DE69911749T2

DE69911749T2 - Prismatische zellenkonstruktion

Info

Publication number: DE69911749T2
Application number: DE69911749T
Authority: DE
Inventors: H. Viet VU; Alexander Kaplan; T. William MCHUGH
Original assignee: Duracell Inc USA
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: DE69911749D1; CN1297585A; CA2321694A1; TW417323B; WO1999045602A1; EP1060524A4; JP2002506276A; KR20010041600A; AU3298299A; EP1060524B1; ATE251344T1; EP1060524A1; US5958088A; CN100358175C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft prismatische elektrochemische Zellen und die Struktur ihrer Gehäuse.
Die Formen elektrochemischer Zellen sind entweder in prismatisch oder zylindrisch eingeteilt. Zylindrische Zellen weisen, wie es der Name schon sagt, zylindrische Gehäuse auf. Typische Beispiele für zylindrische Batterien sind die Standardgrößen AA, AAA, C und D von Alkalibatterien. Prismatische Zellen weisen prismatische Gehäuseformen auf, wie etwa Parallelepipedons. Ein typisches Beispiel für eine prismatische Zelle ist etwa eine 12-V-Autobatterie.
Viele typische Arten von Zellen weisen interne Elektrodenkonfigurationen auf, bei denen die Elektroden in Lagen- bzw. Bahnform vorgesehen sind, wobei die Lagen aus positivem und negativem Elektrodenmaterial übereinander gestapelt und durch elektrisch isolierende Trennlagen getrennt sind. Einer der Gründe für die Lage-an-Lage-Anordnung ist es, eine große Diffusionsfläche zwischen entgegengesetzten Elektroden vorzusehen.
Im Idealfall weisen benachbarte Lagen in dem Elektrodenstapel einen engen "Kontakt" (d. h. sie sind sehr dicht aneinander angeordnet) über die Lebensdauer der Zelle auf. Ein suboptimaler Kontakt kann die Gesamtkapazität (die insgesamt nutzbare Energie) der Zelle verringern und zu anderen unerwünschten Effekten führen, wie etwa einer Lithiumplattierung während dem Laden der Lithium-Ionen-Zellen (Li-Ionen). In zylindrischen Zellen wird der Stapel aus Elektroden- und Trennlagen für gewöhnlich aufgerollt und in dem Behälter platziert. Die Spannung in dem aufgerollten Stapel neigt dazu, den Stapel gegen die Seiten des Behälters zu drücken (d. h. diesen in Richtung des ungewickelten Zustands zu bewegen) und einen leichten Druck zwischen benachbarten Elektrodenlagenoberflächen aufrechtzuerhalten. In prismatischen Zellen werden die gestapelten Elektrodenlagen entweder aufgerollt (wie dies in der Abbildung aus 3 dargestellt ist) oder vor und zurück gefaltet (wie dies in der Abbildung aus 4 dargestellt ist). Die Konfiguration aus 3 kann als Flachwicklungskonfiguration (WFW-Konfiguration) bezeichnet werden, während die Konfiguration aus 4 als Fächerfalzkonfiguration oder Akkordeonfalzkonfiguration bezeichnet werden kann.
In längeren, dünneren prismatischen Zellen (Zellen mit einem größeren proportionalen Abstand zwischen Falzen oder Biegungen des Elektrodenstapels) kann jede Spannung in den Faltungen bzw. Falzen oder Biegungen des Stapels (die dazu neigen, den Stapel wieder an den flachen Zustand zurückzuführen) unzureichend sein, um den entsprechend erforderlichen Druck zwischen den Lagen über die gesamte Länge der geraden Abschnitte des Stapels aufrechtzuerhalten, ohne dass durch die Seitenwände des Gehäuses eine Kompression ausgeübt wird. Eine derartige positive Kompression kann dadurch vorgesehen werden, dass der Gehäusehohlraum etwas dünner gestaltet wird als nominale Stapeldicke insgesamt, oder durch das Einführen eines Federelements (wie etwa einer Blattfeder) in das Gehäuse, um die geraden Abschnitte des Stapels zusammenzudrücken.
Eine positive Kompression gegen die geraden Abschnitte des Elektrodenstapels neigt allgemein dazu, die breiten Seiten des Gehäuses nach außen zu biegen. Dies kann zu dem Effekt des inneren Hohlraumdrucks hinzukommen, was zu einer unerwünschten Verzerrung der äußeren Zellenform führt, wenn die Seiten des Gehäuses nicht so konstruiert sind, dass sie den ausgeübten Biegekräften angemessen standhalten. Die Steifheit der Gehäuseseitenwände kann natürlich durch eine größere Dicke der Wände erhöht werden, wobei dies für gewöhnlich zu Lasten eines höheren Gewichts geht, und bei Zellen im Standardformat geht dies wiederum zu Lasten des Innenvolumens. Interne Federn können ebenfalls Platz im Innenraum einer Zelle in Anspruch nehmen, der ansonsten aktivem Material zur Verfügung stehen würde.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine prismatische Zellenkonstruktion, wobei ein gewünschter Druck zwischen benachbarten Elektrodenlagen aufrechterhalten werden kann, während gleichzeitig ein übermäßiges Biegen der breiten Seiten des Gehäuses verhindert wird.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle (10), die folgendes umfasst:
ein geschlossenes prismatisches Gehäuse, wobei das genannte Gehäuse aus einem Behälter (44) und einer Abdeckung (36) mit zwei entgegengesetzten, inneren Seitenoberflächen (40, 42) besteht, die dazwischen einen inneren Hohlraum mit einer Breite und einer Länge definieren, wobei eine der genannten Seitenoberflächen (42) einen konvexen Bogen definiert; und
einen Elektrodenstapel (46), der sich in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei der Elektrodenstapel (46) positive und negative Elektrodenlagen umfasst, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei der Elektrodenstapel (46) zwischen den genannten Seitenoberflächen (40, 42) des Gehäuses angeordnet ist, so dass der Stapel (46) so verformt ist, dass er dem konvexen Bogen folgt, um den Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen aufrechtzuerhalten;
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte andere der genannten Seitenoberflächen (40) ein zentrales Teilstück aufweist, das entgegengesetzt zu dem konvexen Bogen der einen Seitenoberfläche (42) angeordnet ist, und wobei sich beabstandete Rippen (38) in Richtung der einen Seitenoberfläche (42) erstrecken und den konvexen Bogen überspannen, wobei die Rippen (38) so angeordnet sind, dass sie den Elektrodenstapel (46) an seiner verformten Position gegen den konvexen Bogen halten.
Vorzugsweise überspannt der konvexe Bogen im Wesentlichen die Länge des inneren Hohlraums.
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine elektrochemische Zelle (10), die folgendes umfasst:
ein geschlossenes prismatisches Gehäuse, wobei das genannte Gehäuse aus einem Behälter (44) und einer Abdeckung (36) mit zwei entgegengesetzten, inneren Seitenoberflächen (48a,b) besteht, die dazwischen einen inneren Hohlraum mit einer Breite und einer Länge definieren, wobei jede der genannten Seitenoberflächen (42) einen konvexen Bogen definiert; und
einen Elektrodenstapel (46), der sich in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei der Elektrodenstapel (46) positive und negative Elektrodenlagen umfasst, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei der Elektrodenstapel (46) zwischen den genannten Seitenoberflächen (48a,b) des Gehäuses angeordnet ist, so dass der Stapel (46) so verformt ist, dass er den konvexen Bögen folgt, um den Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen aufrechtzuerhalten;
dadurch gekennzeichnet, dass jede der genannten Seitenoberflächen (48a,b) ein Teilstück aufweist, das entgegengesetzt zu dem konvexen Bogen der anderen Seitenoberfläche angeordnet ist, und wobei sich eine Rippe (38) in Richtung der anderen Seitenoberfläche erstreckt, wobei sich die Bogenteilstücke kombiniert im Wesentlichen über die gesamte Strecke zwischen den Rippen (38) erstrecken und sich an einer Mitte der Zelle (10) überdecken, und wobei die Rippen (38) so angeordnet sind, dass sie den Elektrodenstapel (46) an seiner verformten Position gegen die konvexen Bögen halten.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen eines oder mehrere der folgenden Merkmale auf. Die Seitenoberflächen sind in der Nähe der Mitte ihrer Fläche durch einen Abstand von weniger als etwa 50 Prozent der Länge des inneren Hohlraums getrennt. Die andere Seitenoberfläche definiert einen konkaven Bogen entgegengesetzt zu dem konvexen Bogen der einen Seitenoberfläche. Die positiven und negativen Elektrodenlagen sind durch eine poröse Trennlage getrennt. Die positiven und negativen Elektrodenlagen weisen jeweils eingelagerte aktive Materialien auf. Die ersten und zweien leitfähigen Lagen sind jeweils auf nur einer Seite mit einem aktiven Material überzogen. Die Lagen des abgelenkten Stapels befinden sich entlang dem konvexen Bogen auf der einen Seitenoberfläche unter Spannung. Das Gehäuse ist von den genannten Elektrodenlagen elektrisch isoliert (d. h. die Zelle ist "gehäuseneutral").
In bestimmten Ausführungsbeispielen weist die positive Elektrodenlage eine erste leitfähige Lage auf, die mit einem aktiven Material überzogen ist, das Metalloxid aufweist, und die negative Elektrode weist eine zweite leitfähige Lage auf, die mit einem aktiven Material überzogen ist, das Kohlenstoff aufweist, wobei das Gehäuse ferner ein Elektrolyt aufweist. In bestimmten Fällen ist das Elektrolyt wäßrig.
Bestimmte gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Zellen weisen eine Flachwicklungskonfiguration auf, während andere wiederum eine Akkordeonfaltung (d. h. Fächerfaltung) als Konfiguration aufweisen.
Bei bestimmten Konstruktionen weisen der Behälter und der Überzug jeweils entsprechende eine und andere der beiden entgegengesetzten inneren Seitenoberflächen auf. Bei einer zur Zeit bevorzugten Konfiguration definiert der Behälter den konvexen Bogen. In bestimmten Ausführungsbeispielen bestehen der Behälter und der Überzug jeweils aus einer Schicht eines gestanzten Metalls. In bestimmten anderen Ausführungsbeispielen bestehen der Behälter und der Überzug jeweils aus Kunststoff und weisen im Wesentlichen flachen äußere Oberflächen angrenzend an die inneren Seitenoberflächen auf.
Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Konstruktion der vorstehend beschriebenen elektrochemischen Zelle. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

(1) Anordnen des Elektrodenstapels zwischen den entgegengesetzten inneren Seitenoberflächen, so dass sich der Elektrodenstapel in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei sich eine Seite des Stapels in Kontakt mit dem konvexen Bogen befindet, und wobei sich eine entgegengesetzte Seite des Stapels in Kontakt mit den genannten beabstandeten Rippen befindet;
(2) Zusammendrücken des Behälters und der Abdeckung, so dass der Elektrodenstapel um den konvexen Bogen verformt wird, so dass ein Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen erzeugt wird; und
(3) Anbringen des Behälters an der Abdeckung, wobei sich der Elektrodenstapel in dessen verformten Zustand befindet.

In bestimmten Ausführungsbeispielen weist das Verfahren vor dem Schritt des Anordnens des Elektrodenstapels entweder das Falten des Elektrodenstapels in eine Fächerfaltungskonfiguration oder das Wickeln des Elektrodenstapels in eine Flachwicklungskonfiguration auf.
Andere Merkmale und die verschiedenen Vorteile werden aus der Beschreibung der Zeichnungen und den Ansprüchen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer prismatischen Zelle mit einem gestanzten Gehäuse;
2 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 aus 1;
3 eine Flachwicklungs-Elekrodenkonfiguration;
4 eine Fächerfaltungs-Elektrodenkonfiguration (Rkkordeonfaltung);
5 schematisch einen über einen Bogen gedehnten Elektrodenstapel;
6 einen über benachbarte Bögen gedehnten Elektrodenstapel;
7 ein Ausführungsbeispiel der Zelle aus 2 mit Flachwicklungskonfiguration;
8 ein Ausführungsbeispiel der Zelle aus 2 mit Fächerfaltungskonfiguration;
9 eine Perspektivansicht einer prismatischen Zelle mit einem geformten Gehäuse; und
10 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 10-10 aus 9.
Die prismatische Zelle 10 aus 1 weist ein äußeres Gehäuse auf, das aus einem Behälter 12 und einem Überzug 14 besteht. Das Gehäuse weist eine Länge L von 42 Millimetern, eine Breite W von 48 Millimetern und eine Gesamtdicke T von 4 Millimetern auf. Während dem Zusammenbau der Zelle wird der Überzug 14 bzw. die Abdeckung in den Behälter 12 gedrückt und entlang der Verbindungsstelle 16 geschweißt, um die Zelle dicht zu verschließen. Die in Öffnungen in dem Überzug 14 montierten Kontakte 18a und 18b befinden sich in elektrischer Übertragungsverbindung mit entsprechenden positiven und negativen Elektroden in der Zelle. Die Kontakte sind beide elektrisch von dem Gehäuse isoliert, so dass die Zelle "gehäuseneutral" ist. Sowohl der Überzug 14 als auch der Behälter 12 bestehen aus gestanztem Edelstahl 304.
In Bezug auf die Abbildung aus 2, in der der Inhalt der Zelle zur besseren Veranschaulichung weggelassen worden ist, ist die Unterseite des Behälters 12 einwärts kronenartig, um einen sanften, weichen Bogen 20 mit einem Radius R von ungefähr 234 Millimetern im Wesentlichen über die gesamte Länge zu bilden. Die Unterseite des Behälters ist über die gesamte Breite kronenartig, ausgenommen an den Rändern des Behälters, so dass praktisch die ganze Unterseite des Behälters einwärts kronenartig ist, und wobei die innere Oberfläche der Unterseite des Behälters konvex ist. Die nominelle Dicke der Unterseite des Behälters t_a beträgt 0,25 Millimeter. Eine Schulter 22 ist an der Oberkante des Behälters zur Aufnahme der Außenkante des Überzugs bzw. der Abdeckung 14 ausgebildet, so dass die Abdeckung während dem Zusammenbau an der Schulter 22 den tiefsten Punkt erreicht.
Die Abdeckung 14 ist so gestanzt, das sie eine erhöhte, schmale Lippe 24 um ihre äußere Begrenzung aufweist, wobei die von der Lippe umgebene Fläche (über 90% der Fläche der Abdeckung) auswärts kronenartig ist, so dass ein sanfter, glatter Bogen 26 entgegengesetzt zu dem Bogen 20 der Unterseite des Behälters gebildet wird. Die innere Oberfläche der Abdeckung 14 ist anders ausgedrückt leicht konkav, während die innere Oberfläche der Unterseite des Behälters 12 konvex ist. Die nominelle Dicke der Abdeckung t_b beträgt etwa 0,32 Millimeter, und der Radius des Bogens 26 ist etwas größer als der Radius R des Bogens 20, so dass die Mindestdicke des zwischen dem Behälter und der Abdeckung ausgebildeten inneren Hohlraums etwa 2,45 Millimeter beträgt (t_c1 in der Mitte der Zelle), wobei die Dicke des Hohlraums von der Mitte allmählich auf 3,1 Millimeter (t_c2) nahe der Lippe 24 und dann abrupt auf 3,4 Millimeter (t_c3) an der Lippe 24 zunimmt. Eine weitere Möglichkeit, die Struktur der Abdeckung 14 zu kennzeichnen, ist es, dass die sich einwärts erstreckenden Vorsprünge 28 nahe den beiden entgegengesetzten äußeren Kanten den Bogen 26 überspannen. Die Spitze der Krone der Abdeckung steht in der Mitte der Zelle nur etwa 0,1 Millimeter über die Ebene der äußeren Oberfläche der Lippe 24 vor.
Die Abbildungen der 3 und 4 veranschaulichen Faltungsanordnungen von Elektrodenstapeln in prismatischen Zellen. In jedem Fall besteht der gefaltete Stapel aus einer negativen Elektrodenlage 30, einer positiven Elektrodenlage 32 und ein oder zwei Trennlagen 34. Jede Elektrodenlage besteht aus einer Lage eines eingelagerten aktiven Materials, das eine Seite eines elektrisch leitfähigen Foliensubstrats überzieht. Die Elektrodenlagen werden mit ihren aktiven Seiten aneinander gestapelt, getrennt durch einen Separator 34. Die Elektrodenlagen können entlang ihrer Länge versetzt werden, um ihre gefaltete Diffusionsfläche so groß wie möglich zu gestalten. Für die WFW-Anordnung aus 3 ist ein zusätzlicher Separator 34 über der Folienseite der positiven Elektrodenlage platziert, um die Folienseiten der beiden Elektroden voneinander elektrisch zu isolieren. Für die Fächerfaltungsanordnung aus 4 wird nur ein Separator 34 verwendet. Wie dies veranschaulicht ist, ist der Mindestbiegeradius der äußeren Elektrodenlage aus 3 größer als die Biegungsradien der Elektrodenlagen aus 4, und somit eignet sich die WFW-Konfiguration unter Umständen besser in Verbindung mit sehr dünnen Elektrodenlagen mit aktiven Materialien, die dazu neigen, Risse zu bilden oder anderweitig unzureichend zu arbeiten, wenn sie in einem engen Radius gebogen werden. Die Elektrodenlagen sollten ausreichend flexibel sein, um im gefalteten Zustand Rissbildungen zu widerstehen. Das Foliensubstrat der negativen Elektrode 30 befindet sich im montierten Zustand in elektrischer Übertragungsverbindung mit dem Gehäuse (eine positive Verbindung über einen Streifen kann verwendet werden, um die Verbindung sicherzustellen), und die positive Elektrode 32 ist an einer Gehäusedurchführung (z. B. Kontakt 18a oder 18b aus 1) für einen Kontakt mit einem externen Verbraucher angebracht. Bei einer gehäuseneutralen Zelle, wie diese etwa in der Abbildung aus 1 dargestellt ist, ist die negative Elektrode auch elektrisch von dem Gehäuse isoliert (z. B. durch einen weiteren Separator), und wobei sie mit einem zusätzlichen Kontakt verbunden ist. Elektrodenlagen mit aktivem Material auf beiden Seiten können in der WFW-Konfiguration ebenfalls eingesetzt werden, wobei das aktive Material auf einer Seite jeder Lage in diesem Fall vorzugsweise entlang der Länge der Lage von dem aktiven Material auf der anderen Seite der Lage versetzt ist, um die Nutzung des Materials nahe den Enden der Lagen zu erhöhen.
Die Abbildung aus 5 veranschaulicht schematisch wie die Struktur des Gehäuses der erfindungsgemäßen Zelle einen guten Kontaktdruck zwischen den Elektrodenlagen vorsehen kann. In dieser repräsentativen Veranschaulichung weist eine flache Abdeckung 36 zwei Rippen 38 auf, die sich von ihrer inneren Oberfläche 40 erstrecken. Die Unterseite 42 des Behälters 44 ist nach oben in dem Bereich zwischen den Rippen 38 kronenartig. Der Elektrodenstapel 46 wird zwischen den Rippen 38 abgelenkt, wenn die Abdeckung in den Behälter eingeführt wird, um der Krümmung der Unterseite 42 zu folgen. Die durch die Rippen 38 auf den Elektrodenstapel ausgeübte Kraft hält die gefalteten Ränder des Stapels zurück, wenn der Stapel abgelenkt wird, wodurch eine Restspannung in den einzelnen Lagen des Stapels vermittelt wird, wenn diese wirksam über die Krone der Unterseite des Behälters gestreckt werden. Die Restspannung in der Ebene der Elektrodenlagen führt zu einem Kontaktdruck zwischen den einzelnen Elektrodenlagen und zwischen der Elektrode und dem Behälter. Selbst wenn nur die obere Lage des Elektrodenstapels durch die Montage der Abdeckung an dem Behälter unter Spannung gesetzt wird, ist der Elektrodenstapel, der über eine gekrümmte Oberfläche abgelenkt worden ist, einem entsprechenden Kontaktdruck zwischen den Lagen ausgesetzt. Hiermit wird festgestellt, dass dieser Druck zwischen den Lagen es nicht voraussetzt, dass die flache, innere Oberfläche 40 der Abdeckung gegen den Elektrodenstapel 46 belastet ist oder diesen sogar berührt. Vielmehr ist es der Eingriff des Elektrodenstapels nahe dessen Rändern durch die Rippen 38 bevor der Stapel im Wesentlichen über die gekrümmte Behälterunterseite abgelenkt wird, der zu der gewünschten Spannung der Lagen des Elektrodenstapels führt. Das reine Biegen des Stapels, so dass dieser einem Bogen folgt, ohne es zu bewirken, dass sich die Gesamtlänge vergrößert, erzeugt nicht unbedingt einen Druck zwischen den Lagen, da die einzelnen Lagen des Stapels keine ausreichende Biegesteifheit aufweisen, um eine Belastung auf die Unterseite des Behälters zu erzeugen, wenn eine "Biegung" gegeben ist, die einem derart großen Radius folgt.
Ebenso wie bei dem Behälter aus 2 ist die Unterseite 42 des Behälters 44 aus 5 einwärts kronenartig, so dass sowohl die inneren als auch die äußeren Oberflächen der Unterseite des Behälters gekrümmt sind. Die Unterseite des Behälters kann somit auswärts abgelenkt werden, und zwar durch einen Druck, der durch inneren Behälterdruck oder durch Kontaktdruck über den Elektrodenstapel ausgeübt wird, ohne dass sie sich über die rechteckige äußere Hülle des Gehäuses hinaus erstreckt.
Der Elektrodenstapel kann über zwei oder mehr alternierende Kurven gestreckt werden, wie dies in der Abbildung aus 6 dargestellt ist. In der abgebildeten Konfiguration ist der Elektrodenstapel 46 über einen gekrümmten Abschnitt 48a des Behälters 50 gestreckt und über einen benachbarten gekrümmten Abschnitt 48b der Abdeckung 52. Hiermit wird festgestellt, dass sich die gekrümmten Abschnitte 48a und 48b kombiniert im Wesentlichen über den gesamten Abstand zwischen den Rippen 38 erstrecken, und dass sie sich in der Mitte der Zelle überlappen, so dass der abgelenkte Stapel im Wesentlichen keinen nennenswerten flachen Bereich aufweist. In den Abbildungen der 5 und 6 ist zwar ein WFW-Elektrodenstapel 46 abgebildet, wobei jedoch eine Fächerfaltungskonfiguration in jeder der Anordnungen ebenfalls verwendet werden kann.
Die Abbildung aus 7 veranschaulicht eine Li-Ionen-Zelle mit dem Gehäuse aus 2 und einem Fächerfaltungs-Elektrodenstapel 54. Jede Schicht, die aus einer negativen Elektrode, einer Trennlage und einer positiven Elektrode umfasst, ist zur besseren Veranschaulichung als einzelne Falzung bzw. einzelner Falz dargestellt. An jedem Ende des Stapels befinden sich drei 180 Grad Biegungen 56 des Stapels, so dass insgesamt sieben derartige Lagen vorhanden sind, die sich allgemein parallel über die Länge der Zelle erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel weist die positive Elektrode eine Länge von 301 Millimetern, eine Dicke von 0,13 Millimetern und eine Breite von 63 Millimetern auf, mit 28,36 Milligramm eines lithiierten Metalloxids je Quadratzentimeter der Elektrodenfläche. Die negative Elektrode weist eine Länge von 309 Millimetern, eine Dicke von 0,13 Millimetern und eine Breite von 65 Millimetern auf, mit 13,05 Milligramm Kohlenstoff je Quadratzentimeter der Elektrodenfläche. Der mikroporöse Polyethylen-Polypropylen-Separator weist eine Dicke von 0,025 Millimetern auf. Vorzugsweise sind die Baulängenfähigkeiten der Elektroden aufeinander abgestimmt, um während der Ladung eine Reduzierung der Lithiumplattierung zu unterstützen. Bei Tests lieferte die resultierende prismatische Zelle mit Fächerfaltung mit dem gekrümmten Gehäuse aus 2 0,686 Amperestunden nutzbarer Energie.
Die nominelle Gesamtdicke des Fächerfaltungs-Elektrodenstapels mit dessen sieben Lagen ist sieben Mal (0,13 + 0,025 + 0,13) oder etwa 2,0 Millimeter (d. h. etwa 0,45 Millimeter) kleiner als der Mindestabstand von 2,45 Millimetern zwischen der Abdeckung und dem Behälter in der Mitte der Zelle. Somit ist der Kontaktdruck zwischen Lagen in der Mitte des Behälters nicht das Ergebnis der Kompression von der Abdeckung, sondern der Spannung in dem Stapel. Restbiegungsbelastungen in den Elektroden- und Trennlagen an den Biegungen 56 bewirkt, dass der Stapel dazu neigt, eine größere Gesamtdicke an seinen Rändern als in der Mitte der Zelle anzunehmen, so dass während der Montage der Abdeckung an dem Behälter der Vorsprünge 28 der Abdeckung (2) der Elektrodenstapel zuerst berührt wird, wobei er nahe dessen Rändern geklemmt wird, während die Abdeckung an die Verwendungsposition abgesenkt wird.
Die gleichen Prinzipien gelten für die WFW-Konfiguration, wie dies in der Abbildung aus 8 dargestellt ist. Nahe der gefalteten Ränder des Stapels 58 nimmt dieser eine Gesamtdicke an, die größer ist als die Summe der Dicken seiner Lagen, und zwar aufgrund von Restbiegungsbeanspruchungen an den Stapelrändern. Be dieser Konfiguration sind die Längen der positiven und negativen Elektroden etwas kleiner als bei der Fächerfaltungskonfiguration, und zwar aufgrund der Dicke der Lagen an den Stapelrändern. Ansonsten weisen die Elektrodenund Trennlagen die gleiche Konstruktion auf, wie sie auch in dem vorstehend erörterten Ausführungsbeispiel für eine Fächerfaltungskonfiguration verwendet wird. Ebenso wie bei der Fächerfaltungsanordnung gibt es über die Dicke der Zelle insgesamt sieben Stapellagen. Bei dem WFW-Stapel jedoch ist die nominelle Stapeldicke in der Mitte der Zelle siebenfach (0,13 + 0,025 + 0,13 + 0,025) oder 2,17 Millimeter (weiterhin kleiner als die Mindestdicke des Hohlraums von 2,45 Millimetern). Wie dies bereits vorstehend in Bezug auf die Abbildung aus 5 beschrieben worden ist, kann die Unterseite des Behälters in den Ausführungsbeispielen aus den 7 und 8 durch Innendruck oder durch Stapelkräfte auswärts abgelenkt werden, ohne dass sie sich über die Ebene hinaus erstreckt, die durch die Unterkanten des Behälters definiert ist. Zusätzlich sind die Abdeckung und die Behälterunterseite steifer als flache Platten der gleichen Größe und Dicke, und sie können Belastungen und Druckbelastungen mit einer geringeren Ablenkung nach außen widerstehen. Sie sind ferner somit widerstandsfähiger in Bezug auf externe Belastungen und/oder Druckbelastungen.
Die Gehäuse aus den Abbildungen der 1, 2, 7 und 8 bestehen alle aus gestanztem Metall wie etwa aus rostfreiem oder nickelplattiertem, kaltgewalzten Stahl, und sie weisen gekrümmte äußere Oberflächen auf, die ihren gekrümmten inneren Oberflächen entsprechen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß den Abbildungen der 9 und 10 bestehen das Gehäuse 60 und die Abdeckung 62 aus geformtem Kunststoff mit entsprechenden flachen äußeren Oberflächen 64 bzw. 66. Jede ist so geformt, dass eine gekrümmte innere Oberfläche gemäß der Abbildung aus 10 vorgesehen wird, um die gleiche Stapelspannung vorzusehen, wie dies vorstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele mit gestanztem Metall beschrieben worden ist. Zwei Durchgänge sind in der Abdeckung zur Anbringung der Kontakte 68 vorgesehen.
Andere Ausführungsbeispiele und Merkmale sind ebenfalls Teil des Umfangs der folgenden Ansprüche. Zum Beispiel kann das erfindungsgemäße Konzept der Stapelspannung mit anderen bekannten Techniken kombiniert werden, wie etwa der Kompressionsbelastung zwischen Behälter und Abdeckung, um einen noch höheren Druck zwischen den Lagen in den breiten Lagen des Elektrodenstapels vorzusehen.

Claims

Elektrochemische Zelle (10), die folgendes umfasst: ein geschlossenes prismatisches Gehäuse, wobei das genannte Gehäuse aus einem Behälter (44) und einer Abdeckung (36) mit zwei entgegengesetzten, inneren Seitenoberflächen (40, 42) besteht, die dazwischen einen inneren Hohlraum mit einer Breite und einer Länge definieren, wobei eine der genannten Seitenoberflächen (42) einen konvexen Bogen definiert; und einen Elektrodenstapel (46), der sich in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei der Elektrodenstapel (46) positive und negative Elektrodenlagen umfasst, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei der Elektrodenstapel (46) zwischen den genannten Seitenoberflächen (40, 42) des Gehäuses angeordnet ist, so dass der Stapel (46) so verformt ist, dass er dem konvexen Bogen folgt, um den Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen aufrechtzuerhalten; dadurch gekennzeichnet, dass die genannte andere der genannten Seitenoberflächen (40) ein zentrales Teilstück aufweist, das entgegengesetzt zu dem konvexen Bogen der einen Seitenoberfläche (42) angeordnet ist, und wobei sich beabstandete Rippen (38) in Richtung der einen Seitenoberfläche (42) erstrecken und den konvexen Bogen überspannen, wobei die Rippen (38) so angeordnet sind, dass sie den Elektrodenstapel (46) an seiner verformten Position gegen den konvexen Bogen halten.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der konvexe Bogen im Wesentlichen die Länge des inneren Hohlraums überspannt.
Elektrochemische Zelle (10), die folgendes umfasst: ein geschlossenes prismatisches Gehäuse, wobei das genannte Gehäuse aus einem Behälter (44) und einer Abdeckung (36) mit zwei entgegengesetzten, inneren Seitenoberflächen (48a,b) besteht, die dazwischen einen inneren Hohlraum mit einer Breite und einer Länge definieren, wobei jede der genannten Seitenoberflächen (42) einen konvexen Bogen definiert; und einen Elektrodenstapel (46), der sich in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei der Elektrodenstapel (46) positive und negative Elektrodenlagen umfasst, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei der Elektrodenstapel (46) zwischen den genannten Seitenoberflächen (48a,b) des Gehäuses angeordnet ist, so dass der Stapel (46) so verformt ist, dass er den konvexen Bögen folgt, um den Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen aufrechtzuerhalten; dadurch gekennzeichnet, dass jede der genannten Seitenoberflächen (48a,b) ein Teilstück aufweist, das entgegengesetzt zu dem konvexen Bogen der anderen Seitenoberfläche angeordnet ist, und wobei sich eine Rippe (38) in Richtung der anderen Seitenoberfläche erstreckt, wobei sich die Bogenteilstücke kombiniert im Wesentlichen über die gesamte Strecke zwischen den Rippen (38) erstrecken und sich an einer Mitte der Zelle (10) überdecken, und wobei die Rippen (38) so angeordnet sind, dass sie den Elektrodenstapel (46) an seiner verformten Position gegen die konvexen Bögen halten.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die positiven und negativen Elektrodenlagen durch eine poröse Trennlage getrennt sind.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die positiven und die negativen Elektrodenlagen jeweils eingelagerte aktive Materialien umfassen.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die positive Elektrodenlage eine erste leitfähige Lage umfasst, die mit einem aktiven Material überzogen ist, das ein Metalloxid aufweist; und wobei die negative Elektrode eine zweite leitfähige Lage umfasst, die mit einem aktiven Material überzogen ist, das Kohlenstoff aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten leitfähigen Lagen jeweils nur auf einer Seite mit aktivem Material überzogen sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Metalloxid lithiiert ist und das Elektrolyt organisch ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Elektrolyt wässrig ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektrodenstapel in einer flach gewickelten Konfiguration gewickelt ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Elektrodenstapel eine Zickzackfalzungskonfiguration aufweist.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der genannte Behälter und die genannte Abdeckung entsprechend die genannten zwei entgegengesetzten, inneren Seitenoberflächen umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, wobei der Behälter den genannten konvexen Bogen definiert.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12 oder 13, wobei der genannte Behälter und die genannte Abdeckung jeweils aus einer einzelnen Lage aus gestanztem Metall bestehen.
Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Behälter und die Abdeckung jeweils aus Kunststoff bestehen und im Wesentlichen flache äußere Oberflächen angrenzend an die genannten inneren Seitenoberflächen aufweisen.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lagen des abgelenkten Stapels entlang dem konvexen Bogen der Seitenoberfläche gespannt sind.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse von allen der genannten Elektrodenlagen elektrisch isoliert ist.
Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannten Seitenoberflächen in der Nähe der Mitte ihrer Fläche um eine Strecke getrennt sind, die kleiner ist als etwa 50 Prozent der Länge des inneren Hohlraums.
Verfahren zur Konstruktion der elektrochemischen Zelle aus Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen des Elektrodenstapels zwischen den entgegengesetzten inneren Seitenoberflächen, so dass sich der Elektrodenstapel in dem inneren Hohlraum des Gehäuses befindet, wobei sich eine Seite des Stapels in Kontakt mit dem konvexen Bogen befindet, und wobei sich eine entgegengesetzte Seite des Stapels in Kontakt mit den genannten beabstandeten Rippen befindet; Zusammendrücken des Behälters und der Abdeckung, so dass der Elektrodenstapel um den konvexen Bogen verformt wird, so dass ein Kontaktdruck zwischen den positiven und negativen Elektrodenlagen erzeugt wird; und Anbringen des Behälters an der Abdeckung, wobei sich der Elektrodenstapel in dessen verformten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Anordnens des Elektrodenstapels das Falzen des Elektrodenstapels in eine Fächerfalzkonfiguration umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Anordnens des Elektrodenstapels ferner das Wickeln des Elektrodenstapels in eine gewickelte Flachwicklungskonfiguration umfasst.