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Die
Erfindung bezieht sich auf die elektrische Verbindung eines Elektrodenanschlusses
an einer Stromausgangsklemme und insbesondere einer Klemme des Typs „Glas-Metall-Durchführung", die üblicherweise
bei kleinformatigen elektrochemischen Generatoren verwendet wird.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf elektrochemische Generatoren
für tragbare
Geräte,
deren Kapazität
im Allgemeinen kleiner als 20 Ah ist, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf
hermetisch geschlossene Lithiumgeneratoren. Die Erfindung bezieht
sich ferner auf das Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung.
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Ein
elektrochemischer Generator umfasst ein elektrochemisches Bündel, bestehend
aus einer Wechselfolge positiver und negativer Elektroden, die einen
mit Elektrolyt getränkten
Separator mit Masse verbinden. Jede Elektrode besteht meistens aus
einem Metallstromabnehmer, der auf zumindest einer seiner Oberflächen den
elektrochemisch aktiven Stoff trägt.
Die Elektrode ist elektrisch an einen Stromausgang angeschlossen,
der den elektrischen Durchgang zwischen der Elektrode und der externen Anwendung
sicherstellt, mit welcher der Generator verbunden ist. Dieser Stromausgang
kann der Behälter
des Generators oder eine Ausgangsklemme sein.
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Das
Generatorgehäuse
weist Öffnungen
zur Aufnahme von Vorrichtungen auf, mit welchen eine Verbindung
des elektrochemischen Bündels
und seiner Umgebung nach draußen
hergestellt werden kann, wie beispielsweise Stromeingangs- und Ausgangsklemmen
und eine Sicherheitsvorrichtung im Falle eines inneren Überdrucks.
Das Gehäuse
kann außerdem
mit einer Öffnung
zum Einfüllen
eines flüssigen
Elektrolyten versehen sein.
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Die
Klemmen eines elektrochemischen Generators haben eine zweifache
Funktion: Einerseits gewährleisten
sie die durchgehende elektrische Verbindung zwischen den Elektroden
des elektrochemischen Generators und der externen Anwendung, mit welcher
er verbunden ist, andererseits dienen sie dem dichten Verschluss
des Generators. Die Klemme führt
durch die Wand des Generatorbehälters: Der
außerhalb
des Behälters
liegende Teil nimmt die von der externen Anwendung ausgehenden Anschlüsse auf,
der innen gelegene Teil ist mit den Elektroden verbunden. Diese
Klemme kann in einem Stück
aus dem Behälter
gebildet oder an diesen angebracht sein. Wenn sie am Behälter angebracht
ist, wird üblicherweise
eine Abdichtung und elektrische Isolierung zwischen dem Stromausgang
und dem Behälter
des Generators vorgesehen. Die sogenannten „Glasmetalldurchführungs"-Klemmen (GMD-Klemmen) weisen zur
Sicherstellung der durchgehenden elektrischen Verbindung einen zentralen
Metallstift auf, der mit einer Glasdichtung umgeben ist, die einerseits
mit dem Metallstift und andererseits mit der Wand des Behälters, beispielsweise dem
Deckel, in welchen die Klemme eingesetzt ist, dicht verbunden ist.
Diese GMD-Klemmen sind im Allgemeinen klein und der Durchmesser
des zentralen Metallstiftes ist kleiner als dessen Länge. Beispielsweise
beträgt
sein Durchmesser zwischen 1,5 und 2 mm und seine Länge zwischen
5 und 8 mm, wobei der Durchmesser der Klemme zwischen 10 und 17
mm beträgt.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten
des elektrischen Anschlusses einer Elektrode an eine Stromausgangsklemme.
Eine dieser Möglichkeiten besteht
in der Verwendung einer stromleitenden Leiste oder eines dünnen Metallbandes,
welche/s mit einem Ende an den Rand des Stromabnehmers der Elektrode
und mit dem anderen Ende an den im Innern des Behälters gelegenen
Teil der Klemme geschweißt
wird. In der praktischen Anwendung wird zum Anschließen einer
Elektrode an einen Stromausgang, beispielsweise an eine Klemme,
die durch einen Deckel hindurchführt,
das Ende der Leiste positioniert, gehalten und am innenliegenden
Teil der Klemme befestigt. Der Generator wird daraufhin mit Hilfe
des Deckels verschlossen.
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Wenn
der elektrochemische Generator einen flüssigen Elektrolyten enthält, ist
es erforderlich, eine Einfüllöffnung,
im Allgemeinen im Deckel, vorzusehen. Bei kleinen Generatoren kann
diese Öffnung
im Innern der Stromausgangsklemme vorgesehen werden, um Platz auf
dem Deckel zu gewinnen. Dies ist beispielsweise der Fall bei dem
im Dokument JP-60 023 970 beschriebenen Generator, der eine hohle GMD-Klemme
aufweist, um die Einfüllung
des Elektrolyten zu ermöglichen.
Die Einfüllöffnung wird
danach mit einem in das Rohr eingesetzten Stab geschlossen, dann
wird durch Verstemmen eine Verengung des Rohres bewirkt und schließlich die Öffnung mittels
Laserschweißen
dicht verschlossen. Die elektrische Verbindung erfolgt durch einen
Anschluss, der an der zylindrischen Seitenfläche des Innenteils des Metallstiftes
angebracht ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
lässt sich
die Positionierung der dünnen
Leiste gegenüber
dem innenliegenden Teil der Klemme sowie das Festhalten der Leiste
vor deren Befestigung schlecht bewerkstelligen. Das Schließen des
Deckels erzeugt dann eine komplexe Faltung der Verbindung. Während dieses
Vorgangs besteht die Gefahr einer Beschädigung der Befestigung der
Leiste an der Klemme beziehungsweise der Leiste selbst. Die daraus
erfolgenden Risiken bestehen einerseits im Auftreten von Kurzschlüssen und
andererseits im Verschluss des unteren Teils der Elektrolyteinfüllöffnung.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der
Technik und insbesondere das Risiko eines Verschlusses der Elektrolyteinfüllöffnung zu
beseitigen. Zu diesem Zweck schlägt
sie einen elektrochemischen Generator vor, bei welchem die elektrische
Verbindung des Anschlusses an der Klemme dieses Risiko unterbindet.
Sie schlägt
ferner ein Verfahren zur Herstellung dieses Generators vor.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Verbindungssystem
eines flachen Anschlusses an einer Stromausgangsklemme, mit einem
stromleitenden, rohrförmigen
Stift. Der Anschluss umfasst eine Öffnung und ist an einem Querschnitt
des Metallstiftes in solcher Weise befestigt, dass die Öffnung und
die Innenseite des Stiftes übereinstimmen.
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Somit
kann die Gesamthöhe
des Metallstiftes, d.h. die Höhe
des Verbindungssystems, im Vergleich zu einem System, bei welchem
der Anschluss an einer Seitenfläche
des Metallstiftes angebracht ist, reduziert werden.
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Vorzugsweise
wird der Anschluss an den Metallstift geschweißt, um einen zuverlässigen elektrischen
Kontakt zu gewährleisten.
Außerdem
wird bei einem Kippversuch bei einer solchen Befestigung ein viel
besseres Verhalten beobachtet, als bei einem an die Seitenfläche des
Metallstiftes geschweißten Anschluss.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf einen elektrochemischen Generator
mit einem elektrischen Verbindungssystem, aufweisend einen mit einer
der Elektroden elektrisch verbundenen, flachen Abschluss und eine
Stromausgangsklemme, die einen stromleitenden Mittelstift aufweist,
wobei der Stift rohrförmig
ausgebildet ist und mit einem Ende zur Außenseite und mit dem anderen
Ende zur Innenseite des Gene rators mündet, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anschluss eine Öffnung
aufweist und in solcher Weise an die innere Querschnittsfläche des
Stiftes geschweißt
ist, dass die Öffnung
mit der Innenseite des Stiftes übereinstimmt.
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In
diesem Falle ist die Länge
des Anschlusses, die für
die Positionierung der Verbindung erforderlich ist, geringer als
bei herkömmlichen
Generatoren. Eine verkürzte
Länge erleichtert
die Positionierung des Anschlusses im Innern des Generators, wenn
dieser geschlossen wird. Auf diese Weise werden Kurzschlüsse verhindert.
Außerdem
wird das Risiko einer Versperrung des Kanals im Innern des Stiftes
ausgeschlossen. Grund hierfür
ist das Vorhandensein einer Öffnung
im Anschluss und die Aufrechterhaltung der Lage dieser Öffnung in
Bezug auf den Stift.
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Vorzugsweise
besteht die Stromausgangsklemme aus zumindest einem stromleitenden,
rohrförmigen,
mit einer ringförmigen
Glasdichtung umgebenen Mittelstift.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines elektrischen Verbindungssytems, mit einem flachen Anschluss
und einer Stromausgangsklemme, aufweisend einen stromleitenden,
rohrförmigen
Stift. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Platzieren
des Anschlusses an einem Querschnittsende des Stiftes, Befestigen
des Anschlusses an diesem Ende und schließlich Durchstechen des Anschlusses.
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Der
Anschluss wird zunächst
an einem Querschnittsende des Stiftes angeordnet, welcher mit einer
Klemme gehalten wird. Die Position des Anschlusses auf der Stromausgangsklemme
bietet den Vorteil, dass die Stelle, an welcher die Befestigung vorgenommen
wird, während
der gesamten Dauer des Vorgangs sichtbar bleibt.
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Vorteilhafterweise
wird der Anschluss auf solche Weise an den Stift geschweißt, dass
eine zuverlässige
Befestigung gewährleistet
ist. Vorzugsweise wird der Anschluss an den Stift elektrisch geschweißt. In diesem
Falle kann die Klemme eine erste Schweißelektrode darstellen, deren
Position während
des Schweißvorgangs
erhalten bleibt, und der Anschluss wird mit Hilfe einer zweiten,
beweglichen Schweißelektrode,
die genau an die Schweißstelle bewegt
werden kann, an den Stift elektrisch geschweißt.
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Schließlich wird
der Anschluss mit Hilfe eines in das Innere des Stiftes eingeführten Werkzeugs durchstoßen, um
eine Öffnung
zu erhalten. Vorteilhafterweise wird diese Öffnung dadurch erzeugt, dass
das Material eingestochen und durchstoßen wird, um so einen Einschnitt
zu erhalten. Auf diese Weise fallen beim Durchstoßen keine
Späne oder Metallstaub
an, der im Innern des Generators zurückbleiben und Kurzschlüsse erzeugen
könnte.
Außerdem
garantiert das Durchstoßen
des Anschlusses nach dessen Befestigung am Stift die Übereinstimmung
der Innenseite des Rohres mit der erhaltenen Öffnung.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines elektrochemischen Generators, der einen flachen Anschluss
und eine Stromausgangsklemme aufweist, aufweisend einen stromleitenden,
rohrförmigen
Stift, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Halten
des Stiftes mit Hilfe einer Klemme, die eine erste Schweißelektrode
bildet, die vorzugsweise feststehend ist,
- – Platzieren
des Anschlusses am inneren Querschnittsende des Stiftes,
- – Elektrisches
Schweißen
des Anschlusses an dieses Ende mit Hilfe einer zweiten Elektrode,
die vorzugsweise beweglich ist, um an die Schweißstelle bewegt zu werden,
- – Durchstechen
des Anschlusses mit Hilfe eines in das Innere des Stiftes eingeführten Werkzeugs in
solcher Weise, dass durch das Einstechen und Durchstoßen des
Materials eine Öffnung
erhalten wird.
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Nach
dem Einfüllen
des Elektrolyten in den elektrochemischen Generator wird der Innenkanal des
Stiftes mit Hilfe eines Metallstabs verschlossen. Vorteilhafterweise
ist der Innendurchmesser der Öffnung
des Anschlusses kleiner als der Innendurchmesser des Stiftes. Auf
diese Weise wird der Metallstab zurückgehalten und fällt nicht
in den Generator. Es ist daher nicht erforderlich, den Metallstab
zu crimpen oder zu verstemmen, um ihn während des Verschweißens in
Stellung zu halten.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die nur zum Zwecke der Darstellung und nicht
als einschränkend
zu betrachten ist. In den beigefügten Zeichnungen
zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer Stromausgangsklemme des Typs „Glas-Metall-Durchführung" (GMD), deren Mittelstift
einen Innenkanal zum Einfüllen
eines flüssigen
Elektrolyten aufweist;
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2 ist
ein Querschnitt des Deckels eines elektrochemischen Generators,
bestehend aus einer Stromausgangsklemme des Typs GMD, deren Mittelstift
einen Innenkanal zum Einfüllen
eines flüssigen Elektrolyten
aufweist;
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3 zeigt
den elektrischen Verbindungsvorgang eines Elektrodenanschlusses
an eine GMD-Klemme nach dem Stande der Technik;
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4 zeigt
eine Teilansicht des Querschnitts eines elektrochemischen Generators,
in welcher die Elektrode mit einer herkömmlichen GMD-Klemme verbunden
ist;
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5 zeigt
den elektrischen Verbindungsvorgang eines Elektrodenanschlusses
an eine erfindungsgemäße GMD-Klemme;
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6 zeigt
den Vorgang des Durchstoßens des
Anschlusses nach dessen Befestigung am Stift,
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7 zeigt
eine Teilansicht des Querschnitts eines elektrochemischen Generators,
in welcher die Elektrode mit einer erfindungsgemäßen GMD-Klemme elektrisch verbunden
ist.
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In 1 wird
in einem Querschnitt eine Stromausgangsklemme 1 des Typs „Glas-Metall-Durchführung" (GMD) dargestellt.
Die Klemme besteht aus einem hohlen Mittelstift 2, der
einen Innenkanal 3 aufweist, welcher beim Einfüllen des Elektrolyten
als Durchgang dient. Der rohrförmige Mittelstift 2 ist
von einer ringförmigen
Glasdichtung 4 umgeben, die der Verbindung mit dem Deckel 5 des Akkumulators
dient. Der Deckel 5 besteht aus Metall und kann als Klemme
mit entgegengesetzter Polarität
verwendet werden.
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2 stellt
eine Variante 21 des gleichen Klemmentyps dar, allerdings
ist sie zur Verwendung für
größere Generatoren
bestimmt. Die Klemme umfasst einen Mittelstift 22, der
mit einem Innenkanal 23 zur Durchführung des Elektrolyten versehen
und mit einer Glasdichtung 24 umgeben ist. Diese Dichtung ist
mit einer Metallschale 25 verbunden, die beispielsweise
an den Deckel 26 eines Generators geschweißt werden
kann.
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Die 3 und 4 zeigen
eine elektrische Verbindung nach dem Stande der Technik zwischen einem
mit dem elektrochemischen Bündel 32 verbundenen
Anschluss 31 und einer in den Deckel 34 eines Generators 35 eingesetzten
Stromausgangsklemme 33.
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In 3 ist
zu sehen, dass der Anschluss 31 über eine ausreichende Länge verfügen muss,
um auf der Seitenfläche 36 des
Stiftes 37 der Klemme 33 angeordnet werden zu
können.
Der Anschluss 31 wird auf die Seitenfläche 36 des Stiftes 37 zwischen einer
feststehenden Elektrode 38 und einer beweglichen Elektrode 39 geschweißt. Der
Deckel 34 wird dann heruntergeklappt, um den Generator 35 zu schließen.
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4 ist
eine Querschnittsansicht des Generators 35 mit geschlossenem
Deckel 34. Es ist hier der Stift 37 zu sehen,
der mit einer Glasdichtung 40 umgeben ist, die ihn mit
dem Deckel 34 verbindet. Beim Schließen nimmt der Anschluss 31 eine
flache „S"-Form an, um zwischen
dem elektrochemischen Bündel 32 und
dem Deckel 34 untergebracht werden zu können, indem er unter dem unteren
Teil des Stifts 37 durchgeführt wird. Dabei besteht das
Risiko, dass der Durchfluss des Elektrolyten verhindert wird. Die elektrische
Isolierung zwischen dem Deckel 34 und dem Anschluss 31 wird
durch eine obere Isolierscheibe 41 gewährleistet. Eine schalenförmige Isolierscheibe 42 ist
zur Isolierung zwischen dem Anschluss 31 und dem elektrochemischen
Bündel 32 erforderlich.
Nach dem Einfüllen
des Elektrolyten wird ein Nagel 43 in den Innenkanal 44 des
Stiftes 37 eingesetzt und dessen oberes Ende 45 wird
zur Abdichtung des Generators 35 verschweißt.
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Die 5 bis 7 zeigen
eine erfindungsgemäße elektrische
Verbindung zwischen einem mit dem elektrochemischen Bündel 51 verbundenen
Anschluss 50 und einer in den Deckel 53 eines
Generators 54 eingesetzten Stromausgangsklemme 52.
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5 zeigt,
dass der Anschluss 50 über
eine wesentlich kürzere
Länge verfügt als der
Anschluss 31 der 3. Diese
Länge ist
dennoch ausreichend, um den Anschluss auf der Querschnittsfläche 55 des Stiftes 56 platzieren
zu können,
der mit einer Glasdichtung 57 umgeben ist und die Klemme 52 bildet. Der
Anschluss 50 wird dann an das Ende 55 des Stiftes 56 zwischen
eine Klemme, die als feststehende Gegenelektrode 58 dient,
und eine bewegliche Elektrode 59 geschweißt.
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Ein
Metallstab 60 wird dann in den hohlen Innenteil 61 des
Stiftes 56 eingeführt,
wie in 6 dargestellt, und es wird in Pfeilrichtung 62 ein
Druck auf den Metallstab 60 ausgeübt, um eine Öffnung 63 zu erzeugen.
Der Deckel 53 wird dann zum Verschließen des Generators 54 umgeklappt.
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7 ist
eine Querschnittsansicht des Generators 54 mit geschlossenem
Deckel 53. Der hier dargestellte Stift 56 ist
mit der Glasdichtung 57 umgeben, die ihn mit dem Deckel 53 verbindet.
Beim Schließen
nimmt der Anschluss 50 zur Unterbringung zwischen dem elektrochemischen
Bündel 51 und
dem Deckel 53 eine liegende „U"-Form an. Die vom Anschluss 50 angenommene
Form schließt
jedes Risiko in Bezug auf ein Verschließen des Einfüllkanals
für den
Elektrolyten aus. Die elektrische Isolierung zwischen dem Deckel 53 und
dem Anschluss 50 wird durch eine obere Isolierscheibe 64 gewährleistet.
Eine flache Isolierscheibe 65 ist ausreichend, um die Isolierung
zwischen dem Anschluss 50 und dem elektrochemischen Bündel 51 sicherzustellen.
Nach dem Einfüllen
des Elektrolyten wird ein Nagel 66 in den Innenkanal 67 des
Stiftes 56 eingesetzt und dessen oberes Ende 68 zur
Abdichtung des Generators verschweißt.