DE69816266T2 - Prismatische aufladbare oder primäre Zelle mit steifem und zusammendrückendem Halter - Google Patents

Prismatische aufladbare oder primäre Zelle mit steifem und zusammendrückendem Halter Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen prismatischen Akkumulator oder eine prismatische Monozelle, wobei diese Energiequelle im Folgenden unabhängig davon, ob sie wiederaufladbar ist oder nicht, mit dem übergeordneten Begriff "Batterie" bezeichnet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Batterie, bei der die Energiequelle aus einer Wicklung aktiver Materialien vom Typ " jelly roll" gebildet ist.
  • In tragbaren Vorrichtungen wie etwa Mobiltelephonen werden Batterien prismatischer Form im Allgemeinen gegenüber jenen in Stabform bevorzugt, um die Gesamtgröße der Vorrichtung zu verringern. Diese tragbaren Vorrichtungen, die definitionsgemäß leicht sein müssen, enthalten im Allgemeinen Schaltungen und elektronische Bauelemente, die empfindlich und vom Standpunkt des Energieverbrauchs aus betrachtet oftmals anspruchsvoll sind. Es ist folglich erstrebenswert, dass die in derartigen Vorrichtungen verwendeten prismatischen Batterien eine hohe Energiedichte besitzen, während sie gleichzeitig leicht sind und so niedrige Herstellungskosten wie möglich haben, dass sie insbesondere im Fall von Akkumulatoren eine hinreichend lange Lebensdauer besitzen und dass sie im Einsatz alle vom Standpunkt der Sicherheit aus notwendigen Garantien sowohl gegenüber dem Benutzer als auch gegenüber den unmittelbar benachbarten elektronischen Schaltungen bieten.
  • Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine prismatische Batterie zu schaffen, die für eine bestimmte Stromdichte leichter ist, die geringere Herstellungskosten als die prismatischen Batterien des Standes der Technik besitzt und deren Gestaltung außerdem ermöglichen soll, die Betriebssicherheit zu erhöhen.
  • Die prismatischen Batterien des Standes der Technik, die in 1 schematisch dargestellt sind, sind aus einem metallischen Behälter 1 in Form eines Parallelepipeds gebildet, in dessen Innenraum eine spiralförmige, nicht kreisförmige Wicklung 2 vom so genannten "jelly roll"-Typ (in den 1A, 1B zu sehen) angeordnet ist, die nach ihrem Platzieren mit einem Elektrolyt getränkt wird. Diese Wicklung wird aus wenigstens einem zusammengesetzten Band erhalten, das eine Schicht aus einem aktiven Material, das die Anode 2a bildet, eine poröse Trennschicht 2b, eine Schicht aus einem aktiven Material, das die Katode 2c bildet, und eine zweite poröse Trennschicht 2b umfasst. Die Anode und die Katode umfassen jeweils Verbindungsmittel 5, 6, die im Allgemeinen nahe der Innenwand des Behälters 1 und im Zentrum der Wicklung 2 angeordnet sind. Diese "jelly roll"-Wicklung wird im Allgemeinen mittels zweier gekröpfter elastischer Plättchen 3a, 3b, die zwischen den großen Wandungen 11, 13 des Behälters 1 und der Wicklung 2 angeordnet sind, zusammengedrückt gehalten. Diese elastischen Plättchen ermöglichen außerdem, die kleinen Volumenschwankungen der Wicklung 2 während der Lade/Entlade-Zyklen auszugleichen. Die auf diese Weise gebildete Einheit ist hermetisch verschlossen mit einer Abdeckung 4, die Kontakte 7, 8 trägt, die über die Verbindungsmittel 5, 6 elektrisch mit den Elektroden 2a, 2c verbunden sind, wobei die elektrischen Verbindungen durch Löten hergestellt sind. Dieser Typ von prismatischer Batterie umfasst insbesondere im Fall eines Akkumulators außerdem im Allgemeinen eine Sicherheitsentlüftung, die schematisch unter 9 dargestellt ist. Diese Sicherheitsentlüftung 9 ist in Anbetracht der ablaufenden chemischen Reaktionen erforderlich, die eine Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur hervorrufen können. Auf Grund der mechanischen Drücke, die auf die Ummantelung der Batterie ausgeübt werden, ist zunächst entschieden worden, den Behälter aus einer Stahlfolie mit einer Stärke in der Größenordnung von 0,5 mm zu bilden (A). Um diese Batterie leichter und preiswerter zu machen, ist dann vorgeschlagen worden, den Stahl durch Aluminium oder eine Aluminiumlegierung zu ersetzen. Um den gleichen Verformungswiderstand zu erhalten, ist es dann notwendig, die Dicke der Behälterwand zu vergrößern, was den Nachteil hat, dass sich entweder die Größe der Batterie für eine vorgegebene Energiedichte erhöht, oder aber die Menge an aktivem Material und folglich die Energiedichte verringert, wenn die Größe der Batterie in genormten Abmessungen beibehalten werden soll.
  • Zwecks Verhinderung dieses Nachteils schlägt das Dokument US 5 556 722 vor, die Ecken 1a bis 1d des Behälters zu verstärken, d. h. lokal eine Überdicke zu schaffen, wie in 1B gezeigt ist. Obwohl das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Behälters nicht beschrieben ist, ist offensichtlich, dass in Anbetracht der Tatsache, dass als Ausgangsmaterial nicht mehr eine Metallfolie gleichmäßiger Dicke verwendet werden kann, eine derartige Gestaltung die Kosten des Endprodukts erhöht.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die weiter obenerwähn ten Nachteile zu beseitigen, in dem eine prismatische Batterie mit einer Wicklung vom Typ "jelly roll" geschaffen wird, die ein geringeres Gewicht und niedrigere Herstellkosten aufweist, während sie gleichzeitig über eine Energiedichte verfügt, die jener bekannter prismatischer Batterien mit den gleichen Außenabmessungen wenigstens gleich ist.
  • Dazu hat die Erfindung eine prismatische Batterie mit einem metallischen Behälter einer an allen Stellen im Wesentlichen gleichen Dicke zum Gegenstand, wobei im Inneren des Behälters eine spiralförmige, nicht kreisförmige Wicklung angeordnet ist, die aus einem zusammengesetzten Band gebildet ist, welches eine Anode, Isolierungen und eine Katode aufweist und mit einem Elektrolyt getränkt ist, wobei der Behälter an seinem oberen Abschnitt mit einer versiegelten Kappe dicht verschlossen ist, die zwei Kontakte trägt, die über Verbindungsmittel elektrisch mit der Anode und der Katode verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter durch eine rechteckige Basis und durch zwei kleine Wandungen senkrecht zu dieser gebildet ist, die mit der Basis fest verbunden sind, wobei zwei große Wandungen einerseits über schmale Streifen der Breite I1 mit den kleinen Wandungen und andererseits über schmale Streifen der Breite I2 mit der Basis fest verbunden sind, wobei die Streifen gegenüber den Außenflächen der großen Wandungen geneigt sind und zwischen sich von den vier Ecken der Basis ausgehende Verbindungslinien aufweisen.
  • Die Streifen, welche die großen Wandungen mit den kleinen Wandungen verbinden, bilden in Bezug auf die Ebene der großen Wandungen einen Winkel α1, und die Streifen, welche die großen Wandungen mit der Basis verbinden, bilden einen Winkel α2. Damit die Verbindungslinien der Streifen in der Ebene der Winkel ideal sind, ist es erforderlich, dass die Variablen α1, α2, I1 und I2 durch die Relation I1·sinα1 = I2·sinα2 miteinander verknüpft sind.
  • Es ist folglich möglich, indem der freie Raum, der von einer spiralförmigen Wicklung in den Ecken gelassen wird, gezielt genutzt wird, ohne deswegen ein besonderes Profil für den röhrenförmigen Teil des Behälters vorzusehen, den großen Wandungen eine Steifigkeit zu verleihen, die ausreichend ist, um den Innendrücken der prismatischen Batterie zu widerstehen. Auf diese Weise wird nämlich eine Umfangsrippe geschaffen, die die Durchbiegungsstrecke in Höhe der Begrenzungen verkürzt. Wenn Aluminium oder eine Aluminiumlegierung für die Herstellung des Behälters verwendet wird, könnte die Dicke der Wandungen im Wesentlichen jener des Behälters aus Stahl gleich sein, d. h. sie könnte für die Batterien üblichen Typs in der Größenordnung von 0, 5 mm sein, so dass folglich ein Vorteil hinsichtlich des Gewichts und der Kosten erzielt wird.
  • Wird weiterhin Stahl oder eine seiner Legierungen verwendet, dann wird es möglich sein, unter Beibehaltung der gleichen mechanischen Eigenschaften die Dicke der Wandungen des Behälters beispielsweise von 0,5 mm auf 0,35 mm zu verringern, während gleichzeitig noch ein Vorteil hinsichtlich des Gewichts und der Kosten besteht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ergibt sich die Kostensenkung auch aus der Tatsache, dass es nicht mehr erforderlich ist, einen elastischen Abstandhalter zwischen den großen Wandungen und der spiralförmigen Wicklung einzufügen, um eine gute Kohäsion der spiralförmigen Wicklung zu erzielen, wobei diese erforderlich ist, um die optimale Leistung der aktiven Materialien und folglich die bestmögliche Energiedichte zu erzielen.
  • Dieses Ergebnis wird durch ein Verfahren zum Herstellen des Behälters erzielt, das darin besteht, eine Metallfolie durch Prägen so zu verformen, dass ein nach außen gewölbter Behälter erhalten wird, der auf seiner Basis Verbindungsstreifen aufweist, die den Werten α1, α2, I1 und I2 entsprechen, dann die spiralförmige Wicklung einzusetzen und schließlich die großen Wandungen zu pressen, um ihnen eine nach außen gewölbte Form zu verleihen.
  • Es wird festzustellen sein, dass das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorteil bietet, dass vor dem Pressen der großen Wandungen ein Hohlraum vorhanden ist, dessen Volumen größer als das endgültige Volumen ist, wodurch es möglich ist, die bereits mit Elektrolyt getränkte jelly roll"-Wicklung trotz der Aufweitung, die dadurch hervorgerufen wird, einzusetzen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung deutlich, die sich auf die beigefügte Zeichnung bezieht, worin
  • die 1, 1A und 1B prismatische Batterien des Standes der Technik zeigen;
  • 2 in der teilweise ausgerissenen Perspektive eine prismatische Batterie gemäß der Erfindung zeigt;
  • 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III von 2 ist;
  • 4 eine Draufsicht des Behälters von 2 vor dem Pressen der großen Wandungen ist;
  • 5 eine Seitenansicht einer kleinen Wandung des Behälters von 2 vor dem Pressen der großen Wandungen ist; und
  • 6 im Schnitt die mögliche Verformung des in 3 gezeigten Behälters zeigt.
  • Da die 1, 1A und 1B bereits in der Einleitung als für den Stand der Technik repräsentativ beschrieben worden sind, werden nun die 2a bis 6 betrachtet, die eine prismatische Batterie gemäß der Erfindung zeigen, wobei diese Figuren außerdem ermöglichen, die wichtigsten Schritte des Herstellungsverfahrens zu verstehen.
  • Die in 2 gezeigte prismatische Batterie umfasst einen metallischen Behälter 1, der aus einem röhrenförmigen Element gebildet ist, dessen unterer Teil mit einem Boden rechteckiger Grundform 15 verschlossen ist. Das röhrenförmige Element weist zwei große ebene Wandungen 11, 13, zwei kleine ebene Wandungen 12, 14 sowie vertikale, schmale, rechteckige Streifen 21, 22, 23, 24 und horizontale schmale, rechteckige Streifen 25 und 25a (in 2 nicht sichtbar) auf, welche die Verbindungen der Wandungen miteinander sowie der Wandungen mit dem Boden sicherstellen. Alle der oben angeführten Elemente, die den Behälter bilden, haben im Wesentlichen die gleiche Dicke. Insbesondere gibt es keine Überdicke, die in den senkrechten Winkeln des Behälters geschaffen wird. Die Streifen 21 bis 24 mit der Breite I1 ermöglichen, die kleinen Wandungen 12, 14 mit den großen Wandungen 11, 13 zu verbinden, und sind mit einem Winkel α1 in Richtung des Innenraums des Behälters 1 geneigt. Die Streifen 25 und 25a mit der Breite I2, die ermöglichen, den Boden 15 mit den großen Wandungen 11, 13 zu verbinden, sind ebenfalls mit einem Winkel α2 in Richtung des Innenraums des Behälters geneigt. Beiderseits der großen Flächen der Batterie sind zwei vertikale Streifen 21 und 22 bzw. 23 und 24 entsprechend den Verbindungslinien 26 mit einem horizontalen Streifen 25 bzw. 25a verbunden, wobei die genannten Verbindungslinien ideal sind, wenn die Parameter α1, α2, I1 und I2, die die Orientierungen der Streifen und ihre Breiten festlegen, der Relation I1·sinα1 = I2·sinα2 genügen. Der Behälter enthält eine Wicklung 2 aus aktivem Material vom Typ "jelly roll", die mit einem Elektrolyt getränkt ist, wobei sein oberer Teil mit einer Kappe 4 verschlossen ist, die mit Kontakten 7, 8 und einer Sicherheitsentlüftung 9 versehen ist. Die Kontakte sind über Verbindungsmittel 5, 6 mit den Elektroden der Wicklung 2 elektrisch verbunden. Die Kappe 4 hat die gleiche Form wie der Innenraumquerschnitt des Behälters, d. h. eine rechteckige Grundform mit dreieckigen Nasen an den Ecken, und ist auf den Behälter geschweißt. Die auf diese Weise erhaltene prismatische Batterie zeichnet sich folglich durch das gewölbte Aussehen ihrer großen Außenflächen aus. Bei Bedarf, kann die auf diese Weise erhaltene prismatische Batterie mit einer wärmeschrumpfenden Kunststoffummantelung bedeckt werden, die das entsprechende Profil aufweist und für Angaben wie etwa die Kenndaten der Batterie oder den Namen des Herstellers dienen kann.
  • Der soeben beschriebene Behälter wird auf einfache und preiswerte Weise erhalten, wie nachfolgend mit Bezug auf die 4 bis 6 erläutert ist. Um den in 2 gezeigten Behälter zu erhalten wird von einer Metallfolie mit geeigneten Abmessungen ausgegangen. Diese Folie besteht beispielsweise aus einer Legierung von Aluminium mit Magnesium und Silicium, vom Typ Alpax® oder Duralumin®, und weist eine Stärke auf, die ausreichend ist, um ein Endprodukt mit einer gleichmäßigen Dicke in der Größenordnung von 0,45 mm zu erhalten. Die Folie wird entsprechend der Achse der Öffnung einem Prägen unterzogen, um einen nach außen gewölbten Behälter 10 zu erhalten, der in den 4 und 5 gezeigt ist, wobei diesem Arbeitsgang gegebenenfalls eine Wärmebehandlung folgt, um dem Behälter die angestrebten mechanischen Eigenschaften zu verleihen. Dieser Arbeitsgang ermöglicht, die Verbindungswinkel zwischen den großen Wandungen 11, 13 und den kleinen Wandungen 12, 14 so zu formen, dass schmale Streifen 21 bis 24 mit einer Breite I1 entstehen, die einen spitzen Winkel α1 mit der Ebene der großen Wandungen 11, 13 (4) bilden. Auf dieselbe Art und Weise ermöglicht dieser Arbeitsgang, die Verbindungswinkel der großen Wandungen 11, 13 mit dem Boden 15 so zu formen, dass schmale Streifen 25, 25a mit einer Breite I2 entstehen, die einen spitzen Winkel α2 mit der Ebene der großen Wandungen 11, 13 (5) bilden. Wie an früherer Stelle angegeben worden ist, müssen die Größen I1, I2, α1 und α2 durch die Relation I1·sinα1 = I2·sinα2 verknüpft sein, damit eine ideale Verbindungslinie 26 zwischen den Streifen 25, 25a und den Streifen 21 bis 24 (in 2 sichtbar) erhalten wird. In der Praxis werden für die Winkel α1 und α2 ähnliche Größen gewählt; folglich ergeben sich auch für die Breiten der Streifen I1, I2 ähnliche Werte.
  • Beispielsweise kann für eine prismatische Batterie mit Außenabmessungen von im Wesentlichen 48 × 34 × 10 mm und einer Dicke von 0,45 mm den Streifen 21 bis 24 die Breite I1 = 2,7 mm bei einem Winkel α1 = 15° und den Streifen 25, 25a die Breite I2 = 3,6 mm bei einem Winkel α2 = 11,2° gegeben werden. Die Winkelbereiche, die durch die Streifen als Hohlräume im Inneren des Behälters ausgebildet werden, können für die Konstruktion der Batterie vorteilhaft sein, wie an anderer Stelle erläutert wird. Nachdem der nach außen gewölbte Behälter 10 erhalten worden ist, wird eine Wicklung 2 vom Typ "jelly roll" in seinen Hohlraum eingesetzt, wobei keine Druck ausübenden Plättchen in den Raum, der zwischen den Innenseiten der großen Wandungen 11, 13 und der Wicklung 2 frei gelassen worden ist, eingesetzt werden, wie in 4 zu sehen ist. Wie an einer früheren Stelle angegeben worden ist, kann diese Wicklung vorteilhaft bereits mit Elektrolyt getränkt eingesetzt werden. Anschließend wird das Pressen der zwei großen Wandungen 11, 13 mittels einer Matrize in Form eines Pyramidenstumpfes, deren oberes Ende eine rechteckige Oberfläche aufweist, die jener einer großen Wandung gleich ist, und deren Winkel den Größen α1 und α2 entsprechen, vorgenommen. Es wird dann die in 3 gezeigte Gestalt erhalten, bei der die Wicklung 2 nun von den großen Wandungen zusammengedrückt wird, wobei der Druck von der Größe abhängig ist, die dem Winkel α1 gegeben worden ist. Die Herstellung der Batterie wird gemäß den bekannten Technologien damit abgeschlossen, dass, wenn erforderlich, die Elektrolytmenge eingestellt wird, dass im Fall eines Akkumulators Zyklen ausgeführt werden und dass dann mit Hilfe der Verbindungsmittel 5, 6 die elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Katode und den beiden Kontakten 7, 8 hergestellt wird, woraufhin die Kappe 4 hermetisch verschlossen wird.
  • Mit Bezug auf 6 wird außerdem festzustellen sein, dass die großen Wandungen 11, 13 wie zuvor die elastischen Plättchen der Batterien des Standes der Technik ermöglichen, Volumenschwankungen der spiralförmigen Wicklung während der Lade/Entlade-Zyklen auszugleichen.
  • Wenn ein von Aluminium verschiedenes Metall gewählt wird, das höherwertigere mechanische Eigenschaften aufweist, wie etwa nicht rostender Stahl, Kupfer oder Messing, ist es möglich, die Dickenabmessung des Behälters auf beispielsweise 0,35 mm zu verringern, wodurch noch ein Vorteil hinsichtlich des Gewichts und der Kosten erhalten wird.
  • Die weiter obenbeschriebenen Ausführungsformen können vom Fachmann sowohl hinsichtlich der Wahl der Materialien als auch hinsichtlich der Abmessungen des Behälters der Batterie an den besonderen Verwendungszweck einer Batterie angepasst werden, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzugehen.

Claims (7)

  1. Prismatische Batterie mit einem metallischen Behälter einer an allen Stellen im wesentlichen gleichen Dicke, in dessen Innerem eine spiralförmige, nicht kreisförmige Wicklung (2) angeordnet ist, die aus einem zusammengesetzten Band gebildet ist, welches eine Anode (2a), Isolierungen (2b, 2d) und eine Kathode (2c) aufweist und mit einem Elektrolyt getränkt ist, wobei der Behälter (1) an seinem oberen Abschnitt mit einer versiegelten Kappe (4) dicht verschlossen ist, die zwei Kontakte (7, 8) trägt, die über Verbindungsmittel (5, 6) elektrisch mit der Anode (2a) und der Kathode (2c) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) durch eine rechteckige Basis (15) und durch zwei kleine Wandungen (12, 14) senkrecht zu dieser gebildet ist, die mit der Basis (15) fest verbunden sind, wobei zwei große Wandungen (11, 13) einerseits über schmale Streifen (21 bis 24) der Breite I2 mit den kleinen Wandungen (12, 14) und andererseits über schmale Streifen (25, 25a) der Breite I2 mit der Basis (15) fest verbunden sind, wobei die Streifen (21 bis 24, 25 bis 25a) gegenüber den Außenflächen der großen Wandungen (11, 13) geneigt sind und zwischen sich von den vier Ecken der Basis (15) ausgehende Verbindungslinien (26) aufweisen.
  2. Prismatische Batterie nach Anspruch 1, bei der die Streifen (21 bis 24) mit den großen Wandungen (11, 13) verbunden sind und die kleinen Wandungen (12, 14) mit der Ebene der großen Wandungen einen Winkel α1 bilden und die Streifen (25, 25a) mit den großen Wandungen (11, 13) an der Basis (15) mit einem Winkel α2 verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte α1, α2, I1 und I2 durch die Beziehung I1·sinα1 = I2·sinα2 miteinander verbunden sind, um die Verbindungslinien (26) zu vervollständigen.
  3. Prismatische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Behälter (1) bildende Metall aus Aluminium und einer Aluminiumlegierung gewählt ist.
  4. Prismatische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Behälter bildende Material aus rostfreiem Stahl, Kupfer und Messing gewählt ist.
  5. Prismatische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die großen Wandungen (11, 13) mit der Wicklung (2) in Berührung sind, um den Druck sicherzustellen.
  6. Prismatische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die großen Wandungen (11, 13) und die Streifen (21 bis 24, 25 bis 25a) gebildeten vertieften Abschnitte mit einem Kunststoffmaterial versehen sind.
  7. Verfahren zum Herstellen einer prismatischen Battiere nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter ausgehend von einer Metallplatte erhalten wird durch aufeinanderfolgendes: – Formen um eine Öffnungsachse, um einen konvexen Behälter (10) zu erhalten, bei dem die Abmessungen und Ausrichtungen der Verbindungsstreifen (21 bis 24, 25, 25a) den Werten α1, α2, I1 und I2 entsprechen, – Pressen der großen Wandungen (11, 13), wobei zuvor im Inneren des konvexen Behälters (10) eine spiralförmige, nicht kreisförmige Wicklung (12) angeordnet wird.
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