der ersten vertikalen Höhe (K) und der zweiten vertikalen Höhe (C) größer als Null ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 4, wobei die Gesamthöhe des Deckels (M) wenigstens das Doppelte der zweiten vertikalen Höhe (C) ausmacht.
Zelle (20) gemäß Anspruch 5, wobei das Verhältnis der Gesamthöhe (M) des Deckels (1) zum vertikalen Mittelpunkt der Abstufung, zwischen der ersten vertikalen Höhe (D) und der zweiten vertikalen Höhe (C), größer als drei ist.
Zelle (20) gemäß den Ansprüchen 5 oder 6, wobei die erste vertikale Höhe (K) wenigstens das Doppelte der zweiten vertikalen Höhe (C) ausmacht.
Zelle (20) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamthöhe (M) des Deckels (1) wenigstens 4,52 mm (0,178 inch) ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 8, wobei das Verhältnis der Gesamtzellenhöhe (N) zur Becherhöhe (O) größer als 1,5 ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 9, wobei das Verhältnis der Gesamtzellenhöhe (N) zur Becherhöhe (O) größer als 1,7 ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 10, wobei das Verhältnis der Gesamtzellenhöhe (N) zur Becherhöhe (O) größer als 1,9 ist.
Zelle (20) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtzellenhöhe (N) minus Kathoden-Becherhöhe (O) größer als oder gleich 1,02 mm (0,04 inch) ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 12, wobei die Gesamtzellenhöhe (N) minus Kathoden-Becherhöhe (O) größer als oder gleich 1,52 mm (0,06 inch) ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 13, wobei die Gesamtzellenhöhe (N) minus Kathoden-Becherhöhe (O) größer als oder gleich 2,03 mm (0,08 inch) ist.
Zelle (20) gemäß Anspruch 14, wobei die Gesamtzellenhöhe (N) minus Kathoden-Becherhöhe (O) größer als oder gleich 2,54 mm (0,10 inch) ist.
Zelle (20) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zelle eine Knopfzelle ist und die Gesamtzellenhöhe (N) nicht größer ist als der maximale Außendurchmesser (P) des Bechers.