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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische
Zellen, d.h. Batterien, und insbesondere auf eine dichte Verschluss-Anordnung, um
das offene Ende eines Alkalibatterie-Behälters dicht zu verschließen.
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Konventionelle
elektrochemische Alkalizellen schließen im Allgemeinen einen zylindrischen Stahlbecher
ein, der eine positive Elektrode aufweist, die als Kathode bezeichnet
wird und Mangandioxid als aktives Material umfasst. Die elektrochemische Zelle
schließt
auch eine negative Elektrode ein, die als Anode bezeichnet wird
und Zinkpulver als aktives Material umfasst. In einer Zellenkonstruktion
vom Spulentyp ist die Kathode typischerweise zur Innenfläche des
verschlossenen Bechers hin ausgebildet, während die Anode im Allgemeinen
in der Mitte des Bechers angeordnet ist. Alternativ dazu sind in
Jelly-Roll-Zellen die Anode und die Kathode spiralförmig gewickelt.
Ein Separator ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet,
und eine alkalische Elektrolyt-Lösung,
die typischerweise Kaliumhydroxid (KOH) umfasst, steht gleichzeitig
mit der Anode, der Kathode und dem Separator in Kontakt. Ein leitfähiger Stromkollektor
wird üblicherweise
in das aktive Anoden-Material eingefügt, und eine Dichtungsanordnung,
die ein Dichtungsteil einschließt,
stellt einen Verschluss für
das offene Ende des Stahlbechers bereit, um die aktiven elektrochemischen
Materialien in dem abgeschlossenen Volumen des Bechers dicht zu
verschließen.
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Zylindrische
Alkalizellen werden üblicherweise
verschlossen, indem man eine vorher zusammengebaute Kollektor- und
Dichtungsanordnung in das offene Ende des Stahlbechers einführt, so
dass die Anordnung im Inneren des Stahlbechers angeordnet ist. Die
Kollektor- und Dichtungsanordnung schließt typischerweise den Kollektornagel,
eine ringförmige Nylon-Dichtung
und eine Metall-Innenabdeckung ein, die die Nylon-Dichtung radial
stützt.
Der Stahlbecher hat an seinem offenen Ende typischerweise eine Verjüngung oder
eine sich nach innen erstreckende Wulst, die dazu dient, die Kollektor-
und Dichtungsanordnung in der erwünschten Richtung zu stützen, bevor
sie an ihrem Platz befestigt wird. Nachdem die Kollektor- und Dichtungsanordnung
in den Becher eingeführt
worden ist, wird eine Metall-Außenabdeckung über der
Anordnung angeordnet, und die Anordnung und die Abdeckung werden
an ihrem Platz befestigt, indem man den Becher radial gegen die Kollektor-
und Dichtungsanordnung und die Außenabdeckung drückt und
den Rand des Bechers über den
peripheren Rand der Kollektor- und Dichtungsanordnung und der Außenabdeckung
falzt, um die Außenabdeckung
und die Kollektor- und Dichtungsanordnung in dem offenen Ende des
Stahlbechers zu befestigen.
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Ein
Dichtungsmittel, wie Asphalt, wird zuweilen an der Becher- und Dichtungs-Grenzfläche angewandt,
um weiterhin zu verhindern, dass alkalische Elektrolyt-Lösung durch den umfalzten Verschluss ausläuft. Das
Dichtungsmittel dient dazu, ein Auslaufen zu verhindern, während der
umfalzte Verschluss dem Becherverschluss die strukturelle mechanische Festigkeit
verleiht. Das Dichtungsmittel muss im Allgemeinen gegenüber den
inneren Bestandteilen der Batterie chemisch beständig sein, einschließlich des alkalischen
Elektrolyts, der typischerweise Kaliumhydroxid umfasst. Mit den
konventionellen Techniken des umfalzten Verschlusses nimmt die Dichtungsanordnung
ein beträchtliches
Volumen innerhalb des Bechers ein und schränkt die Höhe ein, die für aktive elektrochemische
Materialien verfügbar
ist, einschließlich
der positiven Elektrode und der negativen Elektrode.
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WO-A-99/34457
offenbart einen Batteriebecher, der Folgendes aufweist: Schultern
an beiden Enden, wobei ein Klebstoff von der Außenseite des Bechers um die
Schultern herum aufgetragen wird, und Deckel, die einen Durchmesser
haben, der größer ist
als derjenige des Bechers, um die Öffnung zu verschließen.
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DD-A-152235
offenbart einen ähnlichen
Batteriebecher, der eine Polyolefin-Beschichtung und einen "Plastring" aufweist, um den
Becher und den Deckel abzudichten. Auch in diesem Fall hat der Deckel einen
größeren Durchmesser
als der Becher.
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Demgemäß ist es
wünschenswert,
dem offenen Ende des Behälters
einen nicht umfalzten, dichten Verschluss zur Verfügung zu
stellen, der einen starken mechanischen Verschluss für eine alkalische elektrochemische
Zelle bietet. Zusätzlich
dazu ist es erwünscht,
einen dichten Verschluss bereitzustellen, der Elektroden mit ausgedehnter
Höhe ermöglicht.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine nicht umfalzte alkalische elektrochemische
Zelle bereit, die einen Klebverschluss aufweist, wobei die elektrochemische
Zelle Folgendes umfasst:
einen Behälter mit einem offenen Ende
und einer Seitenwand,
eine positive Elektrode, die in dem Behälter angeordnet
ist,
eine negative Elektrode, die in dem Behälter angeordnet
ist,
eine alkalische Elektrolyt-Lösung, die in dem Behälter angeordnet
ist,
eine Abdeckung, die am offenen Ende des Behälters angeordnet
ist und
eine periphere Wand hat, die sich radial außerhalb der
Seitenwand des Behälters
erstreckt, und
einen Klebstoff, der zwischen der Seitenwand
des Behälters
und der peripheren Wand der Abdeckung angeordnet ist, um die Abdeckung
mit dem Behälter zu
verkleben,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrochemische
Zelle weiterhin eine Dichtung umfasst, die zwischen der Seitenwand
des Behälters und
der peripheren Wand der Abdeckung angeordnet ist, und der Behälter eine
erste abgesetzte Oberfläche
und eine zweite abgesetzte Oberfläche umfasst, wobei die erste
abgesetzte Oberfläche
mit dem Klebstoff verklebt ist und die zweite abgesetzte Oberfläche in die
Dichtung eingreift.
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Weiterhin
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine nicht umfalzte alkalische
elektrochemische Zelle, die einen Klebverschluss aufweist, wobei die
elektrochemische Zelle Folgendes umfasst: einen Behälter, der
ein offenes Ende und eine Seitenwand hat, eine positive Elektrode,
die in dem Behälter
angeordnet ist, eine negative Elektrode, die in dem Behälter angeordnet
ist, eine alkalische Elektrolyt-Lösung, die in dem Behälter angeordnet
ist, eine Abdeckung, die am offenen Ende des Behälters angeordnet ist, wobei
die Abdeckung eine periphere Wand hat, die sich radial außerhalb
der Seitenwand des Behälters
erstreckt, einen ersten Klebstoff, der zwischen der Abdeckung und
dem Behälter
angeordnet ist, und einen zweiten Klebstoff, der zwischen der Abdeckung
und dem Behälter
angeordnet ist.
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Diese
und andere Merkmale, Vorteile und Zwecke der vorliegenden Erfindung
werden dem Fachmann unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung,
die folgenden Ansprüche
und Zeichnungen weiterhin klar werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen ist
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1 eine
partielle Querschnitt-Längsansicht
einer elektrochemischen Zelle, die eine Klebverschluss-Anordnung
zum dichten Verschließen des
offenen Endes des Bechers gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist; und
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2 eine
partielle Querschnitt-Längsansicht
einer elektrochemischen Zelle ist, die eine Klebverschluss-Anordnung
zum dichten Verschließen des
offenen Endes des Bechers gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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In 1 ist
eine zylindrische elektrochemische Alkalizelle 10 dargestellt,
in der eine Klebverschluss-Anordnung vorliegt, um das offene Ende
des Zellenbehälters
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dicht zu verschließen. Die elektrochemische Zelle 10 schließt einen
zylindrischen Stahlbecher 12 ein, der ein geschlossenes
unteres Ende 14, ein offenes oberes Ende 16 und
Seitenwände
aufweist, die sich zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende
erstrecken. Das geschlossene untere Ende 14 des Bechers 12 schließt einen
hervorstehenden Auswuchs 18 ein, der im mittleren Bereich
desselben ausgebildet ist, um den positiven Kontaktpol der Zelle 10 bereitzustellen.
Der positive Kontaktpol 18 kann integral im unteren Ende 14 des
Bechers 12 ausgebildet sein oder könnte an das flache untere Ende
des Bechers 12 geschweißt oder anderweitig befestigt
werden.
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Am
oberen offenen Ende 16 des Stahlbechers 12 ist
eine Metall-Abdeckung 30 montiert, die das offene Ende 16 des
Stahlbechers 12 bedeckt und dicht verschließt. Die
Metall-Abdeckung 30 dient als negativer Kontaktpol der
Zelle 10. Die negative Metall-Abdeckung 30 ist
an einen Stromkollektor 28 geschweißt oder anderweitig mit demselben
elektrisch verbunden, der einen Messingnagel einschließen kann,
der einen länglichen
Körper
und einen verbreiterten Kopf an einem Ende aufweist. Die Abdeckung 30 ist
gegen den Stahlbecher 12 durch eine Klebverschluss-Anordnung
dicht verschlossen, wie sie hierin gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben wird.
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Ein
metallisiertes Kunststofffolien-Etikett 20 ist an der Außenfläche des
Stahlbechers 12 ausgebildet, außer an den Enden des Stahlbechers 12.
Das Folienetikett 20 ist über dem peripheren Rand des unteren
Endes 14 des Stahlbechers 12 ausgebildet und kann
sich teilweise über
die negative Abdeckung 30 hin erstrecken, wie gezeigt wird.
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Eine
Kathode 22 ist auf der Innenfläche des Stahlbechers 12 ausgebildet.
Die Kathode 22 kann gemäß einem
Beispiel aus einer Mischung von Mangandioxid, Graphit, Kaliumhydroxid-Lösung und
Additiven gebildet werden. Ein Separator 24, der aus einem
Faservlies hergestellt sein kann, das die Wanderung irgendwelcher
fester Teilchen in die Zelle verhindert, ist auf der Innenfläche der
Kathode 22 angeordnet. Eine Anode 26 wird mit
einem Elektrolyt in dem Separator 24 und mit dem Stromkollektor 28 in Kontakt
stehend angeordnet. Die Anode 26 kann gemäß einem
Beispiel aus Zinkpulver, einem Geliermittel und Additiven bestehen.
Demgemäß ist die
Kathode 22 als die positive Elektrode konfiguriert, und
die Anode 26 ist als die negative Elektrode konfiguriert. Obwohl
eine zylindrische Zellen-Konstruktion vom Spulentyp gezeigt wird,
sollte darauf hingewiesen werden, dass die elektrochemische Zelle 10 anders konstruiert
sein kann, als Jelly-Roll-Zellenkonstruktion
oder als Zellenkonstruktion vom Miniaturknopf-Typ.
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Das
obere Ende des Stahlbechers 12 hat nach innen abgestufte
Oberflächen,
die sich radial nach innen zur zentralen Längsachse des Stahlbechers 12 an
dem offenen Ende erstrecken. Der Stahlbecher 12 schließt eine
erste nach innen abgestufte Oberfläche 34 ein, die radial
nach innen in einen schrägen
Winkel übergeht.
Zwischen der Oberfläche 34 und
dem offenen Ende 16 des Stahlbechers 12 ist eine
zweite abgestufte Oberfläche 35 angeordnet, die
weiterhin radial nach innen in einen schrägen Winkel übergeht. Die zweite abgestufte
Oberfläche 35 ist
daher weiter radial nach innen angeordnet, verglichen mit der ersten
abgestuften Oberfläche 34.
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Die
negative Abdeckung 30 ist im Allgemeinen becherförmig und
hat eine periphere Außenwand,
die sich um die Außenseite
der Seitenwandflächen 34 und 35 des
Stahlbechers 12 erstreckt. Demgemäß ist die periphere Wand 32 radial
außerhalb der
Seitenwandflächen 34 und 35 angeordnet
und erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu denselben. Die negative
Abdeckung 30 schließt
eine abgestufte Oberfläche 33 ein,
die im Wesentlichen an den Übergang
der abgestuften Oberfläche 35 in
dem Stahlbecher 12 angeglichen ist und so konfiguriert
ist, dass sie in ein Dichtungsteil 38 eingreift, um einen
dichten Verschluss zu bilden. Die periphere Wand 32 wird
mit der Außenfläche des
Stahlbechers 12 durch eine Klebstoffschicht 36 verklebt,
die entlang der abgestuften Oberfläche 34 angeordnet
ist. Die Klebstoffschicht 36 kann ein Epoxy wie ein Zweikomponenten-Epoxy
einschließen,
das im Handel von Minnesota Mining and Manufactoring Company erhältlich ist und
als SCOTCH-WELD® 2216
verkauft wird. Die Klebstoffschicht 36, in der ein Epoxy,
wie das oben erwähnte
Epoxy, verwendet wird, kann ein Epoxyharz, wie Bisphenol-A-Epoxyharz,
das die CAS Nummer 25068-38-6 hat, in Kombination mit einem geeigneten
Polymer (Härtungsmittel)
einschließen.
Es sollte klar sein, dass andere Additive verwendet werden können, ohne
dass von den Lehren der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
Beispiele anderer geeigneter Klebstoffe können die Folgenden einschließen: SCOTCH-WELD® Epoxy-Klebstoff
DP 190, der auch von Minnesota Mining and Manufactoring Company erhältlich ist,
das Fünfminuten-Epoxyharz
mit einem Bisphenol-A-Diglycidylether-Harz, das auch die CAS Nummer
25068-38-6 hat und im Handel von ITW Devcon erhältlich ist, und Armstrong MD-48-Harz, das
die chemische Bezeichnung Epoxy auf der Basis von Bisphenol A/Epichlorhydrin
hat, die CAS Nummer 25068-38-6 aufweist und im Handel von Armstrong
Products Division erhältlich
ist.
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Zwischen
der abgestuften Oberfläche 35 des Bechers 12 und
der abgestuften Oberfläche 33 der Abdeckung 30 ist
eine Nylon-Dichtung 38 angeordnet. Die Nylon-Dichtung 38 kann
in Form eines konzentrischen Rings vorliegen, und vorzugsweise ist sie
im Allgemeinen über
der ersten abgestuften Oberfläche 34 angeordnet,
um abzudichten und zu verhindern, dass Kaliumhydroxid-Lösung ausläuft und
in Kontakt mit der Klebstoffschicht 36 gelangt. Demgemäß erstreckt
sich die periphere Wand 32 der negativen Abdeckung 30 radial
außerhalb
und über der
Dichtung 38 und den abgestuften Seitenwandflächen 34 und 35 des
Stahlbechers 12, um so die Wand 32 durch die Klebstoffschicht 36 an
die abgestufte Oberfläche 34 zu
kleben und die Dichtung 38 zwischen der Oberfläche 33 der
peripheren Wand 32 und der abgestuften Oberfläche 35 des
Stahlbechers 12 zusammenzudrücken. Das nach unten gerichtete Anordnen
der negativen Abdeckung 30 auf dem Stahlbecher 12 verursacht,
dass die Dichtung 38 während
und nach Härtung
der Klebstoffschicht 36 zusammengedrückt wird. Die Klebstoffschicht 36 stellt
vorzugsweise eine starke mechanische Bindung bereit, um ein Verschließen der
Abdeckung 30 gegenüber
dem Stahlbecher 12 beizubehalten, während die Dichtung 38 ein
Auslaufen von Elektrolyt-Lösung
aus dem Inneren der elektrochemischen Zelle 10 in die äußere Umgebung
verhindert.
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Es
sollte klar sein, dass die Abdeckungsanordnung der vorliegenden
Erfindung an den Stahlbecher 12 montiert wird, ohne dass
ein umfalzter Verschluss verwendet wird, wodurch sich eine nicht
umfalzte elektrochemische Alkalizelle ergibt. Stattdessen wird die
negative Abdeckung 30 auf der Oberseite des offenen Endes 16 des
Stahlbechers 12 auf derartige Weise eingeführt, dass
die periphere Wand 32 der Abdeckung 30 radial
außerhalb
der abgestuften Oberflächen 34 und 35 der
Seitenwände
des Stahlbechers 12 angeordnet ist. Das äußerste Ende der
peripheren Wand 32 wird durch die Klebstoffschicht 36 mit
dem Stahlbecher 12 verklebt und sitzt über der abgewinkelten, schiefen
Ebene, die zur ersten abgestuften Oberfläche 34 führt. Die
Klebstoffschicht 36 dient auch als Dielektrikum, um die
negative Abdeckung 30 gegenüber dem Stahlbecher 12 elektrisch
zu isolieren, um so eine Trennung der positiven Polarität und der
negativen Polarität
aufrechtzuerhalten, während
gleichzeitig die negative Abdeckung 30 mit dem Stahlbecher 12 mechanisch
verklebt wird. Zusätzlich
dazu verhindert die zusammengedrückte
Dichtung 38 ein Ausfließen von alkalischer Elektrolyt-Lösung, so
dass die Klebstoffschicht nicht mit Kaliumhydroxid in Kontakt kommt.
Demgemäß kann die
negative Abdeckung 30 nach unten gerichtet auf dem Stahlbecher 12 in
einer derartigen Weise angeordnet werden, dass die Dichtung 38 zwischen der
Oberfläche 35 des
Stahlbechers 12 und der peripheren Wand 32 zusammengedrückt wird,
um ein Eingreifen der Dichtung bereitzustellen, das ausreichend
ist, um ein Ausfließen
von alkalischer Elektrolyt-Lösung
aus dem Innenvolumen der elektrochemische Zelle 10 zu verhindern.
Indem das Bedürfnis nach
einem umfalzten Verschluss eliminiert wird, ermöglicht es die elektrochemische
Zelle 10 in vorteilhafter Weise, dass sich die Kathode 22 und
die Anode 26 näher
zum offenen Ende des Stahlbechers 12 hin erstrecken, und
daher bietet sie eine größere verfügbare Innenhöhe für aktive
elektrochemische Materialien.
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In 2 wird
der obere Teil einer elektrochemischen Alkalizelle 110 gezeigt,
die eine Klebverschluss-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist. Die elektrochemische Zelle 110 schließt gleichermaßen einen
Stahlbecher 112 ein, der ein geschlossenes unteres Ende
(nicht gezeigt), Seitenwände
und ein oberes offenes Ende, eine Kathode 22, einen Separator 24,
eine Anode 26 und einen Stromkollektor 28 aufweist.
Die Seitenwände
des Stahlbechers 112 schließen die radial nach innen gerichtete,
abgestufte Oberfläche 134 ein,
die nahe dem offenen Ende des Stahlbechers 112 lokalisiert
ist. Die elektrochemische Zelle 110 schließt eine äußere negative
Abdeckung 130 ein, die mit dem Stromkollektor 28 verschweißt oder
anderweitig verbunden ist. Der Stromkollektor 28 wird in
ein Öffnungsloch
einer polymeren Dichtung 138 eingefügt und kann mit einer polymeren Dichtung 138 verklebt
werden. Zusammen bilden die Dichtung 138 und die negative
Abdeckung 130 eine Abdeckungsanordnung zum Verschließen des
offenen Endes des Stahlbechers 112. Die Dichtung 138 wird über eine
Klebstoffschicht, die als oberer Anteil 135 bzw. als unterer
Anteil 136 gezeigt wird, mit dem Stahlbecher 112 verklebt.
Die polymere Dichtung 138 kann aus Nylon oder einem anderen
geeigneten Material bestehen.
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Insbesondere
wird die Innenfläche
der Dichtung 138 mit der Außenfläche der abgestuften Oberfläche 134 des
Stahlbechers 112 verklebt. Die obere Klebstoffschicht 135 ist
mit der alkalischen Kaliumhydroxid-Elektrolytlösung chemisch kompatibel, und daher
unterliegt sie keiner Beschädigung
durch das Kaliumhydroxid, die ein übermäßiges Ausfließen ergeben
würde.
Die untere Klebstoffschicht 136 ist vorzugsweise gleichermaßen mit
der alkalischen Kaliumhydroxid-Elektrolytlösung chemisch kompatibel. Beispiele
der Klebstoffschichten 135 und 136 können das
Epoxyharz einschließen,
das oben in Verbindung mit der Klebstoffschicht 36 diskutiert
wurde. Es sollte jedoch klar sein, dass für die untere Klebstoffschicht 136 andere
Klebstoffe verwendet werden können,
die gegenüber
einer durch Kaliumhydroxid verursachten Beschädigung weniger beständig sind,
da die obere Klebstoffschicht 135 den Übergang von Kaliumhydroxid
zur unteren Klebstoffschicht 136 verhindert. Die untere
Klebstoffschicht 136 kann Klebstoffe einschließen, wie
Loctide-Produkt 3650 Polyolefin-Heißschmelzkleber, Loctide-Produkt 3642 Polyamid-Heißschmelzkleber
und Urethan-Dichtungsmittel, die alle von Loctide Corporation erhältlich sind, und
Dow Corning 730 lösungsmittelbeständiges Dichtungsmittel
(100% Fluorsilicon-Kautschuk), das im Handel von Dow Corning Corporation
erhältlich ist.
Die Dichtung 138 erstreckt sich radial außerhalb entlang
der Wände
des Stahlbechers 112 in einer derartigen Weise, dass das
offene Volumen des Stahlbechers 112 für aktive elektrochemische Materialen
verfügbar
bleibt. Demgemäß können die
Anode 26 und die Kathode 22 eine größere Höhe einnehmen,
als es sonst bei konventionellen Zellenanordnungen mit umfalztem
Verschluss möglich
wäre.
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Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise eine Klebverschluss-Anordnung
bereit, um das offene Ende eines Batteriebehälters abzudichten und zu verschließen, ohne
dass ein umfalzter Verschluss notwendig wäre. Die klebbondierte Abdeckung
wird auf derartige Weise mit dem Batteriebecher verklebt und gegenüber demselben abgedichtet,
dass ein Auslaufen von alkalischer Elektrolytlösung verhindert wird, während eine
große
mechanische Klebefestigkeit bereitgestellt wird, um die Abdeckung
auf dem Stahlbecher dicht verschlossen zu halten. Durch Klebbondieren
der Abdeckung auf den Außenwänden des
Stahlbechers in den Zellen 10 und 110 ist zusätzlich dazu
ein größeres Innenvolumen
für aktive
elektrochemische Elektrodenmaterialien verfügbar, was vorteilhafterweise
eine verbesserte Leistungsfähigkeit
des Betriebsablaufs ergibt.