-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, etwa eine Primärbatterie
oder eine Sekundärbatterie,
und betrifft insbesondere Verbesserungen an einer metallischen Außenhülse für eine Batterie
mit zylindrischer oder prismatischer Form.
-
In
den letzten Jahren hat mit der zunehmenden Verbreitung von tragbaren
Geräten
der Bedarf nach kleinformatigen Primär- und Sekundärbatterien zugenommen.
In Abhängigkeit
der jeweiligen Verwendung werden als Primärbatterien vornehmlich Mangan-,
Alkali-Mangan-Trockenbatterien oder Lithium-Batterien benutzt. Von
Nickel-Kadmium-Akkumulatoren mit Alkali-Akkumulatoren, in denen eine wässrige Alkali-Lösung als
Elektrolyt benutzt wird, und wiederaufladbaren Nickelwasserstoffbatterien,
in denen eine Legierung mit der Fähigkeit der Wasserstoffabsorption
als negative Elektrode benutzt wird, ist bisher ebenso beträchtlicher
Gebrauch als Sekundärbatterie
gemacht worden. In jüngster
Zeit sind jedoch Lithium-Ionen-Sekundärbatterien
mit einem organischen Elektrolyt plötzlich auf dem Markt erschienen,
die den besonderen Vorteil eines geringen Gewichtes haben.
-
In
Ergänzung
zu den zylindrischen und münzenförmigen Ausführungen,
die die typische Form darstellen, die konventionell für Batterien,
vornehmlich für
kleinformatige Sekundärbatterien
für tragbare Ausrüstung, verwendet
werden, hat in den letzten Jahren die Verwendung prismenförmiger Batterien begonnen
zuzunehmen. Zusätzlich
beginnen papierdünne
Batterien zur Zeit aufzutreten.
-
Mit
Bezug auf die von diesen Batterien geforderte Leistung stellt die
gesteigerte Energiedichte der Batterien einen wichtigen aktuellen
Trend dar. Generell gibt es zwei Möglichkeiten zur Angabe der
Energiedichte einer Batterie. Eine ist die Angabe der Energiedichte
pro Volumen (Wh/l), die als Anzeichen für eine Miniaturisierung der
Batterie benutzt wird. Die andere ist die Angabe der Energiedichte
pro Gewicht (Wh/kg), die als Anzeichen für eine Gewichtsreduktion der
Batterie benutzt wird.
-
Solche
Batterien einer hohen Energiedichte pro Volumen (Wh/l) oder pro
Gewicht (Wh/kg) als Anzeichen von Miniaturisierung und Gewichtsreduktion werden
von der Marktnachfrage hoch eingeschätzt, und somit ergibt sich
ein heftiger Wettbewerb in Bezug auf die Energiedichte bei allen
Batterietypen.
-
Der
Grad der Energiedichte der Batterie wird hauptsächlich durch die aktiven Materialien
der positiven und negative Elektrode, die die Elemente für die elektromotorische
Kraft darstellen, bestimmt. Darüber
hinaus sind außerdem
das Elektrolyt und der Separator wichtig. Zur Zeit werden Verbesserungen
an diesen Elementen mit dem Ziel einer erhöhten Batterieenergiedichte
in besonders starker Form vorangetrieben.
-
Eine
weitere Einflussgröße, die
normalerweise übersehen
wird, stellt das Batteriegehäuse
dar, d.h. die metallische Außenhülse der
Batterie, die diese Elemente für
die elektromotorische Kraft aufnimmt. In den letzten Jahren hat
hier jedoch eine Neubewertung stattgefunden, und Verbesserungen in
diesem wichtigen Bereich werden aktiv gesucht.
-
Wenn
die Außenhülse der
Batterie dünner hergestellt
werden kann, ist es möglich,
mehr aktives Material für
die Batterie in einem solchen Element, welches dünner, aber von derselben Form
wie seine konventionellen Gegenstücke ist, unterzubringen, wodurch
die Energiedichte pro Volumen der Batterie als ein Ganzes gesteigert
werden kann. Weiterhin kann, sofern die Außenhülse der Batterie aus einem leichtgewichtigen
Material geringerer Dichte hergestellt werden kann, eine Gewichtsreduktion
bei Beibehaltung der konventionellen Formen erreicht werden, wodurch
das Gewicht der Batterie als Ganzes verringert wird und es möglich ist,
die Energiedichte pro Gewicht der Batterie insgesamt zu erhöhen.
-
Die
hauptsächliche
konventionelle Methode zur Herstellung von Batteriehülsen (metallischen
Außenhülsen) bestand
darin, die Batteriehülse
in der vorgeschriebenen Form durch die Wiederholung einer Mehrzahl
von Tiefziehschritten mit Hilfe einer Presse (im folgenden wird
dies „Transfer-Tiefziehen" genannt) herzustellen.
Die DI-Methode hat als eine Technik von besonderer Bedeutung für Batterieaußenhülsen Aufmerksamkeit
auf sich gezogen und sollte insbesondere in Verbindung mit Batterieaußenhülsen genannt
werden, wobei eine weitere Reduktion der Dicke der Batteriehülse erreicht
und die Energiedichte pro Volumen gesteigert werden kann. Zudem
erscheint sie als Technik, bei der eine weitere Verbesserung der
Produktivität
möglich
ist. Konventionell wird hauptsächlich
Tiefziehen für
die Herstellung von Batterien benutzt, durch die Verwendung der
DI-Methode („drawing
and ironing": Tiefziehen und
Abstreckziehen) können
aber Vorteile erzielt werden, bei der sowohl Tiefziehen als auch
Abstreckziehen angewandt wird (siehe japanische Patentoffenlegung
Nr. H.7-99686).
-
Die
DI-Methode ist eine Methode bei der, wie aus der japanischen Patentoffenlegung
H.7-99686 bekannt, ein tassenförmiges
Zwischenprodukt durch einen Tiefziehschritt mittels einer Presse
und eine Batteriehülse
mit zylindrischer Form und vorgeschriebener Bodenform kontinuierlich
in einem einzelnen Schritt aus dem tassenförmigen Zwischenprodukt durch
Abstreckziehen mittels einer Abstreckziehmaschine hergestellt wird.
Im Vergleich zum „Transfer-Tiefziehen" ergeben sich die
Vorteile einer erhöhten
Produktivität
aufgrund der verringerten Anzahl von Zwischenschritten, einer Gewichtsreduktion und
Erhöhung
der Kapazität
aufgrund der verringerten Dicke der umgebenden Hülsenseitenwand und der Verringerung
der Belastungskorrosion. Der Einsatz dieser Methode nimmt daher
zu. Bei dieser Herstellungsmethode werden konventionell nickelbeschichtete
Stahlbleche einer vergleichsweise hohen Härte für die Rohlinge der Batteriehülse verwendet, um
eine ausreichende Druckbeständigkeit
der Batteriehülse
und ausreichende Stärke
der Dichtungsöffnung
sicherzustellen. Die DI-Methode ermöglicht die Reduktion der Dicke
der Batterieaußenhülse und macht
es damit möglich,
eine Verbesserung der Energiedichte pro Volumen der Batterie von
etwa 2 bis 5% zu erreichen.
-
Obwohl
sich einige Abweichungen in Abhängigkeit
der Batteriegröße, der
verwendeten Materialien und der Herstellungsmethode für die Batterieaußenhülse usw.
ergeben, liegt das Verhältnis
des Gewichts der metallischen Außenhülse zum Gewicht der Gesamtbatterie
bei tatsächlich
verwendeten Batterien etwa bei 10 bis 20 Gewichtsprozent im Falle
einer zylindrischen wiederaufladbaren Nickel-Wasserstoff-Batterie
oder Lithium-Ionen-Sekundärbatterie und
bei etwa 30 bis 40 Gewichtsprozent im Falle einer prismatischen
wiederaufladbaren Nickel-Wasserstoff-Batterie oder Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, wobei
sich hier ein etwa verdoppelter Wert gegenüber dem für den zylindrischen Typ ergibt.
Der hohe Wert für
die prismatische Form resultiert insbesondere aus der Schwierigkeit,
eine ausreichende Druckbeständigkeit
der Batteriehülse
sicherzustellen.
-
Obwohl
durch eine solche Bewegung in Richtung auf Miniaturisierung und
Gewichtsreduktion der Batteriegehäuse, also der metallischen
Außenhülse der
Batterie, die Energiedichte der Batterie wie oben beschrieben erfolgreich
erhöht
werden kann, sind für
den tatsächlichen
Batterieeinsatz mit Ladung, Entladung, Lagerung usw. neben der Energiedichte
auch Zuverlässigkeit
von Qualität
und Sicherheit wichtig und können
nicht ignoriert werden. Im Falle von Primärbatterien, die nur zur Entladung
benutzt werden, sind garantierte Kapazität und die Verhütung von
Flüssigkeitslecks
auch nach langer Lagerzeit unverzichtbar, ebenso wie die Zuverlässigkeit
der Qualität
wie etwa eine stabile Entladungscharakteristik. Im Fall von Sekundärbatterien,
die wiederholten Ladungen und Entladungen unterzogen werden, sind
zusätzlich
zu den Charakteristika, die für Primärbatterien
gefordert werden, Eigenschaften wie Lebensdauer und Sicherheit von
sogar noch größerer Bedeutung.
-
Mit
konventionellen Mitteln war es im Bezug auf metallische Batterieaußenhülsen extrem
schwierig, den Anforderungen sowohl nach einer höheren Energiedichte und Produktqualität und -sicherheit
gerecht zu werden. Wenn insbesondere versucht wurde, die Energiedichte
mittels irgend einer Methode zu erhöhen, die die metallische Außenhülse der
Batterie betraf, stellte sich heraus, dass sich unter außergewöhnlichen
Bedingungen Verformungen der Batterie oder Risse ergaben, die zu
häufigem
Auftreten von Problemen wie dem Austreten von Elektrolytmaterial führten. Wenn
auf der anderen Seite die metallische Außenhülse verstärkt wurde, wurden Verbesserungen
der Energiedichte oft geopfert. Eine effektive Methode zur Verbesserung
der gegenläufigen
Beziehungen dieser Eigenschaften konnte nicht gefunden werden.
-
Beim
oben vorgestellten Herstellungsvorgang für Batteriehülsen zeichnet sich das DI-Verfahren
mit Tiefziehen und Abstreckziehen dadurch besonders aus, dass in
sinnvoller Weise sowohl die Ansprüche zur Steigerung der Energiedichte
der Batterien durch geringe Dicke und geringes Gewicht als auch
zu sowohl Qualitätsbeständigkeit
als auch Sicherheit der Batterien befriedigt werden. In dieser Hinsicht
wird jedoch nach weiteren Verbesserungen wie einer weiteren Steigerung
von Leistung, Qualitätsbeständigkeit
und Stabilität
gesucht.
-
Es
besteht ein starker Bedarf am Markt nach einer gesteigerten Verbrauchertreundlichkeit
derartiger Primär-
und Sekundärbatterien,
d.h. nach Batterieminiaturisierung und Gewichtsreduktion. Andererseits
sind Qualitätsbeständigkeit
und Sicherheit derartiger Batterien unverzichtbar. Herkömmlich wurde weder
Qualitätsbeständigkeit
und Sicherheit noch Steigerung der Energiedichte der Batterie, die
die Miniaturisierung und Gewichtsreduktion der Batterien ermöglicht,
ausreichend Genüge
getan.
-
Wenn
ferner im Herstellungsprozess der metallischen Außenhülse extreme
Miniaturisierung und Gewichtsreduktion versucht wurden, traten Defekte wie
etwa Korrosion oder Risse in der metallischen Außenhülse auf, die damit nicht voll
zufrieden stellen konnte, auch wenn eine Methode auf der Basis des DI-Verfahrens
zur Herstellung von zylindrischen Batterien durch Tiefziehen und
Abstreckziehen eingesetzt wurde. Darüber hinaus ergaben sich im
Fall von prismatischen Batterien, die auf herkömmliche Weise durch Hülsentiefziehen
hergestellt werden, Probleme in Bezug auf die Miniaturisierung und
Gewichtsreduktion der metallischen Außenhülse der Batterie.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen
Probleme zu mindern und eine Batterie mit gesteigerter Energiedichte,
befriedigender Qualitätsbeständigkeit
und Sicherheit vorzustellen, mit dem Ziel der Miniaturisierung und Gewichtsreduktion
der metallischen Außenhülse von prismatischer
oder ähnlicher
Form zur Benutzung in einer Primär-
oder Sekundärbatterie.
- JP-U-02150660 offenbart eine Batteriehülse.
- JP-A-08055613 offenbart die Herstellung einer Batteriehülse.
- JP 08255598 offenbart
die Herstellung einer Batteriehülse.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batterie bereitgestellt
mit einer Dichtungsöffnung
und mit einer Außenhülse, in der
Elemente für
eine elektromotorische Kraft angeordnet sind, wobei die metallische
Außenhülse hauptsächlich aus
Eisen besteht und eine Bodenwand mit einer Bodenfläche und
eine zylindrische Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwand einen ersten
Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der zweite
Abschnitt in der Nähe
der Dichtungsöffnung
angeordnet ist, wobei das Verhältnis
von Dicke der Bodenwand zu Dicke des ersten Abschnitts einen Wert
von 2,5–5,0
aufweist, wobei die Batterie ferner eine an wenigstens einer Innenfläche der
metallischen Außenhülse vorgesehene
Nickelschicht und eine Mehrzahl von auf der Oberfläche der
Nickelschicht gebildeten und senkrecht zu der Bodenfläche angeordneten
flachen Kerben aufweist, wobei die Batterie dadurch gekennzeichnet
ist, dass der zweite Abschnitt eine Dicke aufweist, die wenigstens
10% größer ist
als die Dicke des ersten Abschnitts.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Batterie bereitgestellt mit den Schritten: Ziehen eines
eisenbasierten metallischen Blechs mit einer Nickelschicht auf wenigstens
einer Fläche,
um eine Tasse mit einem Boden zu formen, und kontinuierliches Bearbeiten
der Tasse in einem einzigen Schritt, so dass eine Seite der Tasse,
die dadurch gebildet wird, ein Abziehstreckverhältnis im Bereich 20–90% aufweist
und eine dadurch hergestellte metallische Außenhülse eine Bodenwand und eine
zylindrische Seitenwand mit ersten und zweiten Abschnitten aufweist,
wobei der zweite Abschnitt so angeordnet ist, dass er in der Nähe einer
Dichtungsöffnung
der Batterie liegt, wobei das Verhältnis von Dicke der Bodenwand
zu Dicke des ersten Abschnitts 2,5–5,0 beträgt, und dass die Nickelschicht
auf wenigstens einer Innenfläche
der metallischen Außenhülse angeordnet ist
und darin eine Mehrzahl von schmalen länglichen Kerben gebildet wird,
wobei die metallische Außenhülse zur
Bildung der Batterie verwendet wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet
ist durch Ziehen der metallischen Außenhülse, so dass der zweite Abschnitt
eine Dicke aufweist, die wenigstens 10% größer ist als die Dicke des ersten
Abschnitts.
-
1 stellt
einen Querschnitt durch eine metallische Außenhülse mit zylindrischer Form
und einem Boden dar, die als Vergleichsbeispiel zur vorliegenden
Erfindung benutzt wird;
-
2 stellt
ein Diagramm des DI-Herstellungsprozesses einer metallischen Außenhülse ausgehend
vom beim Vergleichsbeispiel benutzten Rohmaterial dar;
-
3 zeigt
mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bilder der metallischen
Struktur der Oberfläche
der Seitenwand einer metallischen Außenhülse entsprechend des Vergleichsbeispiels, die
zum Inneren der Batterie gerichtet ist, in einer 300-fachen und
3000-fachen Vergrößerung;
-
4 zeigt
mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bilder der metallischen
Struktur einer Querschnittsfläche
durch die Seitenwand einer metallischen Außenhülse entsprechend des Vergleichsbeispiels
in 200- und 10.000-facher Vergrößerung;
-
5 zeigt
den Vergleich der Schnellentladungscharakteristika (1 CmA, 3 CmA)
bei 20°C
einer Zelle entsprechend des Vergleichsbeispiels und einer Zelle
c nach dem Stand der Technik; und
-
6 zeigt
einen Querschnitt durch eine metallische Außenhülse prismatischer Form mit
einem Boden, die in einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet
wird, und die Vergrößerung eines
Details eines Eckbereichs.
-
Eine
Batterie gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht aus einer Batterie, wobei die Elemente für eine elektromotorische
Kraft in einer metallischen Außenhülse angeordnet
sind, wobei die metallische Außenhülse eine
me tallische Hülse
mit einem Boden mit einer zylindrischen, prismatischen oder ähnlichen Form
und einem Verhältnis
von Dicke des Bodens zu Dicke der Seite von 1,5–7,0 sein kann, wobei diese metallische
Außenhülse hauptsächlich aus
Eisen bestehen kann, wobei eine Nickelschicht auf wenigstens der
inneren Oberfläche
der Batterie vorgesehen ist, und wobei eine Vielzahl von flachen
Kerben senkrecht zu der Bodenfläche
auf der Oberfläche
dieser Nickelschicht gebildet ist.
-
In
diesem Fall ist es besonders wünschenswert,
dass der Wert des Verhältnisses
von Bodendicke zu Seitendicke der metallischen Außenhülse 2,5 bis
5,0 betragen sollte. Es ist weiterhin vorzuziehen, dass die Tiefe
der Mehrzahl der flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche, die
in einer Nickelschicht gebildet wurden, die nicht dicker als 20 μm ist, mindestens
0,5 μm,
aber weniger als die Dicke der Nickelschicht beträgt, und
dass das metallische Material, dessen Hauptbestandteil Eisen ist,
Kohlenstoffstahl zum Kaltwalzen mit 0,1 Gewichtsprozent oder weniger
Kohlenstoff (C) sein sollte, bevorzugt Stahl mit bis zu 0,1 Gewichtsprozent
an zumindest einem der Metalle Titan (Ti) oder Niob (Nb).
-
Batterien,
die mit einer wie oben beschriebenen metallischen Außenhülse hergestellt
wurden, haben die folgenden charakteristischen Vorteile gegenüber konventionellen
Batterien.
-
Aufgrund
der Tatsache, dass eine Nickelschicht auf der zum Batterieinneren
weisenden Seite des metallischen Materials, welches hauptsächlich aus
Eisen besteht, das vergleichsweise günstig ist und eine hervorragende
Stärke
aufweist, aufgebracht ist und dass eine Mehrzahl von flachen Kerben
senkrecht zu der Bodenfläche
auf der Oberfläche
der Nickelschicht gebildet ist, lassen sich charakteristische Vorteile
insbesondere dahingehend erreichen, dass (1) sich der Nutzen ergibt,
dass dank der Bildung einer Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht
zu der Bodenfläche,
der Kontaktwiderstand zu den Elementen für eine elektromotorische Kraft,
die in der Batterie angeordnet sind, deutlich reduziert werden kann und
(2) dank der Bildung einer Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht
zu der Bodenfläche
in der Nickelschicht eine Konstruktion erreicht werden kann, bei der
die Schicht, deren Hauptbestandteil Eisen ist, nicht in direktem
Kontakt mit den Elementen für
die elektromotorische Kraft steht, so dass sich, gleich welches
Batteriesystem verwendet wird, eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Korrosion erreichen lässt.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich zusätzlich dank der Ergebnisse
aufgrund von Nutzen (1) und (2) ein weiterer Vorteil dadurch ergibt, dass
ein hohes Abstreckziehverhältnis
im DI-Verfahren erreicht werden kann, welches konventionell nicht
möglich
war. Auf diese Weise kann in einer Batterie zylindrischer, prismatischer
oder ähnlicher
Form eine metallische Außenhülse mit
einem Wert des Verhältnisses
von Bodendicke zu Seitendicke im Bereich von 1,5 bis 7,0 vorgesehen
werden. Obwohl einige konventionelle zylindrische Batterien zu finden waren,
deren Verhältnis
von Bodendicke zu Seitendicke hierzu ähnlich war, ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil,
dass die Qualitätsbeständigkeit
und Sicherheit der Batteriehülse
deutlich gesteigert werden kann, wobei ein Wert für das Verhältnis von
Bodendicke zu Seitendicke erreicht werden kann, der dem konventionellen
Wert gleicht oder ihm überlegen
ist.
-
Obwohl
es weiterhin konventionell im Fall von Batterien prismatischer oder ähnlicher
Form nicht möglich
war, Batterien zu erhalten, bei denen ein hohes Abstreckziehverhältnis durch
das DI-Verfahren erreicht werden konnte, ist es erfindungsgemäß nun möglich, eine
metallische Außenhülse mit einem
Wert für
das Verhältnis
von Bodendicke zu Seitendicke im Bereich von 1,5 bis 7,0 sogar im
Fall von Batterien prismatischer oder ähnlicher Form herzustellen.
-
Insbesondere
bei der Anwendung einer metallischen Außenhülse ist der Wert der Vickers-Härte (HV)
der Seitenwände
der metallischen Außenhülse nach
dem Formen der metallischen Außenhülse um den
Faktor 1,5 oder mehr größer als
der HV-Wert des metallischen Materials, das hauptsächlich aus
Eisen besteht und das Rohmaterial vor der Benutzung bildet, wobei
der Härteverfahrenswert
der metallischen Außenhülse spezifisch
definiert wird.
-
Auch
mit Bezug auf die Dicke der Seitenwand des metallischen Hülse ist
die Dicke der Seitenwand in der Nähe der Dichtungsöffnung der
Batterie um wenigstens 10% größer als
die Dicke anderer Teile der Seitenwand. Der Grund hierfür liegt
darin, dass sich die hauptsächliche
Schwäche
in Bezug auf Druckbeständigkeit
in der Nähe
der Batteriedichtungsöffnung
befindet, wenn der Druck innerhalb der Batterie ansteigt. Es ist
daher möglich,
die Stärke
der Dichtung aufrechtzuerhalten, indem man die Seitendicke in der
Nähe der
Batteriedichtungsöffnung,
die eine schlechtere Druckbeständigkeit
aufweist, um mindestens 10% dicker als die Seitendicke der anderen
Bereiche ausführt.
Der Nutzen der Erfindung kann dadurch noch erweitert zur Geltung
gebracht werden, dass die Seitendicke in der Nähe der Batterieverschlussöffnung um
mindestens 30% stärker
als die Seitendicke der anderen Teile ausgeführt wird, wenn die metallische
Außenhülse insbesondere
von zylindrischer Form ist und einen Außendurchmesser von weniger
als 35 mm aufweist.
-
Ferner
kann durch die Benutzung der vorliegenden Erfindung eine weitere
Verbesserung der Energiedichte der Batterie erreicht werden, indem
die Dicke der Seitenwand der metallischen Außenhülse in einen Bereich von 0,05
bis 0,15 mm verringert wird, was konventionell unerreichbar war.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Batterie bereitgestellt,
wobei die Elemente für
eine elektromotorische Kraft in einer metallischen Außenhülse angeordnet
sind, wobei diese metallische Außenhülse eine metallische Hülse mit
einem Boden mit einer prismatischen oder ähnlichen Form sein kann, mit
einem Wert des Verhältnisses
von Dicke des Bodens zu Dicke der Seite von 1,5–7,0, wobei diese metallische
Außenhülse hauptsächlich aus
Eisen bestehen kann und eine Nickelschicht auf wenigstens der Batterieinnenseite
aufweisen kann, wobei die Oberfäche
dieser Nickelschicht mit einer Vielzahl von flachen Kerben senkrecht
zu der Bodenfläche
gebildet ist, wobei wenigstens ein Eckbereich auf einer Batterieinnenfläche in einer längslaufenden
Querschnittsebene und einer querlaufenden Querschnittsebene dieser
metallischen Außenhülse eine
gekrümmte
Form mit einem Radius von weniger als 0,5 mm aufweist. Dadurch kann
die Druckbeständigkeit
der Batterie beibehalten werden, sogar wenn das Verhältnis von
Bodendicke zu Seitendicke der Batteriehülse erhöht wird, d.h. auch wenn die
Seitendicke verringert wird.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Batterie bereitgestellt, wobei ein eisenbasiertes metallisches
Blech mit einer Nickelschicht auf wenigstens einer Fläche einem
Ziehen in eine röhrenförmige Form
mit einem Boden unterworfen wird, kontinuierliches Tiefziehformen
durchgeführt
wird, so dass die Seite der Hülse,
die in dieser röhrenförmigen Form
mit einem Boden gebildet wird, ein Abstreckziehverhältnis im
Bereich 20–90%
aufweist und eine metallische Außenhülse, die dadurch hergestellt wird,
ein Verhältnis
von Dicke des Bodens zu Dicke der Seite von 1,5–7,0 aufweist, mit einer zylindrischen
Form, prismatischen Form oder einer dazu ähnlichen Form, und mit einer
Vielzahl von schmalen länglichen
Kerben, die auf der Batterieinnenfläche vorgesehenen Nickelschicht
gebildet sind, wobei dies dazu benutzt wird, eine Batterie zu bilden.
Sogar noch weiter bevorzugt wird Tiefziehformen kontinuierlich in
einem einzigen Schritt durchgeführt,
sodass das Abstreckziehverhältnis
im Bereich 50–90%
liegt. Dank dieses hohen Abstreckziehverhältnisses wird mit der Erfindung
der Nutzen erreicht, dass eine metallische Außenhülse mit einem Verhältnis von
Bodendicke zu Seitendicke von 1,5 bis 7,0 hergestellt werden kann.
Im folgenden werden ein Vergleichsbeispiel und besondere Beispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
-
(Ausführungsform 1)
-
Zunächst wird
eine zylindrische wiederaufladbare Nickel-Wasserstoff-Batterie als eine
Batterie entsprechend eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden, als ein Beispiel für eine Batterie, bei der das
Material der metallischen Außenhülse im wesentlichen
Eisen ist und bei der eine Nickelschicht zumindest an der Batterieinnenseite
vorgesehen ist.
-
Zunächst wird
eine metallische Außenhülse beschrieben,
die in dieser Batterie verwendet wird. Wie in 2 gezeigt,
wird als Rohmaterial ein Nickel-beschichtetes
Stahlblech 2 verwendet, das dadurch erhalten wird, dass
Nickel auf beide Seiten eines aluminiumberuhigten Stahlbleches SPCE
(Kohlenstoffanteil 0,04 Gewichtsprozent) mit einer Schichtdicke
von etwa 3,5 μm
aufgebracht wird, und dies einer Wärmebehandlung unterzogen wird,
um ein Blech von einer Dicke von 0,4 mm zu erhalten. Dieses nickel-beschichtete Stahlblech
wurde als erstes zu einer runden Form gestanzt und dann einem Tiefziehen
unter Benutzung einer Presse unterzogen, um eine metallischen Hülsentasse 3 mit
einem Boden, einem äußeren Durchmesser
von 21,5 mm und einer Höhe
von 15,5 mm herzustellen. Im Vergleich zum Rohmaterial ist nur eine
geringe Änderung
in der Bodendicke oder Seitendicke in der Form dieser Tasse 3 festzustellen.
-
Weiterhin
wurde diese metallische Außenhülsentasse 3 mit
einem Boden in eine metallische DI-Form eingeführt und eine metallische DI-Hülse 4 mit
einem Boden mit einem äußeren Durchmesser von
13,8 mm und einer Höhe
von 54,0 mm wurde durch kontinuierliches Abstreckziehen hergestellt.
In diesem Zustand war der obere Seitenbereich (Ansatz) der metallischen
Hülse nicht
flach, sondern hatte eine gewissermaßen verzerrte Form aufgrund
der Bearbeitung, so dass der Ansatz 6 des oberen Seitenbereichs
abgeschnitten wurde, um eine metallische Außenhülse 1 mit einem äußeren Durchmesser von
13,8 mm und einer Höhe
von 49,0 mm herzustellen. 1 zeigt
eine Querschnittsansicht dieser metallischen Außenhülse 1.
-
Die
Bodendicke (TA) des Bodenbereichs 1a dieser metallischen
Außenhülse 1 von
zylindrischer Form mit einem Boden, die in 1 gezeigt
wird, beträgt
0,4 mm, dabei beträgt
die Seitendicke (TB) des Seitenwandbereichs 1b 0,18 mm,
das Abstreckziehverhältnis
beträgt
55%. Daher ist das Verhältnis
zwischen Bodendicke (TA) und Seitendicke (TB) 2,22. Es ist zu beachten,
dass die hier angegebene Seitendicke (TB) die Seitendicke bei mittlerer
Höhe der
metallischen Außenhülse 1 ist
und einen Mittelwert der Seitendicke angibt.
-
Die
metallische Außenhülse 1 wurde
so bearbeitet, dass die Seitendicke an einer Stelle 5 mm unterhalb
der Öffnung
des oberen Bereichs 1c der metallischen Außenhülse 1,
einen Bereich in der Nähe
der Verschlussöffnung
bildend (im weiteren wird dies die Seitendicke TG in der Nähe der Verschlussöffnung genannt),
0,2 mm beträgt,
d.h., dass sie etwa 11% dicker als die Seitendicke (TB) des mittleren
Bereichs ist, mit dem Ziel der Vergrößerung der Stärke der
Verschlussöffnung.
Der HV-Wert, der die Vi ckers-Härte
des Nickel-beschichteten Stahlblechs vor der Herstellung dieser
metallischen Außenhülse 1 angibt,
betrug 108; der HV-Wert des Seitenwandbereichs (1b) nach
Bildung der metallischen Außenhülse betrug
202; durch das DI-Verfahren wurde daher der HV-Wert um den Faktor
1,87 erhöht.
-
Beim
DI-Herstellungsschritt der Hülse,
bei dem ein kontinuierliches Abstreckziehen durchgeführt wurde,
wurde eine Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zu der Bodenfläche gebildet.
Diese Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche auf
der Innenfläche
der Batterie sind Kratzspuren der Form beim DI-Herstellungsschritt.
Solche Kratzspuren können
gebildet werden, indem vergleichsweise harte Partikel von etwa Aluminiumoxid
während
des DI-Verfahrens eingebracht werden. Insbesondere können bei
der Verwendung der Methode des Einbringens von Aluminiumoxid, beispielsweise
durch Untermischen von Aluminiumoxidpartikeln in das Beschichtungsbad
im Nickel-Beschichtungsschritt, die dann in geringer Menge in der
Beschichtung vorliegenden Aluminiumoxidpartikel auf einfache Weise eine
Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche bilden.
-
3 und 4 zeigen
mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bilder, die diesen
Zustand zeigen. 3 zeigt mit einem Rasterelektronenmikroskop
aufgenommene Bilder, bei denen die Batterie-Innenseite der metallischen
Außenhülse 300-fach
und der Öffnungsbereich
darüber
hinaus 3000-fach vergrößert ist.
Die weißen
Längsstreifen
im Bild sind Bereiche 7 einer Mehrzahl von flachen Kerben
senkrecht zur Bodenfläche. 4 zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder
der Querschnittsfläche
der metallischen Außenhülse mit
einer 200-fachen Vergrößerung und
darüber
hinaus des zugehörigen Öffnungsbereichs
mit einer 10.000-fachen Vergrößerung;
wie in dem Bild mit der größeren 10.000-fachen
Vergrößerung gezeigt,
wurden in der Nickelschicht 8 des SPCE-Stahlblechmaterials 9 eine
Mehrzahl von flachen Kerben 7 mit einer Tiefe von etwa
1 μm an
der Batterieinnenfläche
gebildet. Damit ist die Herstellung einer metallischen Außenhülse zur
Verwendung in einer Batterie entsprechend der vorliegenden Erfindung
abgeschlossen.
-
Als
nächstes
wurde eine zylindrische abgedichtete Nickel-Wasserstoff-Batterie unter Verwendung
der oben beschriebenen metallischen Außenhülse hergestellt. Als erstes
wurden die positive Elektrode, der Separator und die negative Elektrode
vorbereitet, die die Elemente für
die elektromotorische Kraft bilden. Für die positive Elektrode wurden
sphärisches
Nickel-hydroxidpulver
und ein Additiv wie etwa Zinkoxid, Kobaltoxid oder Kobalthydroxid
in die Form einer Paste gemischt, die benutzt wurde, um einen schwammähnlichen,
leitfähigen,
porösen
Nickelkörper
zu füllen,
wobei die Elektrode in die vorgeschriebenen Abmessungen (42 mm × 75 mm × 0,72 mm)
durch Trocknen, Pressen und Schneiden gebracht wurde. Metallische
Nickelanschlüsse
wurden an diese positive Elektrodenplatte angebracht, um die Verbindung
mit dem positiven Elektrodenanschluss der Batterie zu ermöglichen.
Für den
Separator wurde ungewebtes Polypropylen-Tuch verwandt, das einer sulfonatierenden
Behandlung unterzogen wurde und eine Dicke von 0,12 mm aufweist.
Für die negative
Elektrode wurde eine Paste gebildet, indem ein Leitungsmittel und/oder
ein Bindemittel zu einem Legierungspulver gegeben wurde, das aus
einer AB5-Typ MmNi 3,6 Mn 0,4 Al 0,3 Co 0,7 Zusammensetzung als
Wasserstoff-Absorptionslegierung
besteht; diese wurde auf ein metallisches Stanz-Kern-Element aus Nickel-beschichtetem
Eisen aufgebracht und durch Trocknen, Pressen und Schneiden in die
vorgeschriebenen Abmessungen (42 mm × 101 mm × 0,44 mm) gebracht, um die
Elektrode zu bilden.
-
Als
nächstes
wurden die positive Elektrode und die negative Elektrode in Spiralform
mit dem Separator zwischen ihnen aufgerollt und in der oben erwähnten metallischen
Außenhülse untergebracht.
In diesem Fall wurde die äußerste Peripherie
der negativen Elektrode 8 so angeordnet, dass sie in direktem Kontakt
mit der metallischen Außenhülse steht.
Danach wurde der positive Elektrodenanschluss, der vom Deckel der
abgedichteten Batterie gebildet wird, durch Punktschweißen mit
der positiven Elektrodenplatte verbunden. 2,0 cm3 einer
wässrigen
Lösung von
Kaliumhydroxid (KOH) der spezifischen Dichte 1,30, in dem 40g/l
von Lithiumhydroxid (LiOH.H2O) gelöst sind,
was den Elektrolyt bildet, wurden in die Batterie eingebracht und
eine abgedichtete Batterie wurde dadurch gebildet, dass die metallische
Außenhülse und
die Verschlussklappe durch gewöhnliches Abdicht verschließen abgedichtet
wurden. Diese Batterie hatte die Größe AA, wobei der Durchmesser 14,5
mm, die Höhe
50,0 mm und das Batteriegewicht etwa 26 g betrugen. Die Batterie
hatte eine Kapazität von
1.350 mAh. Diese Batterie wird Zelle A entsprechend der vorliegenden
Erfindung genannt.
-
Zum
Vergleich der Leistungen mit dieser Zelle A der vorliegenden Erfindung
wurden Beispielzellen B bis E nach dem Stand der Technik hergestellt und
ausgewertet. Die Unterschiede der Zellen B bis E gegenüber Zelle
A der vorliegenden Erfindung bestehen in jedem Fall in unterschiedlicher
Bauweise der Batterieaußenhülse und
ergaben sich wie folgt.
-
Als
erstes wurde Zelle B hergestellt unter direkter Verwendung von aluminiumberuhigtem
Stahlblech ohne jede Nickelbeschichtung, es wurde jedoch eine Mehrzahl
von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche in der Oberfläche gebildet.
Zelle C wies eine Nickelschicht auf, war aber von einer solchen
Bauweise, dass die Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche in der
Oberfläche fehlten.
Zelle D war ein Beispiel, in dem das Verhältnis von Bodendicke zu Seitendicke
der metallischen Außenhülse geringer
als 1,5 war und verwendete eine metallische Außenhülse mit einem Verhältnis von
Bodendicke zu Seitendicke von 1,14, wobei die Bodendicke mit 0,4
mm und die Seitendicke mit 0,35 mm hergestellt war. Das Abstreckziehverhältnis dieser
metallischen Außenhülse betrug
12,5%, was niedriger liegt als das der vorliegenden Erfindung, was
zur Folge hat, dass der HV-Wert der Seitenwand nach Bildung der
metallischen Außenhülse mit
124 niedrig war und durch das Bearbeiten nur um den Faktor 1,15
erhöht
wurde. Zelle D unterscheidet sich daher von der vorliegenden Erfindung
nicht nur darin, dass das Verhältnis
von Bodendicke zu Seitendicke außerhalb des Bereichs der vorliegenden
Erfindung war, sondern auch darin, dass die Veränderung des HV-Werts durch
die Verarbeitung weniger als 1,5-fach und dass das Abstreckziehverhältnis geringer
als 20% war.
-
Zelle
E war eine Batterie, die Kohlenstoffstahl mit 0,11 Gewichtsprozent
Kohlenstoff verwendet.
-
Die
Ergebnisse, die durch Auswertung der Leistung dieser Zellen A bis
E mit wie oben hergestellten metallischen Außenhülsen entdeckt wurden, waren
wie folgt.
-
Zelle
A entsprechend der vorliegenden Erfindung wies eine solche Batterieleistung
auf, dass sie als wiederaufladbare Nickel-Wasserstoff-Batterie verwendet
werden konnte, und wies eine exzellente Leistung in allen Bereichen
von Ladungscharakteristik, Entladungscharakteristik, Lebensdauercharakteristik
und Speichercharakteristik auf; darüber hinaus war sie eine Batterie,
bei der sowohl die angestrebte hohe Energiedichte der Batterie und
die hohe Verlässlichkeit
gemeinsam erreicht werden konnten. Weitere Details bezüglich der
Leistung der Zelle A werden mit der Beschreibung der Zellen B–E nach dem
Stand der Technik gegeben.
-
Zelle
B war eine Batterie, bei der das aluminiumberuhigte Stahlblech direkt
ohne Nickelbeschichtung benutzt wurde, bei dem allerdings die metallische
Außenhülse einer
Bildung einer Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche in seiner
Oberfläche
unterzogen wurde. In diesem Fall konnte das Tiefziehen und Abstreckziehen
im Herstellungsprozess der metallischen Außenhülse nicht notwendigerweise
problemlos durchgeführt
werden, und es fand sich, dass Formungsfehler einfacher produziert
werden konnten als bei der vorliegenden Erfindung. Mit Bezug auf
die tatsächlichen
Charakteristika der Batterie traten Probleme auf in allen Bereichen
von Ladungscharakteristik, Entladungscharakteristik. Lebensdauercharakteristik
und Speichercharakteristik, was zur Folge hatte, dass sich herausstelle,
dass ihre grundlegenden Eigenschaften nicht geeignet waren, damit
sie praktisch benutzt werden konnte. Es wurde gefolgert, dass der
Grund hierfür ein
Fortschreiten einer Korrosion der metallischen Außenhülse durch
den Alkali-Elektrolyt aufgrund der Abwesenheit einer Nickelschicht
auf dem Stahlblech war.
-
Im
Gegensatz dazu war Zelle C von einer solchen Bauweise, bei der eine
Nickelschicht vorgesehen war, aber keine Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht
zur Bodenfläche
in der Oberfläche
gebildet wurde. In diesem Fall, obwohl keine besonderen Probleme
im Produktionsvorgang der metal lischen Außenhülse bestanden und mit Bezug
auf die tatsächlichen
Charakteristika der Batterie exzellente Charakteristika gezeigt
wurden, die äquivalent
zu denen der Zelle A mit Bezug auf Ladungscharakteristik, Lebensdauercharakteristik
und Speichercharakteristik, wurde eine Abweichung im Vergleich zu
Zelle A gefunden in Bezug auf die Entladungscharakteristik, insbesondere
bei der Entladungsspannung bei Schnellentladung. 5 zeigt
einen Vergleich der Charakteristika bei Schnellentladung (1 CmA,
3 CmA) bei 20°C.
Wie in 5 gesehen werden kann, war die Entladungsspannung
von Zelle C etwa 30 mV niedriger als die von Zelle A bei einer mittleren
Entladungsspannung bei 1 CmA und bei 3 CmA hat sich dieser Abstand
auf etwa 50 mV verbreitert. Dies impliziert einen Kapazitätsverlust
von etwa 2,5% in Bezug auf Wh sogar für eine auf Schnellentladung
bezogene vergleichsweise moderate Rate von 1 CmA. In den letzten
Jahren sind wiederaufladbare Nickel-Wasserstoff-Batterien zu einem
Batterietyp geworden, in dem eine Schnellentladungscharakteristik insbesondere
gewürdigt
wird und Anwendungen haben sich allmählich in die Richtung einer
schnelleren Entladungsrate von 5 CmA, 10 CmA auf 20 CmA ausgedehnt.
Dass eine Batterie eine minderwertige Schnellentladungscharakteristik
im 1 CmA Bereich haben sollte, stellt ein sehr ernsthaftes Problem
dar.
-
Im
weiteren, betreffend Zelle D, da deren Seitenwand der metallischen
Außenhülse zu einer Dicke
von 0,35 mm verarbeitet wurde, ergaben sich keine Probleme bezüglich der
Druckbeständigkeit, obwohl
der HV-Wert der Seitenwand vergleichsweise niedrig war. Im Fall
der Zelle D wurde das effektive Volumen innerhalb der Batterie um
etwa 5% reduziert, da die Seitendicke von 0,35 mm etwa das Doppelte
der vorliegenden Erfindung betrug, dessen Seitendicke 0,18 mm war,
mit dem Ergebnis, dass sich das Problem eines 5prozentigen Verlustes
der Batterieenergiedichte ergab.
-
Als
nächstes
war Zelle E eine Batterie mit einer metallischen Außenhülse aus
Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffanteil von 0,11 Gewichtsprozent.
In diesem Fall waren jedoch das Tiefziehen und Abstreckziehen schwierig,
was die Durchführung
des Herstellungsprozesses der Außenhülse schwierig machte. Als ein
Ergebnis davon war es schwierig, eine metallische Au ßenhülse mit
solchen Eigenschaften wie dem Verhältnis von Bodendicke zu Seitendicke
von 2,22 wie im Vergleichsbeispiel zu erhalten.
-
Folglich,
da die Zellen B bis E nach dem Stand der Technik mit Bezug auf die
Schwierigkeit der Herstellung der metallischen Außenhülse und/oder
Batteriecharakteristika Probleme aufweisen, besitzt nur Zelle A
entsprechend des Vergleichsbeispiels exzellente Charakteristika
sowohl in Bezug auf Ladungscharakteristik, Entladungscharakteristik, Lebensdauercharakteristik
als auch Speichercharakteristik, und stellt daher eine Batterie
dar, in der sowohl die angestrebte hohe Batterieenergiedichte und die
hohe Verlässlichkeit
gleichzeitig erreicht werden konnten.
-
(Ausführungsform 2)
-
Als
nächstes
wird ein Beispiel einer Batterie entsprechend der vorliegenden Erfindung,
bei der das Material der metallischen Außenhülse hauptsächlich Eisen ist und die mit
einer Nickelschicht hergestellt ist, die zumindest auf der Batterieinnenfläche vorgesehen
ist, mit Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem sie in einer
Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ähnlich zum
Vergleichsbeispiel mit eher prismatischer statt zylindrischer Form
ausgeführt
ist.
-
Als
erstes wird die metallische Außenhülse beschrieben,
die in dieser Batterie verwendet wird. Als Rohmaterial wurde nickelbeschichtetes
Stahlblech einer Dicke von 0,4 mm verwendet, das durch eine Nickelbeschichtung
von ungefähr
3,5 μm auf beiden
Seiten eines aluminiumberuhigten Stahlblechs SPCE erhalten wurde,
gefolgt von einer Wärmebehandlung.
Dieses nickelbeschichtete Stahlblech wurde zunächst zu einer rechteckigen
Form gestanzt und eine metallische Hülsentasse mit einem Boden wurde
durch einen Tiefziehprozess unter Verwendung einer Presse hergestellt.
Es wurde eine geringe Veränderung
in der Bodendicke und der Seitendicke dieser Tasse gegenüber dem
Rohmaterial festgestellt.
-
Als
nächstes
wurde diese metallische Hülsetasse
mit einem Boden in eine DI-Form eingeführt und eine metallische Hülse mit
einem Boden und den äußeren Abmessungen
Weite P 22 mm, Höhe
52 mm und Dicke Q 8 mm wurde durch kontinuierliches Abstreckziehen
hergestellt. Da in diesem Zustand die oberen Bereiche der Seiten
(Ansatz) der metallischen Hülse
mit einem Boden nicht flach waren, sondern eine gewissermaßen verzerrte
Form aufgrund der Verarbeitung aufwiesen, wurden die seitlichen oberen
Bereiche abgeschnitten, um eine metallische Außenhülse 10 der Höhe H 48
mm, wie in 6 gezeigt, zu erhalten. Die
Bodendicke (TA) dieser metallischen Außenhülse betrug 0,4 mm, während die
Seitendicke (TB) 0,2 mm war, was ein Abstreckziehverhältnis von
50% darstellt. Das Verhältnis
von Bodendicke zu Seitendicke war demnach 2,0. Die hier angezeigte
Seitendicke (TB) ist die Seitendicke bei einer mittleren Höhe der metallischen
Außenhülse 10 und
zeigt einen Mittelwert der Seitendicke an.
-
Die
metallische Außenhülse wurde
so hergestellt, dass die Seitendicke (TC, damit wird die Seitendicke
in der Nähe
der Dichtungsöffnung
bezeichnet werden) an einer Position 5 mm unterhalb der Öffnung an
der Spitze 10c, was der Bereich in der Nähe der Dichtungsöffnung der
metallischen Außenhülse 10 ist,
mit 0,25 mm etwa 25% dicker als die Seitendicke (TB) des mittleren
Bereiches ist, was eine Verstärkung
der Dichtungsstärke
zum Ziel hat.
-
Der
HV-Wert, der die Vickers-Härte
des nickelbeschichteten Stahlblechs vor der Herstellung dieser metallischen
Außenhülse angibt,
betrug 108; der HV-Wert, der die Vickers-Härte des Seitenwandbereichs 10b nach
dem Formen der metallischen Außenhülse angibt,
war 186; der HV-Wert wurde daher durch das DI-Verfahren um den Faktor
1,72 erhöht.
-
Eine
Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche wurde
an der Batterieinnenseite während
dieses DI-Herstellungsschrittes einer Hülse während des kontinuierlich durchgeführten Abstreckziehens
gebildet. Diese Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche an der
Batterieinnenseite sind Kratzmarken der Form des DI-Herstellungsschrittes
der Hülse.
Wie bei der ersten Ausführungsform
können
Kratzspuren leicht durch Aluminiumoxidpartikel gebildet werden.
Ferner beträgt
der Radius R der Eckbereiche an der Batterieinnenseite, der durch
die metallische Form im DI-Herstellungsschritt der Hülse bewirkt
wird, d.h. der sich an der Bodenfläche und der Seitenfläche befindlichen
Ecken und der zwischen angrenzenden Seitenflächen befindlichen Ecken, beträgt 0,4 mm.
Dieser Zustand ist mit Bezug auf die Ansicht des Längsquerschnittes
und des Querquerschnittes in 6 gezeigt.
-
Im
Fall einer prismatischen Batterie erhöht die Steigerung dieses Wertes
R normalerweise die effektive Druckbeständigkeit. Es ist jedoch wichtig, eine
Kurvenform mit einem Radius nicht größer als 0,5 mm zu haben, um
eine wirksame Druckbeständigkeit
unter Einschränkungen
mit Bezug auf das effektive Volumen beizubehalten und um die Elemente für die elektromotorische
Kraft effektiv anzuordnen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie in 6 gezeigt, beträgt der Radius
dieser Eckbereiche 0,4 mm. Die Druckbeständigkeit kann demnach beibehalten werden,
auch wenn die metallische Außenhülse in ihrer
Dicke reduziert wird. Die Herstellung der metallischen Außenhülse 10,
die in einer Batterie entsprechend der vorliegenden Erfindung Verwendung
findet, ist mit den obigen Prozessen abgeschlossen.
-
Als
nächstes
wurde eine prismatische Lithium-Ionen-Sekundärbatterie hergestellt, die
eine metallische Außenhülse benutzt,
die wie oben hergestellt wurde. Als erstes wurden die positive Elektrode, der
Separator und die negative Elektrode vorbereitet, die die Elemente
für die
elektromotorische Kraft bilden. Für die positive Elektrode wurden
LiCoO2, ein Leitungsmittel, bestehend aus
Acetylenruß,
und ein Fluorharzbindemittel etc. zu einer Paste gemischt, welche
auf eine Aluminiumfolienplatte aufgebracht wurde und in die gewünschten
Abmessungen durch Trocknen, Pressen und Schneiden gebracht wurde, um
die Elektrode zu bilden. Ein Anschlussdraht wurde an dieser positive
Elektrode angebracht, um es zu ermöglichen, sie mit dem positiven
Elektrodenanschluss zu verbinden. Für den Separator wurde eine poröse Polyäthylenfolie
einer Dicke von 0,027 mm verwendet. Styrol-Butadien-Kautschuk-Klebemittel (SBR)
und Carboxymethyl-Zellulose-Verdickungsmittel
(CMC) wurden für
die negative Elektrode zu sphärischem
Graphit gegeben, auf einen Kupferfolienträger aufgebracht und durch Trocknen,
Pressen und Schneiden in die vorgeschriebenen Abmessungen gebracht,
um die Elektrode zu bilden.
-
Als
nächstes
wurden die positive und die negative Elektrode in Spiralform mit
dem Separator zwischen ihnen aufgewickelt und in der oben erwähnten metallischen
Außenhülse angeordnet.
Danach wurden ein Deckelbereich, der den positiven Elektrodenanschluss
der abgedichteten Batterie bildet, und die Platte der positiven
Elektrode durch einen Aluminiumdraht verbunden und der negative
Elektrodenanschluss der metallischen Außenhülse und die Platte der negativen
Elektrode wurden durch einen Nickeldraht verbunden.
-
Als
Elektrolyt wurden Äthylencarbonat
(EC) und Diethylcarbonat (DEC) im Mol-Verhältnis 1:3 gemischt und verwendet,
um Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) in
einer Konzentration von 1 mol pro Liter aufzulösen. Dieser Elektrolyt wurde
in die Batterie gegeben und die metallische Außenhülse und Dichtungsdeckel wurden
durch gewöhnliches
Laser-Abdichten abgedichtet, um eine abgedichtete Batterie zu bilden.
Diese Batterie hatte eine prismatische Form mit einer Breite von
22 mm, einer Höhe
von 48 mm, einer Dicke von 8 mm und einem Batteriegewicht von etwa
18 g. Die Batterie hatte eine Kapazität von 610 mAh. Auf diese Batterie
wird sich als Zelle F entsprechend der vorliegenden Erfindung bezogen.
-
Zum
Leistungsvergleich mit dieser Zelle F nach der vorliegenden Erfindung
wurde eine Beispielzelle G nach dem Stand der Technik hergestellt und
bewertet. Die Unterschiede von Zelle G gegenüber Zelle F nach der vorliegenden
Erfindung bestanden in unterschiedlicher Konstruktion der metallischen
Außenhülse.
-
Insbesondere
wurde für
Zelle G ein Aluminiumlegierungsblech (3003) mit Mangan im Mischkristall
verwendet. Batterien wie Zelle G, in denen eine Aluminiumlegierung
in der Außenhülse einer
Lithium-Ionen-Sekundärbatterie
verwendet wird, stehen zur Zeit im Mittelpunkt der Bemühungen,
eine Batterie mit geringem Gewicht zu erhalten. Um aber eine der
Zelle F entsprechende Leistungsfähigkeit
in Bezug auf Druckbeständigkeit
sicherzustellen, muss die Seitendicke einer metallischen Außenhülse mit
einem Boden allerdings mindestens 0,5 mm betragen und daher wurde
eine Seitendicke von 0,5 mm gewählt.
Während
diese Zelle dieselben äu ßeren Abmessungen
wie Zelle F erhielt und die positive Elektrode, negative Elektrode,
der Separator und Elektrolyt dieselben wie bei Zelle F waren, ergab
sich, dass das Batteriegewicht etwa 18 g und die Batteriekapazität 550 mAh
betrug.
-
Beim
Vergleich der elektrischen Charakteristika dieser zwei Batterien
wurden keine Differenzen zwischen ihnen gefunden; beide hatten ausgezeichnete
Charakteristika in Bezug auf die Leistung. Beim Vergleich der Energiedichten
der Batterien ergab sich jedoch, dass Zelle F entsprechend der vorliegenden
Erfindung eine Energiedichte pro Volumen von 260 Wh/l und eine Energiedichte
pro Gewicht von 122 Wh/kg aufwies. Im Vergleich zu den Werten von 234
Wh/l und 110 Wh/kg von Zelle G kann daher gesehen werden, dass Zelle
F um 11% in Bezug auf die Energiedichte pro Volumen und um ebenso
11% in Bezug auf die Energiedichte pro Gewicht der Zelle G nach
dem Stand der Technik deutlich überlegen
war.
-
Obwohl
es auf den ersten Blick so scheinen mag, dass die Benutzung von
leichtgewichtigem Aluminiummaterial für die Batteriehülle eine
Gewichtsreduktion der Batterie ermöglichen würde, kann dank der Einführung eines
hohen Abstreckziehverhältnisses
in die Herstellung, um einen hohen Wert des Verhältnisses von Bodendicke zu
Seitendicke zu erhalten, eine sogar noch höhere Batterieenergiedichte erreicht
werden, auch wenn, entsprechend der vorliegenden Erfindung, ein
vergleichsweise schweres Eisenbasiertes Material verwendet wird.
-
Das
Obige sind Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, es wird aber eine zusätzliche Beschreibung
weiter unten gegeben, in Bezug auf Aspekte der Beschreibung der
obigen Ausführungsformen,
die noch unklar sein können.
-
Das
Verhältnis
von Bodendicke zu Seitendicke der metallischen Außenhülse, deren
Hauptbestandteil entsprechend der vorliegenden Erfindung Eisen ist,
ist mit 1,15 bis 7,0 angegeben. Es mag wünschenswert sein, einen höheren Wert
zu erhalten, um Größe und Gewicht
zu reduzieren. Wenn der Wert aber zu hoch wird, bestehen Bedenken
in Bezug auf Qualitätsverläss lichkeit
und Sicherheit. Als Ergebnis verschiedener Tests wurde herausgefunden,
dass der Bereich bis 7,0 zufriedenstellend ist. Beträgt der Wert
weiterhin weniger als 1,5, so ist der Nutzen in Bezug auf die Erhöhung der
Batterieenergiedichte unzureichend. Insbesondere wurde herausgefunden,
dass diese Erfindung in einem Bereich von 2,5 bis 5,0 des Verhältnisses
von Bodendicke zu Seitendicke effektiv verwirklicht werden kann.
-
Es
ist weiterhin eine Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, dass
eine Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche in der
Oberfläche der
Nickelschicht auf der Batterieinnenseite der metallischen Außenhülse der
Batterie gebildet werden soll. Die Tiefe dieser Kerben muss allerdings
immer geringer sein als die Dicke der Nickelschicht. Kerben tiefer
als oder gleich der Dicke der Nickelschicht dürfen niemals gebildet werden.
Es war zuvor bekannt, schmale Längsstreifen
zur Aufrauung der Oberfläche der
Batterieinnenseite einer metallischen Außenhülse einer Batterie durch den
Tiefziehabstreckziehvorgang zu bilden (siehe beispielsweise veröffentlichtes japanisches
Patent Nr. 2615529). Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird aber eine Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht zur
Bodenfläche
nur in der Oberfläche
der Nickelschicht der Batterieinnenseite einer metallischen Außenhülse einer
Batterie gebildet und daher ist die vorliegende Erfindung überlegen
in Bezug auf die Tatsache, dass im Gegensatz zum Stand der Technik,
nach dem die Längsstreifen in
einigen Fällen
bis zum eisenbasierten Material gebildet wurden, seine Längsstreifen
ausschließlich
in der Nickelschicht gebildet werden, so dass Probleme wie etwa
Korrosion des metallischen Materials überhaupt nicht auftreten.
-
Weiterhin
wurde als Ergebnis der Studien mit Bezug auf das metallische Material,
dessen Hauptbestandteil Eisen ist, herausgefunden, dass, um die vorliegende
Erfindung effektiv umzusetzen, das eisenbasierte Rohmaterial Kohlenstoffstahl
zum Kaltwalzen mit 0,1 Gewichtsprozent oder weniger Kohlenstoff
sein sollte, bevorzugterweise Kohlenstoffstahl mit 0,1 Gewichtsprozent
oder weniger von zumindest einem der Metalle Titan (Ti) oder Niob
(Nb). Es wurde mit Bezug auf den Kohlenstoffanteil und die Erleichterung
des Abstreckziehvorganges herausgefunden, dass die Verringerung
des Kohlenstoffanteils den Vorgang erleichtert, und dass die Er leichterung des
Vorgangs noch erhöht
wird, wenn der Stahl ein Kohlenstoffstahl mit 0,1 Gewichtsprozent
oder weniger von zumindest einem der Metalle Titan (Ti) oder Niob
(Nb) ist.
-
Abgesehen
davon können
die Nutzen der vorliegenden Erfindung noch weiter vergrößert werden,
wenn die metallische Außenhülse zylindrische Form
mit insbesondere einem Außendurchmesser von
weniger als 35 mm aufweist und in Bezug auf die Dicke der Seitenwand
der metallischen Hülse
die Seitendicke (TC) in der Nähe
der Dichtungsöffnung der
Batterie um zumindest 30% dicker als die Seitendicke (TB) der anderen
Bereiche ist. Dies ergibt sich daraus, dass die Druckbeständigkeit
in Batterien von zylindrischer Form mit einem Außendurchmesser von weniger
als 35 mm oder dazu ähnlicher
Form vergleichsweise zufriedenstellend beibehalten werden kann,
auch wenn die Seitendicke der metallischen Außenhülse relativ dünn gemacht
wird. Der vornehmliche Bereich, in dem Probleme bei solchen Batterien
in Bezug auf die Druckbeständigkeit
auftreten, ist die Nähe
der Dichtungsöffnung
der Batterie. Um die Druckbeständigkeit
in der Nähe
der Dichtungsöffnung
von Batterien, in denen diese Druckbeständigkeit ein Problem darstellt,
zu verbessern, ist es wirkungsvoll, die Seitendicke in der Nähe der Dichtungsöffnung der
Batterie dicker auszuführen
als die Seitendicke in anderen Bereichen. Führt man sie um zumindest 30%
dicker aus, ist es möglich,
das Gesamtgleichgewicht beim Streben nach Dickenreduktion der metallischen
Außenhülse als
Ganzem und der gleichzeitigen Sicherstellung der nötigen Dicke
in der Nähe
der Dichtungsöffnung
der Batterie beizubehalten, die wichtig ist für die Druckbeständigkeit.
-
Darüber hinaus
bewegen sich die Größen von
Batterien mit zukünftigen
Steigerungen in der Batterieenergiedichte weiter in Richtung auf
eine fortschreitende Miniaturisierung und Verringerung der Gesamtdicke.
Unter diesen Umständen
ist es wünschenswert,
die Dicke der Seitenwand der metallischen Außenhülse so gering wie möglich auszuführen. Mit
dem DI-Verfahren
der vorliegenden Erfindung ist eine technische Antwort auf solche
Ansprüche
machbar und es wurde das Ergebnis erzielt, dass eine Seitendicke
im Bereich von 0,05 bis 0,15 mm erreicht wurde, die unterhalb der
0,2 mm liegt, die herkömmlich
als Grenze angesehen wurde, die sich mit dem Transfer-Tiefzieh-Verfahren
nicht überschreiten lässt. Mit
diesen Mitteln kann die Dicke der Seitenwand einer metallischen
Außenhülse in einem
Grad reduziert werden, der bisher unerreichbar war, wodurch Batterien
noch höherer
Energiedichte realisiert werden können.
-
Obwohl
in den oben beschriebenen Ausführungsformen
die Beispiele einer zylindrischen nickel-wasserstoff-aufladbaren
Batterie und einer prismatischen Lithium-Ionen-Sekundärbatterie
verwendet wurden, kann die vorliegende Erfindung darüber hinaus
beispielsweise für
Primärbatterien
wie Alkali-Mangan-Trockenbatterien oder Lithiumprimärbatterien
oder Polylithiumbatterien angewendet werden. Tatsächlich kann
sie angewendet werden für
Primär- oder
Sekundärbatterien,
bei denen die metallische Außenhülse von
zylindrischer, prismatischer oder ähnlicher Form ist, solange
es sich um Batterien handelt, in denen die Elemente für die elektromotorische Kraft
in einer metallischen Außenhülse angeordnet sind.
-
Mit
Hilfe der vorliegenden Erfindung erhöht sich dadurch, dass die Dicke
der Seite in der Nähe der
Batteriedichtungsöffnung
dicker gemacht wird als die Dicke der Seite in anderen Bereichen,
die Druckbeständigkeit
in der Nähe
der Batteriedichtungsöffnung.
Weiterhin können
mit Hilfe der vorliegenden Erfindung, dank der Bildung einer Mehrzahl
von flachen Kerben senkrecht zur Bodenfläche in der Oberfläche einer
Nickelschicht an der Innenseite einer metallischen Außenhülse einer
Batterie, der Kontaktwiderstand der metallischen Außenhülse und
der Elemente für
die elektromotorische Kraft, die darin angeordnet sind, deutlich
reduziert werden. Weiterhin besteht eine deutliche Überlegenheit
in Korrosionsbeständigkeit
aufgrund der Bildung dieser Mehrzahl von flachen Kerben senkrecht
zur Bodenfläche ausschließlich in
der Nickelschicht. Durch die Ausnutzung dieser Techniken wird daher
eine metallische Außenhülse unter
Verwendung eines hohen Abstreckziehverhältnisses erhalten, wodurch
es ermöglicht
wird, Batteriegewicht und Gesamtdicke zu reduzieren und als Ergebnis
davon eine höhere
Batterieenergiedichte zu erhalten. Die vorliegende Erfindung ist
daher nützlich,
um gleichzeitig eine höhere Energiebatteriedichte
und eine höhere
Verlässlichkeit
und Sicherheit zu erreichen.