DE69629036T2

DE69629036T2 - Batteriezustandstester

Info

Publication number: DE69629036T2
Application number: DE69629036T
Authority: DE
Inventors: Lifun Lin
Original assignee: Duracell Inc USA
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1995-09-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: CN1199467A; EP0848826A4; JPH11512562A; EP0848826B1; ATE244894T1; JP4342610B2; MX9801828A; DE69629036D1; NO980995D0; WO1997011376A3; CZ68198A3; CA2231106A1; BR9610656A; NO980995L; US5596278A; CA2231106C; EP0848826A2; TW306078B; WO1997011376A2; AU701497B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zustandstester zur Bestimmung des Zustandes einer Batterie oder einer Hauptzelle und einem damit einstückig zusammenhängenden Testen. Die Erfindung betrifft den elektrochemischen Zustand von Ladungstestern.
Elektrische Primärzellen, in die verschiedene Vorrichtungen zum visuellen Anzeigen des Zustandes oder Ladungszustandes der Zelle einbezogen sind, sind bereits offenbart worden. Die bekannten Anzeigevorrichtungen schließen ein, ohne auf diese beschränkt zu sein: chemische Anzeigen, die mit den Materialien im Inneren der Batterie reagieren, chemische Anzeigen, die außerhalb der Batterie angeordnet sind; im Inneren einer Elektrode eingebettete Elemente, die während der Entladung sichtbar werden; und thermochrome Materialien im thermischen Kontakt mit einem Widerstandselement, das so ausgelegt ist, dass es parallel zur Batterie angeschlossen ist. Ein Problem bei vielen dieser Anzeigen ist der Zeitablauf ihrer Anzeige, die in Bezug auf die Geometrie der Konstruktion der Anzeige auf oder innerhalb der Batterie empfindlich ist. Daher führen natürliche Veränderungen, die während der Herstellung von sich aus auftreten, von Batterie zu Batterie zu einer Veränderlichkeit hinsichtlich der Zeitdauer während der Entladung, wenn die Anzeige erfolgt.
Kommerziell verfügbare Tester zur Bestimmung des Zustandes einer elektrochemischen Zelle sind im typischen Fall vom auf Wärme ansprechenden Dünnfilm-Typ. Dieser Typ des Testers enthält ein thermochromes Material in thermischen Kontakt mit einem elektrisch leitfähigen Element. Derartige Tester sind kommerziell in Form von Streifen vertügbar, die in die Zelle oder dem Zellenanhänger nicht integriert sind. Zur Benutzung des Testers muss man ihn auf die Klemmenenden der zu testenden Zelle geben. Beispiele für derartige Tester und ihre Anwendung wurden in den US-P-4 723 656 und 5 188 231 offenbart. Diese Tester funktionieren gut für ein intermittierendes Testen einer Batterie während ihrer Gebrauchswertdauer. Da es sich bei der visuellen Anzeige um ein thermochromes Material handelt, sind sie schwieriger dauerhaft an einer Batterie anzubringen. Es ist darauf zu achten, die Anzeige vom Batteriegehäuse thermisch zu isolieren, um einen Wärmeübergang zu verhindern, der einen korrekten Betrieb der Anzeige stören würde. Darüber hinaus ist das elektrisch leitfähige Element in Reihe angeschlossen und leitet die Batterie während des Tests ab. Daher können die elektrischen Kontakte des Testers nicht dauerhaft bei Fehlen einer aktivierbaren Kontaktvorrichtung mit den Batterieklemmen verbunden werden, da anderenfalls die Batterie vorzeitig über den Tester entladen wird.
Ein anderer Typ eines Batterietesters ist ein elektrochemischer Testen, der selbst über eine Elektromotorische Kraft (EMK) verfügt und in den US-P-5 250 905 und 5 396 177 offenbart wurde. Die Anzeigezelle ist so bemessen, dass sie während der Entladung ungefähr über die gleiche Leerlaufspannung (OCV) wie die Hauptzelle verfügt. In einem solchen Fall kann die Anzeigezelle direkt parallel zur Hauptzelle angeschlossen werden. Ein solcher Tester hat den Vorteil, dass er dauerhaft mit der zu testenden Batterie verbunden sein kann und keine aktivierbaren Kontaktvorrichtungen benötigt. Dieser Typ des Testers liefert eine visuelle Anzeige des Umfanges der Entladung der Batterie in einem solchen Maße, wie ein Dünnfilm aus Metall elektrochemisch ausgedünnt oder klar wird, um einen Hintergrund mit anderer Farbe freizugeben.
Mit coulometrischen Vorrichtungen lässt sich die Coulomb-Zahl der elektrischen Ladung verfolgen, die durch das elektronische Gerät läuft, mit der es verbunden ist. Beispiele für coulometrische Vorrichtungen, bei denen von einer elektrochemisch erzeugten Längenänderung einer Quecksilbersäule Gebrauch gemacht wird, um eine visuelle Anzeige der durchgelaufenen Ladungsmenge zu liefern, wurden in den US-P-3 045 178 und 3 343 083 offenbart. Coulometrische Vorrichtungen verfügen nicht von sich aus über eine Elektromotorische Kraft und sind eigentlich elektrolytische Zellen.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verstanden:
Es zeigen:
1 einen Stromlaufplan, der die Verbindung der Zustandsanzeige (Prüfgruppe) der Erfindung mit der zu testenden Hauptzelle zeigt, wobei die Spannung des Teils der Anzeigezelle kleiner ist als die Spannung der Hauptzelle;
1A einen Stromlaufplan, der die Verbindung der Zustandsanzeigegruppe der Erfindung mit der zu testenden Hauptzelle zeigt, wobei die Spannung der Anzeigezelle größer ist als die Spannung der Hauptzelle;
2 eine perspektivische Ansicht im Schnitt der Zustandsanzeigegruppe von 1;
2 eine Batterie mit einer dauerhaft angeschlossenen Zustandsanzeigegruppe, wobei die Zustandsanzeigegruppe im teilweisen Querschnitt vergrößert dargestellt ist.
Für die Aufgaben der folgenden Diskussion der elektrochemischen Zelle oder Batterie, die gemessen werden soll, wird diese als „Hauptzelle" bezeichnet und die elektrochemische Zelle, die die Anzeige erzeugt, als die „Anzeigezelle" bezeichnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination einer Batterie und einer Anzeigegruppe für den Batterieladungszustand zur Bestimmung des Ladungszustandes der Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie ein Gehäuse aufweist, eine negative Klemme und eine positive Klemme, und wobei die Zustandsanzeigegruppe in einen Anhänger integriert ist, der an der Batterie angebracht ist; wobei die Anzeigegruppe eine Anzeigezelle aufweist, die wiederum eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten aufweist, wobei der Elektrolyt elektrisch im Kontakt mindestens mit einem Abschnitt sowohl der Anode als auch der Kathode der Anzeigezelle steht; wobei die Anzeigezelle von sich aus über eine Elektromotorische Kraft (EMK) verfügt und mindestens ein Abschnitt von einer der Anode und Kathode der Anzeigezelle sichtbar ist; wobei die Zustandsanzeigegruppe ferner eine Hilfszelle aufweist, bei der es sich um eine Energie erzeugende, elektrochemische Zelle handelt, die eine Anode aufweist, eine Kathode und einen Elektrolyten, der mit mindestens einem Abschnitt mit der Anode und Kathode der Hilfszelle im Kontakt ist; wobei eine der Anode und Kathode der Hilfszelle elektrisch verbunden ist mit einer Anode oder Kathode der Anzeigezelle; wobei die verbleibende Elektrode der Hilfszelle und die verbleibende Elektrode der Anzeigezelle elektrisch mit einer der Anode und Kathode der Anzeigezelle verbunden ist; wobei die verbleibende Elektrode der Hilfszelle und die verbleibende Elektrode der Anzeigezelle mit den Batterie klemmen elektrisch parallel verbunden sind; und wobei während der Entladung der Batterie ein Klarwerden am Ende der sichtbaren Elektrode der Anzeigezelle beginnt und sich in Richtung auf das entgegengesetzte Ende davon fortsetzt und wobei der Umfang des Klarwerdens eine sichtbar unterscheidbare Bestimmung des Ladungszustands der Batterie gewährt.
Die Erfindung richtet sich auf eine Zustandsanzeigegruppe (Tester), die elektrisch mit einer Hauptzelle oder einer Batterie verbunden ist und deren Zustand visuell anzeigt. Die Zustandsanzeige weist eine Anzeigezelle auf, bei der es sich um eine elektrochemische Dünnfilm-Zelle handelt, die eine Anode aufweist, eine Kathode und einen Elektrolyt, der mit mindestens einem Abschnitt sowohl der Anode als auch der Kathode im Kontakt ist. Die Anzeigezelle verfügt über eine Anode und eine Kathode aus unterschiedlichem Material und eine finite Elektromotorische Kraft (EMK) im typischen Fall von mehr als 100 Millivolt, z. B. zwischen etwa 100 Millivolt und 1,5 Volt. In der vorliegenden Erfindung ist festgelegt worden, dass die Anzeigezelle so bemessen sein kann, dass sie über eine Leerlaufspannung verfügt, die entweder größer oder kleiner als diejenige der zu testenden Hauptzelle ist, wenn eine Hilfszelle mit einer finiten Elektromotorischen Kraft (EMK) mit der Anzeigezelle in Reihe geschaltet ist, um die Differenz der Leerlaufspannung zwischen Anzeigezelle und Hauptzelle zu kompensieren. Das bedeutet, dass eine der Anode und Kathode der Hilfszelle elektrisch mit einer der Anode und Kathode der Anzeigezelle verbunden ist. Die verbleibende Elektrode der Hilfszelle und die verbleibende Elektrode der Anzeigezelle sind elektrisch parallel mit den Klemmen der Hauptzelle verbunden. Während der Entladung der Hauptzelle beginnt die Reaktion in der sichtbaren Elektrode der Anzeigezelle und bewegt sich weiter zu entfernteren Bereichen davon. Während der Entladung der zu testenden Hauptzelle ist die Leerlaufspannung der Zustandsanzeige, die die Anzeigezelle und die Hilfszelle aufweist, ähnlich der Leerlaufspannung der Hauptzelle und vorzugsweise innerhalb von (plus oder minus) etwa 300 Millivolt der Leerlaufspannung der Hauptzelle.
In der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung weist die Zustandsanzeige 10 eine Anzeigezelle 20 und eine Hilfszelle 25 auf. Die Anzeigezelle 20 und die Hilfszelle 25 sind elektrochemische Zellen, die von sich aus eine finite Elektromotorische Kraft (EMK) haben. In dem in 1 dargestellten Schaltungsaufbau ist die Leerlaufspannung (OCV) der Anzeigezelle 20 kleiner als die Leerlaufspannung der Hauptzelle 30. In diesem Fall ist die Anode 77 der Hilfszelle elektrisch verbunden mit der Kathode 43 der Anzeigezelle, die Kathode 83 der Hilfszelle ist mit der Kathode 145 der Hauptzelle verbunden und die Anode 47 der Anzeigezelle ist mit der Anode 115 der Hauptzelle verbunden. (Die Anode entweder der Hilfszelle 25 oder Anzeigezelle 20 ist als diejenige Elektrode festgelegt, die oxidiert wird und somit Elektronen abgibt. Es gilt als selbstverständlich, dass es im Zusammenhang mit jeweils der Hauptzelle 30, der Anzeigezelle 20 und der Hilfszelle 25 innere Widerstände gibt.) In dem Schaltungsaufbau von 1 wird die Leerlaufspannung der Anzeigezelle 20 zu der Leerlaufspannung der Hilfszelle 25 addiert, so dass die gemeinsame Leerlaufspannung der Zustandsanzeige 10 als Ganzes, d. h. zwischen Kathode 83 der Hilfszelle 25 und Anode 47 der Zustandsanzeigezelle 20, etwa gleich der Leerlaufspannung der Hauptzelle 30 ist. Die Kapazität der Anzeigezelle 20 muss kleiner sein als die Kapazität der Hauptzelle 30, und der zusammengenommene innere Widerstand der Anzeigezelle 20 und der Hilfszelle 25 muss sehr viel größer sein als der der Hauptzelle 30. Der sehr viel höhere Widerstand der Zustandsanzeigegruppe 10 macht es möglich, dass sich die Anzeigezelle 20 mit sehr viel größerer Geschwindigkeit entladen kann als die Hauptzelle. Dieses ist deshalb erforderlich, weil die Anzeigezelle 20 im Vergleich zur Hauptzelle eine sehr viel kleinere Kapazität hat. Während der Entladung der Hauptzelle 30 kann das Verhältnis des Stroms, i_M, durch die Hauptzelle zu dem Strom, i_T, durch die Anzeigezelle konstant sein, so dass die prozentuale Erschöpfung entweder der Anode oder der Kathode der Hilfszelle etwa gleich der prozentualen Erschöpfung entweder der Anode oder Kathode der Hauptzelle ist. Damit lässt sich eine visuelle Anzeige einsetzen, die die prozentuale Erschöpfung einer der Elektroden der Anzeigezelle zeigt und so den Ladungszustand der Hauptzelle 30 widerspiegelt.
In der in 1A dargestellten Schaltungsanordnung weist die Zustandsanzeige 10 eine Anzeigezelle 20 und eine Hilfszelle 25 auf. In der in 1A dargestellten Schaltungsanordnung ist die Leerlaufspannung (OCV) der Anzeigezelle 20 größer als die Leerlaufspannung der Hauptzelle 30. In diesem Fall ist die Kathode 83 der Hilfszelle elektrisch verbunden mit der Kathode 43 der Anzeigezelle, während die Anode 77 der Hilfszelle mit der Kathode 145 der Hauptzelle verbunden ist und die Anode 47 der Anzeigezelle mit der Anode 115 der Hauptzelle verbunden ist. In einer solchen Anordnung verringert die Leerlaufspannung der Hilfszelle 25 die Leerlaufspannung der Anzeigezelle 20 derart, dass die Leerlaufspannungen der Zustandsanzeige 10 in der Summe, d. h. zwischen Anode 77 der Hilfszelle 25 und der Anode 47 der Zustandsanzeigezelle 20, etwa gleich der Leerlaufspannung der Hauptzelle 30 sind. In diesem Fall kann der gleiche Effekt auch dadurch erzielt werden, dass Anode 47 der Anzeigezelle 20 mit Anode 77 der Hilfszelle 25 verbunden wird, dass Kathode 43 der Anzeigezelle 20 mit der Kathode 145 der Hauptzelle 30 verbunden wird und dass Kathode 83 der Hilfszelle 25 mit der Anode 115 der Hauptzelle 30 verbunden wird.
Die Zustandsanzeige 10, die die Anzeigezelle 20 und die Hilfszelle 25 aufweist, ist in 2 als eine Anordnung dargestellt, die dem Stromlaufplan in 1 entspricht. Die Zustandsanzeige 10 kann dauerhaft mit einer Hauptzelle 30 (2A) verbunden werden, wie beispielsweise eine konventionelle Alkalizelle, in dem sie beispielsweise in den Anhänger für die Hauptzelle integriert wird. Da das Entladungsprofil der Leerlaufspannung über der Zustandsanzeige 10 etwa das gleiche ist wie das Entladungsprofil der Leerlaufspannung der Hauptzelle 30, bleibt das Verhältnis des Stromflusses durch die Hauptzelle zu dem Stromfluss durch die Hilfszelle näherungsweise ein konstanter Wert. Dieses kann unabhängig von der Last an der Hauptzelle sein. Damit wird während der Entladung der Hauptzelle die prozentuale Erschöpfung einer der kontrollierenden Anode oder Kathode entweder der Anzeigezelle 20 oder der Hilfszelle 25 zu jedem beliebigen Zeitpunkt ungefähr die gleiche sein wie die prozentuale Erschöpfung einer der kontrollierenden Anode oder Kathode der Hauptzelle 30. (Wenn die Menge des aktiven Anodenmaterials oder aktiven Kathodenmaterials entweder in der Hauptzelle 30 oder der Anzeigezelle 20 im Überschuss ist, so sollte der Vergleich der prozentualen Erschöpfung zwischen den zwei Zellen vorgenommen werden, in dem diejenige Elektrode verwendet wird, die aktives Material enthält, das sich nicht im Überschuss befindet. Die Elektrode ohne Überschuss wird hierin als die „kontrollierende Elektrode" bezeichnet.)
Im typischen Fall lässt sich die prozentuale Erschöpfung (klar werden) der Anode 47 der Anzeigezelle 20 einsetzen, um die prozentuale Erschöpfung der kontrollierenden Elektrode in der Hauptzelle widerzuspiegeln. Dieses kann verwendetwerden um eine kontinuierliche visuelle Anzeige des Zustandes (Ladungszustand) der Hauptzelle zu gewähren. Das prozentuale aktive Material, das in der Anzeigezelle 20 verbleibt, kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Lebensdauer der Hauptzelle visuell unterscheidbar sein. Wenn beispielsweise die Anzeigeanode 47 erschöpft ist, kann die Anode visuell wahr gemacht werden, und es kann eine graphische Skale, die in der Nähe zu dieser Anode angeordnet wird, die prozentuale Ladung anzeigen, die in der Hauptzelle 30 verbleibt und/oder ob die Hauptzelle ausgewechselt werden muss.
Die Zustandsanzeige 10 kann parallel mit der zu testenden Hauptzelle 30 verbunden werden, wie beispielsweise in dem Stromlaufplan in 1 dargestellt ist. In 1 ist die Hauptzelle 30 schematisch mit einer negativen Klemme 115 und einer positiven Klemme 145 dargestellt. Bei Gebrauch, wenn die Hauptzelle 30 mit einer Last 38 verbunden ist und sich entlädt, fließt der Strom, i_L, durch die Last 38, der Strom, i_M, fließt durch die Hauptzelle 30 und der Strom, i_T, fließt durch die Zustandsanzeige 10, so dass i_L = i_M + i_T gilt. In dieser Schaltungskonfiguration von 1 ist, wenn die Hauptzelle eine konventionelle Alkalizelle der Größe AA mit einem inneren Widerstand von etwa 0,1 Ohm während des normalen Betriebs ist, so ist der vereinigte innere Widerstand der Anzeigezelle 20 und der Hilfszelle 25 im typischen Fall mindestens etwa das 10⁴-fache und typischer zwischen etwa 10⁴- und 10⁶-fache des inneren Widerstands der Hauptzelle 30. Es sollte beachtet werden, dass der Gesamtwiderstand der Zustandsanzeige 10 durch Verändern des inneren Widerstandes jeweils der Anzeigezelle 20 und der Hilfszelle 25 oder durch Addieren der Widerstände in Reihe mit diesen zwei Zellen eingestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die in 2 dargestellte Zustandsanzeige 10 (Testergruppe) eine Anzeigezelle 20 auf, die elektrisch in Reihe mit einer Hilfszelle 25 in einer solchen Weise verbunden ist, dass sie der Schaltungsanordnung von 1 entspricht. Die Zustandsanzeige 10 (Tester) hat eine Dicke kleiner als 2,5 mm (100 mil) und bevorzugt eine Dicke zwischen etwa 0,05 und 2,5 mm (2 und 100 mil) und mehr bevorzugt eine Dicke zwischen etwa 0,05 und 0,4 mm (2 und 15 mil). Die Hilfszelle 25 ist eine dünne Miniaturspannungsquelle, die mindestens zum Teil die Anzeigezelle 20 antreibt. Die Hauptzelle 30 kann eine primäre oder sekundäre Batterie sein und kann im typischen Fall eine konventionelle Alkalizelle sein. Die Zustandsanzeige 10 kann in den Anhänger für die Hauptzelle 30 integriert sein, in dem sie beispielsweise an der Innenseite des Anhängers angebracht ist. Die Anzeigezelle 20 enthält eine Anode 47 und eine Kathode 43, die aus unterschiedlichen Materialien im Kontakt mit einem Elektrolyten aufgebaut sind. Die Anzeigezelle 20 und die Hilfszelle 25 entladen sich linear proportional zur Entladung der Hauptzelle 30 unabhängig von der Last 38. Beispielsweise kann die Anzeigezelle 20 so kalibriert werden, dass während der Entladung der Hauptzelle 30 die prozentuale Entladung entweder der kontrollierenden Anode oder Kathode der Anzeigezelle 20 etwa gleich der prozentualen Entladung einer kontrollierenden Elektrode der Hauptzelle 30 ist. Bei Anwendung der Hauptzelle 30 bei extrem hoher oder geringer Stromableitung, d. h. stark abweichend vom normalen Gebrauch, wird die prozentuale Entladung der Anzeigezelle 20 eine Funktion der prozentualen Entladung der Hauptzelle wenn nicht sogar eine lineare Funktion davon sein.
Die Anzeigezelle 20 (2) ist eine elektrochemische Miniaturzelle, die ein Kathodenmaterial 43 und ein Anodenmaterial 47 enthält, die im günstigen Fall voneinander beabstandet sind und in der gleichen Ebene liegen können. Kathode 43 und Anode 47 sind im günstigen Fall unterschiedliche elektrochemisch aktive Materialien im Kontakt mit dem Elektrolyten, was zu einer Zelle führt, die über eine finite Elektromotorische Kraft vertilgt. Kathode 43 und Anode 47 sind Dünnschichten, die auf den Substraten 42 bzw. 48 abgeschieden sind. Es wird angestrebt, dass das für die Kathode 43 und das Kathodensubstrat 42 verwendete Material in der umgebenden Atmosphäre nicht reaktionsfähig ist oder einer Korrosion unterliegt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform kann ein bevorzugtes Kathodenmaterial 43 aus lambda-MnO₂ und ein bevorzugtes Anodenmaterial aus Silber bestehen. Das Anodensubstrat 48 ist bevorzugt leitfähig und vorzugsweise Kohlenstoff und das Kathodensubstrat 42 ist leitfähig. (Es ist möglich, für das Anodensubstrat 48 ein nichtleitfähiges Material zu verwenden, wobei jedoch ein leitfähiges Substrat bevorzugt und nachfolgend so beschrieben ist.) Ein leitfähiges Anodensubstrat 48 wird verwendet, um elektrisch isolierte Inseln von Metall zu verhindern, die auf dem Substrat in Erscheinung treten, wenn die Anode 47 elektrochemisch von einem Ende zum anderen ausgedünnt wird (klar wird). Eine weitere Forderung besteht darin, dass das Anodensubstrat 48 eine solche Farbe hat, die einen hohen Kontrast zur Farbe der Anode 47 darstellt und damit eine in hohem Maße unterscheidbare visuelle Anzeige des Klarwerdens der Anode 47 liefert. Eine bevorzugte Anordnung der Kathode 43 und Anode 47 in Bezug zueinander und des darunter liegenden leitfähigen Substrats ist in 2 gezeigt. Ein Zwischenraum 44 trennt Kathode 43 von Anode 47 und ebenfalls die darunter liegenden leitfähigen Substrate 42 von 48, wie am Besten aus 2 entnommen werden kann. Ebenfalls gibt es einen Film aus isolierendem Material 35 unterhalb der leitfähigen Substrate 42 und 48.
Das leitfähige Substrat 42 (2) kann sich unterhalb der Kante 43(b) des darüber liegenden Kathodenmaterials erstrecken, um verlängerte Substratabschnitte 42(a) zu bilden. In ähnlicher Weise kann sich das leitfähige Substrat 48 über den Rand 47(b) des darüber liegenden Anodenmaterials erstrecken, um einen verlängerten Substratabschnitt 48(a) zu bilden. Auf die Oberfläche der verlängerten Abschnitte 42(a) und 48(a) ist ein Klebstoff aufgetragen und bildet somit um den Umfang der leitfähigen Substrate 42 und 48 einen Klebstoffrand 55. Der Klebstoffrand 55 legt ein Fensterraum 53 über Kathode 43 und Anode 47 fest. Es wird eine Lage des klaren Elektrolyten 45 im Fensterraum 53 aufgetragen, so dass sie Kathode 43 und Anode 47 bedeckt. Das Ende 48(b) des verlängerten Substratabschnittes 48(a) ragt aus von der Anodenseite der Zelle 20 hervor. In ähnlicher Weise ragt das Ende 42(b) des verlängerten Substratabschnittes 42(a) von der Kathodenseite der Zelle 20 hervor. Es wird ein Stück Aluminiumfolie 65 auf das Anodensubstrat-Ende 48(b) unter Verwendung eines leitfähigen Klebmittels 62 aufgebracht, das dazwischen angeordnet wird. Folie 65 dient zur Stromführung vom Substrat 48 zur negativen Klemme 115 der Batterie (2A). Das Ende des Kathodensubstrats 42(b) ist auf seiner oberen Seite mit leitfähigem Klebmittel 61 abgedeckt. Über das Fenster 53 wird eine transparente Sperrfolie 52 aufgetragen, wobei sich die Ränder der Folie im Kontakt mit dem Klebstoffrand 55 befinden. Somit die Sperrfolie 52 eine Schutzfolie, die den Elektrolyten 45 bedeckt und fest verschließt. Die Sperrfolie 52 wird mit Hilfe des Klebstoffrandes 55 ortfest gehalten. Die Anzeigezelle 20 kann mit dem Gehäuse der Hauptzelle 30 mit Hilfe eines Haftklebstoffes 32 befestigt werden, der auf der Unterseite der Zustandsanzeige unter der isolierenden Folie 35 aufgetragen wird.
Die Hilfszelle 25 (2) ist im günstigen Fall eine dünne, flache Spannungszelle. Die Hilfszelle 25 hat eine Dicke von weniger als 2,5 mm (100 mil), vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 0,05 und 2,5 mm (2 und 100 mil) und mehr bevorzugt eine Dicke zwischen etwa 0,05 und 0,4 mm (2 und 15 mil). Die Hilfszelle 25 enthält einen Überzug aus einem anodenaktiven Material 77, einen Überzug eines kathodenaktiven Materials 83 und eine Elektrolytschicht 73 dazwischen. Das anodenaktive Material 77 kann auf ein leitfähiges Substrat 76 beschichtet oder laminiert sein. Das anodenaktive Material 77 steht im Kontakt mit Separator 72, der mit Elektrolyt 73 gefüllt ist. Das kathodenaktive Material 83, das auf ein leitfähiges Substrat 81 beschichtet oder laminiert sein kann, steht ebenfalls im Kontakt mit dem Elektrolyten 73, der im Inneren des Separators 72 enthalten ist. Die leitfähigen Anoden- und Kathodensubstrate 76 bzw. 81 können im typischen Fall eine mit Kohlenstoff beschichtete Aluminium- oder Metallfolie sein. Auf der Unterseite der Hilfszelle 25 kann im Kontakt mit der exponierten Oberfläche des leitfähigen Substrats 81 ein Klebstoff 92 aufgetragen sein. Die Hilfszelle 25 ist elektrisch mit der Anzeigezelle 20 (2) verbunden, in dem der Anodenreiter 77(a) derart auf die Hilfszelle 25 gesetzt wird, dass er mit dem leitfähigen Klebstoff 61 auf dem Reiter von Kathodensubstrat 42(b) der Anzeigezelle 20 im Kontakt steht. Dadurch wird entsprechend dem Stromlaufplan in 1 das anodenaktive Material der Hilfsanode 77 mit Kathode 43 der Anzeigezelle 20 elektrisch verbunden. Die Anschlüsse zur Hauptzelle 30, bei der es sich im typischen Fall um eine konventionelle Alkalizelle handelt, sind in 2A veranschaulicht. Das kathodenaktive Material 83 der Hilfskathode wird elektrisch mit der positiven Klemme 145 der Hauptzelle 30 über den leitfähigen Klebstoff 92 (2) verbunden, der die Hilfskathode 83 mit dem Gehäuse der Hauptzelle entsprechend der Darstellung in 2A verbindet. Der Folienreiter 65 wird in dauerhaftem Kontakt mit der negativen Endkappe 110 der Hauptzelle (2A) so aufgedrückt, dass der leitfähige Klebstoff 62 die Endkappe 110 kontaktiert. Eine derartige Verbindung bringt die Anode 47 der Anzeigezelle 20 in elektrischen Kontakt mit der negativen Klemme 115 der Hauptzelle 30.
Die Zustandsanzeige 10 kann auf der Innenseite eines Folienanhängers 48 für die Hauptzelle entsprechend der Darstellung in 2A integriert werden. Anhänger 58 kann im günstigen Fall eine Wärmeschrumpftolie sein, wie beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Polypropylen. Die Zustandsanzeige 10 kann auf der einen Seite des Anhängers durch sequentielles Aufdrucken oder Laminieren jeder der Beschichtungen erzeugt werden, die die Anzeigezelle 20 und Hilfszelle 25 aufweisen. Eine Lage aus wärmebeständigem Haftklebstoff kann auf der Innenseite des Anhängers aufgetragen und der Anhänger mit integrierter Zustandsanzeige auf die Hauptzelle 30 aufgetragen werden, in dem er um das Zellgehäuse gewickelt wird. Die Enden des Anhängers können sodann über die oberen und unteren Schultern 152 bis 154 in konventioneller Weise durch Wärmeschrumpfen aufgebracht werden, in dem die Ränder des Anhängers einer ausreichenden Wärme ausgesetzt werden, um eine Schrumpfung hervorzurufen.
Wenn sich die Hauptzelle 30 im Betrieb entlädt, wird das Anodenmaterial 47 entladen (wird klar). Das anodenaktive Material 47 verschwindet allmählich aus dem Abschnitt der anodenaktiven Lage, die der Kathodenlage 43 am nächsten ist, nämlich vom Ende 47(a) (2). Dieses liefert einen visuell wahrnehmbaren Brennstoff-Messeffekt. Die Menge der in der Zelle 20 zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Betriebsdauer der Hauptzelle 30 verbleibenden Indikatoranode ist durch den transparenten Elektrolyten 45 hindurch leicht sichtbar. Dieses ermöglicht eine leichte Bestimmung des Entladungsgrades der Hauptzelle durch visuelle Untersuchung durch das Fenster 53 in Bezug auf die Menge der Anode 47, die in der Indikatorzelle 20 zurückbleibt. Die kalibrierte graphische Skala kann neben der Anzeigeanode 47 vorgesehen werden, um die Bestimmung zu erleichtern, wann Anode 47 ausreichend erschöpft ist, womit angezeigt wird, dass Hauptzelle 30 ausgewechselt werden muss.
Die folgenden Materialien können zum Aufbau einer Zustandsanzeige 10 verwendet werden: Die Anode 47 der Anzeigezelle kann zusammengesetzt sein aus einer Silberbeschichtung (Dicke zwischen 0,05 μm und 0,01 μm (500 und 1.000 Angström), die auf der Oberseite des Anodensubstrats 48 durch Sputtern oder durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden wird. Das Anodensubstrat 48 der Anzeigezelle und das Kathodensubstrat 42 können aus einem mit Kohlenstoff gefüllten Polyethylenmaterial (Velstat von 3M, Materials Inc (CMI)) zusammengesetzt sein. Alternativ kann das Anodensubstrat 48 aus einer isolierenden Kunststofffolie aufgebaut sein, wie beispielsweise einer ACLAR-Folie (Polychlortrifluorethylen) von Allied Signal Co. oder KALODEX-Folie (Polyethylennaphthalat) von ICI Americas, die mit einem elektronisch leitfähigen Film beschichtet ist, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder einer leitfähigen Kohlenstoffbeschichtung. Alternativ kann das Anodensubstrat 48 aus einem isolierenden Material aufgebaut sein. Das Anodensubstrat 48 hat eine Dicke im günstigsten Fall zwischen etwa 0,012 nm und 0,025 nm (0,5 und 1 mil).
Die Kathode 43 der Anzeigezelle ist aus einer Kathodenmischung aufgebaut, die beispielsweise ein kathodenaktives Material enthält, wie z. B. V₂O₅ oder lambda-MnO₂. Die Kathodenmischung, die das V₂O₅ oder lambda-MnO₂-Material enthält, kann hergestellt werden, in dem dieses Material mit leitfähigen Partikeln gemischt wird, wie z. B. Kohlenstoff, Graphit oder Metallpulver. Die Kathodenmischung kann ferner mit einem Bindemittel und einem Lösemittel abgemischt werden, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid und 1-Methyl-2-pyrrolidinon, um eine beschichtungsfähige Drucktinte zu schaffen. Die Drucktinte kann sodann auf das Kathodensubstrat 42 als ein nasser Film mit einer Dicke von 0,005 bis 0,05 m (0,2 bis 2 mil) aufgetragen und anschließend unter Erzeugung der Kathode getrocknet werden.
Der Elektrolyt 45 der Anzeigezelle (2) kann hergestellt werden, in dem zuerst eine Elektrolytlösung erzeugt wird, die sich aus einer Mischung von Silbertrifluormethansulfonylimid (AgTFSI), Lithiumtrifluormethansulfonylimid (LiTFSI) aufgelöst in 3-Methylsulfolan-Lösemittel zusammensetzt und anschließend die Lösung mit Poly(vinylidenfluorid) zur Gelbildung gebracht wird. Der Elektrolyt 45 kann hergestellt werden, in dem 8 Gewichtsteile der Elektrolytlösng mit 3 Gewichtsteilen Poly(vinylidenfluorid) gemischt werden. Die Mischung wird bei einer Temperatur von etwa 140°C bis zu der gewünschten Dicke und vorzugs weise zwischen etwa 0,025 mm und 0,10 mm (1 und 4 mil) extrudiert und über der Anode 47 und Kathode 43 der Anzeigezelle aufgetragen.
Der Klebstoffrahmen 55 (2) der Anzeige kann ausgewählt werden aus einem großen Bereich von Haftklebstoffen. Ein wünschenswerter Klebstoff ist ein auf Butylkautschuk basierender konventioneller Klebstoff, wie beispielsweise Polyisobutylen/Isopren-Copolymerklebstoff, verfügbar als Butyl 065-Kautschukkleber bei der EXXON Co. Der Klebstoffrahmen 55 hat im günstigen Fall eine Dicke zwischen etwa 0,025 mm und 0,0625 mm (1 und 2,5 mil). Die Sperrfolie 52 der Anzeige kann im günstigen Fall aufgebaut sein aus einer ACLAR (Polychlortrifluorethylen)-Folie (Allied Signal Co.) einer Dicke zwischen etwa 0,015 mm und 0,025 mm (0,6 und 1 mil) oder einer Kalodex-Folie (Polyethylennaphthalat). Der leitfähige Klebstoff 62 kann im günstigen Fall ein mit Kohlenstoff gefüllter leitfähiger Klebstoff sein, wie er beispielsweise unter der Handelsbezeichnung ARCLAD als leitfähiger Transferklebstoff von Adhesives Research Co. verfügbar ist. Die Klebstoffbeschichtung 62 kann im günstigen Fall eine Dicke von etwa 0,012 mm (0,5 mil) haben. Die Folienunterlage 65 kann im günstigen Fall eine Aluminiumfolie mit einer Dicke zwischen etwa 0,006 und 0,012 mm (0,25 und 0,5 mil) sein.
Die in der Hilfszelle 25 zur Anwendung gelangenden Materialien hängen von der Leerlaufspannung der Anzeigezelle ab. Die Materialien für die Hilfszelle 25 werden so ausgewählt, dass die Gesamtleerlaufspannung über der Zustandsanzeigegruppe 10 als Ganzes etwa genau so groß ist wie die der zu entladenden Hauptzelle. In der Hilfszelle 25 können entweder wässrige oder organische Elektrolyten verwendet werden. Sofern ein wässriger Elektrolyt zur Anwendung gelangt, kann ein typisches leitfähiges Kathodensubstrat 81 der Hilfszelle aus einer leitfähigen und mit Kohlenstoff gefüllten Poly(vinylacetat)/Poly(vinylchlorid)-Polymerfolie (Rexham Graphics, leitfähige Kunststofffolie Nr. 2664-01) zugesetzt sein. Wie vorstehend beschrieben, wird die leitfähige Schicht 81 auf eine Lage 82 einer Aluminium-Folie auflaminiert. Die leitfähige Polymer-Folie kann im günstigen Fall eine Dicke von etwa 0,025 mm (1 mil) und die Aluminium-Folie eine Dicke zwischen etwa 0,006 und 0,012 mm (0,25 und 0,5 mil) haben. Die Kathode 83 der Hilfszelle ist im günstigen Fall aus einer aufgedruckten Beschichtung zusammengesetzt, die X% elektrolytisches Mangandioxid (EMD), (90 – X)% Graphit und 10% Polyvinylchlorid-Bindemittel enthält. Die aktive Kathodenschicht 83 kann hergestellt werden, in dem 3 Gewichtsteile einer Mischung von EMD und Graphit in 7 Gewichtsteilen wässrigem 0,75%igen Carbopol 940 (B. F. Goodrich Co.) als vernetztes Acrylsäurecopolymer dispergiert werden und die Mischung mit Hilfe von KOH auf einen pH-Wert von 10 eingestellt wird und anschließend in ausreichender Menge HALOFLEX 320 (ICI Americas – US Resins Devision) PVC-Latex zugesetzt wird, so dass sie 10 Gewichtsprozent des fertigen getrockneten Kathodenmaterials ausmacht. Sodann wird die Mischung als ein nasser Film mit einer Dicke von 0,005 bis 0,012 mm (0,2 bis 0,5 mil) auf die mit Kohlenstoff gefüllte Polymer-Lage 81 aufgetragen und sodann unter Erzeugung der getrockneten aktiven Kathodenschicht 83 einer Lufttrocknung unterzogen.
Der Separator 72 der Hilfszelle kann eine poröse Nitrocellulose- oder Zellophan-Membran einer Dicke von etwa 0,025 mm (1 mil) sein, die etwa 2 bis 8 Mikroliter einer Elektrolytlösung 73 enthält, die zusammengesetzt ist aus etwa 24% bis 32 Gewichtsprozent wässrigem ZnCl mit einem auf 4 durch Zusetzen von ZnO eingestellten pH-Wert. Zwischen den äußeren Rändern von Anode 77 und Kathode 83 ist zum Zusammenhalten der Hilfszelle und um das Eintreten von Kontaminanten in die Zelle zu verhindern, eine Dichtung 85 vorgesehen. Die Dichtung 85 kann geeigneter Weise aus einer heißsiegefähigen Folie aus Polyvinylacetat/Polyvinylchlorid erzeugt sein. Alternativ kann sie aus einem Butylkautschuk-Haftkleber zusammengesetzt sein, wie beispielsweise Butyl 065-Kautschuk von Exxon Co. Seal 85, die vorteilhaft eine Dicke zwischen etwa 0,025 mm und 0,05 mm (1 und 2 mil) hat.
Das Anodenmaterial 77 der Hilfszelle kann auf ein Substrat 76 beschichtet sein, das zusammengesetzt ist aus einer leitfähigen und mit Kohlenstoff gefüllten Poly(vinylacetat)/Poly(vinylchlorid)-Polymerfolie (Rexham Graphics-leitfähige Kunststofffolie Nr. 2664-01). Das Substrat 76 kann auf eine Lage einer Aluminiumfolie (nicht gezeigt) auf der Oberfläche von Substrat 76 gegenüber dem Anodenmaterial 77 auflaminiert sein. Die leitfähige Polymerfolie kann im günstigen Fall eine Dicke von etwa 0,025 mm (1 mil) und die Aluminiumfolie eine Dicke zwischen etwa 0,006 und 0,012 mm (0,25 und 0,5 mil) haben. Die Anodenschicht 77 der Hilfszelle kann eine Beschichtung sein, die zusammengesetzt ist aus 90% Anodenpulver (z. B. Zinkpulver oder ein anderes Metallpulver, was von der benötigten Spannung abhängt) und 10% Styrol/Butadien-Copolymer (SBR)-Bindemittel. Die Anodenschicht 77 kann hergestellt werden, in dem zuerst 6,5 Gewichtsteile Zn-Pulver (Partikelgröße von 5 bis 7 Mikrometer) in 3,5 Gewichtsteilen wässrigem 1,25% Carbopol 940 als einem vernetzten Acrylsäure-Copolymergel (eingestellt mit KOH auf einen pH-Wert von 12) dispergiert werden. Sodann wird ein Styrol/Butadienkautschuk-Latex (ROVENE 5550 SBR-Latex von Rohm & Haas Co.) in einer ausreichenden Menge zugesetzt, um in der fertigen trockenen Folie 1 Gewichtsteil Styrol/Butadienkautschuk pro 9 Teile Zink zu ergeben. Die Mischung wird sodann als ein nasser Film in einer Dicke von 0,012 bis 0,0375 mm (0,5 bis 1,5 mil) auf die mit Kohlenstoff gefüllte Polymer-Lage 76 aufgetragen und anschließend einer Lufttrocknung unterzogen.
Der Kontaktkleber 61 und 92 der Hilfszelle kann ausgewählt werden aus einer Vielzahl von leitfähigen Klebmitteln. Ein geeigneter Klebstoff 61 oder 92 kann ein mit einem leitfähigen Kohlenstoff gefüllter Transferklebstoff sein, der als ARCLAD-Klebstoff von Adhesives Research Co. verfügbar ist. Ein solcher Klebstoff lässt sich bis zu einer Dicken von 0,012 mm (0,5 mil) über eine Lage aus Aluminium-Folie 82 aufgetragen werden und bildet die Klebstofflage 92. Die gleiche Klebstoffzusammensetzung kann bis zu einer Dicke von etwa 0,012 mm (0,5 mil) unter Erzeugung der Klebstofflage 61 über dem Ende 42(b) des Kathodensubstrats der Anzeige aufgetragen werden.
Der Rückseitenklebstoff 82 der Anzeige kann aus einer großen Vielzahl von Haftklebstoffen ausgewählt werden. Im günstigen Fall ist der Klebstoff 82 zusammengesetzt aus einem Butylkautschuk-Haftklebstoff, wie beispielsweise Butyl 065-Kautschuk von Exxon Co.
Im Folgenden handelt es sich um Arbeitsbeispiele des Testers, die im Zusammenhang mit 2 beschrieben werden:
Beispiel 1
Die arbeitenden Zustandsanzeigegruppen 10 des in der bevorzugten Ausführungsform (2) beschriebenen Typs sind aufgebaut und werden angewendet, um den Ladungszustand konventioneller Zn/MnO₂ (1,5 Volt) AA-Alkalizellen anzuzeigen, die über verschiedene Lasten entladen werden.
Die unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Anzeigezellen 20 werden mit Hilfe der folgenden Bauteile aufgebaut: Die Anode 47 der Anzeigezelle wird durch Sputterbeschichten von 600 Angström Silber auf leitfähigen und mit Kohlenstoff gefüllten Substraten 48 (Velstat Kohlenstoff gefülltes Polyethylen von der 3M Company) hergestellt. Die Anodenfläche beträgt etwa 2,2 cm (0,86 in) × 0,51 cm (0,2 in). Die Kathode 43 der Anzeigezelle wird erzeugt, in dem zuerst eine Kathodenmischung von 70 : 30 (Gewicht) V₂O₅ und Graphit hergestellt wird. Danach werden 3 g dieser Mischung von V₂O₅ und Graphit gemischt mit 0,45 g Polyvinylidenfluorid (PVDF) und 4,5 g 1-Methyl-2-pyrolidinon, um eine Druckfarbe zu erzeugen. Die Druckfarbe wird auf Substrat 42 (VELSTAT Kohlenstoff gefülltes Polyethylen) beschichtet und für 1 Stunde bei 150°C in Luft unter Erzeugung einer Kathodenbeschichtung einer Dicke von 1 mil getrocknet. Die Kathodenfläche beträgt etwa 0,51 cm (0,2 in) × 0,51 cm (0,2 in). Die Kathode von Anode durch eine Spalt von etwa 0,13 cm (0,05 in) im Inneren eines 0,06 mm (2,5 mil) dicken Butylkautschuk-Haftklebstoff-Fensters mit einem Innenraum einer Länge von etwa 18 mm (0,7 in) und einer Breite von 7,6 mm (0,30 in) getrennt. Anode und Kathode stehen im Kontakt einen 0,05 mm (2 mil) dicken transparenten Elektrolyten 45 mit einer Länge von etwa 15,5 mm (0,61 in) und einer Breite von etwa 5,1 mm (0,2 in), bestehend aus 0,5 Mol LiTFSI (Lithiumtrifluormethansulfonylimid) und 0,003 Mol AgTFSI (Silbertrifluormethansulfonylimid) in Lösemittel und wird wie zuvor für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben hergestellt. Zur Abdichtung der Anzeige wird eine 0,025 mm (1 mil) dicke transparente KOLODEX-Poly(ethylennaphthalat)-Sperrfolie 52 mit einer Länge von etwa 25,4 mm (1 in) und einer Breite von 15,2 mm (0,60 in) verwendet. Die fertigen Anzeigen haben eine Dicke zwischen etwa 0,15 und 0,18 mm (6 und 7 mil).
Die Hilfszellen 25 von dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Typ werden mit Hilfe der folgenden Bauteile aufgebaut. Die Kathode 83 der Hilfszelle wird hergestellt durch Beschichten einer Mangandioxid-Schicht, die elektrolytisches Mangandioxid (EMD) auf einem leitfähigen Substrat 81 enthält, das wie vorstehend beschreiben aus Rexham Graphics Nr 2664-01-leitfähige und mit Kohlenstoff gefüllte Kunststofffolie besteht. Die Mangandioxid-Beschichtung wird als nasser Film mit einer Dicke von 0,012 mm (0,5 mil) aufgetragen, wobei die trockene Zusammensetzung 68% EMD und 17% Graphit hat.
Die Anode 77 der Hilfszelle wird hergestellt, in dem eine Zink-Beschichtung auf das Rexham Graphics Nr. 2664-01-leitfähige und mit Kohlenstoff gefüllte Kunststoffsubstrat entsprechend der vorangegangenen Beschreibung aufgetragen wird. Die trockene Zink-Anode hat eine Dicke von etwa 0,025 (1 mil) und eine Fläche von etwa 0,45 cm² (0,070 in²), um eine mehrfache Kapazität von der in der Kathode zu liefern. Der Separator 72 wird unter Einsatz einer 1 mil dicken Zellophan-Folie hergestellt, die etwa 6 × 10^–6 Liter Elektrolyt (28% ZnCl₂) mit pH 4 enthält. Zur Abdichtung 85 wird ein 0,05 mm (2 mil) dicker Butylkautschuk-Haftklebstoff (Butylkautschuk 065-Klebstoff von Exxon) verwendet, um die Hilfszelle zu versiegeln. Die fertigen Hilfszellen haben eine Dicke von etwa 0,2 mm (8 mil) und einen bei 1 kHz gemessenen Wechselstromwiderstand von etwa 2 kOhm.
Die Anzeige- und Hilfszellen sind miteinander in Reihe geschaltet, um eine Zustandsanzeigegruppe 10 entsprechend der Darstellung in 2 zu erzeugen. Die fertige Zustandsanzeige 10 in diesem Beispiel hat eine Dicke zwischen etwa 0,15 und 0,2 mm (6 und 8 mil). Die Zustandsanzeige 10 wird parallel entsprechend der Darstellung in 1 und 2A zu den Klemmen von frischen Zn/MnO₂ (1,5 Volt)-AA-Alkalizellen unter Verwendung von 0,5 mil dicken ARCLAD-Leitkleber (61 und 92) entsprechend der vorangegangenen Beschreibung geschaltet. Die Anzeigezelle 20 hat eine positive Elektromotorische Kraft (EMK). Die Leerlaufspannung über der Zustandsanzeigegruppe 10 insgesamt ist etwa genau so groß wie die der zu entladenden Hauptzelle.
Die AA-Zellen werden von 1,5 bis 0,8 Volt über Lastwiderstände entweder 1 Ohm, 4 Ohm, 36 Ohm oder 75 Ohm entweder kontinuierlich oder intermit tierend entladen, wobei der Strom durch die Anzeigezelle 20 etwa (0,5 bis 2) × 10^–6 A beträgt. In allen Fällen klart die Anzeigeanode in einer einem Messgerät ähnlichen Weise auf, um visuell das darunterliegende schwarze, leitende Anodensubstrat 48 freizulegen, wobei das Klarwerden von dem der Kathode am nächsten gelegenen Ende 47(a) beginnt und sich zur gegenüber liegenden Seite der Kathode fortsetzt. Der Umfang des Klarwerdens steht proportional im Zusammenhang mit dem Umfang der Entladung der AA-Zellen. Damit dient der Testen als eine wirksame Anzeige des Ladungszustandes der Hauptzelle.
Die in diesem Beispiel beschriebene spezielle Zustandsanzeigegruppe kann vorteilhaft eingesetzt werden, um den Zustand einer konventionellen Zn/MnO₂-Alkalizelle zu testen, die im typischen Fall mit einem Lastwiderstand zwischen etwa 1 und 1.000 Ohm betrieben werden kann. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf Alkalizellen vorgesehen, sondern kann auch wirksam zum Testen des Zustandes jeder beliebigen Trockenzelle erfolgen.
Beispiel 2
Es wurden Indikatorzellen in der gleichen Weise hergestellt, wie im Beispiel 1 beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass die V₂O₅-Kathodenmischung durch eine andere Kathodenmischung ersetzt wurde, die lambda-MnO₂ enthielt. Es wurde zuerst eine Kathoden-Druckfarbe hergestellt, in dem 3 g einer Mischung von LiMn₂O₄ und Graphit (70 : 30 Gewichtsanteile), 0,45 g Polyvinylidenfluorid (PVDF) und 4,5 g N-Methylpyrrolidinon (NMP) gemischt wurden. Die Kathoden-Druckfarbe wurde auf das Substrat 42 (VELSTAT-Material) aufgetragen und für 1 Stunde in Luft bei 150°C getrocknet. Das in der getrockneten Druckfarbe enthaltende LiMn₂O₄ wurde in lambda-MnO₂ umgewandelt, in dem die getrocknete Druckfarbe auf dem Substrat für 30 Minuten in 0,03 molarer H₂SO₄ extrahiert wurde. Nach dem Extrahieren mit der Säure wurden die Kathoden gespült und für 1 Stunde in Luft getrocknet. Die Anzeigezelle 20 wurde in der gleichen Weise zusammengebaut, wie in Beispiel 1 beschrieben wurde, wobei jedoch die vorstehend beschriebene Kathode zum Einsatz gelangte. Die Anzeigezelle 20 dieses Beispiels hat eine Leerlaufspannung von etwa 0,5 Volt.
Die Hilfszellen wurden in der gleichen Weise hergestellt, wie im Beispiel 1 beschrieben wurde, mit der Ausnahme der Verwendung einer Pb-Anode. Die Pb-Anode kann in der gleichen Weise wie die Zn-Anode mit der Ausnahme hergestellt werden, dass anstelle des Zn ein Pb-Pulver eingesetzt wird. Der verwendete Elektrolyt ist 28%iges ZnCl₂, gesättigt mit PbCl₂ bei einem pH 4. Die auf diese Weise hergestellte Hilfszelle hat eine Leerlaufspannung (OCV) von etwa 1,05 Volt.
Die Anzeigezelle und die Hilfszelle werden untereinander entsprechend dem Beispiel 1 unter Erzeugung einer Zustandsanzeigegruppe 10 in Reihe geschaltet, die mit einer frischen Zn/MnO₂ (1,5 Volt)-AA-Alkalizelle verbunden ist. Die Leerlaufspannung über der Zustandsanzeigegruppe 10 ist etwa die gleiche wie die der AA-Zelle. Während der Entladung der AA-Zelle verhält sich die Zustandsanzeige ähnlich wie die im Beispiel 1. In allen Fällen klart die Anzeigeanode in einer einem Messgerät ähnlichen Weise auf, um visuell das darunter liegende, schwarze, leitfähige Substrat 48 frei zu legen, wobei das Klarwerden am der Kathode am nächsten gelegenen Ende 47(a) beginnt und sich zum gegenüberliegenden Ende der Anode ausbreitet. Der Umfang des Klarwerdens steht proportional im Zusammenhang mit dem Umfang der Entladung der AA-Zelle. Damit dienst die Gruppe 10 als eine wirksame Anzeige des Ladungszustandes für die Hauptzelle.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen und spezielle Konstruktionsmaterialien beschrieben worden ist, gilt als selbstverständlich, dass andere Ausführungsform und Materialien möglich sind, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Damit ist die Erfindung nicht beschränkt auf hierin beschriebene spezielle Ausführungsformen auszulegen, sondern vielmehr ist der Geltungsbereich der Erfindung durch die Ansprüche festgelegt.

Claims

Kombination einer Batterie (30) und einer Anzeigegruppe (10) für den Batteriezustand zum Bestimmen des Ladungszustands der Batterie (30); wobei die Batterie ein Gehäuse aufweist, eine negative Klemme (115) und eine positive Klemme (145) und wobei Zustandsanzeigegruppe (10) in einen Anhänger (58) integriert ist, der an der Batterie (30) angebracht ist; wobei die Anzeigegruppe (10) eine Anzeigezelle (20) aufweist, die eine Anode (47), eine Kathode (43) und einen Elektrolyten (45) aufweist, wobei sich der Elektrolyt (45) elektrisch mit mindestens einem Abschnitt sowohl der Anode (47) als auch der Kathode (43) der Anzeigezelle (20) in Kontakt befindet, wobei die Anzeigezelle (20) selbst eine Elektromotorische Kraft (EMK) besitzt und mindestens ein Abschnitt von einer der Anode (47) und der Kathode (43) der Anzeigezelle (20) sichtbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsanzeigegruppe (10) ferner eine Hilfszelle (25) aufweist, die Energie erzeugende elektrochemische Zelle ist, aufweisend eine Anode (77), eine Kathode (83) und einen Elektrolyten (73), die sich mit mindestens einem Abschnitt der Anode (77) der Hilfszelle und der Kathode (83) in Kontakt befinden; wobei eine von der Anode (77) und der Kathode (83) der Hilfszelle (25) elektrisch mit einer der Anode (47) und Kathode (43) der Anzeigezelle (20) verbunden ist; wobei die verbleibende Elektrode der Hilfszelle (25) und die verbleibende Elektrode der Anzeigezelle (20) mit den Batterieklemmen (115, 145) elektrisch verbunden sind; und wobei während der Entladung der Batterie (30) ein Klarwerden am Ende der sichtbaren Elektrode der Anzeigezelle (20) beginnt und sich in Richtung auf das entgegengesetzte Ende davon fortsetzt und wobei der Umfang des Klarwerdens eine sichtbar unterscheidbare Bestimmung des Ladungszustands der Batterie (30) gewährt.
Kombination nach Anspruch 1, wobei die Anzeigegruppe (10) für den Zellenzustand eine Dicke zwischen 0,05 und 2,5 mm (2 und 100 mil) hat.
Kombination nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anode (47) und die Kathode (43) der Anzeigezelle (20) ein unterschiedliches aktives Material aufweise.
Kombination nach Anspruch 1 bis 3, wobei die Anode (47) und die Kathode (43) der Anzeigezelle (20) derart lateral beabstandet sind, dass kein Abschnitt der Anode (47) der Anzeigezelle (20) irgendeinen Abschnitt der Kathode (43) der elektrolytischen Zelle überlappt.
Kombination nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Anode (47) der Anzeigezelle (20) Silber aufweist.
Kombination nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Kathode (43) der Anzeigezelle (20) V₂O₅ aufweist.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kathode (43) der Anzeigezelle (20) lambda-MnO₂ aufweist.
Kombination nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Elektrolyt (45) der Anzeigezelle Lithiumtrifluormethansulfonylimid und Silbertrifluormethansulfonylimid aufweist.
Kombination nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Anode (77) der Hilfszelle (25) Zink und die Kathode (83) der Hilfszelle (25) Mangandioxid aufweist.
Kombination nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Anode (77) der Hilfszelle (25) Blei und die Kathode (83) der Hilfszelle (25) Mangandioxid aufweist.