HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Struktur zum dichten Verschließen einer Öffnung in
einer zylindrischen alkalischen Batterie.
Beschreibung des Standes der Technik
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Eine zylindrische alkalische Batterie, beispielsweise etwa eine alkalische
Trockenzelle, verwendet eine hochkonzentrierte wäßrige Ätzalkalilösung als Elektrolyt.
Wenn diese Batterie eine, wenn auch nur sehr kleine, offene Stelle oder Stoßfuge
aufweist, besteht daher die Neigung zu einem Auslaufen des Elektrolyten aufgrund
des sogenannten "Kriechen", d. h. des Ausschwitzens durch die Stoßfuge. Die
alkalische Trockenzelle ist demgemäß mit einer Struktur zum dichten Verschließen
der Öffnung versehen, die eine sehr gute Eignung zum undurchlässig dichten
Verschließen ihres Gehäuses besitzt.
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In einem Gerät, das eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Batterien verwendet,
besteht beispielsweise, wenn das Gerät in einem solchen Zustand betrieben wird,
daß eine der Batterien mit zu den übrigen Batterien umgekehrter Polaritätsrichtung
angeschlossen ist, die Möglichkeit, daß die umgekehrt angeschlossene Batterie
platzt, wenn sie durch die anderen Batterien geladen wird und bewirkt wird, daß in
ihrem Inneren eine starke Gaserzeugungsreaktion stattfindet und demzufolge der
Innendruck über die Haltbarkeitsgrenze hinaus ansteigt, die der zum sicheren
undurchlässigen Abdichten des Batteriegehäuses geeigneten
Öffnungsabdichtungsstruktur eigen ist. Das Gerät muß daher vor diesem Defekt geschützt werden.
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Um dieses Problem zu lösen, wurden verschiedenartige
Öffnungsabdichtungsstrukturen, die mit einem Berstschutzmechanismus ausgerüstet waren, bisher zur
Verwendung in alkalischen Trockenzellen vorgeschlagen (wie beispielsweise
veröffentlicht in JP-A-59-98452).
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Eine typische Öffnungsabdichtungsstruktur wird nachstehend mit Bezug auf die
Zeichnungen speziell beschrieben.
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Fig. 4 ist ein Halbquerschnitt einer herkömmlichen alkalischen Trockenzelle, wie
beispielsweise in EP 0 309 101A beschrieben.
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In ein Zellgehäuse 1 wird ein positives Elektrodenmaterial 2 eingesetzt, das aus
Mangandioxid und Graphit besteht und zylindrisch geformt ist. Der Zylinder aus
diesem Material 2 ist darin eingepackt, und zwar mit einem hauptsächlich aus
Kaliumhydoxid bestehenden alkalischen Elektrolyten und einer Negativelektroden-
Gelsubstanz 3, deren Hauptbestandteile ein Geliermittel und ein
Zinklegierungspulver sind, und zwar über das Medium eines Separators 4. Die alkalische
Trockenzelle ist weiter mit einer negativen Sammelelektrode 5 und einer harzartigen
Dichtung 6 versehen, die geeignet ist, den Öffnungsteil des Zellgehäuses 1 zu versperren
und einen dünnwandigen Teil (im Diagramm ist ein ringförmiger dünnwandiger Teil
dargestellt) 7 besitzt, welcher unter Gasdruck bricht. Eine Negativelektroden-
Anschlußplatte 9, welche gleichzeitig als negativer Elektrodenanschluß dient und
eine Gasabführöffnung 8 aufweist, ist an der harzartigen Dichtung 6 befestigt,
indem sie mit dem Kopfteil der negativen Sammelelektrode 5 verschweißt ist und in
den Öffnungsteil des Zellgehäuses 1 eingesetzt ist, so daß das Zellgehäuse 1 dicht
verschlossen werden kann, indem das Öffnungsteil in undurchlässiger Weise nach
innen gefaltet wird. Die äußere Seitenfläche des Zellgehäuses 1 und die daran
anschließende Außenfläche des dicht verschlossenen Teils des Öffnungsteils des
Zellgehäuses 1, welches nach innen gefaltet wurde, sind mit einem Decketikett 10
überzogen, bei dem es sich um ein wärmeschrumpfbares isolierendes Deckelement
handelt. Ein positiver Elektrodenanschluß 11 ist angrenzend an die Bodenfläche
des Zellgehäuses 1 angeordnet. Als alternative Ausführungsform offenbart EP 0
309 101 A2 eine Struktur, bei welcher ein Isolierring auf dem nach innen gefalteten
Abschnitt des Zellengehäuses 1 sitzt, wie im Oberbegriff des anliegenden
Anspruchs 1 festgelegt.
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Bei der wie oben beschrieben aufgebauten alkalischen Trockenzelle wird
verhindert, daß wie oben erwähnt ein störungsbedingtes Bersten auftritt, da der
dünnwandige Abschnitt 7 der harzartigen Dichtung 6 in Funktion eines Sicherheitsventil
bricht, wenn der Druck im Zellengehäuse 1 durch das im Inneren der Zelle
erzeugte Gas über einen vorgeschriebenen Pegel ansteigt, und das in der Zelle
befindliche Gas entweicht durch die Bruchstelle und strömt über die in der
Negativelektroden-Anschlußplatte 9 befindliche Gasabführöffnung 8 aus der Zelle heraus,
mit dem Ergebnis, daß der Innendruck des Zellgehäuses 1 gesenkt wird.
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In einem Gerät, welches eine Mehrzahl von Trockenzellen verwendet, die jeweils
wie oben beschrieben aufgebaut sind und miteinander in Reihe angeordnet sind,
wird beispielsweise, wenn das Gerät in einem solchen Zustand betrieben wird, daß
ein Teil der Batterien irrtümlicherweise mit einer zur Polaritätsrichtung der übrigen
Batterien umgekehrten Polarität angeschlossen sind, die irrtümlich angeschlossenen
Zellen von den anderen Zellen aufgeladen.
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Fig. 5 zeigt die Anordnung von vier in Reihen angeschlossenen alkalischen
Trockenzellen von herkömmlichem Aufbau, bei welcher eine der vier Zellen mit einer
zu der der übrigen Zellen umgekehrten Polaritätsrichtung angeschlossen ist. Die
Positivelektroden-Anschlußfläche der umgekehrt angeschlossenen Zelle ist in
Kontakt mit der Positivelektroden-Anschlußfläche der benachbarten Zelle, und die
Negativelektroden-Anschlußfläche der umgekehrt angeschlossenen Zellen ist in
Kontakt mit der Negativelektroden-Anschlußfläche der benachbarten Zelle. In einer in
EP 0 505 080 A1 offenbarten Konstruktion wird ein leitender Kontakt zwischen
benachbarten Zellen durch das Vorsehen eines nicht leitenden Elements verhindert,
das zur Zelle gehört und über die leitende Kontaktfläche eines der Anschlüsse
hervorsteht. Andererseits wird bei dem Zellaufbau wie dargestellt in Fig. 4 die
umgekehrt angeschlossene Zelle durch die anderen Zellen geladen und bewirkt, daß
diese einer starken Gaserzeugungsreaktion unterliegt. Wenn der Innendruck des
Zellengehäuses demzufolge über ein vorgeschriebenes Niveau ansteigt, bricht der
ringförmige dünnwandige Teil der harzartigen Dichtung in Funktion eines
Berstschutzmechanismus, welcher ein Bersten der Zelle verhindert, und das im
Zellengehäuse befindliche Gas entweicht über die Gasabführöffnung in der negativen
Anschlußplatte aus der Zelle.
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Das Auslösen des Berstschutzmechanismus als Reaktion auf ein abnormales
Ansteigen des Zellinnendrucks verhindert zwar das Bersten der Zelle. Es besteht
jedoch die Möglichkeit, daß das ausströmende Gas den Elektrolyten mitreißt und
dazu treibt, durchzusickern und aus der Zelle herauszuspritzen.
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Bei dem Elektrolyt, der in einer alkalischen Trockenzelle, etwa beispielsweise einer
zylindrischen alkalischen Zelle verwendet wird, handelt es sich um eine
hochkonzentrierte wäßrige Ätzalkalilösung. Um zu verhindern, daß der Elektrolyt das in
Gebrauch befindliche Gerät beschädigt, wenn der Berstschutzmechanismus
ausgelöst wird, ist es daher erforderlich, daß die alkalische Trockenbatterie so aufgebaut
ist, daß der Elektrolyt, sogar wenn das Gas durch die in der negativen
Anschlußplatte befindliche Gasabführöffnung abströmt, weder auslaufen noch herausspritzen
kann.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Problem durch eine Verbesserung der Zellen des
Standes der Technik gelöst, welche hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Gasabführöffnung durch den Isolierring verdeckt ist, der auf dem nach innen
gefalteten Abschnitt des Zellgehäuses sitzt.
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Bei der Trockenzelle, welche mit einem wärmeschrumpfbaren Element wie oben
erwähnt verkleidet ist, wird möglicherweise ein Abschälen, Zerreißen oder
Zerbrechen der schrumpfbaren Außenfläche des Decketiketts verursacht, das die
Anschlußflächenseite des Öffnungsteils des Zellgehäuses verdeckt, und zwar
verursacht durch Reibung oder durch Herabfallen während des Transports der Zelle oder
durch das Einsetzen der Zelle in das Gerät oder das Entnehmen der Zelle aus
diesem. Da weiter der gleichzeitig als positiver Elektrodenanschluß dienende
Öffnungsteil des Zellgehäuses und der negative Elektrodenanschluß, welche nahe
beieinander liegen, aus metallischen Materialien bestehen, besteht die Möglichkeit,
daß die positive Elektrode und die negative Elektrode über das Vorderende eines
auf der Geräteseite befindlichen Schraubenfederanschlusses einen Kurzschluß
bilden und dabei die Zelle geladen wird, und bewirkt wird, daß sich die Zelle
erwärmt und der Elektrolyt ausläuft. Diese Schwierigkeit wird ebenfalls durch die
nun vorgeschlagene Konstruktion verhindert, bedingt durch die Verwendung des
Isolierrings, der in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch ein
wärmeschrumpfbares isolierendes Deckelement verdeckt ist.
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Wenn weiter eine Mehrzahl von Trockenzellen in Reihe angeordnet verwendet
werden und ein Teil der Trockenzellen irrtümlicherweise mit einer zu der der übrigen
Zellen umgekehrten Polaritätsrichtung angeschlossen sind, ist die Erfindung in der
Lage, zu verhindern, daß die umgekehrt angeschlossenen Trockenzellen durch die
anderen Trockenzellen geladen werden, falls die Anschlußfläche der negativen
Anschlußplatte unter die Außenfläche des den Isolierring verdeckenden isolierenden
Deckelements abgesenkt ist. Sie verbessert weiter die Zuverlässigkeit einer
Ummantelung einer zylindrischen Trockenzelle mit einem wärmeschrumpfbaren
isolierenden Deckelement, das eine geringere Zuverlässigkeit besitzt als ein metallisches
Deckelement einer Trockenzelle. Daher ist sie vorteilhaft hinsichtlich der
Sicherheit, und nützlich für ein Gerät, bei dem die Verwendung einer Trockenzelle
erforderlich ist.
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Fig. 1 ist ein Halbquerschnitt einer alkalischen Trockenzelle in einer
Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Anordnung von alkalischen Trockenzellen
der Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei ein Teil der
Trockenzellen umgekehrt zu den übrigen Trockenzellen angeschlossen sind.
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Fig. 3 ist ein Halbquerschnitt einer alkalischen Trockenzelle in einer weiteren
Ausführungsform dieser Erfindung.
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Fig. 4 ist ein Halbquerschnitt einer herkömmlichen alkalischen Trockenzelle.
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Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Anordnung von herkömmlichen
alkalischen Trockenzellen darstellt, wobei ein Teil der Trockenzellen
umgekehrt zu den übrigen Trockenzellen angeschlossen ist.
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Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, stellt diese Erfindung eine
zylindrische alkalische Zelle bereit, bei welcher ein Isolierring außerhalb des dicht
verschlossenen Teils eines Zellengehäuses sitzt, das zum Abdichten des Öffnungsteils
nach innen gebogen ist, die Anschlußfläche einer Negativelektroden-Anschlußplatte
unter die Außenfläche eines den Isolierring verdeckenden isolierenden
Deckelements abgesenkt ist, eine Gasabführöffnung in der Negativelektroden-
Anschlußplatte durch den Isolierring verdeckt ist, oder der Isolierring durch
Kontaktklebung an der Außenfläche des dicht verschlossenen Teils befestigt ist. Dank
der Konstruktion, bei der der Isolierring in der Lage ist, die Gasabführöffnung in
der Negativelektroden-Anschlußplatte zu verdecken, kann der Elektrolyt, welcher
zusammen mit dem Gas durch die Gasabführöffnung in der negativen
Anschlußplatte herausspritzt, durch den Isolierring aufgefangen werden, und das Verspritzen
des Elektrolyten aus der Trockenzelle kann minimiert werden, sogar wenn der
Innendruck der Trockenzelle in einem Maße erhöht wird, daß der
Berstschutzmechanismus aus irgendeinem anderen Grund, außer durch umgekehrtes Anschließen
bewirktes unerwünschtes Laden, erhöht wird, etwa beispielsweise durch eine
Erzeugung von Wasserstoffgas durch die Korrosion von Zink der negativen Elektrode,
die durch das Eintreten von Verunreinigungen in die Gelsubstanz der negativen
Elektrode herbeigeführt wird.
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Wenn eine Mehrzahl von Trockenzellen der oben beschriebenen Konstruktion in
Reihe angeordnet verwendet werden, wird, sogar wenn ein Teil der Trockenzellen
irrtümlich mit einer zu den übrigen Trockenzellen umgekehrten Polaritätsrichtung
angeschlossen sind, von der Negativelektrodenseite der umgekehrt angeschlossenen
Trockenzelle und zur Negativelektrodenseite der zu dieser benachbarten
Trockenzelle weder ein elektrischer Durchgang aufgebaut noch das Fließen eines
elektrischen Stroms zwischen diesen ermöglicht, da bei ihnen die Außenflächen der
Decketiketten, d. h. der die Isolierringe verdeckenden isolierenden Deckelemente,
in direktem wechselseitigem Kontakt zueinander stehen und ein Kontakt der
Endflächen der negativen Elektrodenplatten miteinander nicht ermöglicht wird.
Demzufolge wird der Berstschutzmechanismus der Trockenzelle nicht ausgelöst, und ein
Auslaufen des Elektrolyten aus der Zelle findet nicht statt, da die umgekehrt
angeschlossene Trockenzelle nicht aufgeladen wird und die Gaserzeugungsreaktion in
der Trockenzelle nicht bewirkt wird.
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Die alkalische Trockenzelle der Erfindung ermöglicht, daß die Außenfläche des
isolierenden Deckelements, das die Außenfläche des dicht verschlossenen Teils des
Öffnungsteils des gleichzeitig als positiver Elektrodenanschluß dienenden
Zellgehäuses verdeckt, über die Anschlußfläche der negativen Elektrode hervorsteht.
Sogar wenn die überstehende Fläche des Deckelements während des Einlegens oder
Entnehmens der Zelle aus dem im Gebrauch befindlichen Gerät die Tendenz hat,
sich abzuschälen, zu zerreißen oder zu zerbrechen, oder es sich in der Nähe des
Öffnungsteils des Zellgehäuses abschält oder bricht, kann die Isolierfähigkeit der
Trockenzelle durch das Anordnen des Isolierrings zwischen der Außenfläche des
dicht verschlossenen Teils des Öffnungsteils des Zellgehäuses und dem isolierenden
Deckelement gewährleistet werden. Weiter kann das feste Anbringen des
Isolier
rings die Isolierfähigkeit der Trockenzelle gewährleisten, ohne daß ein
störungsbedingtes Abfallen des Isolierrings herbeigeführt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Arbeitsbeispiele speziell
beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Halbquerschnitt einer alkalischen Trockenzelle eines Arbeitsbeispiels
dieser Erfindung.
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Mit Bezug auf Fig. 1 sitzt ein Isolierring 12 außerhalb des dicht verschlossenen
Teils des Öffnungsteils eines Zellengehäuses 1. Die Anschlußfläche einer negativen
Elektrodenplatte 9 ist um einen Abstand von ungefähr 1 mm unter die Außenfläche
eines Decketiketts 10, d. h. eines wärmeschrumpfbaren isolierenden Deckelements,
welches den Isolierring 12 verdeckt, abgesenkt. Die Tiefe dieser Absenkung muß
lediglich derart sein, daß, wenn die Negativelektroden-Anschlußflächen einander
gegenüberliegender Trockenzellen aneinander angrenzen, die Anschlußflächen der
negativen Anschlußplatten 9 nicht in Kontakt miteinander kommen. Der Isolierring
12 ist so angepaßt, daß er eine Gasabführöffnung 8 in einem Zustand verdeckt, der
ermöglicht, daß seine innendurchmesserseitige Anschlußfläche sich ganz nah bei
der seitlichen Wandfläche der die Gasabführöffnung 8 enthaltenden
Negativelektroden-Anschlußplatte 9 befindet. Der Aufbau dieser alkalischen Trockenzelle ist in
den übrigen Belangen mit dem der herkömmlichen alkalischen Trockenzelle von
Fig. 4 identisch.
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Als konkrete Beispiel der für diesen Isolierring 12 zu verwendenden Materialien
können Kunststoffmaterialien wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Styrolharz und
Urethanharz, Gummi, Papier und Vliesstoffe aus Kunstfasern wie etwa Vinylon und
Reyon angeführt werden.
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Fig. 2 stellt ein Gerät dar, welches vier in Reihe angeschlossene alkalische
Trockenzellen des vorliegenden Arbeitsbeispiels dieser Erfindung verwendet, wobei eine
der vier Trockenzellen mit einer zu der der übrigen Trockenzellen umgekehrten
Polaritätsrichtung angeschlossen ist. In diesem Fall kommen, da die
Anschlußfläche der Negativelektroden-Anschlußplatte der umgekehrt angeschlossenen
Trockenzelle und die Anschlußfläche der negativen Anschlußplatte der zu dieser
benachbarten Trockenzelle jeweils unter die Außenflächen der Decketiketten abgesenkt
sind, die außerhalb der dicht verschlossenen Teile der Öffnungsteile der jeweiligen
Zellgehäuse sitzen, die Außenflächen der die Isolierringe verdeckenden
Deckelemente miteinander in Kontakt und die Anschlußflächen der Negativelektroden-
Anschlußplatten kommen nicht miteinander in Kontakt. Demzufolge leitet die
umgekehrt angeschlossene Trockenzelle weder den elektrischen Strom zur anderen
Trockenzelle weiter noch wird sie durch diese andere Trockenzelle geladen, und die
Trockenzellen unterliegen weder einem Auslösen des Berstschutzmechanismus oder
einem Auslaufen oder Verspritzen des Elektrolyten aus den Trockenzellen, und es
wird verhindert, daß das in Gebrauch befindliche Gerät verschmutzt oder zerstört
wird.
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Da die Außenfläche des isolierenden Deckelements, das die Außenfläche des dicht
verschlossenen Teils des Öffnungsteils des Zellgehäuses verdeckt, welches
gleichzeitig als positiver Elektrodenanschluß dient, über die Anschlußfläche der negativen
Elektrode hervorsteht, hat die überstehende Fläche des Deckelements während des
Eifliegens oder Entnehmens der Zelle aus dem im Gebrauch befindlichen Gerät die
Tendenz, sich abzuschälen, zu zerreißen oder verkratzt zu werden. Sogar wenn
sich das isolierende Deckelement in der Nähe des Öffnungsteils des Zellgehäuses
abschält oder verkratzt wird, kann die Isolierfähigkeit der Trockenzelle durch das
Anordnen des Isolierrings zwischen der Außenfläche des dicht verschlossenen Teils
des Öffnungsteils des Zellgehäuses und dem isolierenden Deckelement
gewährleistet werden.
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Falls die Trockenzelle, in welcher der Isolierring 12 mit Hilfe eines Klebstoffs 13
an der Außenfläche des dicht verschlossenen Teils des Öffnungsteils des
Zellgehäuses 1 befestigt ist, wie dargestellt in Fig. 3, und die anderen Bauteile identisch zu
denen der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind,
wird die Isolierfähigkeit dieser Trockenzelle zuverlässiger gewährleistet, ohne daß
eine defektbedingte Trennung des Isolierrings auftritt, sogar wenn sich das
isolierende Deckelement in der Nähe des Öffnungsteils des Zellgehäuses abschält oder
verkratzt wird.
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Bei dem Klebstoff 13 kann es sich um Expoxidharz oder warmschmelzenden
Klebstoff handeln, solange er in der Lage ist, den Isolierring und die Außenfläche des
dicht verschlossenen Teils des Öffnungsteils des Zellengehäuses durch
Kontaktklebung zu verbinden.
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Wie oben beschrieben kann diese Erfindung eine exzellente zylindrische Alkalizelle
realisieren, die mit einem wärmeschrumpfbaren isolierenden Deckelement
verkleidet ist, dessen Zuverlässigkeit geringer als die eines bei einer äquivalenten Zelle
verwendeten metallischen Deckelements ist, und die Zelle verfügt daher über eine
verbesserte Zuverlässigkeit des Außenüberzugs. Wenn eine Mehrzahl von solchen
Zellen in Reihe angeordnet verwendet werden und der Fall eintritt, daß ein Teil der
Zellen irrtümlicherweise mit einer zu der der übrigen Zellen umgekehrten
Polaritätsrichtung angeschlossen sind, wird ein eventuelles Auslösen des
Berstschutzmechanismus in den Zellen und ein demzufolge verursachtes Auslaufen des in den
Zellen befindlichen Elektrolyten aus den Zellen und ein Verspritzen von diesem
verhindert, da zwischen den umgekehrt angeschlossenen Zellen und den übrigen
Zellen kein Strom fließt und erstere Zellen nicht durch letztere Zellen geladen
werden.