DE69022503T2 - Gewickelte Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle. - Google Patents

Gewickelte Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle.

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Description

    Technischer Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine gewickelte Elektrodenvorrichtung für eine elektrochemische Zelle und insbesondere eine gewikkelte Elektrodenvorrichtung, bei der ein Bereich einer Außenfläche eines Substrats oder Gitters desjenigen Bereichs einer Elektrodenplatte, der die Außen- oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenvorrichtung bildet, im wesentlichen freiliegt und mindestens einen Bereich eines Behälters berührt, wenn die Elektrodenvorrichtungzu einer dichten elektrochemischen Zelle zusammengesetzt ist.
  • Spiralig gewickelte elektrochemische Zellen sind auf dem Gebiet weithin bekannt, z.B. aus WO-A-8 603 889, GB-A-1 197 468, FR-A-2 251 106, EP-A-0 223 322, und US-A-4 802 275.
  • Herkömmlicherweise werden gewickelte Elektrodenvorrichtungen für elektrochemische Zellen aus zwei separaten Elektrodenplatten entgegengesetzter Polarität mit einer zwischen diesen angeordneten Schicht aus Separatormaterial gebildet. Die negative Elektrodenplatte kann gepreßt oder pastiert sein. Eine wäßrige Mischung aus einem elektrochemisch aktiven Material und einem Binder kann auf jede Seite eines elektrisch leitenden perforierten Substrats aufgebracht und auf das Substrat gepreßt werden, beispielsweise durch Hindurchführen des Substrats zwischen Walzen. Das Substrat kann punktiert werden, um die Haftung zwischen dem Substrat und dem elektrochemisch aktiven Material zu verbessern. Alternativ können sowohl die positiven als auch die negativen Elektroden gesintert sein. Ein perforiertes oder aus einem Drahtnetz bestehendes Stahlsubstrat mit einer Dicke von beispielsweise 50 - 75 um (2 - 3 mil) wird mit einer oder mehreren Karbonylnickelpulverschichten zur Bildung einer porösen Elektrodenplatte mit einer Dicke von beispielsweise 500 - 750 um (20 - 30 mil) gesintert. Die dadurch gebildete poröse Platte wird herkömmlicherweise mit einer Lösung eines elektrochemisch aktiven Materials imprägniert. Das elektrochemisch aktive Material wird innerhalb der Platte aus der Lösung ausgefällt.
  • Zusätzlich kann eine positive Elektrodenplatte mit ultra-hoher Porosität verwendet werden, bei der ein elektrochemisch aktives Nickelmaterial mit einem porösen Substrat, beispielsweise einem hoch-porösen Metallschaum oder einer faserigen Matte, verbondet wird, indem zum Beispiel ein Schlamm oder eine Paste, welche(r) das aktive Material enthält, auf das Substrat und in dessen Zwischenräume gepreßt wird. Das Substrat kann dann zur Bildung einer die gewünschte Dicke aufweisenden positiven Nickelelektrodenplatte mitkompaktiert werden.
  • Gemäß einem Verfahren zum Herstellen elektrochemischer Zellen werden eine negative Elektrodenplatte, eine positive Elektrodenplatte und zwei Separator-Teile derart zu einer Spirale gewickelt, daß die Oberflächen der positiven und der negativen Elektrodenplatten über die gesamte Zelle hinweg einander gegenüberliegen. Diese Zellkomponenten werden um einen herausnehmbaren Dorn gewickelt, der innerhalb einer Aufnahme montiert ist, deren Durchmesser ungefähr demjenigen des Behälters der elektrochemischen Zelle entspricht. Bei dieser herkömmlichen Weise der Herstellung ist die äußere Wicklung der Elektrodenvorrichtung eine Schicht aus Separatormaterial, die verhindert, daß das elektrochemisch aktive Material am äußeren Rand der Elektrodenvorrichtung abgeschabt wird, wenn die Vorrichtung während der Herstellung der Zelle in den Behälter eingeführt wird.
  • Der elektrische Kontakt zwischen den Elekrodenplatten und dem Zellenbehälter einer gewickelten elektronischen Zelle wurde bisher dadurch hergestellt, daß eine der Elekrodenplatten mit der Seitenwand oder dem Boden des Zellenbehälters oder -gehäuses verbunden wurde, während die Elektrodenplatte der entgegengesetzten Polarität elektrisch mit der Oberseite des Behälters oder Gehäuses verbunden wurde, die von dessen Boden oder dessen Seitenwand elektrisch isoliert ist. Wenn eine Elektrodenplatte elektrisch mit dem Boden einer Zelle verbunden wird, wird ein Stromabnehmeranschluß, der einstückig ausgebildet oder z.B. durch Schweißung an der Elektrodenplatte verbunden ist, an dem Zellenboden befestigt, beispielsweise indem eine Schweißdüse durch die Mitte der Elektrodenvorrichtung eingeführt wird, um den Anschluß mit dem Boden zu verschweißen. Ein derartiger Herstellungsvorgang ist verhältnismäßig schwierig und zeitaufwendig. Alternativ kann der Abnehmeranschluß zur Herstellung eines Druckkontaktes mit dem Behälter oder Gehäuse auf die gewickelte Elektrodenvorrichtung hin zurückgebogen werden, wie z.B. in US-Patent Nr. 4 049 382 beschrieben ist.
  • Die Elektrodenplatte, die die äußere Wicklung oder den Umfang der Elektrodenvorrichtung bildet, kann durch Berührung elektrisch mit der Seitenwand des Zellenbehälters oder -gehäuses verbunden sein. Ein derartiger Kontakt kann hergestellt werden, indem mindestens ein Teil der Außenschicht oder -wicklung des Separatormaterials entfernt und dadurch die äußere Wicklung der Elektrodenplatte zum Kontakt mit den Seitenwänden des Behälters freigelegt wird. Somit kontaktiert die äußerste Schicht des elektrochemisch aktiven Materials der freiliegenden Elektrodenplatte die Seitenwand des Behälters und stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem Substrat der äußeren Wicklung der Elektrodenplatte und der Seitenwand her. Das US- Patent Nr. 4 663 247 beschreibt eine dichte galvanische Zelle, bei der die äußere, freiliegende Elektrode einer gewickelten Elektrodenvorrichtung durch eine in der äußeren Separatorschicht ausgebildete Öffnung einen elektrischen Kontakt mit der Wand des Behälters herstellt, der die Vorrichtung enthält. Das US-Patent Nr. 4 259 416 befaßt sich mit einer spiraligen Elektrode, die in einem Batteriegehäuse untergebracht ist und bei der die am äußersten Umfangsbereich der spiraligen Elektrode angeordnete positive Platte durch Kontaktdruck elektrisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Das elektrochemische Material, das an der die äußerste Wicklung oder Schicht herkömmlicher gewickelter Elektrodenvorrichtungen bildenden Elektrodenplatte angeordnet ist, weist jedoch einen inhärenten elektrischen Widerstand auf, der Ineffizienzen der Zelle verursacht. Zudem partizipiert dieses aktive Material nicht an den elektrochemischen Reaktionen, die während der Lade- und Entladezyklen innerhalb der Zelle zwischen gegenüberliegenden Flächen positiver und negativer Elektrodenplatten auftreten.
  • Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine zur Verwendung in einer dichten elektrochemischen Zelle vorgesehene gewickelte Elektrodenvorrichtung zu schaffen, bei der direkter elektrischer Kontakt zwischen einem beil des Substrats oder Gitters einer Elektrodenplatte der Elektrodenvorrichtung und einem Teil des Zellenbhälters besteht.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine gewickelte Elektrodenvorrichtung zu schaffen, die leicht herstellbar ist und die bei Anordnung in einer dichten elektrochemischen Zelle eine wesentlich höhere Coulomb-Zellkapazität und verbesserte Zelleistungscharakteristiken aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gewikkelte Elektrodenvorrichtung zu schaffen, die leicht innerhalb einer dichten elektrochemischen Zelle zusammengefügt werden kann und im zusammengefügten Zustand einen vereinfachten Aufbau der elektrochemischen Zelle ergibt.
  • Gemäß der Erfindung wird eine dichte elektrochemische Zelle mit einer in einem Behälter angeordneten, spiralig gewickelten Elektrodenvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Elektrodenvorrichtung eine erste Elektrode, die ein elektrisch leitendes Substrat und ein an beiden Flächen des Substrats befestigtes elektrochemisch aktives Material aufweist, und eine zweite Elektrode mit einer der ersten Elektrode entgegengesetzten Polarität enthält, und wobei die erste Elektrode eine Außenwicklung für die Elektrodenvorrichtung bildet; wobei in der Außenwicklung mindestens ein Teil des Substrats an seiner einen Seite frei von elektrochemisch aktivem Material ist und einen Teil des Behälters direkt kontaktiert, wobei in der Außenwicklung das elektrochemisch aktive Material an der anderen Seite des Substrats, die der den Kontakt mit dem Behälter bildenden genannten einen Seite direkt gegenüberliegt, an mindestens einem Teil des Substrats befestigt ist; und das Ende der ersten Elektrode wesentlich über das Ende der in der Außenwicklung angeordneten zweiten Elektrode hinausragt.
  • Vorzugsweise ist das elektrochemisch aktive Material an der genannten einen Seite an der Position, an der der Teil des Substrates in der Außenwicklung frei von elektrochemisch aktivem Material wird, abgeschärft.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine zur Verwendung in einer dichten elektrochemischen Zelle vorgesehene gewickelte Elektrodenvorrichtung vorgeschlagen, die aufweist: eine erste Elektrodenplatte mit einem elektrisch leitenden Substrat und einem an mindestens einer Fläche des ersten Substrats befestigten ersten elektrochemisch aktiven Material, eine zweite Elektrodenplatte mit einem zweiten elektrisch leitenden Substrat und einem an mindestens einer Fläche des zweiten Substrats befestigten elektrocheinisch aktiven Material, und Separatormaterial, das zwischen der ersten Elektrodenplatte und der zweiten Elektrodenplatte angeordnet ist, um über die gesamte Vorrichtung hinweg die erste Elektrodenplatte von der zweiten Elektrodenplatte zu isolieren. Die erste Elektrodenplatte, die zweite Elektrodenplatte und das Separatormaterial sind derart gewickelt, daß die erste Elektrodenplatte eine Außenwicklung für die Elektrodenvorrichtung definiert. Das elektrochemisch aktive Material ist auf mindestens einem Teil der Außenfläche der Außenwicklung der Elektrodenvorrichtung weggelassen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine dichte elektrochemische Zelle vorgeschlagen, die einen Behälter und eine in dem Behälter positionierte gewickelte Elektrode aufweist. Die gewickelte Elektrodenvorrichtung weist eine erste Elektrodenplatte auf, die mit einem ersten elektrisch leitenden, porösen Substrat und einem ersten elektrochemisch aktiven Material versehen ist, das an mindestens einer Fläche des ersten Substrats befestigt ist. Die erste Elektrodenplatte definiert eine Außenwicklung für die Elektrodenvorrichtung. Das elektrochemisch aktive Material ist auf mindestens einem Teil der Außenfläche der Außenwicklung weggelassen, damit das in der Außenwicklung befindliche erste Substrat mindestens einen Teil des Behälters kontaktieren kann.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Zeichnungen, die in die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil derselben bilden, zeigen die Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung bei Anordnung in einem Behälter einer dichten elektrochemischen Einrichtung;
  • Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung bei Anordnung in einem Behälter einer dichten elektrochemischen Einrichtung; und
  • Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der durch die erfindungsgemäße Wickelelektrodenvorrichtung bei einer dichten Nickel-Cadmiumzelle erhaltenen erhöhten Kapazität der elektrochemischen Zelle.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Eine dichte elektrochemische Zelle, die in Fig. 1 generell mit 10 bezeichnet ist, weist einen Behälter 12 und eine Wickelelektrodenvorrichtung 20 auf, die derart: bemessen und ausgebildet ist, daß sie in dem Behälter 12 angeordnet werden kann und dabei an der inneren Seitenwand 14 des Behälters 12 anliegt. Der Behälter 12 kann aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material, z.B. mit Nickel plattiertem Stahl, bestehen, das eine Dicke von ungefähr 0,254 bis 0,381 mm (0,010 bis ungefähr 0,015 Inch) hat.
  • Die Elektrodenvorrichtung 20 besteht aus einer ersten Elektrodenplatte 30, einer zweiten Elektrodenplatte 40 entgegengesetzer Polarität und zwei separaten, distinkten Schichten aus einem porösen flexiblen Separatormaterial 50,51, die auf jeder Seite der ersten Elektrode 30 aufgebracht sind, um die Elektrodenplatte 30 in der gesamten Zelle von der Elektrodenplatte 40 elektrisch zu isolieren. Die beiden Schichten des Separatormaterials 50,51 können aus einer einzelnen Bahn eines Materials oder aus zwei separaten Bahnen gefertigt sein, wie Fign. 1 und 2 zeigen. Bei der Erfindung kann jedes geeignete Separatormaterial verwendet werden, beispielsweise nichtgewebtes Nylon oder Polypropylen. Die Elektrodenvorrichtung 20 wird durch Wickeln ihrer Bestandteile um einen abnehmbaren Dorn in einer (nicht dargestellten) Aufnahme gebildet, wie in dem US- Patent 4 203 206, das hiermit durch Verweis in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist, im einzelnen beschrieben ist.
  • Wie gezeigt, ist die negative Elektrodenplatte 30 durch Bonden oder Befestigen einer Schicht eines geeigneten elektrochemisch aktiven Materials 32 an jeder Fläche oder Seite eines porösen Substrats 34 ausgebildet. Das poröse Substrat 34 kann aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material, z.B. mit Nikkel plattiertem Stahl, gefertigt sein, das perforiert worden ist. Das elektrochemisch aktive Material 32 kann an dem porösen Substrat 34 angebracht werden, indem eine geeignete Paste, bei der es sich um eine primär aus aktivem Material - z.B. Cadmiumoxid, Cadmiumhydroxid und Cadmiummetall - bestehende Mischung handelt, und ein Binder auf die Perforationen jedes porösen Substrates und durch die Perforationen gepreßt wird. Alternativ wird das aktive Material vorzugsweise auf das Substrat gebondet, indem ein organischer Schlamm, der das aktive Material in einer Suspension enthält, aus einer Querspritzdüse gleichzeitig auf beide Seiten des Substrats extrudiert wird, dadurch das Substrat durchdringt und auf jeder Seite des Substrates eine Schicht bildet. In dem organischen Schlamm ist ferner einen elastomeren Binder enthalten, um das elektrochemisch aktive Material in Suspension in dem organischen Lösemittel zu halten.
  • Bevorzugte Binder sind ein Styrol-Butadien-Copolymer, das unter der Handelsbezeichnung AMERIPOL von der B.F. Goodrich Company hergestellt wird, oder Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol- Blockcopolymere, die unter der Handelsbezeichnung KRATON von Shell Chemical Co. hergestellt werden. Geeignete organische Lösemittel, die als Trägersubstanz beim Formulieren derartiger organischer Schlämme verwendbar sind, sind z.B. Naphthol-Destillate, Stoddard-Solvent, Dekan, Xylole, Isoparaffine, und Mischungen aus diesen. Nach dem Extrudieren auf das Substrat wird der organische Schlamm getrocknet, um das organische Lösungsmittel zu entfernen und eine mikroporöse flexible Beschichtung auf dem Substrat zu bilden, in der Partikel des elektrochemisch aktiven Materials miteinander und mit dem Substrat durch den elastomeren Binder verbunden sind.
  • Wie ferner gezeigt ist, wird die positive Elektrodenplatte 40 vorzugsweise durch Sintern eines Metallpulvers geringer Dichte, z.B. eines Carbonyl-Nickelpulvers, auf jeder Seite eines porösen Substrats 44 hergestellt, wobei das Substrat aus jedem geeigneten elektrisch leitenden Material, z.B. aus mit Nickel plattiertem Stahl, bestehen kann, das perforiert worden ist. Herkömmlicherweise wird die so hergestellte Elektrodenplatte, geladen, indem die Platte mit einer wäßrigen Lösung imprägniert wird, die ein elektrochemisch aktives Material enthält, das anschließend aus der Lösung ausgefällt wird, wodurch auf jeder Fläche des Substrats 44 und innerhalb der durch das Substrat verlaufenden Perforationen ein Bereich gebildet wird, der ein elektrochemisch aktives Material 42 enthält.
  • Die derart hergestellte Elektrodenvorrichtung 20 wird in den Behälter 12 eingesetzt und von diesem aufgenommen. Zum elektrischen Verbinden der Elektrodenplatte 40 mit einem Teil des Behälters 12, der elektrisch von der Seitenwand 14 isoliert ist, z.B. mit einem (nicht gezeigten) Deckel, ist an dem nicht mit dem aktiven Material beschichteten Endbereich 46 des Substrats 40 ein (nicht gezeigter) elektrisch leitender Ansatz einstückig angeschweißt, wobei der Ansatz derart bemessen ist, daß er sich über das Substrat 40 hinaus erstreckt, und wobei er in bekannter Weise durch jedes geeignete Mittel, z.B. Laserschweißen, an dem Deckel angebracht ist. Dieser Endbereich kann gemäß Fign. 1 und 2 an jedem der beiden Enden der gewikkelten Elektrode 40 angeordnet sein. Alternativ kann der elektrisch leitende Ansatz einstückig mit dem Substrat 40 ausgebildet sein.
  • Gemäß der Erfindung liegt die Außenfläche des Substrats 34 der äußersten oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenplatte 30 frei und kontaktiert die Seitenwand 14 des Behälters 12, um die äußerste oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenplatte 30 elektrisch direkt mit der Seitenwand 14 zu verbinden. Um die Außenfläche des Substrats 34 der äußersten oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenplatte 30 freizulegen, werden die Außenschicht des Separatormaterials 50,51 und die Schicht des aktiven Materials 32 von der äußersten oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenplatte 30 entfernt. Die Außenschicht des Separatormaterials wird entfernt, während die Bestandteile der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung um einen abnehmbaren Dorn gewickelt werden. Ein Teil 52 der Außenschicht des Separatormaterials wird nicht entfernt, so daß er sich mit dem freiliegenden Substrat 34 überlappt und somit eine Sicherung gegen elektrische Verbindung zwischen den Elektrodenplatten bildet. Vor dem Wickeln kann die Schicht aktiven Materials 32 von der Außenseite der äußersten oder Umfangsschicht oder -wicklung der Elektrodenplatte 30 abgeschabt werden, wodurch das Substrat 34 freigelegt wird, so daß ein elektrischer Kontakt mit im wesentlichen der gesamten Umfangsfläche des freigelegten Substrats 34 und der Seitenwand 14 des Behälters 12 gebildet ist. Diese Schicht aus aktivem Material 32 kann entfernt werden, indem die Außenseite des Substrats 34 in der Außenschicht oder -wicklung 36 durch geeignete Mittel, z.B. eine Klinge, abgeschabt wird. Alternativ ist die Elektrodenplatte 30 vorzugsweise derart ausgebildet, daß die äußere Schicht oder Wicklung 36 des Substrats 34 auf ihrer Außenseite keine Schicht aus aktivem Oberflächenmaterial 32 aufweist. Vorzugsweise ist die äußere Wicklung oder Schicht 36 des Substrats 34 im wesentlichen unperforiert (siehe Fig. 2) und mit einer Schicht aus aktivem Oberflächenmaterial 32 versehen, das nur auf die Innenseite des Substrats extrudiert ist.
  • Obwohl die negativen und die positiven Elektrodenplatten 30,40 der Wickelelektrodenvorrichtung gemäß der Erfindung in Form einer bestimmten Elektrodenvorrichtung gezeigt und beschrieben worden sind, können die Elektrodenplatten auch auf andere Weise ausgebildet sein, ohne vom Prinzip und Umfang der Erfindung anzuweichen. Beispielsweise kann die negative Elektrodenplatte 30 durch Sintern ausgebildet werden, wie hier im Zusammenhang mit der positiven Elektrodenplatte 40 beschrieben. Zur Ausbildung der positiven Elektrodenplatte 40 kann ein Schlamm oder eine Paste, der bzw. die ein elektrochemisch aktives Material 42 enthält, in ein hoch Poröses Metallschaumsubstrat gedrückt und das Substrat auf die gewünschte Dicke der Elektrodenplatte kompaktiert werden. Obwohl die äußere Schicht oder Wicklung der erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung 20 als durch einen Teil der negativen Elektrodenplatte 30 gebildet gezeigt wurde, kann die äußere Schicht oder Wicklung auch durch einen Teil der positiven Elektrodenplatte 40 gebildet sein, falls die Beschränkungen, denen das Design einer gegebenen elektrochemischen Zelle unterworfen ist, dies zulassen. Falls die positive Elektrodenplatte 40 zur Bildung der äußeren Schicht oder Wicklung der Elektrodenvorrichtung 20 benutzt und unter Verwendung eines Metallschaumsubstrats gebildet wird, kann gemäß der Erfindung das Substrat zum Kontakt mit dem Zellenbehälter oder -gehäuse freigelegt werden, indem die Außenfläche desjenigen Teils der Platte 40, der die äußere Schicht oder Wicklung der Elektrodenvorrichtung 20 bildet, maskiert wird, z.B. mit Band. Eine derartige Maskierung verhindert, daß Schlamm oder Paste, der bzw die elektrochemisch aktives Material enthält und auf die Innenfläche dieses Teils der Platte 40 aufgebracht wird, durch die Platte hindurch auf deren Außenfläche vordringt. Nach dem Pastieren wird das Band abgenommen, wobei der äußere Teil des Substrats freigelegt wird.
  • Die Elektrodenvorrichtung der Erfindung bewirkt einen verbesserten Kontakt zwischen einer Elektrodenplatte und dem Behälter einer elektrochemischen Zelle. Zudem wird das Volumen, das auf der Außenfläche der Außenwicklung herkömmlicher Wickelelektrodenvorrichtungen normalerweise von dem Separatormaterial und dem aktiven Material eingenommen wird, nun verfügbar zum Einbringen zusätzlichen positiven und/oder negativen aktiven Elektrodenmaterials in das gleiche Volumen. Die Menge des zusätzlichen elektrochemisch aktiven Materials und der damit einhergehende Zuwachs an elektrischer Kapazität einer gegebenen elektrochemischen Zelle sind eine Funktion der Dicke jeder Komponente der erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung und des Durchmessers des Behälters, in den die Vorrichtung eingesetzt wird. Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Zunahme der durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung in einer Nickel-Cadmiumzelle erhaltenen Zellkapazität. Die Berechnungen erfolgten auf der Basis einer Dicke der positiven Platte von 0,762 mm (0,030 Inch) und einer Breite von 40 mm (1,575 Inch), einer Dicke der negativen Platte von 0,533 mm (0,021 Inch), einer Separatordicke von 0,1524 mm (0,006 Inch) und einem Dorndurchmesser von 4,75 mm (0,187 Inch). Die Kurve A in Fig. 3 zeigt die elektrische Kapazität einer auf herkömmliche Weise hergestellten Nickel-Cadmiumzelle, die Kurve B zeigt die elektrische Kapazität einer Nickel- Cadmiumzelle, bei der erfindungsgemäße Wickelelektrodenvorrichtung verwendet wird, und die Kurve C zeigt den Prozentsatz der Zunahme der Zellkapazität, die durch Verwendung der erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung erreicht wurde. Die mittels der erfindungsgemäßen Wickelelektrodenvorrichtung erreichte Zunahme der Zellkapazität ist bei Zellen mit geringerem Durchmesser größer. Wie dargestellt, beträgt der Zellkapazitätszuwachs für eine Zelle der Größe AA mehr als 20%.
  • Die folgenden Beispiele beschreiben die Art und das Verfahren der Herstellung und der Anwendung der vorliegenden Erfindung und veranschaulichen das von den Erfindern als beste Art der Durchführung der Erfindung angesehene Ausführungsbeispiel, sind jedoch nicht als Einschränkung des Rahmens der Erfindung zu verstehen.
    • Beispiel 1
  • Mehrere zylindrische dichte Nickel-Cadmiumzellen der Größe AA wurden jeweils entsprechend der Erfindung aus einer auf herkömmliche Art gesinterten und mit Nickelhydroxid imprägnierten positiven Elektrodenplatte sowie einer extrusionsbeschichteten und mittels Elastomermaterial verbondeten negativen Cadmiumoxid-Elektrodenplatte auf einen Dorn mit einem Durchmesser von 4,75 mm (0,187 Inch) gewickelt. Zwischen der positiven und der negativen Elektrodenplatte wurde ein nicht gewebter Nylon- Separator angeordnet. Die negative Elektrodenplatte war derart ausgebildet, daß die Außenfläche der äußeren Schicht oder Wicklung im wesentlichen frei von elastomer-verbondetem Cadmiumdioxid war, und die Außenschicht des Separators war derart bemessen, daß das Substrat der äußeren Schicht oder Wicklung freilag. Die sich daraus ergebende Wickelelektrodenvorrichtung wurde in einen zylindrischen Zellenbehälter derart eingesetzt, daß das freiliegende Substrat der äußeren Schicht oder Wick- lung der negativen Elektrodenplatte die Seitenwand des Behälters berührte. Vor dem Abdichten der Zellen wurden 1,95 Milliliter 27%-iges KOH hinzugegeben. Die Zellen wurden anschließend abgedichtet und bei 70 Milliampere für 24 Stunden formiert und mit 700 Milliampere entladen. Die Zellenkapazitäten dieser Zellen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.
    • Beispiel 2
  • Es wurde eine positive Elektrodenplatte mit hoher Energiedichte hergestellt, indem eine hochporöse Nickelschaumstruktur mit einem Schlamm aus Nickelhydroxid und anderen aktiven Materialien gefüllt und die Elektrodenplatte getrocknet und auf eine in der Tabelle 1 angegebene Dicke gepreßt wurde. Die resultierende positive Elektrodenplatte wurde zur Bildung mehrerer Zellen unter Verwendung der Bestandteile gemäß dem Beispiel 1 gewickelt, aktiviert und formiert. Die Zellkapazitäten dieser Zellen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.
    • Beispiel 3
  • Mehrere Zellen wurden entsprechend dem Beispiel 2 hergestellt, aktiviert und formiert, mit der Ausnahme, daß auf der Außenseite des Substrats der äußeren Schicht oder Wicklung der negativen Elektrodenplatte gemäß der herkömmlichen Praxis Cadmiumoxid und ein Separator vorhanden waren. Am Rand der negativen Elektrodenplatte war ein Anschluß aus Nickel befestigt, der an den Boden des Zellenbehälters angeschweißt war.
  • Die Ergebnisse der Beispiele 1, 2 und 3 sind nachfolgend in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Die Angabe der Zellkapazitäten erfolgt sowohl in Form eines für die Meßwerte typischen Wertes, als auch in Form eines auf einer "C"-Ratenskala, d.h. mit einer Rate von einer Stunde, eingetragenen Wertes. Tabelle 1 Positiv Negativ Separator Kapazität Dicke Länge Breite Typisch Nennleitung Beispiel
  • Wie die vorstehend aufgeführten Ergebnisse zeigen, war die Länge des Separators, die zur Bildung der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtungen der Beispiele 1 und 2 erforderlich war, erheblich geringer als die zur Herstellung der herkömmlichen Zellen nach Beispiel 3 erforderliche Separatorlänge. Dies führte zu einer wesentlichen Zunahme der Länge sowohl der positiven als auch der negativen Elektrodenplatten in den Wikkelelektrodenvorrichtungen und der Kapazitäten der Zellen, in denen die erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtungen verwendet wurden.
  • Die Wickelektrodenvorrichtung gemäß der Erfindung kann in einer Vielzahl dichter elektrochemischer Zellen verwendet werden, z.B. in Nickel-Cadmium-, Metallhydrid-, und Lithium- Sekundärzellen. Die erfindungsgemäße Wickelektrodenvorrichtung ist als spiralig gewickelte Anordnung gezeigt worden, jedoch ist die Erfindung auch für andere Wickelkonfigurationen anwendbar, z.B. für eine schlangenförmige oder flache Wickelkonfiguration. Die Erfindung ist nützlich für bestimmte Batterie- Anwendungsfälle, in denen Bedarf an einer verbesserten elektrischen Verbindung zwischen einer Wickelelektrodenvorrichtung und einem elektrisch leitenden Zellenbehälter sowie an einer verbesserten Zellenkapazität besteht.
  • Zur Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wurden die bevorzugten Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben und dargestellt, jedoch ist für den Fachmann ersichtlich, daß zahlreiche Modifikationen und Veränderungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den in den Patentansprüchen definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (14)

1. Dichte elektrochemische Zelle mit einer in einem Behälter angeordneten, spiralig gewickelten Elektrodenvorrichtung, wobei die Elektrodenvorrichtung eine erste Elektrode, die ein elektrisch leitendes Substrat (34) und ein an beiden Flächen des Substrats befestigtes elektrochemisch aktives Material (32) aufweist, und eine zweite Elektrode mit einer der ersten Elektrode entgegengesetzten Polarität enthält, und wobei die erste Elektrode eine Außenwicklung für die Elektrodenvorrichtung bildet;
wobei in der Außenwicklung (36) mindestens ein Teil des Substrats (34) an seiner einen Seite frei von elektrochemisch aktivem Material (32) ist und einen Teil des Behälters (12) direkt kontaktiert, und wobei in der Außenwicklung das elektrochemisch aktive Material an der anderen Seite des Substrats, die der den Kontakt mit dem Behälter bildenden genannten einen Seite direkt gegenüberliegt, an mindestens einem Teil des Substrats befestigt ist; und
das Ende der ersten Elektrode wesentlich über das Ende der in der Außenwicklung angeordneten zweiten Elektrode hinausragt.
2. Dichte elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, bei der das elektrochemisch aktive Material an der genannten einen Seite an der Position, an der der Teil des Substrates in der Außenwicklung frei von elektrochemisch aktivem Material wird, abgeschärft ist.
3. Dichte elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Elektrodenvorrichtung eine positive Elektrodenplatte, die mit einem als zweite Elektrode dienenden ersten elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist, eine negative Elektrodenplatte, die mit einem als erste Elektrode dienenden zweiten elektrochemisch aktiven Material beschichtet ist, und ein Separatormaterial aufweist, das im wesentlichen über die gesamte Zelle hinweg zwischen der positiven Elektrodenplatte und der negativen Elektrode angeordnet ist.
4. Dichte elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, bei der sich die negative Elektrodenplatte im wesentlichen über das Separatormaterial hinaus erstreckt und das Separatormaterial sich in der Außenwicklung wesentlich über die positive Elektrodenplatte hinaus erstreckt.
5. Dichte elektrochemische Zelle nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der der von der ersten Fläche des Substrats kontaktierte Teil des Behälters eine Seitenwand des Behälters ist.
6. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der im wesentlichen das gesamte Substrat perforiert ist.
7. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der in der Außenwicklung gelegene Teil des Substrats im wesentlichen unperforiert ist.
8. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der im wesentlichen das gesamte in der Außenwicklung gelegene Substrat einen Teil des Behälters elektrisch kontaktiert.
9. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Zelle eine Nickel-Elektroden enthaltende Zelle ist.
10. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der die negative Elektrodenplatte ein Substrat aufweist, das mit einer einen elastomeren Binder enthaltenden organischen Aufschlämmung aus elektrochemisch aktivem Cadmium-Material extrusionsbeschichtet ist.
11. Dichte elektrochemische Zelle nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei der die Nickel-Elektrode aus einem hochporösen Metallschaumsubstrat besteht, das mit einer Aufschlämmung aus elektrochemisch aktivem Nickel-Material gefüllt ist.
12. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der die Außenfläche der Außenwicklung vollkommen frei von Separator ist.
13. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 3 bis 12, bei der die negative Elektrodenplatte eine Cadmium-Elektrode ist, wobei das die Cadmium-Elektrode bildende Substrat als Hybridkonstruktion ausgebildet ist, die Innenwindungen des Substrats perforiert sind und auf beiden Flächen Schichten aus elektrochemisch aktivem Cadmium- Material tragen, und der Außenwicklungsteil des Substrats unperforiert ist.
14. Dichte elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der eine negative Elektrodenplatte das an der genannten einen Seite abgeschärfte elektrochemisch aktive Material enthält.
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