HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine münzförmige Lithiumbatterie, welche gebildet wird von
einem Batteriegehäuse, welche ein Anodenpellet aus Lithium oder einer
Lithiumlegierung und einem Kathodenpellet enthält, welche so angeordnet sind, dass sie
sich mit einem zwischen ihnen vorgesehenen Separator gegenüberstehen.
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Bei einer münzförmigen Lithiumbatterie, welche gebildet wird von einem
Batteriegehäuse, die darin ein Anodenpellet aus Lithium oder eine Lithiumlegierung und
ein Kathodenpellet aufweist, welche so angeordnet sind, dass sie sich mit einem
zwischen ihnen vorgesehenen Separator gegenüberstehen, z. B. einer
münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie, vermindert sich das Volumen des Anodenmaterials,
d. h. des von Lithium oder einer Lithiumlegierung gebildeten Anodenpellets, und
es erhöht sich das Volumen des Kathodenmaterials, d. h. des Kathodenpellets,
wenn sich die Batterie entlädt. Die Abnahme der Höhe des Anodenpellets und die
Zunahme der Höhe des Kathodenpellets sind nicht gleich, die Gesamthöhe des
Anodenpellets und des Kathodenpellets vermindert sich. Folglich kann der
Batteriekontakt, d. h. des Anodenpellets und des Kathodenpellets miteinander, d. h. des
Kontakts zwischen der Anode und der Kathode, nicht in befriedigender Art und
Weise bei der letzten Hälfte der Entladung aufrechterhalten werden, und dieser
nicht befriedigende Kontakt bewirkt einen merklichen Anstieg des inneren Drucks
und Entladungsfehler.
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Bei konventionellen münzförmigen Lithium-Mangan-Batterien, welche gebildet
werden von einem Batteriegehäuse 44, welches darin parallel ein scheibenförmiges
Anodenpellet 44 und ein Kathodenpellet 42, die sich mit einem Separator 43
zwischen ihnen gegenüberstehen, aufweist, sind eine Anodenkappe 45 und ein
Kathodengehäuse 46, welche das Batteriegehäuse 44 bilden, mit einer
Isolierdichtung 47 zwischen ihnen abgedichtet vorgesehen, wobei die Anodenkappe 45
elastisch deformiert ist, wie das in Fig. 1 gezeigt ist. Bei der münzförmigen Lithium-
Mangan-Batterie mit diesem Aufbau, auf welche nachfolgend als herkömmliches
Beispiel 1 Bezug genommen wird, bewirkt die Abnahme der Höhe des aktiven
Materials infolge der Entladung, dass sich die Anodenkappe 45 elastisch
deformiert, so dass ein befriedigender Kontakt zwischen der Anode und der Kathode
aufrechterhalten wird.
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Bei einer anderen herkömmlichen münzförmigen Lithium-Manganbatterie, welche
gebildet wird von einem Batteriegehäuse 54, welches darin ein Anodenpellet 51
und ein Kathodenpellet 52 aufweist, welche sich mit einem Separator 53 zwischen
ihnen gegenüberstehen, ist das Kathodenpellet 52 in einen Kathodenring 55
eingepasst, wie das in Fig. 2 gezeigt ist. Bei der münzförmigen Lithium-Mangan-
Batterie mit diesem Aufbau, auf welche nachfolgend als herkömmliches Beispiel 2
Bezug genommen wird, begrenzt der Kathodenring 55 die Volumenänderung des
Kathodenpellets 52 infolge der Entladung im Hinblick auf die vertikale Richtung.
Folglich wird eine Verminderung der Gesamthöhe des Anodenpellets 51 und des
Kathodenpellets 52 während der Entladung verhindert.
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Ferner wurde eine andere münzförmige Lithium-Mangan-Batterie vorgeschlagen,
auf welche nachfolgend als herkömmliches Beispiel 3 Bezug genommen wird.
Diese münzförmige Lithium-Manganbatterie des herkömmlichen Beispiels 3 weist
ein dünneres Batteriegehäuse 64 auf, welches darin ein Anodenpellet 61 mit
größerem Durchmesser als beim herkömmlichen Beispiel 1 sowie ein
Kathodenpellet 62 enthält, welche sich mit einem Separator 63 zwischen ihnen
gegenüberstehen, wie das in Fig. 3 gezeigt ist.
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Bei den oben beschriebenen herkömmlichen münzförmigen Lithium-Mangan-
Batterien wurden der Innenwiderstand R1 vor der Entladung und der
Innenwiderstand R2 nach Entladung von 80% der nominalen Kapazität gemessen. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
TABELLE 1
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Die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des herkömmlichen Beispiels 1 zeigt
das Problem, dass der Innenwiderstand in der zweiten Hälfte der Entladung
ansteigt, wie das in Tabelle 1 gezeigt ist. Dieser Anstieg beim Innenwiderstand in
der zweiten Hälfte des Entladens zeigt, dass bei der praktischen Verwendung der
Batterie die Entladespannung reduziert wird, wenn eine große Last an die Batterie
angeschlossen wird, welche die Batterieeigenschaften verschlechtert, insbesondere
bei niedrigen Temperaturen. Folglich können Einrichtungen, die diese Batterie
verwenden, nicht normal betrieben werden.
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Die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des herkömmlichen Beispiels 2
benötigt den Kathodenring 55. Sie hat folglich Probleme im Hinblick auf die
Erhöhung der Anzahl der Bestandteile und somit im Hinblick auf die Erhöhung der
Kosten.
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Obwohl die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des herkömmlichen Beispiels
3 eine größere Kapazität aufweist als die des herkömmlichen Beispiels 1 treten
hier Probleme im Hinblick auf einen stärkeren Anstieg des Innenwiderstands in
der zweiten Hälfte der Entladung und im Hinblick auf eine Verschlechterung des
Betriebs bei hohen Lasten, insbesondere bei tiefen Temperaturen, auf.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf den oben beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine münzförmige Lithiumbatterie zu schaffen, bei welcher ein
befriedigender Kontakt der Anode mit der Kathode auch in der zweiten Hälfte der
Entladung aufrechterhalten werden kann, ohne dass die Komponentenzahl erhöht
werden muss und mit gleichzeitig befriedigenden Entladungseigenschaften bei
geringen Kosten.
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Zur Lösung der obengenannten Aufgabe haben die Erfinder einen Aufbau
ersonnen, bei welchem ein zentraler Bereich zumindest eines Anodenpellets und
eines Kathodenpellets ausgedehnt sind, um einen befriedigenden Kontakt der
Anode mit der Kathode in der zweiten Hälfte der Entladung unter Verwendung der
Elastizität des Batteriegehäuses aufrechtzuerhalten.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obige Beschreibung
ausgeführt. Erfindungsgemäß wird eine münzförmige Lithiumbatterie geschaffen,
welche ein Batteriegehäuse aufweist, in welchem ein Anodenpellet aus Lithium oder
einer Lithiumverbindung und ein Kathodenpellet enthalten sind, welche sich mit
einem zwischen ihnen vorgesehenen Separator gegenüberstehen, wobei zumindest
eines der Pellets einen ausgedehnten zentralen Bereich aufweist, um eine
gekrümmte Oberfläche auszubilden, wobei das Batteriegehäuse elastisch deformiert
ausgebildet ist, um mit einer gekrümmten Oberfläche angeordnet zu sein, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gesamthöhe des Anodenpellets und des Kathodenpellets
in einem äußeren Randbereich kleiner ist als die Gesamthöhe im zentralen
Bereich, und zwar um 4% bis 12%.
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Um das Batteriegehäuse elastisch zu deformieren, können eine oder beide Seiten
des Anodenpellets mit gekrümmten Oberflächen ausgebildet sein. Oder es können
eine oder beide Seiten des Kathodenpellets mit gekrümmten Oberflächen versehen
sein. Es können auch eine Seite des Anodenpellets und eine Seite des
Kathodenpellets, beide Seiten des Anodenpellets und eine Seite des Kathodenpellets, eine
Seite des Anodenpellets und beide Seiten des Kathodenpellets oder beide Seiten
des Anodenpellets und beide Seiten des Kathodenpellets mit gekrümmten
Oberflächen ausgebildet sein.
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Die gekrümmte Oberfläche kann in diesem Fall sphärisch oder parabelförmig sein.
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Bei der gekrümmten Oberfläche wird bevorzugt, dass die Gesamthöhe des
Anodenpellets und des Kathodenpellets im äußeren Randbereich kleiner ist als die
Gesamthöhe im zentralen Bereich, und zwar um 4 bis 12%.
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Da die erfindungsgemäße münzförmige Lithiumbatterie ein elastisch deformiertes
Batteriegehäuse aufweist, welches mit der gekrümmten Oberfläche, welche durch
das Ausdehnen des Zentralbereichs mindestens eines der Pellets unter dem
Anodenpellet und dem Kathodenpellet erzeugt ist, angeordnet ist, kann ein
ausreichender Kontakt der Anode mit der Kathode wegen der Elastizität
aufrechterhalten werden. Folglich kann ein Anstieg des Innenwiderstands am Ende der
Ladung wirkungsvoll verhindert werden.
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Da die erfindungsgemäße münzförmige Lithiumbatterie eine Gesamthöhe des
Anodenpellets und des Kathodenpellets im äußeren Randbereich aufweist, welche
kleiner ist als die Gesamthöhe im Zentralbereich, und zwar um 4 bis 12%, kann
auch die Entladekapazität sichergestellt werden, und ein Anstieg im
Innenwiderstand in der zweiten Hälfte der Entladung kann wirkungsvoll verhindert werden.
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Folglich kann die münzförmige Lithiumbatterie erfindungsgemäß den Kontakt in
der Anode und der Kathode in ausreichendem Maß aufrechterhalten, ohne die
Anzahl der Komponenten zu erhöhen, wobei befriedigende Entladeeigenschaften,
eine hohe Kapazität und geringe Kosten vorliegen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des
herkömmlichen Beispiels 1 zeigt.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des
herkömmlichen Beispiels 2 zeigt.
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Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des
herkömmlichen Beispiels 3 zeigt.
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Fig. 4 ist eine guerschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie der
erfindungsgemäßen Ausführungsform 1 zeigt.
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Fig. 5 ist eine Explosionsansicht der Lithium-Mangan-Batterie von
Beispiel 1.
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Fig. 6 ist eine guerschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels 2 zeigt.
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Fig. 7 ist eine Explosionsansicht der Lithium-Mangan-Batterie von
Beispiel 2.
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Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, welche die wesentlichen Abschnitte
des Aufbaus der münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels 3 zeigt.
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Fig. 9 ist eine Explosionsansicht der Lithium-Mangan-Batterie von
Beispiel 3.
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Fig. 10 ist eine Ansicht, welche Ergebnisse von Messungen der
Entladekapazität und des Innenwiderstands nach Entladung der
münzförmigen Lithium-Mangan-Batterie des Beispiels 1 zeigt, wobei die
Höhe des Anodenpellets zwischen dem zentralen Bereich und dem
äußeren Randbereich um 0 bis 14% geändert ist.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen münzförmigen
Lithiumbatterie werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Beispiel 1
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Fig. 2 zeigt eine münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des ersten Beispiel. In
diesem Beispiel 1 besitzt ein Anodenpellet 11 eine gekrümmte Seite, damit ihr
äußerer Randbereich dünner ist als der Zentralbereich, und zwar um 0,22 mm in
CR 2032.
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Die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des Beispiels 1 ist so aufgebaut, wie
das in der Explosionsansicht der Fig. 5 dargestellt ist. Das heißt, das
Anodenpellet 11 ist aus geschmolzenem metallischen Lithium gebildet, deren eine Seite
11A
derart gekrümmt ist, dass sie eine Stärke t&sub1;&sub1; im äußeren Randbereich
aufweist, die kleiner ist als die Stärke t&sub1;&sub0; im zentralen Bereich, und zwar um 0,22
mm. Das Anodenpellet 11 ist auf der anderen Seite auf einer Anodenkappe 12
abgeflacht. Es ist ein Separator 15 auf das Anodenpellet 11 aufgebracht, und zwar
mit einer Isolationsdichte 17, welche darin eingepasst ist. Es sind ein Elektrolyt
und ein normales paralleles scheibenförmiges Kathodenpellet 13 hinzugefügt und
mit einem Kathodengehäuse 14 abgedeckt. Die Anodenkappe 12 und das
Kathodengehäuse 14 sind mit der Isolationsdichtung zwischen ihnen abgedichtet, so
dass die Anodenkappe 12 elastisch deformiert zur im Wesentlichen abgeflachten
inneren Oberfläche des Anodenpellets 11 ausgebildet ist, wie das in Fig. 4
dargestellt ist.
Beispiel 2
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Fig. 6 zeigt eine münzförmige Lithium-Manganbatterie gemäß Beispiel 2. In
diesem Beispiel 2 sind beide Seiten 23A, 23B des Kathodenpellets 23 gekrümmt, so
dass der Umfangsbereich um 0,22 mm in CR 2032 dünner ist als der zentrale
Bereich.
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Die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des Beispiels 2 ist in der in Fig. 7
gezeigten Explosionsansicht aufgebaut. Das heißt, ein Anodenpellet 21 ist in Form
einer normalen parallelen Scheibe aus geschmolzenem metallischen Lithium auf
einer Anodenkappe 22 ausgebildet. Dann ist darauf ein Separator 25 auf dem
Anodenpellet 21 vorgesehen, wobei eine Isolationsdichtung 27 darin eingepasst
ist. Ein Elektrolyt und ein Kathodenpellet 23 mit einer Stärke t&sub2;&sub1; im äußeren
Randbereich, welche kleiner ist als die Stärke t&sub2;&sub0; des Zentralbereichs, und zwar
um 0,22 mm, werden vorgesehen und mit einem Kathodengehäuse 24 abgedeckt.
Die Anodenkappe 22 und das Kathodengehäuse 24 werden mit einer zwischen
ihnen vorgesehen Isolationsdichtung 27 abgedichtet, so dass die Anodenkappe 22
und das Kathodengehäuse 24 derart elastisch deformiert sind, dass sie mit der
gekrümmten Oberfläche des Kathodenpellets 23 ausgerichtet sind, wie das in Fig. 6
gezeigt wird.
Beispiel 3
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Fig. 8 zeigt eine münzförmige Lithium-Mangan-Batterie gemäß Beispiel 3. In
diesem Beispiel 3 ist eine Seite 31A des Anodenpellets 31 gekrümmt. Beim Kathodenpellet
33 sind beide Seiten 33A und 33B gekrümmt, so dass sie einen um 0,22
mm dünneren äußeren Randbereich in CR 2032 im Vergleich zum zentralen
Bereich aufweisen.
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Die münzförmige Lithium-Mangan-Batterie des Beispiels 3 weist einen Aufbau auf,
wie er in der Explosionsansicht von Fig. 9 gezeigt ist. Das heißt, dass das
Anodenpellet 31 aus geschmolzenem metallischen Lithium gebildet wird, wobei eine Seite
31A davon gekrümmt ist mit einer Stärke t&sub3;&sub1; im äußeren Randbereich, welche
kleiner ist als die Stärke t&sub3;&sub0; im zentralen Bereich, wobei die andere Seite auf
einer Anodenkappe 32 abgeflacht ist. Dann ist darauf ein Separator 37 auf dem
Anodenpellet 31 vorgesehen, wobei eine Isolationsdichtung 37 darin eingepasst
ist. Es werden dann ein Elektrolyt und das Kathodenpellet 33 mit einer Stärke t&sub4;&sub1;
im äußeren Randbereich, welche kleiner ist als die Stärke t&sub4;&sub0; im zentralen
Bereich, vorgesehen, und mit einem Kathodengehäuse 34 abgedeckt. Die
Anodenkappe 32 und das Kathodengehäuse 34 werden mit der Isolationsdichtung 37, die
zwischen ihnen vorgesehen ist, abgedichtet, so dass die Anodenkappe 32 und das
Kathodengehäuse 34 derart elastisch deformiert sind, dass sie mit den
gekrümmten Oberflächen des Anodenpellets 31 bzw. des Kathodenpellets 33 ausgerichtet
sind, wie das in Fig. 8 gezeigt wird. Die Summe (t&sub3;&sub0; + t&sub4;&sub0;) der Stärken t&sub3;&sub0; und
t&sub4;&sub0; in den zentralen Bereichen des Anodenpellets 31 und des Kathodenpellets 33
ist größer als die Summe (t&sub3;&sub1; + t&sub4;&sub1;) der Stärken t&sub3;&sub1; und t&sub4;&sub1; der äußeren
Randbereiche, und zwar um 0,22 mm.
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Bei den münzförmigen Lithium-Mangan-Batterien der Beispiele 1, 2 und 3 wurden
die Innenwiderstände R1 vor der Entladung und die Innenwiderstände R2 nach 80
% der Entladung der nominalen Kapazität von 220 mAh gemessen. Die Ergebnisse
dieser Messung sind in Tabelle 2 im Vergleich zum herkömmlichen Beispiel 3
dargestellt.
TABELLE 2
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Wie sich aus den Messergebnissen aus Tabelle 2 klar ergibt, kann der Anstieg des
Innenwiderstands am Ende der Entladung bei den münzförmigen Lithium-
Mangan-Batterien der Beispiele im Vergleich zur münzförmigen Lithium-Mangan-
Batterie des herkömmlichen Beispiels 3 wirkungsvoll verhindert werden. Also
kann der Anstieg des Innenwiderstands am Ende der Entladung wirkungsvoll
verhindert werden mit irgendeiner der Batterien der Beispiele 1, bei welchen der
Zentralbereich des Anodenpellets 11 ausgedehnt ist, um eine gekrümmte
Oberfläche zu bilden, der Beispiele 2, bei welchen der Zentralbereich des Kathodenpellets
23 ausgedehnt ist, um eine gekrümmte Oberfläche zu bilden, und der Beispiele 3,
bei welchen die zentralen Bereiche des Anodenpellets 31 und des Kathodenpellets
33 ausgedehnt sind, um gekrümmte Oberflächen zu bilden. Das heißt, dass bei
der vorliegenden Erfindung mindestens eines der Pellets einen ausgedehnten
zentralen Bereich mit einer gekrümmten Oberfläche aufweist, so dass das
Batteriegehäuse elastisch deformiert ist mit einer gekrümmten Oberfläche. Also kann der
Anstieg des Innenwiderstands am Ende der Entladung wirkungsvoll verhindert
werden.
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Beim Beispiel 1, bei welchem der Zentralbereich des Anodenpellets 11 mit einer
gekrümmten Oberfläche ausgedehnt ist, wurden die Entladungskapazität und der
Innenwiderstand R2 nach 80% der Entladung der normalen Kapazität von 220
mAh gemessen, wobei die Höhe des Anodenpellets 11 zwischen dem zentralen
Bereich und dem äußeren Randbereich um 0 bis 14% geändert wurde. Die
Ergebnisse sind in Tabelle 3 und in Fig. 10 dargestellt.
TABELLE 3
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Wie sich aus Tabelle 3 und aus Fig. 10 klar ergibt, kann durch eine
Höhendifferenz zwischen dem zentralen Bereich und dem äußeren Randbereich im
Bereich von 4 bis 12% die Entladungskapazität hergestellt werden, und ein
Anstieg des Innenwiderstand in der zweiten Hälfte der Entladung kann
wirkungsvoll verhindert werden.