DE60211512T2

DE60211512T2 - Vorrichtung und verfahren zum zusammenbauen einer flexiblen, elektrolytdichten batterie

Info

Publication number: DE60211512T2
Application number: DE60211512T
Authority: DE
Inventors: A. Richard Parma LANGAN
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: DE60211512D1; EP1396037A2; JP2004521450A; IL157252A0; CN1268012C; CN1541428A; ATE326770T1; AU2002247095A1; HK1061925A1; JP4373673B2; KR100881651B1; KR20030081436A; WO2002063702A3; US20020106555A1; US6676714B2; WO2002063702A2; EP1396037B1; IL157252A

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Batterie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie und die daraus resultierende flexible Batterie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flexible Batterien, die ein Gehäuse aus einem flexiblen Laminat aufweisen, können dünn und leicht ausgeführt sein und sind in der Lage, sich in Vorrichtungen, in denen sie verwendet werden, ausgebildeten Kammern mit unterschiedlichen Größen und Formen anzupassen. Somit werden flexible Batterien auf vorteilhafte Weise in zahlreichen elektronischen Gebrauchsvorrichtungen, wie beispielsweise Mobiltelefonen und Camcorders, verwendet.
Komponenten einer flexiblen Batterie umfassen im Allgemeinen eine Anode, eine Kathode, Trennmaterial und Elektrolyt, die in einem flexiblen Batteriegehäuse enthalten sind. Die Kombination aus Anode, Kathode und Trennmaterial ist als Elektrodenanordnung bekannt. Der Elektrolyt ist das Medium, das als Weg für die Ionenleitung zwischen der Anode und der Kathode dient. Flüssiger Elektrolyt kann wässrige Lösungen, beispielsweise Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid, und nichtwässrige Lösungen aus organischen Lösungsmitteln, die gelöste anorganische Salze enthalten, umfassen.
Das Batteriegehäuse einer flexiblen Batterie ist typischerweise aus einem oder mehreren flexiblen Platten gebildet, die miteinander verbunden sind, um ein Laminat zu bilden. Ein Laminattyp weist beispielsweise eine Metallfolienschicht auf, die verhindert, dass Elektrolytdampf aus der Batterie entweicht und auch dass von außen kommendes Gas eintritt. Das Laminat kann ferner eine äußere Polymerschicht, die die Integrität der Metallfolie schützt, und eine innere Polymerschicht, die eine Versiegelungsfläche zum Verbinden der Platten bildet, aufweisen. Kleber oder Bindeschichten, die einzelne Schichten miteinander verbinden, können ebenfalls vorgesehen sein.
Eine flexible Batterie kann durch Platzieren einer Elektrodenanordnung zwischen die mehrschichtigen Laminate, die das Batteriegehäuse bilden, und anschließendes Verbinden der Laminate um den Umfang des Batteriegehäuses herum hergestellt werden. Ein Teil der Umfangs-Versiegelungsfläche bleibt offen, so dass flüssiger Elektrolyt in das Batteriegehäuse und um die Elektrodenanordnung herum platziert werden kann. Nach dem Zugeben des Elektrolyts wird die Öffnung versiegelt.
Eine versiegelte Batterieanordnung kann eine oder mehrere voneinander getrennte Taschen aufweisen. Wenn die versiegelte Batterieanordnung beispielsweise zwei Taschen aufweist, sichert eine Tasche, die Elektroden-Tasche, die Elektrodenanordnung und eine zweite Tasche, die Gas-Tasche, dient als Reservoir zum Aufnehmen von Gas, das von der Elektrodenanordnung gebildet oder erzeugt werden kann. Gas kann bei Alterung, Lagerung, Vorentladung, Formierungsabläufen, Versand, Handhabung oder Kombinationen daraus von der Elektrodenanordnung erzeugt werden. Ein Verbindungskanal in dem Batteriegehäuse verbindet die beiden Taschen miteinander und ermöglicht das freie Strömen von Gasen zwischen den Taschen. Die Öffnung zwischen der Elektroden-Tasche und der Gas-Tasche der versiegelten Batterieanordnung kann verschlossen werden, und die Gas-Tasche kann abgeschnitten und entsorgt werden, wodurch eine flexible Batterie gebildet wird.
EP-A-1045463 betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrochemischen Batterie mit den Schritten des Bildens eines Elektrodenzellenstapels und eines Gehäuses, Platzieren des Zellenstapels und der versiegelten Elektrolyt-Tasche gemeinsam in das Gehäuse, Anlegen eines Vakuums an das Gehäuse, Versiegeln des Gehäuses und Abreißen der Tasche, um den Elektrolyt (B) in den Zellenstapel abzugeben.
JP-A-59198654 betrifft das Füllen einer flexiblen Batterie, wobei der Elektrolyt gleichförmig eindringen kann, ohne dass im Inneren Blasen verbleiben.
EP-A-1061601 betrifft einen Batteriekörper, der aus einem laminierten Körper gebildet ist, welcher durch Laminieren einer Kathode und einer Anode über einen Separator oder einen gewickelten Körper, der durch Wickeln der Komponenten zu einer laminierten Struktur erhalten wird, hergestellt wird.
EP-A-0862230 betrifft eine Sekundärbatterie mit einer positiven und einer negativen Elektrode, die mit einer Ionenleitungsschicht laminiert sind. Die laminierte Struktur ist von einem Verkapselungsbeutel umschlossen.
Ein Problem mit flexiblen Batterien besteht jedoch darin, dass die versiegelten Flächen des Batteriegehäuses undicht sein können. Dies ist teilweise auf das Vorhandensein von Elektrolyt auf den Versiegelungsflächen vor dem Versiegeln des Batteriegehäuses zurückzuführen.
Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die die Möglichkeit, dass Elektrolyt mit den Versiegelungsflächen des Batteriegehäuses in Kontakt kommt, minimieren. Es ist wünschenswert, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer flexiblen Batterie zu schaffen, die hermetisch versiegelt und fluiddicht ist.
ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis und der Feststellung, dass das Problem der Elektrolyt-Leckage in einer flexiblen Batterie teilweise auf die Verschmutzung der versiegelten Flächen durch Elektrolyt vor dem Versiegeln des Batteriegehäuses beim Zusammenbauen zurückzuführen ist. Die Erfindung schafft daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von flexiblen Batterien, bei denen der Kontakt von Elektrolyt mit diesen versiegelten Flächen beim Einbringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Zusammenbauen einer elektrolytdichten Taschenbatterie bereit, die einen Haltekörper zum Halten eines flexiblen Batteriegehäuses mit einer Elektroden-Tasche aufweist, wobei die Füllöffnung in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche zum Aufnehmen von Elektrolyt vorgesehen ist. Die Vorrichtung weist ferner ein Ausgabeelement mit einer Auslassöffnung auf, die den Strom von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche leitet, wenn sich das Ausgabeelement in der Füllposition befindet. Die Auslassöffnung leitet den Strom von Elektrolyt von den offenen Teilen des Batteriegehäuses weg, die anschließend versiegelt werden. Die Füllöffnung befindet sich in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche, der über einem vorbestimmten Elektrolyt-Füllpegel für freien Elektrolyt liegt, das sich beim Füllvorgang in der Elektroden-Tasche ansammeln kann.
Bei einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie mit einer flexiblen Batterie, die ein flexibles Batteriegehäuse aufweist, welches eine Elektroden-Tasche mit einer Füllöffnung, die offen ist, wenn Elektrolyt in die Elektroden-Tasche eingebracht wird, und unversiegelten Flächen, die danach versiegelt werden, aufweist, wobei die Vorrichtung versehen ist mit:
einem Haltekörper zum Halten des Batteriegehäuses, wobei die Füllöffnung in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche vorgesehen ist; und
einem Ausgabeelement zum Einbringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse, wobei das Ausgabeelement eine Auslassöffnung aufweist, die den Strom von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche und von den die Füllöffnung umgebenden unversiegelten Flächen weg leitet, wobei das Ausgabeelement nach dem Einbringen des Elektrolyts von der flexiblen Batterie (90) zurückziehbar ist; und

(a) einer programmierbaren Plattform zum Durchführen einer relativen deckungsgleichen Positionierung des Ausgabeelements relativ zu der Füllöffnung; oder
(b) einem Ansaugelement zum Entfernen von Elektrolyt aus der Auslassöffnung des Ausgabeelements vor dem Zurückziehen des Ausgabeelements von der flexiblen Batterie; oder
(c) einem mit (i) einer mit dem Ausgabeelement in Fluidverbindung stehenden Elektrolytquelle und/oder (ii) einer Druckquelle zum Regeln der Menge an in die Elektroden-Tasche abgegebenem Elektrolyt in Wirkverbindung stehenden Steuersystem.

Bei einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie aus einem flexiblen Batteriegehäuse mit einer Elektroden-Tasche, die eine Elektrodenanordnung, unversiegelte Flächen, die danach versiegelt werden, und eine Elektrolyt-Füllöffnung aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Anordnen des Batteriegehäuses derart, dass sich die Füllöffnung in einem oberen Teil des Batteriegehäuses befindet,
Einbringen von Elektrolyt durch ein zurückziehbares Ausgabeelement und durch die Füllöffnung in die Elektroden-Tasche, und zwar unter Verwendung von
einer programmierbaren Plattform zum Durchführen einer relativen deckungsgleichen Positionierung des Ausgabeelements relativ zu der Füllöffnung; oder
einem Ansaugelement zum Entfernen von Elektrolyt aus der Auslassöffnung des Ausgabeelements vor dem Zurückziehen des Ausgabeelements von der flexiblen Batterie derart, dass das Elektrolyt nicht mit den unversiegelten Flächen, die danach versiegelt werden, in Kontakt kommt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elektroden-Tasche vor dem Füllen derart ausgerichtet, dass ihre Wände vertikal oder nahezu vertikal positioniert sind. Auf diese Weise unterstützt die Schwerkraft den Füllvorgang und leitet der Elektrolyt von den Versiegelungsflächen weg, die nach dem Füllen miteinander verbunden werden.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung hält der Haltekörper der Vorrichtung das Batteriegehäuse beim Füllen derart, dass der ungbegrenzte Flächenbereich von Elektrolyt, der in der Elektroden-Tasche aufgefangen ist, minimiert ist. Durch das Minimieren dieser unbegrenzten Elektrolyt-Fläche wird die Möglichkeit reduziert, dass Elektrolyt verspritzt, überläuft oder anderweitig die zur Elektrolyt-Einfüllung benötigte Öffnungen umgebenden Versiegelungsflächen verschmutzt. Bei dieser Vorgehensweise können solche Öffnungen auf zuverlässige und konsistente Weise versiegelt werden, ohne dass Leckagen auftreten.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbauen einer fluiddichten flexiblen Batterie durch Anordnen der Elektroden-Tasche des Batteriegehäuses derart, dass sich die Füllöffnung der Elektroden-Tasche in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche befindet, und anschließendes Einbringen von Elektrolyt durch ein Ausgabeelement in die Elektroden-Tasche. Der Elektrolyt wird von den die Füllöffnung umgebenden Versiegelungsflächen des Gehäuses weg ausgegeben, um eine Verschmutzung zu vermeiden. Nach dem Füllen wird die Füllöffnung versiegelt, um eine leckdichte flexible Batterie zu bilden.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verlaufen der Anoden-Ansatz und der Kathoden-Ansatz, die sich von dem Inneren des Batteriegehäuses zu der Außenfläche des Batteriegehäuses erstrecken, nicht durch die Füllöffnung. Der den Anoden-Ansatz und den Kathoden-Ansatz umgebende Teil des Batteriegehäuses wird vor dem Einbringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse versiegelt, um eine weitere Minimierung einer Elektrolyt-Leckage in das Batteriegehäuse zu bewirken.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf dem Sachgebiet anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann in Form bestimmter Teile und Anordnungen von Teilen ausgeführt sein und betrifft ein Verfahren, das in der vorliegenden Spezifikation detailliert beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt ist, welche Teil der Spezifikation sind. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der Art und Weise, in der Komponenten einer flexiblen Batterie zusammengebaut sein können, wenn sie von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehalten sind;
2 eine schematische teilweise quergeschnittene Seitenansicht der Vorrichtung zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine quergeschnittene Vorderansicht der Vorrichtung aus 2 mit Darstellung des Ausgabeelements in der Füllposition, in der Elektrolyt in die Elektroden-Tasche gegeben wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung des Ausgabeelements in der Füllposition, in der Elektrolyt in eine Elektroden-Tasche gegeben wird, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung aus 2 mit Darstellung der Wärmeversiegelungs-Anordnung in der Versiegelungsposition beim Versiegeln des Batteriegehäuses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine quergeschnittene Vorderansicht der Vorrichtung zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie mit Darstellung der versiegelten Flächen des versiegelten Batteriegehäuses gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine perspektivische Ansicht der entstandenen elektrolytdichten flexiblen Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine erfindungsgemäße flexible Batterie wird dadurch hergestellt, dass zuerst ein flexibles Batteriegehäuse gefertigt wird, welches eine Elektrodenanordnung enthält, dann Elektrolyt in das Batteriegehäuse eingebracht wird und schließlich das Batteriegehäuse versiegelt wird, um eine elektrolytdichte flexible Batterie herzustellen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststel lung, dass das Problem der Elektrolyt-Leckage bei einer flexiblen Batterie auf Verschmutzung der Flächen des Batteriegehäuses, die bei Ausgabe des Elektrolyts offen sind und später versiegelt werden, mit Elektrolyt zurückzuführen sein kann. Die Verschmutzung mit Elektrolyt macht es schwierig oder unmöglich, eine adäquate Versiegelung zu erreichen. Entsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zusammenbauen einer versiegelten flexiblen Batterie, bei der die Möglichkeit der Verschmutzung der Versiegelungsflächen durch Elektrolyt beim Einbringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse minimiert ist.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Art und Weise, in der Komponenten einer fexiblen Batterie montiert sein können, wenn diese von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehalten sind. Eine Montageanordnung 10 weist Laminatplattenelemente 17 und 19 auf, die von oberen Stiften 13 und 14 und unteren Stiften 15 und 16 eines Halterahmens 12 fixiert sind. Die Laminatplatten 17 und 19 bilden einander gegenüberliegende Wände eines flexiblen Batteriegehäuses 28. Die einander gegenüberliegenden Wände des Batteriegehäuses 28 sind entlang einem Teil des Umfangs des Gehäuses 28 miteinander verbunden und begrenzen eine Elektroden-Tasche 20, eine Gas-Tasche 30 und einen Verbindungskanal 32, der die beiden Taschen miteinander verbindet. Die Elektroden-Tasche 20 enthält eine Elektrodenanordnung 22 mit einem Anoden-Streifen 24 und einem Kathoden-Streifen 26, die entlang der vertikalen Ebene oder der nahezu vertikalen Ebene, an der die einander gegenüberliegenden Wände miteinander verbunden sind, von dem Inneren zum Äußeren des Batteriegehäuses 28 vorstehen. Die Gas-Tasche 30 ist leer und dient als Reservoir zum Aufnehmen von Gas, das bei Alterung, Lagerung, Vorentladung, Formierungsabläufen, Versand, Handhabung oder Kombinationen daraus von der Batterie nach dem Einbringen des Elektrolyts und Versiegeln der Batterie erzeugt werden kann. Die einander gegenüberliegenden Wände 17 und 19 des Batteriegehäuses 28 sind an einer Stelle, die eine Füllöffnung 33 und die Gas-Taschen-Öffnung 34 bildet, nicht miteinander verbunden. Sowohl die Gas-Taschen-Öffnung als auch die Füllöffnung bieten Zugang für das Einbringen von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche 20. Die Füllöffnung 33 und die Gas-Taschen-Öffnung 34 sind unversiegelt, wenn Elektrolyt in die Elektroden-Tasche eingebracht wird, und werden danach versiegelt, um eine fluiddichte Versiegelung zu bilden.
Die Montageanordnung 10 wird dadurch hergestellt, dass zuerst die Laminatplatte 19 an den oberen Stiften 13 und 14 und den unteren Stiften 15 und 16 des Rahmens 12, der einen offenen Bereich einrahmt, angebracht wird. Die Laminatplatte kann dann beispielsweise durch Kaltformen oder Vakuumziehen ausgebildet werden, um die Taschenausnehmungen (Elektroden-Tasche 20 und Gas-Tasche 30) sowie den Verbindungskanal 32 herzustellen. Die Elektroden-Tasche 20 kann eine Ausnehmung sein, die sich der allgemeinen Größe und Form der in die Elektroden-Tasche zu platzierenden Elektrodenanordnung 22 anpasst. Die Elektrodenanordnung 22 wird dann in die Elektroden-Tasche 20 platziert, und die Laminatplatte 19 wird mit der Laminatplatte 17 verbunden, um einander gegenüberliegende Wände des Batteriegehäuses 28 zu bilden. Ein Formen der Platten zum Herstellen von Taschenausnehmungen ist nicht erforderlich. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung alternativ zwischen zwei im Wesentlichen flachen Laminatplatten platziert sein, die teilweise versiegelt sein können, um eine Elektroden-Tasche und wahlweise eine oder mehrere Gas-Taschen und Verbindungskanäle zu bilden, damit eine Fluidverbindung zwischen den Gas-Taschen und der Elektroden-Tasche hergestellt ist. Mehrere Größen, Formen und Konfigurationen des Batteriegehäuses können durch Verändern des Musters der Versiegelung zwischen den Laminaten realisiert werden.
Die einander gegenüberliegenden Wände des Batteriegehäuses 28 können unter Verwendung von zwei separaten Laminatplatten, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein können, oder durch Umfalten eines erweiterten Teils einer einzelnen Platte zum Abdecken der Taschenausnehmungen und des Verbindungskanals gebildet sein. Beispielsweise ist gemäß 1 die Laminatplatte 17 ein erweiterter Teil der Laminatplatte 19, und durch das Vor handensein eines Faltrands 18 braucht das Batteriegehäuse 28 zumindest entlang einem der Ränder nicht versiegelt zu sein. In einem solchen Fall ergibt das Zusammenbauen eine flexible Batterie mit einem größeren Innenvolumen als bei einer flexiblen Batterie, die durch Versiegeln des Batteriegehäuses entlang dem gesamten Umfang hergestellt ist.
Die einander gegenüberliegenden Wände 17 und 19 des Batteriegehäuses 28 sind im Wesentlichen entlang dem Umfang der Elektroden-Tasche, der Gas-Tasche und dem Verbindungskanal versiegelt, wobei ein Teil der einander gegenüberliegenden Wände beispielsweise an der Füllöffnung 33 und der Gas-Taschen-Öffnung 34 unversiegelt ist, so dass flüssiger Elektrolyt in die Elektroden-Tasche eingebracht werden kann. Vorzugsweise sind an Stellen, an denen die Elektroden-Ansätze 24 und 26 von dem Inneren des Batteriegehäuses zu dem Äußeren des Batteriegehäuses verlaufen, diese derart positioniert, dass sie entweder die Füllöffnung 33 oder die Gas-Taschen-Öffnung 34 nicht durchlaufen. Daher wird eine Versiegelung, die solche Ansätze umfasst, vor dem Einbringen von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche fertiggestellt. Durch diese Vorgehensweise wird eine leckdichte Batterie bereitgestellt, da die die Ansätze umgebende Versiegelung besonders leckageanfällig ist.
Die Laminatplatte kann eine Mehrfach-Laminatplatte sein, bei der eine Metallfolienschicht sandwichartig zwischen einer versiegelbaren Innenschicht und einer äußeren Schutzschicht angeordnet ist. In einem solchen Fall ist das Batteriegehäuse derart ausgebildet, dass die versiegelbare Schicht der Laminatplatte 17 der versiegelbaren Laminatplatte 19 zugewandt ist. Beispielsweise können die versiegelbaren Schichten der Laminatplatten heißsiegelbare Polymere sein, wie z.B. Polyethylen oder Polypropylen, die schmelzen, wenn Wärme und Druck aufgebracht wird, und die sich beim Abkühlen miteinander verbinden. Alternative Versiegelungsverfahren, die auf dem Sachgebiet bekannt sind, umfassen das Ultraschallschweißen und das Hochfrequenzschweißen.
Laminate, die aus einer auf einer Seite von einem Schutz-Polymer und auf der gegenüberliegenden Seite von einem heißsiegelbaren Polyethylen oder Polypropylen umgebenen Metallfolie gebildet sind, sind handelsübliche Laminate. Solche Laminate sind beispielsweise bei Pharma Center Shelbyville, Inc., Shelbyville, Kentucky, unter der Produktbezeichnung 97031, Dai Nippon Printing Co., Ltd., Tokio, Japan, unter der Produktbezeichnung D-EL40E und auch Sumitomo Electric Industries, Ltd., Tokio, Japan, unter der Produktbezeichnung L-NY-A1-TRPP-L erhältlich. Ein Laminat mit einer heißsiegelbaren Ethylenacrylsäure-(EAA-)Schicht ist bei Pharma Center Shelbyville, Inc. unter der Produktbezeichnung 95014 erhältlich. Alternativ wird ein Laminat mit einer heißsiegelbaren Ethylen-Methacryl- oder Polypropylen-Methacrylsäure-Schicht von Ludlow Coated Products, Homer, Lousiana, hergestellt. Das geeignete Laminat und die geeignete Versiegelungsschicht werden unter anderem anhand des zu verwendenden Elektrolyttyps ausgewählt, wie auf dem Sachgebiet bekannt ist. Die undurchlässige Metallfolie kann aus einer Vielzahl von Metallen gefertigt sein, wie beispielsweise Aluminium, Nickel, Kupfer und Edelstahl.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie anhand von 2 beschrieben werden. 2 zeigt eine teilquergeschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung 40 zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie. Die Vorrichtung 40 weist einen Haltekörper 70 zum Halten eines Batteriegehäuses und ein Ausgabeelement 50 zum Ausgeben von Elektrolyt in das Batteriegehäuse 28 auf. Eine Seitenansicht des Batteriegehäuses 28 ist in 2 gezeigt, wobei ein Rahmen 12 zwischen einem vorderen Hilfsmittel 42 und einem hinteren Hilfsmittel 44 des Haltekörpers 70 angeordnet ist. Der Haltekörper 70 kann zum Halten eines Batteriegehäuses mittels einer geeigneten Halteanordnung vorgesehen sein, wie sie z.B. durch den Rahmen 12 dargestellt ist, oder alternativ kann der Haltekörper 70 derart konfiguriert sein, dass das Batteriegehäuse 28 direkt von dem Haltekörper 70 gehalten wird.
Gemäß 2 weist das Batteriegehäuse 28 einander gegenüberliegende Wände aus Laminaten 17 und 19 auf, die in einer vertikalen oder nahezu vertikalen Ebene in der Vorrichtung positioniert sind. Ein Teil der einander gegenüberliegenden Wände bleibt an einer Gas-Taschen-Öffnung 34, einer Füllöffnung 33 und einem Verbindungskanal 32, der zwischen der Gas-Tasche und der Elektroden-Tasche verläuft, unversiegelt. Das Batteriegehäuse ist derart gehalten, dass die Elektroden-Tasche 20 vertikal unterhalb der Gas-Tasche 30 und dem Verbindungskanal 32 positioniert ist, und die Füllöffnung 33 ist im oberen Teil der Elektroden-Tasche 20 an oder nahe dem Basisteil des Verbindungskanals 32 ausgebildet. Somit ist das Elektrolyt, wenn es beim Zusammenbauen in die Elektroden-Tasche 20 eingebracht wird, Schwerkräften ausgesetzt, die bewirken, dass es in Richtung des untersten Teils des Batteriegehäuses und durch die Elektrodenanordnung strömt. Vorzugsweise hält der Haltekörper das Batteriegehäuse derart, dass der Flächenbereich von ungebundenem freien Elektrolyt, d.h. von unabsorbiertem Elektrolyt, der nicht mit den Flächen des Gehäuses in Kontakt steht, minimiert wird. Bei einer solchen Anordnung ist die Möglichkeit, dass freier Elektrolyt auf die die Öffnungen 32, 33 und 34 umgebenden unversiegelten Flächen überläuft oder spritzt, reduziert.
Der meiste oder der gesamte Elektrolyt, der in die Elektroden-Tasche eingebracht wird, wird von der Elektrodenanordnung absorbiert. Hohe Elektrolyt-Abgaberaten können die Absorptionsrate des Separators und des Elektrodenmaterials in der Elektrodenanordnung übersteigen, und es kann sich freier Elektrolyt in der Elektroden-Tasche ansammeln. Ein Füllpegel von freiem Elektrolyt kann anhand der Abgaberate und der Größe, Struktur und Zusammensetzung der zusammenzubauenden flexiblen Batterie vorbestimmt werden. Somit hält der Haltekörper 70 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 das Batteriegehäuse, wobei die Füllöffnung 33 im oberen Teil der Elektroden-Tasche 20 und über dem vorbestimmten Füllpegel von freiem Elektrolyt, der sich in der Elektroden-Tasche ansammeln kann, ausgebildet ist.
Der Haltekörper hält das Batteriegehäuse derart, dass das Innenvolumen der Elektroden-Tasche unter der Füllöffnung größer ist als das Innenvolumen der Elektroden-Tasche über der Füllöffnung. Vorzugsweise beträgt das Volumen der Elektroden-Tasche unter der Füllöffnung mindestens 75 % des gesamten Innenvolumens der Elektroden-Tasche, und bei einer stärker bevorzugten Variante ist die Füllöffnung entlang der obersten Fläche der Elektroden-Tasche angeordnet und vertikal über der Elektrodenanordnung positioniert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 40 weist ferner das Ausgabeelement 50 mit einer Auslassöffnung 51 auf. Das Ausgabeelement 50 ist zwischen einer zurückgezogenen Position und einer Füllposition bewegbar. 2 zeigt das Ausgabeelement 50 in einer zurückgezogenen Position vertikal über einem stationären Fitting 43, das mit einer Befestigungsplatte 54 an dem hinteren Hilfsmittel 44 des Haltekörpers 70 verbunden ist. Das Ausgabeelement 50 ist derart bemessen und ausgebildet, dass es zwischen den Laminaten 17 und 19, die einander gegenüberliegende Wände des Batteriegehäuses 28 bilden, eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann das Ausgabeelement ein hohles Rohr, wie z.B. eine Injektionsnadel, aufweisen, welches lang und schmal ist und durch die Öffnungen 32, 33 und 34 eingesetzt werden kann. Der Rahmen 12 weist benachbart zu der Gas-Taschen-Öffnung 34 eine konisch ausgebildete Wand zum Führen des Ausgabeelements 50 zwischen den einander gegenüberliegenden unversiegelten Wänden, die die Gas-Taschen-Öffnung 34 bilden, auf. Vorzugsweise ist die Gas-Taschen-Öffnung 34 konisch ausgebildet, wie in 2 gezeigt, und ist der konischen Wand des Rahmens 12 angepasst, um das Führen des Ausgabeelements 50 in das Batteriegehäuse 28 zu unterstützen. Wenn das Ausgabeelement aus einer zurückgezogenen Position in eine Füllposition bewegt wird, ist das Ausgabeelement in Richtung der Füllöffnung der Elektroden-Tasche bewegbar. Die Auslassöffnung 51 ist vertikal über dem Batteriegehäuse 28 angeordnet, wenn sich das Ausgabeelement in einer zurückgezogenen Position befindet, und kann durch die Gas-Taschen-Öffnung 34 und durch den Verbindungskanal 32 nach unten zu der Füllöffnung 33 der Elektroden-Tasche bewegt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Vorrichtung zum Herstellen einer flexiblen Batterie ferner eine Einrichtung zum Steuern ihrer interagierenden und bewegbaren Komponenten. Der Elektrolyt von einer (nicht gezeigten) Elektrolytquelle kann durch Schwerkraft durch das Ausgabeelement 50 geleitet werden. Alternativ kann eine Druckquelle, beispielsweise eine Pumpe 56, zum Erzeugen eines auf den Elektrolyt wirkenden konstanten Drucks verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner ein Steuersystem auf, das mit der Elektrolyt-Quelle oder der Druckquelle oder beiden in Wirkverbindung steht und die Menge an Elektrolyt, die in die Elektroden-Tasche abgegeben wird, regelt.
3 zeigt eine quergeschnittene Vorderansicht der Vorrichtung 40 aus 2 und zeigt das in das Batteriegehäuse 28 eingesetzte Ausgabeelement 50 und die Auslassöffnung 51 in der Füllposition. Der Umfang des Batteriegehäuses 28 ist den Faltrand 18 und die versiegelten Wandflächen 80 entlang verschlossen und an der Gas-Taschen-Öffnung 34 offen. Wenn sich das Ausgabeelement 50 in der Füllposition befindet, ist die Auslassöffnung 51 an oder unter der Füllöffnung 33 angeordnet. Die Auslassöffnung leitet den Strom von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche 20 und von den versiegelten Flächen des Batteriegehäuses weg, die die Elektroden-Taschen-Füllöffnung 33 umgeben und anschließend versiegelt werden. Leiten des Stroms von Elektrolyt von dem unversiegelten Teil des Batteriegehäuses weg bedeutet, dass der Strom von Elektrolyt in einem beliebigen Winkel ausgegeben werden kann, solange der Strom von Elektrolyt von der Schwerkraft oder einer externen Kraft überwunden wird, die verhindert, dass der Strom von Elektrolyt den Teil der unversiegelten Wandflächen erreicht, welche die Füllöffnung umgeben und später versiegelt werden. In 3 befindet sich die Auslassöffnung 51 in der Endregion des Ausgabeelements 50 und ist in der Elektroden-Tasche 20 angeordnet. Der Strom von Elektrolyt wird in Abwärtsrichtung geleitet.
Die Form der Auslassöffnung kann die Art und Weise steuern, in der der Elektrolyt in die Elektroden-Tasche strömt. Beispielsweise kann die Auslassöffnung derart ausgebildet sein, dass ein Spray oder ein Strahl gebildet wird und dass ferner die Strömungsrichtung gesteuert wird. Die Auslassöffnung ist derart ausgebildet, positioniert oder ausgerichtet, dass der Strom von Elektrolyt von den unversiegelten Flächen, die anschließend versiegelt werden, weggeleitet wird.
Die Vorrichtung 40 hält das Batteriegehäuse 28 derart, dass sich die Füllöffnung 33 an dem Basisteil des Verbindungskanals 32 befindet und vertikal mit der Gas-Taschen-Öffnung 34 ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung der Öffnungen ermöglicht dem Ausgabeelement direkten und einfachen Zugang zu der Elektroden-Tasche. Die Ausrichtung der Öffnungen ist jedoch zum Durchführen der Erfindung nicht notwendig. 4 zeigt die Vorrichtung 40, die das Batteriegehäuse 28 hält, bei der die Füllöffnung 33 und der Verbindungskanal 32 an unterschiedlichen Stellen der Elektroden-Tasche 20 angeordnet sind. Das Ausgabeelement 50 durchläuft beim Elektrolyt-Füllprozess nicht den Verbindungskanal 32. Der Verbindungskanal und die Füllöffnung bilden zwei unterschiedliche Öffnungen in der Elektroden-Tasche. In einem solchen Fall ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 40 zum Halten des Batteriegehäuses derart vorgesehen, dass sowohl der Verbindungskanal als auch die Füllöffnung so positioniert sind, dass ein Kontakt zwischen Elektrolyt und den unversiegelten Flächen, die zu versiegeln sind, vermieden wird und dass das Strömen von freiem Elektrolyt in die Gas-Tasche 30 vermieden wird. Die Auslassöffnung des Ausgabeelements leitet in der Füllposition den Strom von Elektrolyt von den unversiegelten oder offenen Flächen der Elektroden-Tasche, die die Füllöffnung und den Verbindungskanal umgeben, weg. Bei einer noch weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform sind die Füllöffnung 33 und der Verbindungskanal 32 wieder derart an unterschiedlichen Stellen der Elektroden-Tasche 20 angeordnet, dass das Ausgabeelement 50 den Verbindungskanal 32 nicht durchläuft, und es ist in der Elektroden-Tasche eine Öffnung zum Einleiten von Elektrolyt vorgesehen, die sich von der Öffnung unterscheidet, die das Strömen von Gas zwischen der Elektroden-Tasche und der Gas-Tasche ermöglicht. Bei dieser Ausführungsform läuft der Verbindungskanal 32 jedoch parallel zu der Bewegungsrichtung des Ausgabeelements 50. In beiden Fällen sind der Verbindungskanal und die Füllöffnung über einem vorbestimmten Elektrolyt-Füllpegel angeordnet, um einen Kontakt zwischen Elektrolyt und den unversiegelten Flächen, die zu versiegeln sind, zu vermeiden und das Strömen von freiem Elektrolyt in die Gas-Tasche 30 zu vermeiden.
Die Auslassöffnung 51 des Ausgabeelements kann, wie in 4 gezeigt, den Strom von Elektrolyt in Aufwärts-, Horizontal- oder Abwärtsrichtung leiten, solange der Strom von Elektrolyt von der Schwerkraft oder einer externen Kraft überwunden wird, die verhindert, dass der Strom von Elektrolyt den Teil der unversiegelten Flächen erreicht, und die ferner das Einleiten von freiem Elektrolyt in die Gas-Tasche 30 verhindert. Beispielsweise kann der Strom von Elektrolyt in Aufwärtsrichtung zu einem versiegelten Teil 53 der Elektroden-Tasche 20 geleitet werden. In einem solchen Fall wird der Strom von Elektrolyt in Richtung der geschlossenen Wände des Batteriegehäuses geleitet und bei Kontakt zu einer abwärts befindlichen Position zurückgeleitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Auslassöffnung bei in der Füllposition befindlichem Ausgabeelement über dem vorbestimmten Füllpegel von Elektrolyt in der Elektroden-Tasche positioniert sein, um Kontakt mit dem Elektrolyt, das sich beim Füllen in der Elektroden-Tasche ansammelt, zu verhindern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Außenfläche des Ausgabeelements die unversiegelten Flächen des Batteriegehäuses beim Bewegen des Ausgabeelements zwischen der Füllposition und der zurückgezogenen Position nicht verschmutzt. Ferner kann, da die Elektrodenanordnung in der Elektroden-Tasche der ausgegebene Elektrolyt absorbiert, das Ausgabeelement derart positioniert oder ausgebildet sein, dass in der Füllposition ein Kontakt mit der Elektrodenanordnung verhindert wird.
Das Ausgabeelement der hier beschriebenen Vorrichtung kann derart bemessen und ausgebildet sein, dass es sich aus der zurückgezogenen Position in die Füllposition bewegt, ohne die Teile von einander gegenüberliegenden Wänden zu berühren, die die Gas-Taschen-Öffnung und die Füllöffnung in der Elektroden-Tasche bilden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Rest-Elektrolyt auf der Fläche des Ausgabeelements nicht mit dem Teil der einander gegenüberliegenden Wände, die anschließend versiegelt werden, um eine elektrolytdichte oder fluiddichte flexible Batterie zu bilden, in Kontakt kommt. Ferner kann das Ausgabeelement eine Ansaugstruktur aufweisen, die an der oder um die Auslassöffnung 51 herum befindliches restliches Elektrolyt vor Beginn des Zurückziehens des Ausgabeelements 51 entfernt. Diese Ansaugstruktur hilft beim Vermeiden einer Verschmutzung unversiegelter Versiegelungsflächen beim Zurückziehen des Ausgabeelements durch die Öffnungen 32, 33 und 34 in seine zurückgezogene Position nach Beendigung der Elektrolyt-Einfüllung.
Der Haltekörper 70 der Vorrichtung 40 aus 2 ist ferner eine Vakuumkammer, die einen reduzierten Druck, d.h. weniger als 1,01 bar (eine Atmosphäre oder 760 Torr), auf das Batteriegehäuse 28 aufbringt, wenn die Elektroden-Tasche 20 mit Elektrolyt gefüllt ist. Ein Vakuumport 72 bildet eine Fluidverbindung mit einer (nicht gezeigten) Vakuumquelle. Die Druckreduzierung in der Vakuumkammer kann die Füllrate von in die Elektroden-Tasche abgegebenem Elektrolyt verbessern, d.h. erhöhen. Die daraus resultierende Evakuierung von in der Elektrodenanordnung 22 befindlicher Luft ermöglicht es, dass Elektrolyt schnell die Poren der Elektrodenanordnung füllt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung 40 ferner eine Heißsiegelanordnung auf, mit der das Batteriegehäuse 28 nach Ausgabe des Elektrolyts und Zurückziehen des Ausgabeelements an der Gas-Taschen-Öffnung 34 versiegelt wird. Die Füllöffnung 33 und der Verbindungskanal 32 bleiben offen. Die Vorrichtung 40 aus 5 weist eine Heißsiegelanordnung 60 mit einer Heizplatte 62, einem Wärmedamm 63, ei ner Kühlplatte 64, einem Versiegelungshilfsmittel 65 und einem Schaft 68 auf. Die Heizplatte 62, der Wärmedamm 63 und die Kühlplatte 64 wirken zusammen, um die Temperatur des Versiegelungshilfsmittels 65 zu steuern. Die Heißsiegelanordnung 60 ist den Schaft 66 entlang bewegbar. 5 zeigt die Heißsiegelanordnung 60 in einer Versiegelungsposition. Das Versiegelungshilfsmittel 65 ist horizontal mit einer Rückplatte 68 ausgerichtet. Wenn sich die Heißsiegelanordnung in einer Versiegelungsposition befindet, sind die Wände des Batteriegehäuses, die die Gas-Taschen-Öffnung 34 begrenzen, zwischen dem Versiegelungshilfsmittel und der Rückplatte gezwängt. Das Aufbringen von Wärme und Druck zwischen dem Versiegelungshilfsmittel und den einander gegenüberliegenden Wänden bewirkt, dass die versiegelbaren Schichten der einander gegenüberliegenden Wände weich werden und sich miteinander verbinden. Das Versiegelungshilfsmittel 65 kann derart bemessen sein, dass die gewünschten Versiegelungsabmessungen des Batteriegehäuses realisiert werden.
6 zeigt eine quergeschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung 40, die die versiegelte Batterieanordnung 85 hält. Derjenige Teil des Batteriegehäuses, der die Gas-Taschen-Öffnung gebildet hat, ist bei 82 die versiegelte Fläche 80 entlang versiegelt dargestellt. Die versiegelte Batterieanordnung ist ihren Umfang entlang vollständig versiegelt, wobei der Verbindungskanal 32 zwischen der Elektroden-Tasche 20 und der Gas-Tasche 30 offen bleibt. Die bei Alterung, Lagerung, Vorentladung, Formierungsabläufen, Versand, Handhabung oder Kombinationen daraus erzeugten Gase können frei durch den Verbindungskanal 32 strömen und sich in der Gas-Tasche 30 akkumulieren. Diese akkumulierten Gase können durch Herstellen einer Öffnung in der Gas-Tasche entfernt werden. Alternativ kann die Gas-Tasche 30 nach Versiegelung der Öffnung zwischen der Gas-Tasche 30 und der Elektroden-Tasche 20 von der Elektroden-Tasche 20 getrennt oder abgeschnitten werden. Das Resultat ist eine flexible Batterie 90, die in 7 gezeigt ist.
Das Verfahren zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie aus einem Batteriegehäuse mit einer Elektrodenanordnung und einer Füllöffnung umfasst das Anordnen des Batteriegehäuses derart, dass die Füllöffnung in einem oberen Teil des Batteriegehäuses ausgerichtet ist, und das Abgeben von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche. Die Öffnung der Elektroden-Tasche liegt über dem vorbestimmten Füllpegel von freiem Elektrolyt. Der Elektrolyt wird in der Elektroden-Tasche in einer von der Füllöffnung wegführenden Richtung abgegeben. Der Elektrolyt kann in einer beliebigen Richtung ausgegeben werden, solange der Strom von Elektrolyt von der Schwerkraft oder einer Gegenkraft überwunden wird, die verhindert, dass der Strom von Elektrolyt die Versiegelungsflächen der Elektroden-Taschen-Füllöffnung erreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Füllen eines flexiblen Batteriegehäuses, das eine Elektroden-Tasche und eine Gas-Tasche sowie einen Verbindungskanal zwischen den beiden Taschen aufweist, das Anordnen des Batteriegehäuses derart, dass die Füllöffnung der Elektroden-Tasche und der Verbindungskanal in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche angeordnet sind, und das Ausgeben des Elektrolyts in die Elektroden-Tasche.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Batteriegehäuse in einer Vakuumkammer gehalten und es wird vor dem Einleiten von Elektrolyt in das Batteriegehäuse ein Vakuum in der Kammer erzeugt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Zusammenbauen einer Taschen-Batterie ferner das Bewegen des Ausgabeelements aus dem Batteriegehäuse und das Versiegeln der einander gegenüberliegenden Wände, die die Gas-Taschen-Öffnung 34 begrenzen. Wenn die einander gegenüberliegenden Wände aus einem von zahlreichen mehrschichtigen Laminaten mit einer heißsiegelbaren Schicht gefertigt sind, kann derjenige Teil der einander gegenüberliegenden Wände, der die Gas-Taschen-Öffnung umgibt, durch Aufbringen von Wärme oder der Kombi nation aus Wärme und Druck verbunden werden. Die Oberflächentemperatur der Versiegelungshilfsmittelplatte 65, die in 5 als die gegenüberliegende Wand 17 berührend gezeigt ist, liegt im Bereich von ungefähr 160 °C bis ungefähr 190 °C und vorzugsweise bei maximal 180 °C. Die einander gegenüberliegenden Wände 17 und 19 werden miteinander in Kontakt gebracht. Der auf die einander gegenüberliegenden Wände 17 und 19 zwischen der Hilfsmittelplatte 65 und der Rückplatte 68 aufgebrachte Druck liegt im Bereich zwischen 3,4 bar (50 psi) und 206,84 bar (3000 psi) und beträgt vorzugsweise 20,6 bis 103,4 bar (300 bis 1500 psi). Die Haltezeit zum Verbinden der heißsiegelbaren Schichten der einander gegenüberliegenden Wände kann im Bereich von 0,5 Sekunden bis 5 Sekunden und vorzugsweise von 1,5 bis 3 Sekunden liegen.
Nach dem Versiegeln der Gas-Taschen-Öffnung kann die daraus resultierende elektrolytdichte versiegelte Batterieanordnung 85 aus 6 zum Entfernen von Entladegas geladen und entladen werden, wie oben beschrieben, und die Füllöffnung 33 kann versiegelt werden. Die Gas-Tasche und der Verbindungskanal des Batteriegehäuses können von der Elektroden-Tasche getrennt werden, um die in 7 gezeigte elektrolytdichte flexible Batterie zu realisieren.
BEISPIEL
Es wurde eine Elektrodenanordnung aus einer Kathode, einer Anode und einem Separator hergestellt. Die Kathode, die Eisen-Pyrit, einen Leiter und ein Bindemittel enthielt, wurde intermittierend mittels einer Walze auf eine Aluminiumfolie aufgetragen. Ein Aluminium-Kontakt-Ansatz wurde mittels Ultraschall auf die massefreie Zone der Folie geschweißt. Die Anode war aus Lithiumfolie gebildet und wies einen kaltgeschweißten Nickel-Ansatz auf, und bei dem Separator handelte es sich um einen Polypropylenfilm von Celgard, Inc., Charlotte, North Carolina, der unter der Bezeichnung Celgard 2400 bekannt ist. Die Anode, die Kathode und der Separator wurden zu einer prisma tischen biskuitrollenartigen Elektrodenanordnung mit folgenden ungefähren Abmessungen gerollt: 43,6 Millimeter × 40,0 Millimeter × 3,5 Millimeter. Die Anordnung wurde in eine Elektroden-Tasche aus einem Laminat mit einer Dicke von ungefähr 115 μm (Mikrometer) platziert, das bei Dai Nippon Printing unter der Bezeichnung D-EL40E erhältlich ist. In denjenigen Bereichen, in denen die Ansätze einer Heißsiegelung ausgesetzt waren, wurden sie mit säuredegenerierten Polyethylenstreifen von Dai Nippon Printing, die als PEa-Streifen bezeichnet sind, umwickelt. Das Batteriegehäuse wurde dann durch Falten der Laminatplatte über die Elektroden-Tasche und Heißsiegeln um den Umfang der Elektroden-Tasche und der Gas-Tasche, mit Ausnahme der Gas-Taschen-Öffnung und der Füllöffnung, hergestellt. Das Heißsiegeln erfolgt 1,5 Sekunden lang bei 180 °C und einem Druck von 21,78 bar (316 psi). Das Innenvolumen der Elektroden-Tasche betrug 6,07 Kubikzentimeter und das gesamte Leervolumen (abzüglich Feststoffe) betrug 1,82 Kubikzentimeter.
Die Einbauanordnung wurde vertikal in eine Vakuumkammer platziert, wobei die einander gegenüberliegenden Wände des Batteriegehäuses vertikal ausgerichtet waren. Ein Ausgabeelement wurde in eine Füllposition bewegt, und es wurde ein Vakuum von 0,40 bar (300 Torr) erzeugt. 1,47 Kubikzentimeter Elektrolyt mit 9,14 Gewichtsprozent LiI, 63,05 Gewichtsprozent 1,3-Dioxolan, 27,63 Gewichtsprozent 1,2-Dimethoxyethan und 0,18 Gewichtsprozent 3,5-Dimethylisoxazol wurden in 3 Sekunden in die Batteriekammer eingeleitet, wobei ein Netto-Leervolumen von 0,35 Kubikzentimetern verblieb. Das Netto-Leervolumen diente zur Berücksichtigung einer möglichen Elektrolyt-Expansion bei hohen Temperaturen während der Lebensdauer der Batterie. Das Ausgabeelement wurde zurückgezogen, und die Gas-Taschen-Öffnung wurde durch Aufbringen eines Drucks von 49 bar (709 psi) und einer Temperatur von 180 °C über einen Zeitraum von 1,5 Sekunden versiegelt.
Die versiegelte Batterieanordnung wurde über Nacht einem Alterungsprozess ausgesetzt. Eine abschließende Versiegelung wurde durch Aufbringen eines Drucks von 23 bar (333 psi) und einer Temperatur von 180 °C über einen Zeitraum von 1,5 Sekunden über der Füllöffnung ausgeführt. Die Gas-Tasche wurde von der Elektroden-Tasche getrennt, wodurch eine Batterie mit endgültigen Abmessungen von 53 Millimetern mal 50,8 Millimetern mal 3,8 Millimetern entstand.
Obwohl die vorstehende sich auf die Vorrichtung und das Verfahren zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie beziehende Beschreibung in Zusammenhang mit einem Batteriegehäuse mit einer Elektroden-Tasche und einem Batteriegehäuse mit einer Elektroden-Tasche und einer Gas-Tasche erfolgt ist, sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung auch auf das Zusammenbauen von flexiblen Batterien mit mehr als zwei Taschen anwendbar ist.

Claims

Vorrichtung (40) zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie (90) mit einer flexiblen Batterie, die ein flexibles Batteriegehäuse (28) aufweist, welches eine Elektroden-Tasche (20) mit einer Füllöffnung (33), die offen ist, wenn Elektrolyt in die Elektroden-Tasche eingebracht wird, und unversiegelten Flächen, die danach versiegelt werden, aufweist, wobei die Vorrichtung versehen ist mit: einem Haltekörper (70) zum Halten des Batteriegehäuses (28), wobei die Füllöffnung (33) in einem oberen Teil der Elektroden-Tasche (20) vorgesehen ist; und einem Ausgabeelement (50) zum Einbringen von Elektrolyt in das Batteriegehäuse (28), wobei das Ausgabeelement (50) eine Auslassöffnung (51) aufweist, die den Strom von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche (20) und von den die Füllöffnung (33) umgebenden unversiegelten Flächen weg leitet, wobei das Ausgabeelement (50) nach dem Einbringen des Elektrolyts von der flexiblen Batterie (90) zurückziehbar ist; und (a) einer programmierbaren Plattform zum Durchführen einer relativen deckungsgleichen Positionierung des Ausgabeelements (50) relativ zu der Füllöffnung (33); oder (b) einem Ansaugelement zum Entfernen von Elektrolyt aus der Auslassöffnung (51) des Ausgabeelements (50) vor dem Zurückziehen des Ausgabeelements (50) von der flexiblen Batterie (90); oder (c) einem mit (i) einer mit dem Ausgabeelement (50) in Fluidverbindung stehenden Elektrolytquelle und/oder (ii) einer Druckquelle zum Regeln der Menge an in die Elektroden-Tasche (20) abgegebenem Elektrolyt in Wirkverbindung stehenden Steuersystem.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Batteriegehäuse (28) einander gegenüberliegende Wände aufweist, die entlang mindestens einem Teil des Umfangs des Gehäuses (28) miteinander verbunden sind, und bei der der Haltekörper (70) das Batteriegehäuse (28) derart hält, dass die miteinander verbundenen Wände während des Einbringens von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche (20) vertikal ausgerichtet sind.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 2, bei der der Haltekörper (70) das Batteriegehäuse (28) derart hält, dass die Füllöffnung (33) in dem oberen Teil der Elektroden-Tasche (20) über einem vorbestimmten Elektrolyt-Füllpegel liegt.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 2, bei der die Füllöffnung (33) von einer Öffnung in dem Umfang zwischen den miteinander verbundenen Wänden gebildet ist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 4, bei der die Schwerkraft bewirkt, dass das Elektrolyt beim Einbringen des Elektrolyts in die Elektroden-Tasche (20) in Abwärtsrichtung strömt.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 5, bei der der Haltekörper (70) das Batteriegehäuse (28) derart hält, dass die Füllöffnung (33) vertikal über der Elektrodenanordnung vorgesehen ist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 6, bei der sich das Ausgabeelement (50) vertikal zwischen einer Zurückziehposition und einer Füllposition bewegt, und das Ausgabeelement (50) vertikal über der Elektrodenanordnung vorgesehen ist, wenn sich das Ausgabeelement (50) in der Füllposition befindet.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 7, bei der das Ausgabeelement (50) derart bemessen ist, dass es sich aus der Zurückziehposition in die Füllposition bewegt, ohne mit dem die Füllöffnung (33) umgebenden Teil des Batteriegehäuses (28) in Kontakt zu kommen.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 2, bei der das Batteriegehäuse (28) ferner eine Gas-Tasche (30) und einen Verbindungskanal (32) zwischen der Gas-Tasche (30) und der Elektroden-Tasche (20) aufweist.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 9, bei der das Ausgabeelement (50) durch die Gas-Tasche (30) und den Verbindungskanal (32) verläuft, wenn es sich aus der Zurückziehposition in die Füllposition bewegt.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 1, ferner mit einer Versiegelungsanordnung (60), die die Füllöffnung verschließt.
Vorrichtung (40) nach Anspruch 2, bei der die Elektroden-Tasche (20) eine Elektrodenanordnung mit einem Anoden-Ansatz (24) und einem Kathoden-Ansatz (26) aufweist, die zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden (17, 19) an einer anderen Stelle als der Füllöffnung (33) von dem Inneren der Elektroden-Tasche (20) zu dem Äußeren der Elektroden-Tasche (20) verlaufen.
Verfahren zum Zusammenbauen einer flexiblen Batterie (90) aus einem flexiblen Batteriegehäuse (28) mit einer Elektroden-Tasche (20), die eine Elektrodenanordnung (24, 26), unversiegelte Flächen, die danach versiegelt werden, und eine Elektrolyt-Füllöffnung (33) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anordnen des Batteriegehäuses (28) derart, dass sich die Füllöffnung (33) in einem oberen Teil des Batteriegehäuses (28) befindet, Einbringen von Elektrolyt durch ein zurückziehbares Ausgabeelement (50) und durch die Füllöffnung (33) in die Elektroden-Tasche (20), und zwar unter Verwendung von einer programmierbaren Plattform zum Durchführen einer relativen deckungsgleichen Positionierung des Ausgabeelements (50) relativ zu der Füllöffnung (33); oder einem Ansaugelement zum Entfernen von Elektrolyt aus der Auslassöffnung (51) des Ausgabeelements (50) vor dem Zurückziehen des Ausgabeelements (50) von der flexiblen Batterie (90) derart, dass das Elektrolyt nicht mit den unversiegelten Flächen, die danach versiegelt werden, in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Batteriegehäuse (28) einander gegenüberliegende Wände (17, 19) aufweist, die entlang mindestens einem Teil des Umfangs des Gehäuses (28) miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren ferner das Halten des Batteriegehäuses derart umfasst, dass die miteinander verbundenen Wände während des Einbringens von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche (20) vertikal ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit den Schritten des Vorsehens einer das Batteriegehäuse (28) umgebenden Vakuumkammer und des Erzeugens eines Vakuums in der Kammer während des Einbringens des Elektrolyts.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit dem Schritt des Herstellens der Elektrolyt-Füllöffnung (33) aus einer Öffnung in dem verbundenen Umfang des Gehäuses (28) zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner mit dem Schritt des Versiegelns der Füllöffnung (33) nach dem Einbringen von Elektrolyt in die Elektroden-Tasche (20).
Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit dem Schritt des Vorsehens eines Anoden-Ansatzes (24) und eines Kathoden-Ansatzes (26), die zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden (17, 19) an einer anderen Stelle als der Füllöffnung (33) von dem Inneren der Elektroden-Tasche (20) zu dem Äußeren der Elektroden-Tasche (20) verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit dem Schritt des Vorsehens einer Gas-Tasche (30), die mit der Elektroden-Tasche (20) in Fluidverbindung steht.