DE69912454T2 - Konstruktion einer batterie mit sicherheitsentlüftung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine elektrochemische Zellenkonstruktionen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Behältnisse und Kollektor-Baugruppen, die für eine elektrochemische Zelle verwendet werden, beispielsweise für eine alkalische Zelle.
  • 1 zeigt die Konstruktion einer herkömmlichen alkalischen Zelle 10 mit einer C Größe. Wie gezeigt umfasst die Zelle 10 einen zylindrisch ausgeformten Behälter 12 mit einem offenen Ende und einem geschlossenem Ende. Der Behälter 12 ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, so dass eine äußere Abdeckung 11, die an eine Bodenfläche 14 an dem geschlossenen Ende des Behälters 12 angeschweißt ist, als ein elektrischer Kontaktanschluss für die Zelle dient.
  • Die Zelle 10 umfasst ferner typischerweise ein erstes Elektrodenmaterial 15, das als die positive Elektrode (auch als eine Kathode bekannt) dienen kann. Das erste Elektrodenmaterial 15 kann vorgeformt und in den Behälter 12 eingesetzt werden oder kann in einem Stück geformt werden, um so die inneren Oberflächen des Behälters 12 zu kontaktieren. Für eine alkalische Zelle wird ein erstes Elektrodenmaterial 15 typischerweise MnO2 einschließen. Nachdem die erste Elektrode 15 in den Behälter 12 eingebracht worden ist, wird ein Separater 17 in den Raum eingefügt, der durch die erste Elektrode 15 definiert wird. Der Separater 17 ist vorzugsweise ein nicht gewobener Stoff. Der Separater 17 ist vorgesehen, um eine physikalische Trennung des ersten Elektrodenmaterials 15 und eines Gemischs eines Elektrolyts und eines zweiten Elektrodenmaterials 20 aufrecht zu halten, während der Transport von Ionen zwischen den Elektrodenmaterialien erlaubt wird.
  • Sobald der Separater 17 innerhalb des Hohlraums, der von der ersten Elektrode 15 definiert wird, am Platz ist, wird ein Elektrolyt in den Raum hineingegeben, der von dem Separater 17 definiert wird, zusammen mit dem Gemisch 20 des Elektrolyts und eines zweiten Elektrodenmaterials, das die negative Elektrode (auch bekannt als die Anode) sein wird. Das Gemisch 20 aus dem Elektrolyt/der zweiten Elektrode umfasst vorzugsweise ein Vergellungsmittel. Für eine typische Alkalizelle wird das Gemisch 20 aus einer Mischung eines wasserhaltigen KOH Elektrolyts und Zink gebildet, das als das zweite Elektrodenmaterial dient. Wasser und zusätzliche Additive können ebenfalls in der Mischung 20 enthalten sein.
  • Sobald die erste Elektrode 15, der Separater, das Elektrolyt und das Gemisch 20 innerhalb des Behälters 12 gebildet worden sind, wird eine vorher zusammengebaute Kollektor-Baugruppe 25 in das offene Ende des Behälters 12 eingesetzt. Der Behälter 12 ist typischerweise an seinem offenen Ende leicht verjüngt. Diese Verjüngung dient dazu die Kollektor-Baugruppe in einer gewünschten Orientierung zu halten, bevor sie an ihrem Platz befestigt wird. Nachdem die Kollektor-Baugruppe 25 eingesetzt worden ist, wird eine äußere Abdeckung 45 über die Kollektor-Baugruppe 25 angeordnet. Eine Kollektor-Baugruppe 25 wird an der Stelle befestigt, indem der Behälter gegenüber der Kollektor-Baugruppe 25 radial gedrückt wird. Die Endkante 13 des Behälters 12 wird über die Umfangslippen der Kollektor-Baugruppe 25 gecrimped, wodurch die äußere Abdeckung 25 und die Kollektor-Baugruppe 25 innerhalb des Endes des Behälters 12 befestigt werden. Wie nachstehend näher beschrieben wird besteht eine Funktion, die von der Kollektor-Baugruppe 25 bereitgestellt wird, darin einen zweiten externen elektrischen Kontakt für die elektrochemische Zelle bereitzustellen. Zusätzlich muss die Kollektor-Baugruppe 25 das offene Ende des Behälters 12 abdichten, um zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien darin von dieser Zelle heraus lecken. Zusätzlich muss die Kollektor-Baugruppe 25 eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um den physikalischen Missbrauch auszuhalten, dem Batterien typischerweise ausgesetzt sind. Weil elektrochemische Zellen Wasserstoffgas erzeugen können, muss die Kollektor-Baugruppe 25 auch ermöglichen, dass intern erzeugtes Wasserstoffgas dadurch dringt, um von der elektrochemischen Zelle nach außen zu entweichen. Ferner sollte die Kollektor-Baugruppe 25 irgendeine Form von Druckentlastungsmechanismus einschließen, um einen Druck zu entlasten bzw. zu entlüften, der intern innerhalb der Zelle erzeugt wird, wenn dieser Druck zu groß werden sollte. Derartige Bedingungen können auftreten, wenn die elektrochemische Zelle intern Wasserstoff bei einer Rate erzeugt, die diejenige übersteigt, mit der das intern erzeugte Wasserstoffgas durch die Kollektor-Baugruppe von der Zelle nach außen dringen kann.
  • Die Kollektor-Baugruppe 25, die in 1 gezeigt ist, umfasst eine Abdichtung 30, einen Kollektornagel 40, eine innere Abdeckung 44, eine Unterlegscheibe 50 und eine Vielzahl von Spitzen 52. Die Abdichtung 30 ist so gezeigt, dass sie eine zentrale Nabe 32 mit einem Loch einschließt, durch das ein Kollektornagel 40 eingesetzt ist. Die Abdichtung 30 umfasst ferner einen V-förmigen Abschnitt 34, der eine obere Oberfläche 16 der ersten Elektrode 15 kontaktieren kann.
  • Die Abdichtung 30 umfasst auch eine umfangsmässige aufrechtstehende Wand 36, die sich nach oben entlang des Umfangs der Abdichtung 30 in einer ringförmigen Weise erstreckt. Die umfangsmässige aufrechtstehende Wand 36 dient nicht nur als eine Abdichtung zwischen dem Übergang der Kollektor-Baugruppe 25 und dem Behälter 12, sondern dient auch als ein elektrischer Isolator, um zu verhindern, dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem positiven Behälter und dem negativen Kontaktanschluss der Zelle auftritt.
  • Die innere Abdeckung 44, die aus einem festen Metall gebildet ist, ist vorgesehen, um die Festigkeit und Halterung der radialen Kompression der Kollektor-Baugruppe 25 zu erhöhen, wodurch die Abdichtungs-Effektivität verbessert wird. Wie in 1 gezeigt, ist die innere Abdeckung 44 konfiguriert, um den zentralen Nabenabschnitt 32 und die umfangsmäßige aufrechtstehende Wand 36 zu kontaktieren. Durch Konfigurieren der Kollektor-Baugruppe 25 in dieser Weise dient die innere Abdeckung 44 dazu eine Kompression des zentralen Nabenabschnitts 32 durch einen Kollektornagel 40 zu ermöglichen, während auch eine Kompression der umfangsmässigen aufrechtstehenden Wand 36 durch die innere Oberfläche des Behälters 12 unterstützt wird.
  • Die äußere Abdeckung 45 ist typischerweise aus einem mit Nickel plattierten Stahl gebildet und ist konfiguriert, um sich von einem Bereich, der von der ringförmigen umfangsmässigen aufrechtstehenden Wand 36 der Abdichtung 30 definiert wird, zu erstrecken und um in einen elektrischen Kontakt mit dem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 zu sein. Die äußere Abdeckung 45 kann an dem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 angeschweißt sein, um irgendeinen Verlust des Kontakts zu verhindern. Wenn, wie in 1 gezeigt, die Kollektor-Baugruppe 25 in das offene Ende des Behälters 12 eingesetzt wird, dringt der Kollektornagel 40 tief in das Gemisch 20 aus dem Elektrolyt/der zweiten Elektrode ein, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt damit herzustellen. In dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, umfasst die äußere Abdeckung 45 eine umfangsmässige Lippe 47, die sich nach oben entlang des Umfangs der äußeren Abdeckung 45 erstreckt. Durch Bilden der umfangsmässigen aufrechtstehenden Wand 36 der Abdichtung 30 mit einer größeren Länge als diejenige der Umfangslippe 47 kann ein Abschnitt einer umfangsmässigen aufrechtstehenden Wand 36 über eine Umfangslippe 47 während des Crimpprozesses gefaltet werden, um so zu verhindern, dass irgendein Abschnitt der oberen Kante 30 des Behälters 20 in einen Kontakt mit der äußeren Abdeckung 45 kommt.
  • Die Abdeckung 30 ist vorzugsweise aus Nylon gebildet. In der Konfiguration, die in der Figur gezeigt ist, ist ein Druckentlastungsmechanismus vorgesehen, um die Entlastung bzw. Entlüftung eines internen Drucks zu ermöglichen, wenn ein derartiger Druck zu groß wird. Ferner sind die innere Abdeckung 44 und die äußere Abdeckung 45 typischerweise mit Öffnungen 43 versehen, die erlauben, dass das Wasserstoffgas von der Zelle nach außen entweicht. Der gezeigte Mechanismus umfasst eine ringförmige Metallunterlegscheibe 50 und eine Vielzahl von Spitzen 52, die zwischen der Abdichtung 30 und der inneren Abdeckung 44 vorgesehen sind. Jede Spitze 52 umfasst ein spitzes Ende 53, das gegen einen dünnen Zwischenabschnitt 38 der Spitze 30 drückt. Die Spitzen 52 sind gegen die untere innere Oberfläche der inneren Abdeckung 44 derart vorgespannt, dass dann, wenn der innere Druck der Zelle 10 zunimmt und die Abdichtung 30 demzufolge durch einen Druck nach oben in Richtung auf die innere Abdeckung 44 hin deformiert wird, die spitzen Enden 53 der Spitzen 52 durch den dünnen Zwischenabschnitt 38 der Abdichtung 30 dringen, um die Abdichtung 30 zu zerreißen und die Entweichung des intern erzeugten Gases durch die Öffnungen 43 zu erlauben.
  • Obwohl die voranstehend beschriebene Kollektor-Baugruppe 25 die gesamten voranstehend angegebenen wünschenswerten Funktionen in zufriedenstellender Weise ausführt, wie sich aus ihrem Querschnittsprofil entnehmen lässt, belegt diese bestimmte Kollektor-Baugruppe einen beträchtlichen Platz innerhalb des Innenraums der Zelle 10. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 1 gezeigte Konstruktion nur ein Beispiel einer Zellenkonstruktion ist. Andere Kollektor-Baugruppen existieren, die niedrigere Profile aufweisen können und somit weniger Platz innerhalb der Zelle belegen. Jedoch erreichen derartige Kollektor-Baugruppen diese Verringerung des besetzten Volumens typischerweise auf Kosten der Abdichtungscharakteristiken der Kollektor-Baugruppe oder des Betriebsverhaltens und der Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus.
  • Die gemessenen externen und internen Volumen von mehreren Batterien, die kommerziell an dem Prioritätstag dieser Anmeldung verfügbar waren, sind in den Tabellen aufgelistet, die in den 2A und 2B gezeigt sind. Die Tabellen listen die Volumen (cc) für Batterien der Größe D, C, AA und AAA auf. Das Kollektor-Baugruppen-Volumen und der prozentuale Anteil des gesamten Zellenvolumens, dass das Kollektor-Baugruppen-Volumen bildet, ist in 2B für diejenigen kommerziell erhältlichen Batterien vorgesehen, die in 2A gelistet sind. Ferner ist in 2A ein prozentualer Anteil des gesamten Zellenvolumens vorgesehen, dass das interne Volumen bildet, das zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist.
  • Das „gesamte Zellenvolumen", umfasst das gesamte Volumen einschließlich irgendwelcher inneren Todräume Batterie. Für die in 1 gezeigte Batterie umfasst das Gesamtvolumen idealer weise das gesamt schraffierte Gebiet, wie in 3A gezeigt. Das „innere Volumen" der Batterie wird durch das schraffierte Gebiet dargestellt, das in 3B gezeigt ist. Das „innere Volumen", wie hier verwendet, ist dasjenige Volumen innerhalb der Zelle oder der Batterie, das die elektrochemisch aktiven Materialien sowie irgendwelche Leerstellen und chemische Edelmaterialien (außer dem Kollektornagel) enthält, die innerhalb des abgedichteten Volumens der Zelle eingeschlossen sind. Derartige chemische Edelmaterialien können Separatoren, Leiter und irgendwelche Edeladditive in den Elektroden einschließen. Wie hier beschrieben schließt der Ausdruck „elektrochemisch aktive Materialien" die positiven und negativen Elektroden und das Elektrolyt ein. Das „Kollektor-Baugruppen-Volumen" umfasst den Kollektornagel, die Abdichtung, die innere Abdeckung, die Unterlegscheibe, die Spitzen und irgendein Leervolumen zwischen der unteren Oberfläche der negativen Abdeckung und der Abdichtung (mit dem schraffierten Gebiet in 3C angezeigt). Das „Behältnisvolumen" umfasst das Volumen des Behälters, des Labels, der negativen Abdeckung, des Leerstellenvolumens zwischen dem Label und der negativen Abdeckung, der positiven Abdeckung und das Leerstellenvolumen zwischen der positiven Abdeckung und dem Behälter (mit dem schraffierten Gebiet in 3D gezeigt). Wenn das Label sich auf und in einen Kontakt mit der negativen Abdeckung (äußere Abdeckung 45) hinein erstreckt, ist das Leerstellenvolumen, das zwischen dem Label und der negativen Abdeckung vorhanden ist, in dem Behältnisvolumen enthalten und wird deshalb auch als ein Teil des Gesamtvolumens angesehen. Ansonsten ist das Leerstellenvolumen nicht in entweder dem Behältnisvolumen oder dem Gesamtvolumen enthalten.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Gesamtsumme des „internen Volumens", des „Kollektor-Baugruppen-Volumens", und des „Behältnisvolumens" gleich zu dem „Gesamtvolumen" ist. Demzufolge kann das interne Volumen, das für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar ist, durch Messen des Kollektor-Baugruppen-Volumens und des Behältnisvolumens und durch Subtrahieren des Kollektor-Baugruppen-Volumens und des Behältnisvolumens von dem gemessenen Gesamtvolumen der Batterie bestätigt werden.
  • Weil die äußeren Abmessungen der elektrochemischen Zelle allgemein durch das American National Standards Institute (ANSI) oder andere Standardorganisationen festgelegt ist, gilt, dass je größer der Raum ist, der von der Kollektor-Baugruppe belegt wird, desto geringer der Platz ist, der innerhalb der Zelle für die elektrochemischen Materialien verfügbar ist. Demzufolge führt eine Verringerung in der Menge der elektrochemischen Materialien, die innerhalb der Zelle bereitgestellt werden können, zu einer kürzeren Lebensdauer für die Zelle. Es ist deshalb wünschenswert das innere Volumen innerhalb einer elektrochemischen Zelle zu maximieren, das für die elektrochemisch aktiven Komponenten verfügbar ist.
  • Es wurde nun festgestellt, dass dies durch Konstruieren einer elektrochemischen Zelle erreicht werden kann, bei der der Platz, der von der Kollektor-Baugruppe belegt wird, und der Platz, der von dem Behältnisvolumen belegt wird, minimiert werden, während noch adäquate Abdichtungscharakteristiken und ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus beibehalten wird.
  • Demzufolge stellt in einem ersten Aspekt die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle bereit, die umfasst:
    einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien mit positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein offenes Ende, ein geschlossenes Ende mit einer Endwand, die sich über das geschlossene Ende erstreckt, und Seitenwände, die sich zwischen den offenen und geschlossenen Enden erstrecken, aufweist;
    eine erste Abdeckung, die über dem offenen Ende positioniert ist;
    einen Druckentlastungsmechanismus, der in der Endwand des Behälters gebildet ist;
    eine zweite Abdeckung, die auf der Endwand des Behälters positioniert ist, um in einem elektrischen Kontakt damit zu stehen und sich über den Druckentlastungsmechanismus zu erstrecken.
  • In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer elektrochemischen Zelle bereit, umfassend die folgenden Schritte:
    Bilden eines Behälters mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende;
    Bilden eines Druckentlastungsmechanismus in dem geschlossenen Ende des Behälters;
    Anbringen einer zweiten Abdeckung an dem geschlossenen Ende des Behälters, so dass sich die zweite Abdeckung über den Druckentlastungsmechanismus erstreckt;
    Einfüllen von elektrochemisch aktiven Materialien in den Behälter;
    Abdichten einer ersten Abdeckung über dem offenen Ende des Behälters.
  • Der Druckentlastungsmechanismus ist in der Endwand des Behälters gebildet und umfasst vorzugsweise eine bogenförmige Ausnehmung, die in einer Oberfläche der Endwand des Behälters gebildet ist. Eine zweite Abdeckung ist auf der Endwand des Behälters positioniert, um in einem elektrischen Kontakt damit zu sein und sich über den Druckentlastungsmechanismus zu erstrecken. Die Zelle ist vorzugsweise eine zylindrische Zelle.
  • In vorteilhafter Weise kann durch Bereitstellen eines Druckentlastungsmechanismus in der Endwand des Behälters eine Kollektor-Baugruppe verwendet werden, die ein signifikant niedrigeres Profil aufweist und dadurch wesentlich weniger Platz innerhalb einer elektrochemischen Zelle belegt. Ferner kann diese Anordnung Zellenkonstruktionen ermöglichen, die einen geringeren Wasserverlust über der Zeit als herkömmliche Baugruppen aufzeigen, wodurch die Lagerungslebensdauer der Zelle erhöht wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus bereitgestellt werden kann, der nicht einen wesentlichen prozentualen Anteil des verfügbaren Zellenvolumens belegt. Noch ein anderer Vorteil besteht darin, dass die Zellenkonstruktionen in der Herstellung einfacher sein können und weniger Materialien benötigen, wodurch sie möglicherweise geringere Herstellungskosten aufweisen. Ferner werden Zellenkonstruktionen ermöglicht, die ermöglichen, dass eine geringere radiale Kompressionskraft von dem Behälter angelegt wird, um die Zelle richtig abzudichten, wodurch ermöglicht wird, dass ein Behälter mit dünneren Seitenwänden verwendet wird und somit zu einem größeren inneren Zellenvolumen führt.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnung verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Querschnitt einer herkömmlichen alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C;
  • 2A eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und internen Zellenvolumen, die für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar sind, wie für diejenigen Batterien gemessen, die kommerziell am Prioritätstag dieser Anmeldung erhältlich waren, zeigt;
  • 2B eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und Kollektor-Baugruppen-Volumen zeigt, wie für diejenigen Batterien gemessen, die kommerziell verfügbar waren, wie in 2A vorgesehen;
  • 3A–3D Querschnitte einer herkömmlichen alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C, die die Gesamtbatterie und verschiedene Komponentenvolumen darstellen;
  • 4A ein Querschnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C, die in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Zurückrollabdeckung, eine ringförmige L-förmige (J-förmige) Abdichtung und einen Druckentlastungsmechanismus aufweist, der in der Behälterbodenwand gebildet ist;
  • 4B einen Querschnitt des oberen Abschnitts einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C, die in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Zurückrollabdeckung aufweist und eine L-förmige ringförmige Abdichtung einschließt;
  • 4C eine perspektivische Explosionsansicht der elektrochemischen Zelle, die in 4A gezeigt ist, wobei eine Baugruppe der Kollektorabdichtung und eine Abdeckungs-Baugruppe gezeigt ist;
  • 5 eine Bodenansicht eines Batteriebehälters mit einem Druckentlastungsmechanismus, der in dem geschlossenen Ende des Behälters gebildet ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie X-X der Behälterbelüftung, die in 5 gezeigt ist;
  • 7 einen Querschnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C mit einer Konstruktion eines Getränkebehälter-Typs, in Übereinstimmung mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8A eine perspektivische Teilexplosionsansicht der Batterie, die in 7 gezeigt ist;
  • 8B und 8C Querschnittsansichten eines Abschnitts der Batterie, die in 7 gezeigt ist, wobei der Prozess zum Bilden der Konstruktion des Getränkebehälter-Typs dargestellt ist;
  • 8D eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts der Batterie, die in 7 gezeigt ist;
  • 9 einen Querschnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C mit einer Konstruktion eines Getränkebehälter-Typs, in Übereinstimmung mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 10A eine Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und das interne Zellenvolumen für verschiedene Batterien zeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
  • 10B eine Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und das Kollektor-Baugruppen-Volumen für verschiedene Batterien zeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
  • 11 einen Querschnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C mit einer Kollektorzuführung durch eine Konstruktion in Übereinstimmung mit einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 eine Baugruppen-Explosionsansicht der elektrochemischen Zelle, die in 11 gezeigt ist; und
  • 13 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren eines Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle darstellt, die in den 11 und 12 gezeigt ist.
  • Wie voranstehend beschrieben besteht eine Hauptzielrichtung der vorliegenden Erfindung darin, das interne Volumen zu erhöhen, das in einer Batterie zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien zur Verfügung steht, ohne die Zuverlässigkeit des in der Batterie vorgesehenen Druckentlastungsmechanismus stark herabzusetzen und ohne die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Batterie ansonsten lecken würde.
  • Dies wird erreicht, indem ein Druckentlastungsmechanismus in dem geschlossenen Ende des Behälters gebildet wird, um einen inneren Druck von innerhalb des Behälters freizugeben, wenn der innere Druck zu groß wird. Infolge dessen können die bekannten komplexen Kollektor/Abdichtungs-Baugruppen durch eine Kollektor-Baugruppe ersetzt werden, die weniger Volumen verbraucht und weniger Teile aufweist. Somit kann eine signifikante Verbesserung in der Effizienz des inneren Zellenvolumens erreicht werden.
  • Der Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise dadurch gebildet, dass eine Ausnehmung in der Oberfläche des Behälters bereitgestellt wird. Diese Ausnehmung kann zum Beispiel durch Prägen einer Bodenfläche des Behälters, Schneiden einer Ausnehmung in die Bodenfläche, oder Formen der Ausnehmung in der Oberfläche des Behälters zu der Zeit, zu der die positive Elektrode geformt wird, gebildet werden. Für eine Batterie der Größe AA ist eine geeignete Dicke des Metalls an dem Boden der geprägten Ausnehmung ungefähr 50 μm (2 mils). Für eine Batterie der Größe D ist eine geeignete Dicke ungefähr 75 μm (3 mils). Die Ausnehmung kann als ein Bogen von ungefähr 300 Grad gebildet werden. Indem die Form, die von der Ausnehmung gebildet wird, leicht offen gehalten wird, wird der Druckentlastungsmechanismus ein effektives Gelenk aufweisen.
  • Der Druckentlastungsmechanismus ist unterhalb einer äußeren Abdeckung so positioniert, dass verhindert wird, dass die elektrochemischen Materialien bei einem Riss in gefährlicher Weise direkt von der Batterie nach außen spritzen. Wenn die Batterie in Serie zu einer anderen Batterie verwendet werden würde, so dass das Ende des positiven Anschlusses der Batterie an den negativen Anschluss einer anderen Batterie gedrückt wird, erlaubt die Bereitstellung einer äußeren Abdeckung über dem Druckentlastungsmechanismus auch, dass sich der Mechanismus unter der positiven Vorstehung nach außen wölbt und schließlich reißt. Wenn keine äußere Abdeckung in derartigen Zuständen vorhanden ist, kann der Kontakt zwischen den zwei Batterien ansonsten verhindern, dass der Druckentlastungsmechanismus reißt. Wenn eine äußere Abdeckung nicht über dem Druckentlastungsmechanismus vorgesehen ist, kann ferner der Druckentlastungsmechanismus an dem positiven Ende der Batterie empfindlicher gegenüber einer Beschädigung sein. Die äußere Abdeckung schirmt den Druckentlastungsmechanismus auch vor den Korrosionseffekten der Umgebung ab und verringert deshalb die Möglichkeit einer vorzeitigen Entlüftung und/oder eines vorzeitigen Lecks. Somit wird der Druckentlastungsmechanismus unter einer äußeren Abdeckung an dem geschlossenen Ende des Batteriebehälters gebildet. Die äußere Abdeckung dient vorzugsweise als der positive externe Batterieanschluss.
  • Demzufolge wird in einer bevorzugten Ausführungsform eine Batterie bereitgestellt, die umfasst: einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemischen Materialien mit positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen den ersten und zweiten Enden erstrecken, und eine Endwand, die sich über das erste Ende erstreckt, aufweist; einen Druckentlastungsmechanismus, der in der Endwand des Behälters zum Freigeben eines inneren Drucks von innerhalb des Behälters, wenn der innere Druck zu groß wird, gebildet ist; eine erste äußere Abdeckung, die auf der Endwand des Behälters positioniert ist, um in einem elektrischen Kontakt damit zu sein und sich über den Druckentlastungsmechanismus zu erstrecken; eine zweite äußere Abdeckung, die über dem offenen zweiten Ende des Behälters positioniert ist; und einen Isolator, der zwischen dem Behälter und der zweiten äußeren Abdeckung angeordnet ist, zum elektrischen Isolieren des Behälters von der zweiten äußeren Abdeckung.
  • Die Größe des Gebiets, das von der Ausnehmung beschrieben wird, ist vorzugsweise derart gewählt, dass auf einen Riss hin, als Folge eines zu großen inneren Drucks, sich das Gebiet innerhalb der Ausnehmung an dem Gelenk innerhalb des positiven Vorsprungs der äußeren Abdeckung ohne eine Störung von der äußeren Abdeckung verschwenken kann. Im Allgemeinen hängt die Größe des Gebiets, das von der Ausnehmung definiert wird, sowie die gewählte Tiefe der Ausnehmung, von dem Durchmesser des Behälters und dem Druck ab, bei dem der Druckentlastungsmechanismus reißen soll und ein Entweichen von intern erzeugten Gasen erlauben soll.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine elektrochemische Zelle vorgesehen, die eine Kollektor-Baugruppe einschließt, die das offene Ende eines Behälters verschließt und abdichtet. Die Kollektor-Baugruppe umfasst einen Kollektor, beispielsweise einen Nagel, der in einem elektrischen Kontakt mit einer Elektrode, zum Beispiel der negativen Elektrode, angeordnet ist. In der Kollektor-Baugruppe ist auch eine Abdeckung enthalten. Eine ringförmige Abdichtung mit einem L-förmigen Querschnitt ist zwischen dem Behälter und der Abdeckung zum elektrischen Isolieren des Behälters von der Abdeckung und zum Erzeugen einer Abdichtung zwischen der Abdeckung und dem Behälter angeordnet. Die Abdichtung kann ferner ein verlängertes vertikales Element einschließen, um einen J-förmigen Querschnitt zu bilden. Der Druckentlastungsmechanismus ist in einer Oberfläche des Behälters vorhanden.
  • Das offene Ende des Behälters ist durch Platzieren einer ringförmigen Abdichtung mit entweder einem J-förmigen oder einem L-förmigen Querschnitt, in dem offenen Ende des Behälters abgedichtet. Vorzugsweise besteht die Abdichtung aus Nylon, obwohl andere geeignete Materialien verwendet werden könnten. Eine äußere Abdeckung, die vorzugsweise als der negative Anschluss dient und die vorzugsweise eine zurückgerollte Umfangskante aufweist, wird in die Abdichtung eingesetzt. Danach kann die äußere Kante des Behälters gecrimped werden, um die Abdichtung und die Abdeckung an der Stelle zu halten. Um dazu beizutragen die Abdichtung an der Stelle zu halten, wird vorzugsweise um den Umfang des offenen Endes des Behälters herum ein Wulst gebildet. Die Abdichtung wird vorzugsweise mit einem Material wie Asphalt beschichtet, um sie vor den elektrochemisch aktiven Materialien zu schützen und eine bessere Abdichtung bereitzustellen.
  • Die ringförmige Abdichtung kann mit einem J-förmigen Querschnitt konfiguriert werden, der eine verlängerte vertikale Wand an dem äußersten Umfang davon, eine kürzere vertikale Wand an der radial inneren Seite der Abdichtung und ein horizontales Basiselement, das zwischen den vertikalen Wänden gebildet ist, einschließt. Mit der Anwesenheit dieses kurzen vertikalen Abschnitts wird auf die ringförmige Abdichtung hier so Bezug genommen, dass sie entweder einen J-förmigen oder L-förmigen Querschnitt aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die J-förmige Abdichtung auch bei Abwesenheit des kurzen vertikalen Abschnitts konfiguriert werden könnte, um einen reinen L-förmigen Querschnitt zu bilden.
  • Die elektrochemische Zelle kann wie folgt zusammengebaut werden. Der Behälter, vorzugsweise ein zylindrischer Behälter, wird mit Seitenwänden, die das offene Ende definieren und vorzugsweise einem Wulst zur Aufnahme von intern angeordneten Batteriematerialien vor dem Verschließen des Behälters gebildet. Innerhalb des Behälters sind die aktiven elektrochemischen Zellenmaterialien einschließlich der positiven und negativen Elektroden und dem Elektrolyt, sowie der Separater und irgendwelche Additive, angeordnet. Die äußere Abdeckung, mit einem Kollektor, der an der Bodenfläche der Abdeckung befestigt ist und die ringförmige Abdichtung werden zusammengebaut und in das offene Ende des Behälters eingesetzt, um den Behälter abzudichten und zu verschließen. Der Kollektor, vorzugsweise ein Nagel, ist vorzugsweise an der Bodenseite der äußeren Abdeckung durch eine Verschweißung, wie beispielsweise über eine Punktschweißung, befestigt. Zusammen steht der Kollektor und die Abdeckung mit der Abdichtung in Eingriff, um eine Kollektor-Baugruppe zu bilden, und die Kollektor-Baugruppe wird in den Behälter derart eingesetzt, dass die vorzugsweise zurückgerollte Umfangskante der äußeren Abdeckung gegen die innere Wand der ringförmigen Abdichtung über dem Wulst angeordnet ist, der die Abdichtung haltert. Die Kollektor-Baugruppe wird innerhalb des offenen Endes des Behälters mit Kraft angeordnet, um an der Behälteröffnung satt anzuliegen und diese zu verschließen. Danach wird die äußere Kante des Behälters vorzugsweise nach innen gecrimped, um die Abdichtung und die äußere Abdeckung axial an ihre Stelle zu drängen und zu halten.
  • Vorzugsweise sind die innere Oberfläche der äußeren Abdeckung und wenigstens ein oberer Abschnitt des Kollektors mit einer Antikorrosionsbeschichtung beschichtet. Die Antikorrosionsbeschichtung umfasst Materialien, die elektrochemisch mit der Anode kompatibel sind. Beispiele von elektrochemisch kompatiblen Materialien umfassen Epoxyd, Teflon®, Polyolefine, Nylon, elasthomerische Materialien, oder irgendwelche anderen Edelmaterialien, entweder alleine oder in Kombination mit anderen Materialien. Die Beschichtung kann aufgesprüht oder aufgestrichen werden und deckt vorzugsweise denjenigen Abschnitt der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung und des Kollektors ab, der den aktiven Materialien in dem Leerstellenbereich über den positiven und negativen Elektroden der Zelle ausgesetzt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die innere Oberfläche der Abdeckung mit Zinn, Kupfer oder irgendwelchen ähnlich elektrochemisch kompatiblen Materialien plattiert sein könnte. Durch Bereitstellen einer Antikorrosionsbeschichtung kann irgendeine Korrosion der äußeren Abdeckung und des Kollektors verringert und/oder verhindert werden, was in vorteilhafter weise den Betrag einer Gasbildung verringert, die ansonsten innerhalb der elektrochemischen Zelle auftreten könnte. Eine Verringerung der Gasbildung innerhalb der Zelle führt zu einem verkleinerten Aufbau des inneren Drucks.
  • Demzufolge wird in einem Beispiel der ersten Ausführungsform eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die umfasst: einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien mit wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende und Seitenwände, die sich zwischen dem offenen Ende und dem geschlossenen Ende erstrecken, aufweist; eine erste äußere Abdeckung, die über das offene Ende des Behälters positioniert ist; einen Kollektor, der elektrisch mit der ersten äußeren Abdeckung gekoppelt ist und sich intern innerhalb des Behälters erstreckt, um elektrisch eine der positiven und negativen Elektroden zu kontaktieren; und eine ringförmige Abdichtung mit einem L-förmigen Querschnitt, die zwischen dem Behälter und der ersten äußeren Abdeckung angeordnet ist, zum elektrischen Isolieren des Behälters von der ersten äußeren Abdeckung und zum Erzeugen einer Abdichtung zwischen der ersten und äußeren Abdeckung und dem Behälter. Die Abdichtung kann ferner ein verlängertes vertikales Element umfassen, um einen J-förmigen Querschnitt zu bilden. Ein Druckentlastungsmechanismus ist in einer Oberfläche des Behälters zum Freigeben eines inneren Drucks von innerhalb des Behälters, wenn der innere Druck zu groß wird, gebildet.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die eine Kollektor-Baugruppe enthält, die das offene Ende eines Behälters verschließt und abdichtet. Die Kollektor-Baugruppe umfasst einen Kollektor, beispielsweise einen Nagel, der in einem elektrischen Kontakt mit einer Elektrode, zum Beispiel der negativen Elektrode, angeordnet ist. In der Kollektor-Baugruppe ist auch eine Abdeckung enthalten. Ein isolierendes Material ist direkt auf der Abdeckung oder dem Behälter oder beiden angebracht, um so den Behälter von der Abdeckung elektrisch zu isolieren, wenn die Abdeckung mit dem Behälter zusammengebaut wird. Die Abdeckung ist über dem offenen Ende des Behälters abgedichtet, um einen Doppelnahtverschluss zu bilden. Der Druckentlastungsmechanismus ist in einer Oberfläche des Behälters vorhanden.
  • Die Abdeckung der Kollektor-Baugruppe ist mit dem offenen oberen Ende des Behälters verbunden und abgedichtet, um einen Doppelnahtverschluss zu bilden, bei der der Behälter elektrisch von der Abdeckung isoliert ist. Vorzugsweise wird eine Abdichtungstechnik eines Getränkebehälter-Typs verwendet, um den Verschluss zu bilden.
  • Bevor jedoch die Abdeckung an dem offenen Ende des Behälters angebracht wird, wird ein Kollektor, beispielsweise ein Nagel, elektrisch, vorzugsweise durch eine Verschweißung, mit der inneren Oberfläche der Abdeckung verbunden. Als nächstes wird eine Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Epoxyd, Nylon, Teflon® oder Vinyl über der Abdeckung oder dem Behälter oder beiden aufgebracht. Vorzugsweise wird die innere Oberfläche der Abdeckung, sowie der Umfangsabschnitt der oberen Oberfläche der Abdeckung, mit einer Schicht aus dem elektrischen Isolationsmaterial beschichtet. Der Abschnitt des Kollektors, der sich innerhalb des Leerstellengebiets zwischen dem Boden der Abdeckung und der oberen Oberfläche der Elektroden/Elektrolyt-Mischung befindet, wird vorzugsweise ebenfalls mit der elektrischen Isolation beschichtet. Vorzugsweise werden auch die inneren und äußeren Oberflächen des Behälters in dem Bereich des offenen Endes des Behälters beschichtet. Derartige Beschichtungen können direkt auf den Behälter und die Abdeckung angewendet werden, zum Beispiel durch ein Aufsprühen, Eintauchen oder durch eine elektrostatische Ablagerung. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschichtung des elektrisch isolierenden Materials entweder auf die Abdeckung oder auf den Behälter oder sowohl die Abdeckung als auch den Behälter durch irgendeine geeignete Einrichtung vorgenommen werden kann, die eine elektrisch isolierende Abdichtung zwischen der Abdeckung und dem Behälter bildet. Durch Bereitstellen einer derartigen Beschichtung kann die Abdeckung elektrisch von dem Behälter isoliert werden.
  • Durch Anbringen der Isolationsbeschichtung auf die Gebiete des Behälters, der Abdeckung und des Kollektornagels innerhalb der Batterie, die in der Nähe des Leerstellengebiets innerhalb des inneren Volumens der Batterie sind, können diese Gebiete vor einer Korrosion geschützt werden. Während eine Beschichtung, die aus einer einzelnen Schicht des Epoxyds, des Nylons, Teflon® oder Vinylmaterialien besteht, die voranstehend angegeben wurden, zum Verhindern einer derartigen Korrosion arbeiten werden, ist es vorstellbar, dass die Beschichtung unter Verwendung von Schichten aus zwei unterschiedlichen Materialien oder aus einzelnen Schichten mit unterschiedlichen Materialien auf unterschiedliche Bereiche der Komponenten angebracht, angebracht werden kann. Zum Beispiel kann der Umfangsbereich der Abdeckung mit einer einzelnen Schicht aus einem Material beschichtet werden, welches sowohl als ein elektrischer Isolator als auch eine Antikorrosionsschicht arbeitet, während der zentrale Abschnitt auf der inneren Oberfläche der Abdeckung mit einer einzelnen Schicht aus einem Material beschichtet werden kann, das als eine Antikorrosionsschicht arbeitet, aber nicht als ein elektrischer Isolator arbeitet. Derartige Materialien können zum Beispiel Asphalt oder Polyamid umfassen. Alternativ kann entweder der Behälter oder die Abdeckung mit einem Material beschichtet werden, das sowohl als ein elektrischer Isolator als auch eine Antikorrosionsschicht wirkt, während die andere von diesen zwei Komponenten mit einem Material beschichtet wird, welches nur als eine Antikorrosionsschicht wirkt. In dieser Weise würde die elektrische Isolation bereitgestellt werden, wo sie benötigt wird (d. h. zwischen dem Abdeckungs/Behälter-Übergang), während die Oberflächen, die teilweise das Leerstellengebiet in dem inneren Volumen der Zelle definieren, noch von den Korrosionseffekten der elektrochemischen Materialien innerhalb der Zelle geschützt werden. Durch Verwenden von unterschiedlichen Materialien können ferner Materialien gewählt werden, die geringere Kosten aufweisen oder optimale Charakteristiken für die beabsichtigte Funktion aufzeigen. Zur Unterstützung der Abdichtung der Abdeckung an dem Behälter kann ein herkömmliches Abdichtungsmittel auf die Bodenfläche der Umfangskante der Abdeckung angebracht werden.
  • Sobald der Kollektor an der Abdeckung angebracht worden ist und die elektrische Isolationsbeschichtung aufgebracht worden ist, wird die Abdeckung über das offene Ende des Behälters platziert. Vorzugsweise weist der Behälter einen sich nach außen erstreckenden Flansch auf, der an seinem offenen Ende gebildet ist. Ferner weist die Abdeckung vorzugsweise eine geringfügige gekrümmte Umfangskante auf, die mit der Form des Flansches übereinstimmt. Sobald die Abdeckung über das offene Ende eines Behälters platziert worden ist, kann eine Nahtbildungs-Festspannvorrichtung verwendet werden, um einen Doppelnahtverschluss zu bilden.
  • Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform eine Nahtbildungs-Festspannvorrichtung auf der Abdeckung platziert, so dass ein ringförmiger sich nach unten erstreckender Abschnitt der Nahtbildungs-Festspannvorrichtung durch eine ringförmige Aussparung aufgenommen wird, die in der Abdeckung gebildet ist. Als nächstes wird eine erste Nahtbildungsrolle in einer radialen Richtung auf die Umfangskante der Abdeckung hin bewegt. Wenn die erste Nahtbildungsrolle in Richtung auf die Umfangskante und den Flansch bewegt wird, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, dass die Umfangskante um den Flansch herum gefaltet bzw. gebogen wird. Wenn sich die erste Nahtbildungsrolle radial nach innen bewegt, werden auch die Nahtbildungs-Festspannvorrichtung, der Behälter und die Abdeckung um eine zentrale Achse gedreht, so dass die Umfangskante um den Flansch herum entlang des gesamten Umfangs des Behälters herum gefaltet bzw. gebogen wird. Wenn die erste Nahtbildungsrolle sich weiter radial nach innen bewegt, werden ferner der Flansch und die Umfangskante nach unten gebogen bzw. gefaltet. Nachdem die Umfangskante und der Flansch in diese Position gefaltet worden sind, wird die erste Nahtbildungsrolle von dem Behälter wegbewegt, und dann wird eine zweite Nahtbildungsrolle radial nach innen auf den Flansch und die Umfangskante hin bewegt. Die zweite Nahtbildungsrolle weist ein anderes Profil als die erste Nahtbildungsrolle auf. Die zweite Nahtbildungsrolle legt eine ausreichende Kraft an den Flansch und die Umfangskante an, um den gefalteten Flansch und die Umfangskante an die äußere Oberfläche des Behälters, die von der Nahtbildungs-Festspannvorrichtung gehalten wird, zu drücken und zu verflachen. Als Folge dieses Prozesses wird die Umfangskante des Behälters um und unter den Flansch gefaltet und zwischen dem Flansch und der äußeren Oberfläche der Wände des Behälters gecrimped. Eine hermetische Abdichtung wird somit durch diesen Prozess gebildet.
  • Um die hermetische Art dieses Typs von Abdichtung zu illustrieren, wurde ein Behälter der Größe D, der in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert war, mit Wasser gefüllt, genauso wie ein Behälter der Größe D, der in Übereinstimmung mit der herkömmlichen Abdichtung konstruiert war, wie derjenigen, die in 1 dargestellt sind. Die zwei Behälter wurden auf 71 Grad C gehalten und über der Zeit gewogen, um die Menge des Wasserverlusts von den Behältern zu bestimmen. Durch die herkömmliche Konstruktion verlor sie 270 mg pro Woche und die Konstruktion in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verlor über der gleichen Zeitperiode überhaupt kein Gewicht. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung eines KOH Elektrolyts bestätigt, wobei die herkömmliche Konstruktion 50 mg pro Woche verlor und die erfindungsgemäße Konstruktion wiederum keinerlei Gewicht verlor.
  • Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die Konstruktion des Getränkebehälter-Typs einen minimalen Raum in dem Batterieinnenraum verwendet, die Anzahl von Prozessschritten verringert, die zum Herstellen einer Batterie benötigt werden, und die Kosten von Materialien und die Kosten des Herstellungsprozesses signifikant verringert. Ferner kann die Dicke der Behälterwände signifikant verringert werden, zum Beispiel auf 150 μm (6 mils) oder weniger. Infolgedessen kann das interne Volumen, das zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist, erhöht werden. Zum Beispiel kann für eine Batterie der Größe D in Übereinstimmung mit der zweiten bevorzugten Ausführungsform der prozentuale Anteil des Gesamtbatterievolumens, der zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verwendet werden kann, so hoch wie 97 Volumenprozent sein, während ein Kollektor-Baugruppen-Volumen so niedrig wie 1,6 Volumenprozent sein kann. Die Volumen von Batterien mit anderen Größen sind in der Tabelle enthalten, die in den 10A und 10B gezeigt ist.
  • In einer Veränderung der zweiten bevorzugten Ausführungsform wird der Batteriebehälter zunächst als eine Röhre mit zwei offenen Enden gebildet. Die Röhre kann zum Beispiel extrudiert sein, als Naht verschweißt sein, gelötet oder zementiert sein, unter Verwendung von herkömmlichen Techniken. Die Röhre kann zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder Plastik gebildet sein. Die Röhre definiert die Seitenwände des Behälters. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen einer Abdeckung daran unter Verwendung der Getränkebehälter-Abdichtungstechnik, die voranstehend ausgeführt wurde, abgedichtet, mit der Ausnahme, dass keine elektrische Isolation zwischen dieser Abdeckung und den Seitenwänden benötigt wird. Ein positiver Kontaktanschluss kann an die äußere Oberfläche der Abdeckung angeschweißt oder in einer anderen Weise befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt werden und die Abdeckung einer Kollektor-Baugruppe kann an dem zweiten offenen Ende des Behälters in der gleichen Weise wie voranstehend beschrieben befestigt werden. Alternativ kann die Abdeckung der Kollektor-Baugruppe an der Röhre abgedichtet werden, bevor die Röhre gefüllt wird und an der anderen Abdeckung abgedichtet wird.
  • Demzufolge wird in einem Beispiel der zweiten Ausführungsform eine Batterie bereitgestellt, die umfasst: einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien mit wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen den ersten und zweiten Enden erstrecken, und eine Endwand, die sich über das erste Ende erstreckt, aufweist, wobei der Behälter ferner einen Flansch aufweist, der sich von dem offenen zweiten Ende des Behälters in Richtung auf das erste Ende hin nach außen erstreckt; eine Abdeckung zum Abdichten des offenen Endes des Behälters, wobei die Abdeckung eine Umfangskante aufweist, die sich über und um den Flansch herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer externen Oberfläche der Seitenwände des Behälters gecrimped ist; und eine elektrische Isolation, die zwischen dem Flansch und der Umfangskante der Abdeckung zwischen Behälter und der Umfangskante bereitgestellt ist. Das elektrische Isolationsmaterial wird vorzugsweise in der Form einer Beschichtung bereitgestellt, die direkt auf den Behälter und/oder der äußeren Abdeckung abgelagert ist. Ein Druckentlastungsmechanismus wird in einer Oberfläche des Behälters gebildet, um einen internen Druck von innerhalb des Behälters freizugeben, wenn der interne Druck zu groß wird.
  • In einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die eine Kollektor-Baugruppe einschließt, die das offene Ende eines Behälters abschließt und abdichtet. Die Kollektor-Baugruppe umfasst einen Kollektor, beispielsweise einen Nagel, der in einem elektrischen Kontakt mit einer Elektrode, zum Beispiel der negativen Elektrode, angeordnet ist. In der Kollektor-Baugruppe ist auch eine Abdeckung mit einer Öffnung enthalten, die vorzugsweise zentral in der Abdeckung gebildet ist. Der Kollektor ist in der Öffnung in der Abdeckung angeordnet und erstreckt sich durch diese. Ein dielektrisches Isolationsmaterial wird zwischen dem Kollektor und der Abdeckung angeordnet, um eine dielektrische Isolation dazwischen bereitzustellen. Demzufolge wird der Kollektornagel elektrisch von der Abdeckung isoliert. Der Druckentlastungsmechanismus ist in einer Oberfläche des Behälters vorhanden.
  • Das dielektrische Isolationsmaterial kann ein organisches makromolekulares Material sein, beispielsweise ein organisches Polymer. Geeignete Materialien umfassen Epoxyd, Gummi und Nylon. Andere dielektrische Materialien können verwendet werden, die gegenüber dem verwendeten Elektrolyt widerstandsfähig sind. Für alkalische Zellen ist vorzugsweise das dielektrische Material gegenüber einem Angriff durch Kaliumhydroxid (KOH) widerstandsfähig und ist bei Anwesenheit von Kaliumhydroxid nicht-korrodierend. Das dielektrische Isolationsmaterial kann mit der Kollektor-Baugruppe zusammengebaut werden, wie nachstehend näher erläutert.
  • Die Abdeckung der Kollektor-Baugruppe wird mit dem offenen oberen Ende des Behälters verbunden und abgedichtet, vorzugsweise durch Bilden einer Doppelnahtverschließung durch eine Abdichtungstechnik des Getränkebehälter-Typs. Demzufolge weist der Behälter vorzugsweise einen sich nach außen erstreckenden Flansch auf, der an seinem offenen Ende gebildet ist. Ferner weist die Abdeckung vorzugsweise eine geringfügig gekrümmte umfangsmäßige Kante auf, die der Form des Flansches angepasst ist. Sobald die Abdeckung über das offene Ende eines Behälters platziert worden ist, kann eine Nachtbildungs-Festspannvorrichtung verwendet werden, um einen Doppelnahtverschluss zu bilden, wie voranstehend für die zweite bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde. Während ein Doppelnaht-Behälter-zu-Abdeckung-Verschluss bevorzugt wird, sei darauf hingewiesen, dass andere Behälter-zu-Abdeckung-Verschlüsse verwendet werden können, in Übereinstimmung mit der dritten bevorzugten Ausführungsform.
  • In einer Variation der dritten bevorzugten Ausführungsform wird der Batteriebehälter zunächst als eine Röhre mit zwei offenen Enden gebildet. Die Röhre kann zum Beispiel extrudiert, als eine Naht verschweißt, gelötet oder zementiert sein, unter Verwendung von herkömmlichen Techniken. Die Röhre kann zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder Plastik gebildet sein. Die Röhre definiert die Seitenwände des Behälters. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen einer Abdeckung daran unter Verwendung der Getränkebehälter-Abdichtungstechnik, die voranstehend ausgeführt wurde, abgedichtet. Ein positiver Kontaktanschluss kann an der äußeren Oberfläche der Abdeckung angelötet oder in einer anderen Weise befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt werden und die Abdeckung einer Kollektor-Baugruppe kann an dem zweiten offenen Ende des Behälters in der gleichen Weise wie voranstehend befestigt werden. Alternativ kann die Abdeckung der Kollektor-Baugruppe an der Röhre abgedichtet werden, bevor die Röhre gefüllt und an der anderen Abdeckung abgedichtet wird.
  • Die elektrochemische Zelle gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform erlaubt eine direkte Verbindung zwischen dem Behälter und der Abdeckung, das vorzugsweise eine Druckabdichtung dazwischen bereitstellt, benötigt aber nicht eine elektrische Isolation zwischen der Abdeckung und den Seitenwänden des Behälters. Anstelle davon ist der Kollektor, vorzugsweise ein Nagel dielektrisch von der Abdeckung derart isoliert, dass die negativen und positiven Anschlüsse der elektrochemischen Zelle elektrisch isoliert von einander sind. Während keine Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung einer elektrischen Isolation zwischen dem Behälter und der Abdeckung besteht, wird bevorzugt, dass ein Abdichtungsmittel an dem Verschluss, der den Behälter mit der Abdeckung verbindet, angebracht wird, um zu der Abdichtung der Abdeckung an dem Behälter beizutragen. Ein herkömmliches Abdichtungsmittel kann auf die Bodenoberfläche der Umfangskante der Abdeckung angebracht werden. In einer Getränkebehälter-Konstruktion bewegt sich das Abdichtungsmittel an die Positionen, die in 8D gezeigt sind, sobald die Abdichtungsprozedur abgeschlossen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der abgedichtete Verschluss, zusammen mit dem Isolationsmaterial, in der Lage sein sollte, einen inneren Druckaufbau von größer als der Entlüftungsdruck, bei dem der Druckentlastungsmechanismus einen Druck freigibt, auszuhalten.
  • Um einen akzeptablen äußeren Batterieanschluss in Übereinstimmung mit allgemein akzeptierten Batteriestandards bereitzustellen umfasst die elektrochemische Zelle vorzugsweise weiter eine äußere Abdeckung in einem elektrischen Kontakt mit dem Kollektor. Die äußere Abdeckung kann durch eine Punktverschweißung oder in einer anderen Weise elektrisch mit dem Kollektor verschweißt werden. Um eine richtige elektrische Isolation zwischen der äußeren Abdeckung und der inneren Abdeckung sicherzustellen wird vorzugsweise ein dielektrisches Material, beispielsweise ein ringförmiges Kissen, zwischen der äußeren Abdeckung und der inneren Abdeckung angeordnet. Die geeigneten dielektrische Materialien umfassen Nylon, andere elasthomerische Materialien, Gummi und Epoxyd, was auf die obere Oberfläche der inneren Abdeckung oder auf die Bodenoberfläche der äußeren Abdeckung angebracht werden kann. Demzufolge kann ein akzeptabler Standardbatterieanschluss, vorzugsweise als der negative Anschluss an dem Kollektorende der elektrochemischen Zelle bereitgestellt werden.
  • Der Zusammenbau der elektrochemischen Zelle gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform ist in der Zusammenbauansicht der 12 dargestellt und ist weiter in dem Flussdiagramm der 13 dargestellt. Das bevorzugte Verfahren des Zusammenbaus umfasst das Bereitstellen eines Behälters, der mit einem geschlossenen Bodenende und einem offenen oberen Ende gebildet wird, und das Anordnen der aktiven elektrochemischen Materialien einschließlich der negativen Elektrode, der positiven Elektrode, und eines Elektrolyts, sowie des Separators und andere Zellenadditive in den Behälter hinein. Sobald die aktiven elektrochemischen Zellenmaterialien innerhalb des Behälters angeordnet sind, ist der Behälter bereit zum Verschließen und Abdichten mit der Kollektor-Baugruppe.
  • Vor einem Verschließen des Behälters wird die Kollektor-Baugruppe zusammengebaut, indem zunächst der Kollektor, vorzugsweise ein Nagel, innerhalb einer Öffnung, die in der Abdeckung gebildet ist, vorzugsweise zusammen mit einem Ring oder einer Scheibe aus einem Isolationsmaterial angeordnet wird, so dass der Kollektor in der Öffnung des Isolationsrings angeordnet ist. Der Isolationsring ist vorzugsweise aus einem Material gebildet, welches eine dielektrische Isolation bereitstellt und erwärmt werden kann, um sich zwischen der Abdeckung und dem Kollektor neu auszubilden und zu setzen, zum Beispiel Epoxyd. Alternativ können andere organische makromolekulare dielektrische Isolationsmaterialien anstelle von Epoxyd verwendet werden, wie beispielsweise eine Gummi-Durchführungsdichtung, ein elastomerisches Material, oder andere dielektrische Materialien, die eine adäquate Isolation zwischen dem Kollektor der Abdeckung bilden können.
  • Vorzugsweise wird eine Aussparung in der oberen Oberfläche der Abdeckung gebildet, zentriert um die Öffnung herum. Demzufolge kann der Ring aus dem Isolationsmaterial in der Aussparung auf dem oberen Teil der Abdeckung zugeordnet werden und der obere Kopf eines Kollektornagels kann darüber angeordnet werden. Somit kann der Isolationsring an dem Kollektornagel und der Abdeckung zusammengebaut werden und der Isolationsring auf eine ausreichend hohe Temperatur zum Schmelzen des Rings erwärmt werden, so dass der Ring sich neu formiert und in die Öffnung in der Abdeckung fließt, um eine kontinuierliche dielektrische Isolation zwischen dem Kollektornagel und der Abdeckung zu bilden. Für einen Ring, der aus Epoxyd gebildet ist, kann eine Temperatur von 20°C bis 200°C für eine Zeit von einigen wenigen Sekunden bis vierundzwanzig Stunden adäquat sein, um das Isolationsmaterial neu zu formieren und auszuhärten. Sobald das dielektrische Material eine adäquate Isolation zwischen dem Kollektornagel und der Abdeckung bildet, wird das isolierte Material vorzugsweise gekühlt. Während der Erwärmungs- und Kühlschritte ist der Kollektornagel in der Öffnung derart zentriert, dass der Nagel die Abdeckung nicht kontaktiert.
  • Danach wird vorzugsweise ein elektrisches dielektrisches Isolationskissen, wie beispielsweise ein ringförmiges dielektrisches Kissen, auf dem oberen Teil der Abdeckung angeordnet, so dass es sich radial nach außen von dem Umfang des Nagels erstreckt. Eine leitende negative Abdeckung wird dann vorzugsweise auf den oberen Teil des Kollektornagels und das Kissen angeordnet und zu einem elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel verschweißt oder in einer anderen Weise gebildet.
  • Sobald die Kollektor-Baugruppe vollständig zusammengebaut ist, wird die Kollektor-Baugruppe mit dem Behälter verbunden, um in einer abdichtenden Weise das offene Ende zu verschließen. Ein Behälterverschluss verwendet vorzugsweise einen Doppelnahtverschluss, obwohl andere geeignete Behälterverschlusstechniken verwendet werden können. Zusätzlich ist eine zweite Abdeckung mit dem verschlossenen Ende des Behälters verbunden, über einem Druckentlastungsmechanismus liegend.
  • Für eine Batterie der Größe D in Übereinstimmung mit der dritten bevorzugten Ausführungsform kann der prozentuale Anteil des Gesamtbatterievolumens, der verwendet werden kann, um die elektrochemisch aktiven Materialien aufzunehmen, so hoch wie 96 Volumenprozent sein, wohingegen das Kollektor-Baugruppen-Volumen so gering wie 2,6 Volumenprozent sein kann. Die Volumen von Batterien mit anderen Größen sind in der Tabelle enthalten, die in den 10A und 10B gezeigt ist.
  • Demzufolge wird in einem Beispiel der dritten Ausführungsform eine elektrochemische Zelle bereitgestellt, die umfasst: einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien mit wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein offenes Ende, ein verschlossenes Ende, und Seitenwände, die sich zwischen den offenen und verschlossenen Enden erstrecken, aufweist; eine Abdeckung, die über das offene Ende des Behälters positioniert und mit dem Behälter verbunden ist, wobei die Abdeckung eine Öffnung aufweist, die sich dadurch erstreckt; einen Stromsammler (Stromkollektor), der sich durch die Öffnung in der Abdeckung erstreckt, und sich intern innerhalb des Behälters erstreckt, um eine der positiven und negativen Elektroden elektrisch zu kontaktieren; und ein Isolationsmaterial, das zwischen dem Kollektor und der Abdeckung angeordnet ist, zum elektrischen Isolieren des Kollektors von der Abdeckung und zum Erzeugen einer Abdichtung zwischen dem Kollektor und der Abdeckung. Ein Druckentlastungsmechanismus ist in einer Oberfläche des Behälters gebildet, um einen inneren Druck von innerhalb des Behälters freizugeben, wenn der innere Druck zu groß wird. Zusätzlich umfasst die elektrochemische Zelle vorzugsweise einen ersten Kontaktanschluss, der elektrisch mit dem Kollektor gekoppelt ist, und ein dielektrisches Material, das zwischen dem ersten Kontaktanschluss und der Abdeckung angeordnet ist, um die Abdeckung von dem ersten Kontaktanschluss elektrisch zu isolieren.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Behälter gebildet werden, so dass er den Vorsprung für den positiven Batterieanschluss direkt in dem verschlossenen Ende des Behälters gebildet aufweist. In dieser Weise kann der leere Raum, der zwischen dem verschlossenen Ende des Behälters und der positiven äußeren Abdeckung existiert, verwendet werden, um elektrochemisch aktive Materialien aufzunehmen oder in einer anderen Weise einen Platz für die Sammlung von Gasen bereitzustellen, der ansonsten innerhalb der Zelle bereitgestellt werden muss. Obwohl der Anstieg im Zellenvolumen, der durch Bilden des Vorsprungs direkt in dem Boden der Behälters erreicht wird, nicht in der Tabelle der 10A bereitgestellt wird, sei für Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet darauf hingewiesen, dass das innere Volumen typischerweise um ein Prozent größer als die Volumen ist, die für die Zellen aufgelistet sind, die in der Tabelle aufgelistet sind und mit einer getrennten Abdeckung gebildet sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann eine Druckschicht direkt auf die äußere Oberfläche des Batteriebehälters aufgebracht werden, um ein Label bereitzustellen. Durch Anbringen des Labels direkt auf die Außenseite des Behälters als eine Druckschicht, anstelle mit einem Labelsubstrat, kann das innere Volumen der Zelle weiter erhöht werden, da man die Dicke eines Labelsubstrats zum Konstruieren einer Zelle, die die ANSI oder andere Standards für die externe Größe erfüllt, nicht berücksichtigen muss. Mit „direkt" ist gemeint, dass kein Labelsubstrat zwischen der Druckschicht und der äußeren Oberfläche des Batteriebehälters vorhanden ist. Gegenwärtige Labelsubstrate weisen Dicken in der Größenordnung von 75 μm (3 mils) auf. Weil derartige Labelsubstrate sich überlappen, um eine Naht zu bilden, die entlang der Länge der Batterie verläuft, fügen diese herkömmlichen Labels effektiv ungefähr 250 μm (10 mils) zu dem Durchmesser und 330 μm (13 mils) zu der Crimphöhe der Batteriehöhe bei. Infolgedessen muss die Batterie einen Durchmesser aufweisen, der gewählt ist, um die Dicke der Labelnaht aufzunehmen, um die ANSI oder andere Größenstandards zu erfüllen. Durch Drucken eines lithographisch verarbeiteten Labels direkt auf die äußere Oberfläche des Behälters kann jedoch der Durchmesser des Behälters entsprechend um ungefähr 250 μm (10 mils) erhöht werden. Ein derartiger Anstieg im Durchmesser des Behälters erhöht signifikant das innere Volumen der Batterie. Somit könnte das innere Volumen der Batterien mit Substratlabels weiter erhöht werden, zum Beispiel um 2 Prozent (1,02 cc) für eine Batterie der Größe D, 2,6 Prozent (0,65 cc) für eine Batterie der Größe C, 3,9 Prozent (0,202 cc) für eine Zelle mit einer Größe AA, und 5,5 Prozent (0,195 cc) für eine Batterie der Größe AAA, wenn die Labels direkt auf der äußeren Oberfläche des Behälters gedruckt werden würden.
  • Labels können auch auf den Behälter unter Verwendung von Transferdrucktechniken aufgedruckt werden, bei denen das Labelbild zunächst auf ein Transfermedium gedruckt wird und dann direkt auf die Behälteraußenseite transferiert wird. Eine verzerrte Lithographie kann auch verwendet werden, wodurch absichtlich verzerrte Grafiken auf ein flaches Material gedruckt werden, um so nachfolgende Spannungsverzerrungen des flachen Materials, wenn es in die Röhre oder den Zylinder des Zellenbehälters geformt wird, zu berücksichtigen.
  • Vor einem Drucken des lithographischen Labels wird die äußere Oberfläche des Behälters vorzugsweise gereinigt. Um eine Anhaftung des Drucks an dem Behälter zu verbessern, kann eine Basisbeschichtung einer Grundierung auf die äußere Oberfläche des Behälters angebracht werden. Die Druckschicht wird dann direkt oben auf die Basisbeschichtung des Behälters durch bekannte lithographische Drucktechniken angebracht. Das Label kann ferner einen elektrisch isolierenden Überzug aufweisen. Ein Lacküberzug wird vorzugsweise über die Druckschicht aufgebracht, um die Druckschicht abzudecken und zu schützen, und auch um als eine elektrisch isolierende Schicht zu dienen. Das gedruckte Label kann mit der Verwendung von Hochtemperaturerwärmungs- und Ultraviolettbestrahlungstechniken ausgehärtet werden.
  • Mit der Verwendung des gedruckten Labels kann die Dicke des Labels im Vergleich mit einem herkömmlichen Label auf einem Substrat auf eine maximale Dicke von ungefähr 13 μm (0,5 mils) signifikant verringert werden. In einer bestimmten Ausführungsform weist das gedruckte Label eine Basisüberzugsschicht mit einer Dicke in dem Bereich von ungefähr 2,5–5 μm (0,1–0,2 mil) eine Druckschicht mit einer Dicke von ungefähr 2,5 μm (0,1 mil) und einer Lacküberzugsschicht mit einer Dicke in dem Bereich von ungefähr 2,5–5 μm (0,1–0,2 mit) auf.
  • Durch Verringern der Labeldicke kann der Durchmesser des Behälters vergrößert werden, wodurch ein weiterer Anstieg im verfügbaren Volumen für aktive Zellenmaterialien angeboten wird, während ein vorgegebener äußerer Durchmesser der Batterie beibehalten wird.
  • Wie sich ergeben wird, durch die Verwendung der voranstehend angegebenen Konstruktionen kann eine Batterie mit dünneren Wänden in der Größenordnung von 100–200 μm (4–8 mils) hergestellt werden, da die nachstehend angegebenen Konstruktionstechniken nicht die dickeren Wände erfordern, die in herkömmlichen Batterien benötigt werden, um eine ausreichende Crimpung und Abdichtung sicherzustellen. Ferner kann ein Label direkt auf die äußere Oberfläche des Batteriebehälters lithographisch aufgebracht werden. Indem die Behälterwände dünner gemacht werden und das Label direkt auf die äußere Oberfläche des Behälters lithographisch aufgebracht wird, kann das innere Volumen der Zelle weiter erhöht werden, da man die Dicke des Labelsubstrats nicht berücksichtigen muss, um eine Zelle zu konstruieren, die die ANSI Außengrößenstandards erfüllt.
  • Während die vorliegende Erfindung voranstehend mit ihrer Hauptanwendbarkeit auf alkalische Batterien beschrieben worden ist, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass ähnliche Vorteile durch Verwenden der erfindungsgemäßen Konstruktionen in Batterien, die andere elektrochemische Systeme verwenden, erhalten werden können. Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Konstruktionen in primären Systemen, wie Kohlenstoff-Zink-und Lithium-gestützten Batterien und in wieder aufladbaren Batterien wie NiCd, Metallhydrid- und Li-gestützten Batterien, verwendet werden. Ferner können bestimmte Konstruktionen der vorliegenden Erfindung in Rohzellen (d. h. Zellen ohne ein Label, wie in Batteriepaketen oder Multizellen-Batterien verwendet) verwendet werden. Obwohl die vorliegende Erfindung voranstehend in der Verbindung mit zylindrischen Batterien beschrieben worden ist, können zusätzlich bestimmte Konstruktionen der vorliegenden Erfindung beim Konstruieren von prissmatischen Zellen verwendet werden.
  • Die Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen beschrieben, die in den 4A bis 13 gezeigt sind:
  • Eine elektrochemische Batterie, die in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in den 4A bis 4C gezeigt. Ein Druckentlastungsmechanismus 370 ist in dem verschlossenen Ende 314 des Behälters 312 gebildet. Der Druckentlastungsmechanismus 370 ist durch Bereitstellen einer Aussparung 372 in der Bodenfläche des Behälters 312 gebildet, wie in den 5 und 6 gezeigt. Die Aussparung ist als ein Bogen von ungefähr 300 Grad gebildet. Die Form, die von der Aussparung gebildet wird, ist leicht offen, so dass der Druckentlastungsmechanismus ein effektives Gelenk aufweist. Die Größe des Gebiets, das von der Ausnehmung 372 umschrieben wird, ist derart gewählt, dass auf einen Riss hin als Folge eines zu großen inneren Drucks, das Gebiet innerhalb der Aussparung 372 sich an dem Gelenk innerhalb des positiven Vorsprungs der äußeren Abdeckung 311 ohne eine Störung von der Abdeckung 311 verschwenken kann.
  • Der Druckentlastungsmechanismus 370 ist unterhalb der äußeren Abdeckung 311 positioniert, um so zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien auf einen Riss hin in gefährlicher weise direkt von der Batterie nach außen gesprüht werden.
  • Das offene Ende des Behälters 312 ist durch Anordnen entweder einer Nylonabdichtung 330 mit einem J-förmigen Querschnitt oder einer Nylonabdichtung 330' mit einem L-förmigen Querschnitt in dem offenen Ende des Behälters 312, durch Einfügen einer negativen äußeren Abdeckung 345 mit einer zurückgerollten Umfangskante 347 innerhalb der Nylonabdichtung 330 oder 330', und danach durch Crimpen der äußeren Kante 313 des Behälters 312, um die Abdichtung 330 oder 330' und die Abdichtung 345 an der Stelle zu halten, abgedichtet. Um dazu beizutragen die Abdichtung 330 oder 330' an der Stelle zu halten ist ein Wulst 316 um den Umfang des offenen Endes des Behälters 312 herum gebildet. Die Nylonabdichtung 330 oder 330' ist mit Asphalt beschichtet, um sie vor den elektrochemisch aktiven Materialien zu schützen und eine bessere Abdichtung bereitzustellen.
  • Bezugnehmend insbesondere auf die 4A und 4C ist die ringförmige Nylonabdichtung 330 mit einem J-förmigen Querschnitt konfiguriert gezeigt, der eine verlängerte vertikale Wand 332 an dem äußersten Umfang davon, eine kürzere vertikale Wand 336 an der radial nach innen gerichteten Seite der Abdeckung und ein horizontales Basiselement 334, das zwischen den vertikalen Wänden 332 und 336 gebildet ist, einschließt. Wie in 4B gezeigt, ist die J-förmige Nylonabdichtung 330 ohne den kürzeren vertikalen Abschnitt 336 konfiguriert, um einen reinen L-förmigen Querschnitt zu bilden.
  • Unter besonderer Bezugnahme auf die 4C ist der Zusammenbau der elektrochemischen Zelle, die in 4A gezeigt ist, dort dargestellt. Der zylindrische Behälter 312 ist mit Seitenwänden, die das offene Ende definieren, und einem Wulst 316 zur Aufnahme von intern angeordneten Batteriematerialien vor einer Verschließung des Behälters gebildet. Innerhalb des Behälters 312 sind die aktiven elektrochemischen Zellenmaterialien einschließlich der positiven und negativen Elektroden und des Elektrolyts, sowie des Separators und irgendwelcher Additive, angeordnet. Die äußere Abdeckung 345, mit dem Kollektornagel 340, der an der Bodenfläche der Abdeckung 345 angeschweißt oder in einer anderen Weise befestigt ist, und die ringförmige Nylonabdichtung 330 werden zusammengebaut und in das offene Ende des Behälters 310 eingesetzt, um den Behälter 312 abzudichten und zu verschließen. Der Kollektornagel 340 ist vorzugsweise über eine Punktschweißung 342 mit der Bodenseite der äußeren Abdeckung 345 verschweißt. Zusammen greifen der Kollektornagel 340 und die Abdeckung 345 in die Abdichtung 330 ein, um die Kollektor-Baugruppe zu bilden, und die Kollektor-Baugruppe wird in den Behälter 312 derart eingesetzt, dass die zurückgerollte Umfangskante 347 der äußeren Abdeckung 345 an der inneren Wand der ringförmigen Abdichtung 330 über dem Wulst 316 angeordnet ist, der die Abdichtung 330 hält. Die Kollektor-Baugruppe wird mit Kraft in das offene Ende des Behälters 312 eingesetzt, um an der Behälteröffnung satt anzugreifen und diese zu verschließen. Danach wird die äußere Kante 313 des Behälters 12 nach innen gecrimped, um die Abdichtung 330 und die äußere Abdeckung 345 axial zu drücken und an der Stelle zu halten. Zurückkehrend zur 4B, sind die innere Oberfläche der äußeren Abdeckung 345 und wenigstens ein oberer Abschnitt des Kollektornagels 340 weiter mit einer Antikorrosions-Beschichtung 344 beschichtet gezeigt.
  • Eine elektrochemische Batterie 400, die in Übereinstimmung mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in den 7 bis 9 gezeigt. Eine negative äußere Abdeckung 445 ist an dem offenen Ende des Behälters 412 unter Verwendung einer Abdichtungstechnik eines Getränkebehälter-Typs befestigt. Das Verfahren zum Herstellen einer Batterie mit der in 7 gezeigten Konstruktion wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 8A–8D beschrieben. Vor der Anbringung einer negativen äußeren Abdeckung 445 an dem oberen Ende des Behälters 412 wird ein Kollektornagel 440 an die innere Oberfläche der Abdeckung 445 geschweißt. Als nächstes wird, wie in 8A gezeigt, die innere Oberfläche der Abdeckung 445, sowie der Umfangsabschnitt der oberen Oberfläche der Abdeckung 445, mit einer Schicht 475 aus einem elektrischen Isolationsmaterial beschichtet. Der Abschnitt des Kollektornagels 440, der sich innerhalb des leeren Gebiets zwischen dem Boden der Abdeckung 445 und der oberen Oberfläche des Gemischs 120 der negativen Elektrode/des Elektrolyts erstreckt, wird ebenfalls mit der elektrischen Isolation beschichtet. Zusätzlich werden auch die inneren und äußeren Oberflächen des Behälters 412 in den Bereich des offenen Endes des Behälters 412 beschichtet. Somit wird eine negative äußere Abdeckung 445 elektrisch von dem Behälter 412 isoliert.
  • Um zu der Abdichtung der äußeren Abdeckung 445 an den Behälter 412 beizutragen, wird ein Abdichtungsmittel 473 auf die untere Oberfläche der Umfangskante 470 der Abdeckung 445 angebracht. Sobald die Abdichtungsprozedur abgeschlossen ist, bewegt sich das Abdichtungsmittel 473 an die Positionen, die in 8D gezeigt sind.
  • Sobald der Kollektornagel 440 an der äußeren Abdeckung 445 angebracht worden ist und die elektrische Isolationsbeschichtung aufgebracht worden ist, wird eine äußere Abdeckung 445 über das offene Ende des Behälters 412 angebracht, wie in 8B gezeigt. Der Behälter 412 weist einen sich nach außen erstreckenden Flansch 450 auf, der an seinem offenen Ende gebildet ist. Ferner weist die äußere Abdeckung 445 eine geringfügig gekrümmte Umfangskante 470 auf, die mit der Form des Flansches 450 übereinstimmt. Sobald eine äußere Abdeckung 445 über das offene Ende des Behälters 412 angebracht worden ist, wird eine Nahtbildungs-Festspannvorrichtung 500 auf der äußeren Abdeckung 445 derart platziert, dass ein ringförmiger sich nach unten erstreckender Abschnitt 502 der Nahtbildungs-Festspannvorrichtung 500 durch eine ringförmige Ausnehmung 472 aufgenommen wird, die in der äußeren Abdeckung 445 gebildet ist. Als nächstes wird eine Nahtbildungsrolle 510 in einer radialen Richtung in Richtung auf die Umfangskante 470 der äußeren Abdeckung 445 hin bewegt. Wenn die erste Nahtbildungsrolle 410 in Richtung auf die Umfangskante 470 und den Flansch 450 bewegt wird, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, dass die Umfangskante 470 um den Flansch 450 herum gefaltet wird. Ferner werden, wenn sich die erste Nahtbildungsrolle 510 radial nach innen bewegt, die Nahtbildungs-Festspannvorrichtung 500, der Behälter 412 und die äußere Abdeckung 445 um eine zentrale Achse gedreht, so dass die Umfangskante 470 um den Flansch 450 um den gesamten Umfang des Behälters 412 herum gefaltet wird. Ferner werden, wenn sich die erste Nahtbildungsrolle 510 weiter radial nach innen bewegt, der Flansch 450 und die Umfangskante 470 nach unten an die in 8C gezeigte Position gefaltet.
  • Nachdem die Umfangskante 470 und der Flansch 450 in die in 8C gezeigte Position gefaltet worden sind, wird die erste Nahtbildungsrolle 510 weg von dem Behälter 410 bewegt, und eine zweite Nahtbildungsrolle 520 wird dann radial nach innen in Richtung auf den Flansch 450 und die Umfangskante 470 hin bewegt. Die zweite Nahtbildungsrolle 520 weist ein anderes Profil als die erste Nahtbildungsrolle 510 auf. Die zweite Nahtbildungsrolle 520 wendet eine ausreichende Kraft auf den Flansch 450 und die Umfangskante 470 an, um den gefalteten Flansch und die Umfangskante an die äußere Oberfläche des Behälters 412 zu drücken und zu verflachen, der in der Nahtbildungs-Festspannvorrichtung 500 gehalten wird. Als Folge dieses Prozesses wird die Umfangskante 470 des Behälters 412 um und unter den Flansch 450 gefaltet und wird zwischen dem Flansch 450 und der äußeren Oberfläche der Wände des Behälters 412 gecrimped, wie in den 7 und 8D gezeigt. Somit wird durch diesen Prozess eine hermetische Abdichtung gebildet.
  • Eine Veränderung der Getränkebehälter-Konstruktion ist in 9 gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform wird der Batteriebehälter zunächst als eine Röhre mit zwei offenen Enden gebildet. Die Röhre definiert die Seitenwände 614 des Behälters 612. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen einer inneren Abdeckung 616 daran unter Verwendung der Getränkebehälter-Abdichtungstechnik, die voranstehend ausgeführt wurde, befestigt, mit der Ausnahme, dass keine elektrische Isolation zwischen der inneren Abdeckung 616 und den Seitenwänden 614 benötigt wird. Eine positive äußere Abdeckung 618 wird an die äußere Oberfläche der inneren Abdeckung 616 geschweißt. Die Batterie wird dann gefüllt und eine negative äußere Abdeckung 645 wird an dem zweiten offenen Ende des Behälters 612 in der gleichen Weise wie voranstehend beschrieben befestigt.
  • Eine elektrochemische Batterie 700, die mit einer Zuführung durch einen Kollektor in Übereinstimmung mit einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in den 11 bis 13 gezeigt. Ähnlich wie die elektrochemische Zelle 400 mit einer Konstruktion des Getränkebehälter-Typs, die in 7 gezeigt ist, umfasst die elektrochemische Zelle 700 einen elektrisch leitenden Behälter 712 mit einem verschlossenem Ende 314 und einem offenen Ende, in dem eine Kollektor-Baugruppe 725 mit geringem Volumen und eine äußere negative Abdeckung 750 zusammengebaut sind. Die elektrochemische Zelle 700 umfasst eine positive Elektrode 115 in Kontakt mit den inneren Wänden des Behälters 712 und in Kontakt mit einem Separater 117, der zwischen einer positiven Elektrode 115 und einer negativen Elektrode 120 liegt.
  • Die elektrochemische Zelle 700 umfasst einen Druckentlastungsmechanismus 370, der in dem geschlossenen Ende 314 des Behälters 712 gebildet ist und der eine Anwendung einer Kollektor-Baugruppe 725 mit geringem Volumen erlaubt. Der Druckentlastungsmechanismus 370 ist als eine Ausnehmung gebildet, wie hier in Verbindung mit den 4A, 4B, 5 und 6 beschrieben. Zusätzlich ist eine positive äußere Abdeckung 311 mit dem verschlossenen Ende des Behälters 712 verbunden und liegt über dem Druckentlastungsmechanismus 370. Der Zusammenbau und die Anordnung der positiven äußeren Abdeckung 311 ist wie hier in Verbindung mit 4A gezeigt und beschrieben, vorgesehen.
  • Die elektrochemische Zelle umfasst eine Kollektor-Baugruppe 725, die das offene Ende des Behälters 712 verschließt und abdichtet. Die Kollektor-Baugruppe 725 umfasst einen Kollektornagel 740, der in einem elektrischen Kontakt mit der negativen Elektrode 720 angeordnet ist. Ferner enthalten in der Kollektor-Baugruppe 725 ist eine erste oder innere Abdeckung 745 mit einer zentralen Öffnung 751, die darin gebildet ist. Der Kollektornagel 740 ist in der inneren Abdeckung 745 angeordnet und erstreckt sich durch die Öffnung 751 darin. Ein dielektrisches Isolationsmaterial 744 ist zwischen dem Kollektornagel 740 und der ersten Abdeckung 745 angeordnet, um eine dielektrische Isolation dazwischen bereitzustellen. Demzufolge ist der Kollektornagel 740 elektrisch von der inneren Abdeckung 745 isoliert.
  • Die innere Abdeckung 745 ist wiederum mit dem offenen Ende des Behälters 712 verbunden und dichtet dieses ab. Die innere Abdeckung 745 ist an dem Behälter 712 durch Bilden eines Doppelnahtverschlusses an den Umfangskanten 450 und 470, wie hier in Verbindung mit den 7–9 erläutert, abgedichtet. Der Kollektornagel 740 ist dielektrisch von der inneren Abdeckung 745 isoliert, so dass die negativen und positiven Anschlüsse der elektrochemischen Zelle voneinander elektrisch isoliert sind. Ein Abdichtungsmittel ist an dem Verschluss, der den Behälter mit der Abdeckung verbindet, angebracht, um den Behälter adäquat abzudichten, wie in Verbindung mit der Batterie erläutert, die in Verbindung mit den 7–8D hier gezeigt und beschrieben wurde.
  • Die elektrochemische Zelle 700 umfasst ferner eine äußere Abdeckung 750 in einem elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel 740. Die äußere Abdeckung 750 ist durch eine Punktverschweißung 742 an dem Kollektornagel 740 angeschweißt. Ein dielektrisches Material, als ringförmiges Kissen 748, ist zwischen der äußeren negativen Abdeckung 750 und der inneren Abdeckung 745 angebracht. Demzufolge wird ein akzeptabler standardmäßiger Batterieanschluss an dem negativen Ende der elektrochemischen Zelle 700 bereitgestellt.
  • Der Zusammenbau der elektrochemischen Zelle 700 ist in der Zusammenbauansicht der 12 dargestellt und wird weiter in dem Flussdiagramm der 13 dargestellt. Das Verfahren 770 des Zusammenbaus der elektrochemischen Zelle 700 umfasst das Bereitstellen eines Behälters 712, der mit einem geschlossenen unteren Ende und einem offenen oberen Ende gebildet ist. Der Schritt 774 umfasst das Anordnen der aktiven elektrochemischen Materialien einschließlich der negativen Elektrode, der positiven Elektrode, und eines Elektrolyts nahe zu wie des Separators und anderer Zellenadditive, in den Behälter 712 hinein. Sobald die aktiven elektrochemischen Zellenmaterialien innerhalb des Behälters 712 angeordnet sind, ist der Behälter 712 bereit für eine Verschließung und Abdichtung mit der Kollektor-Baugruppe 725. Vor einer Verschließung des Behälters wird die Kollektor-Baugruppe zusammengebaut, indem zunächst der Kollektornagel 740 in der Öffnung 751, die in der inneren Abdeckung 745 gebildet ist, zusammen mit einem Ring aus einem Isolationsmaterial angeordnet wird, in Übereinstimmung mit dem Schritt 776. Der Kollektornagel 740 wird in der Öffnung 742 des Isolationsrings 744 angeordnet, der einen Ring oder eine Scheibe aus Epoxyd einschließen kann, das eine dielektrische Isolation bereitstellt, und kann erwärmt werden, um zwischen der inneren Abdeckung 745 und dem Kollektornagel 740 neu formiert zu werden und sich zu setzen. In der inneren Abdeckung 745 ist auch eine gebildete Aussparung 755 gezeigt, die in der oberen Oberfläche gebildet und um die Öffnung 751 herum zentriert ist. Der Ring 744 aus dem Isolationsmaterial ist in der Ausnehmung 755 oben auf der inneren Abdeckung 745 angeordnet und der obere Kopf des Kollektornagels 740 ist darüber angeordnet. In dem Schritt 778 wird der Isolationsring 744 mit dem Kollektornagel 740 und der Abdeckung 745 zusammengebaut und der Isolationsring 744 wird auf eine Temperatur erwärmt, die ausreichend hoch zum Schmelzen des Rings 744 ist, so dass der Ring 744 sich neu formiert und in die Öffnung 751 in der Abdeckung 745 hineinfließt, um eine kontinuierliche dielektrische Isolation zwischen dem Kollektornagel 740 und der inneren Abdeckung 745 bereitzustellen. Sobald das dielektrische Material 744 eine adäquate Isolation zwischen dem Kollektornagel 740 und der inneren Abdeckung 745 bildet, würde das Isolationsmaterial vorzugsweise im Schritt 780 abgekühlt. Während der Erwärmungs- und Kühlschritte 778 und 780 wird der Kollektornagel 740 in der Öffnung 751 derart zentriert, dass der Nagel 740 die Abdeckung 745 nicht kontaktiert. Danach wird im Schritt 782 ein elektrisches dielektrisches Isolationskissen 748, wie ein ringförmiges dielektrisches Kissen, oben auf der inneren Abdeckung 745 angebracht und erstreckt sich radial von dem Umfang des Nagels 740 nach außen. In dem Schritt 784 wird eine leitende negative Abdeckung 750, die in einen elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel 740 geschweißt wird, oben auf dem Kollektornagel 740 und dem Kissen 748 angeordnet. Sobald die Kollektor-Baugruppe vollständig zusammengebaut ist, wird die Kollektor-Baugruppe dann mit dem Behälter verbunden, um in einer abdichtenden Weise das offene Ende zu verschließen, wie im Schritt 786 bereitgestellt. Der Behälterverschluss verwendet einen Doppelnahtverschluss. Zusätzlich umfasst das Zusammenbauverfahren 770 den Schritt 788 zum Verbinden einer zweiten äußeren Abdeckung mit dem verschlossenen Ende des Behälters, das über dem Druckentlastungsmechanismus 370 liegt.
  • BEISPIEL
  • Das gesamte Batterievolumen, das Kollektor-Baugruppen-Volumen und das interne Volumen, das für ein elektrochemisches aktives Material für jede Batterie verfügbar ist, werden durch Betrachten einer computerunterstützten Konstruktionszeichnung (einer CAD Zeichnung), einer Fotografie oder eines tatsächlichen Querschnitts der Batterie, die in Epoxyd vergossen und längs geschnitten worden ist, bestimmt. Die Verwendung einer CAD Zeichnung, einer Fotografie oder eines tatsächlichen länglichen Querschnitts zur Betrachtung und Messung von Batteriedimensionen erlaubt den Einschluss von sämtlichen Leervolumen, die in der Batterie vorhanden sein können. Um das gesamte Batterievolumen zu messen wird die Querschnittsansicht der Batterie, durch ihre zentrale longitudinale Symmetrieachse genommen, betrachtet und das gesamte Volumen wird durch eine geometrische Berechnung gemessen. Um das interne Volumen zu messen, welches für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar ist, wird die Querschnittsansicht der Batterie, genommen durch ihre zentrale longitudinale Symmetrieachse, betrachtet und die Komponenten, die das innere Volumen bilden, das die elektrochemisch aktiven Materialien einschließt, die Leervolumen und die chemisch inerten Materialien (außer dem Kollektornagel), die innerhalb des abgedichteten Volumens innerhalb der Zelle eingeschlossen sind, werden durch eine geometrische Berechnung gemessen. Um ein Volumen der Kollektor-Baugruppe zu bestimmen, wird genauso die Querschnittsansicht der Batterie, genommen durch ihre zentrale longitudinale Symmetrieachse davon, betrachtet und die Komponenten, die das Kollektor-Baugruppen-Volumen bilden, das den Kollektornagel, die Abdichtung, die innere Abdeckung und irgendein Leervolumen einschließen, das zwischen der Bodenfläche der negativen Abdeckung und der Abdichtung definiert ist, wird durch eine geometrische Berechnung gemessen. Das Behältnisvolumen kann genauso durch Betrachten des zentralen länglichen Querschnitts der Batterie und durch Berechnen des Volumens, das von dem Behälter, dem Label, der negativen Abdeckung, dem Leervolumen zwischen dem Label und der negativen Abdeckung, der positiven Abdeckung und dem Leervolumen zwischen der positiven Abdeckung und dem Behälter verbraucht wird, gemessen werden.
  • Die Volumenmessungen werden durch Betrachten eines Querschnitts der Batterie durch ihre longitudinale Symmetrieachse durchgeführt. Dies erlaubt eine genaue Volumenmessung, da die Batterie und ihre Komponenten gewöhnlicher weise achsensymmetrisch sind. Um eine geometrische Ansicht des Querschnitts einer Batterie zu erhalten, wurde die Batterie zunächst in Epoxyd vergossen und dann, nachdem das Epoxyd sich verfestigte, wurde die vergossenen Batterie und ihre Komponenten herunter auf den zentralen Querschnitt durch die Symmetrieachse geschliffen. Insbesondere wurde die Batterie zunächst in Epoxyd vergossen und dann bis auf kurz vor dem zentralen Querschnitt geschliffen. Als nächstes wurden sämtliche internen Komponenten, wie die Anode, Kathode und das Seperatorpapier, entfernt, um eine Messung des fertiggestellten Querschnitts besser zu ermöglichen. Die vergossene Batterie wurde dann von irgendwelchem verbleibenden Abfall gereinigt, wurde in der Luft getrocknet und die verbleibenden Leerräume wurden mit Epoxyd gefüllt, um der Batterie eine gewisse Integrität zu geben, bevor das Schleifen und Polieren auf ihre Mitte abgeschlossen wurde. Die Batterie wurde wiederum geschliffen und poliert, bis fertiggestellt auf ihren zentralen Querschnitt, wurde danach in eine Zeichnung abgebildet und die Volumen wurden daraus gemessen.
  • Vor dem Vergießen der Batterie in Epoxyd wurden Batteriemessungen mit Greifzirkeln genommen, um die Gesamthöhe, die Crimphöhe und den äußeren Durchmesser an dem oberen Teil, dem Boden und der Mitte der Batterie zu messen. Zusätzlich wurde eine identische Batterie zerlegt und deren Komponenten wurden gemessen. Diese Messungen von Komponenten der zerlegten Batterie umfassen den Durchmesser des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels zu der negativen Abdeckung, und den äußeren Durchmesser des oberen Teils, des Bodens und der Mitte der Batterie ohne dem anwesenden Label.
  • Sobald die Batterie vollständig in Epoxyd vergossen und auf die Mitte durch die longitudinale Symmetrieachse geschliffen war, wurde die Querschnittsansicht der Batterie verwendet, um eine Zeichnung herzustellen. Ein Mitutoyo optischer Vergleicher mit einer QC-4000 Software wurde verwendet, um die Kontur der Batterie und deren individuellen Komponenten abzutasten, um eine Zeichnung des zentralen Querschnitts der Batterie zu erzeugen. Dabei war die Batterie fest an der Stelle befestigt und die Kontur der Batterieteile wurde in einem Format gespeichert, welches später in einer festen Modellierungssoftware verwendet werden könnte, um die Batterievolumen von Interesse zu berechnen. Bevor irgendwelche Volumenmessungen genommen wurden, wurde die Zeichnung jedoch eingestellt, um eine Kompensation für irgendwelche Batteriekomponenten vorzunehmen, die nicht exakt durch die Mitte der Batterie ausgerichtet waren. Dies wurde dadurch erreicht, dass die Messungen verwendet wurden, die von der Batterie genommen wurden, bevor die Batterie quer durchgeschnitten wurde, und indem diejenigen Messungen verwendet wurden, die aus der zerlegten identischen Batterie genommen wurden. Zum Beispiel kann der Durchmesser und die Länge des Stromkollektornagels und der gesamte äußere Durchmesser der Batterie modifiziert werden, um die Zeichnung genauer zu profilieren, indem die Zeichnung eingestellt wird, so dass sie entsprechende bekannte Querschnittsdimensionen einschließt, um die Zeichnung für Volumenmessungen genauer zu machen. Die Einzelheiten der Abdichtungs-, Abdeckungs-, und Crimp-Gebiete wurden verwendet, da sie auf dem optischen Vergleicher gezeichnet wurden.
  • Um die Volumenmessungen zu berechnen wurde die Zeichnung in eine feste Modellierungssoftware importiert. Eine feste dreidimensionale Volumendarstellung wurde durch Drehen der Kontur des Querschnitts sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite um einhundertachtzig Grad (180°) um die longitudinale Symmetrieachse erzeugt. Demzufolge wurde das Volumen jedes interessierenden Bereichs durch die Software berechnet und durch Drehen der linken und rechten Seiten um einhundertachtzig Grad (180°) und durch Aufsummieren der linken und rechten Volumen zusammen wurde ein durchschnittlicher Volumenwert bestimmt, der vorteilhaft in denjenigen Situationen sein kann, bei denen die Batterie nicht symmetrische Merkmale aufweist. Die Volumen, die irgendwelche nicht symmetrischen Merkmale einschließen, können eingestellt werden je nach Anforderung, um genauere Volumenmessungen zu erhalten.
  • Die 10A und 10B zeigen Volumen mit verschiedenen Typen von Batteriekonstruktionen.
  • Wie in 10A in den Zeilen gezeigt, die mit „Druckentlastung in dem Behälterboden" und „Druckentlastung in dem Behälterboden mit dünnen Wänden" bezeichnet sind, weist eine Batterie mit einer D Größe, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert ist, die in 4A gezeigt ist, ein internes Volumen auf, welches 93,5 Volumenprozent ist, wenn die Behälterwände 250 μm (10 mils) dick sind und ein internes Volumen, welches 94,9 Volumenprozent ist, wenn die Behälterwände 200 μm (8 mils) dick sind. Wie in 10B gezeigt, weist eine Batterie der Größe D, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert ist, die in 4A gezeigt ist, ein Kollektor-Baugruppen-Volumen auf, welches 2 Prozent des gesamten Volumens ist, wenn die Behälterwände 250 μm (10 mils) dick und 200 μm (8 mils) dick sind. Wie in 10A gezeigt, in der Zeile, die mit „Konstruktion des Getränkebehälter-Typs" bezeichnet ist, hatte eine Batterie der Größe D, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert war, die in 11 gezeigt ist, ein internes Volumen, welches 97,0 Volumenprozent war, wenn die Behälterwände 200 μm (8 mils) dick waren. Wie in 10B gezeigt, wies eine Batterie der Größe D, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert ist, die in 7 gezeigt ist, ein Kollektor-Baugruppen-Volumen auf, welches 1,6 Prozent des gesamten Volumens war, als die Behälterwände 200 μm (8 mils) dick waren. Wie in 10A in der Zeile gezeigt, die mit „Getränkebehälter mit Zuführung durch den Kollektor" bezeichnet ist, hatte eine Batterie der Größe D, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert war, die in 11 gezeigt ist, ein internes Volumen, welches 96,0 Volumenprozent war, als die Behälterwände 200 μm (8 mils) dick waren. Wie in 10B gezeigt, hatte eine Batterie der Größe D, die unter Verwendung der Konstruktion konstruiert ist, die in 11 gezeigt ist, ein Kollektor-Baugruppenvolumen auf, welches 2,6 Prozent des gesamten Volumens war, als die Behälterwände 200 μm (8 mils) dick waren. Die Batterien mit den Größen C, AA und AAA, die eine ähnliche Konstruktion aufwiesen, zeigten ebenfalls signifikante Verbesserungen in der Effizienz des internen Volumens, wie sich aus der Tabelle in der 10A ersehen lässt.
  • Unter Verwendung dieser Techniken zum Messen und Berechnen von Batterievolumen wurde festgestellt, dass das interne Volumen der Batterien mit Substratlabels weiter 2 Prozent (1,02 cc) für eine Batterie der Größe D, 2,6 Prozent (0,65 cc) für eine Batterie der Größe C, 3,0 Prozent (0,202 cc) für eine Zelle der Größe AA, und 5,5 Prozent (0,195 cc) für eine Batterie der Größe AAA erhöht werden konnte, wenn die Labels direkt auf die äußere Oberfläche des Behälters gedruckt wurden.

Claims (17)

  1. Elektrochemische Zelle, umfassend: einen Behälter zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien mit positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Behälter ein offenes Ende, ein geschlossenes Ende mit einer Endwand, die sich über das geschlossene Ende erstreckt, und Seitenwände, die sich zwischen den offenen und geschlossenen Enden erstrecken, aufweist; eine erste Abdeckung, die über dem offenen Ende positioniert ist; einen Druckentlastungsmechanismus, der in der Endwand des Behälters gebildet ist; und eine zweite Abdeckung, die auf der Endwand des Behälters positioniert ist, um in einem elektrischen Kontakt damit zu stehen und sich über den Druckentlastungsmechanismus zu erstrecken.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Endwand einstückig mit den Seitenwänden des Behälters gebildet ist.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Behälter als eine Röhre gebildet ist, wobei die Endwand eine Abdeckung ist, die über dem geschlossenen Ende befestigt ist.
  4. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Druckentlastungsmechanismus durch Prägen einer Oberfläche der Endwand des Behälters gebildet ist.
  5. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Druckentlastungsmechanismus einen Gelenkabschnitt umfasst, der sich von der Endwand des Behälters auf einen Bruch hin herausschwenkt.
  6. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Druckentlastungsmechanismus eine bogenförmige Ausnehmung einschließt, die in einer Oberfläche der Endwand des Behälters gebildet ist.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei die bogenförmige Ausnehmung als ein Partialkreis von 300 Grad gebildet ist.
  8. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die zweite Abdeckung einen zentral angeordneten Kontaktanschlussvorsprung einschließt, und wobei der Druckentlastungsmechanismus in der Endwand des Behälters in einem Bereich, der unter dem Vorsprung liegt, gebildet ist.
  9. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die zweite Abdeckung elektrisch mit der positiven Elektrode gekoppelt ist, um als ein positiver externer Batterieanschluss zu dienen, und die erste Abdeckung elektrisch mit der negativen Elektrode gekoppelt ist, um als ein negativer externer Batterieanschluss zu dienen.
  10. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei ein Isolator zwischen dem Behälter und der ersten Abdeckung angeordnet ist zum elektrischen Isolieren des Behälters von der ersten Abdeckung.
  11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, wobei der Isolator eine Beschichtung aus einem isolierenden Material ist, welches auf wenigstens dem Behälter und/oder der ersten Abdeckung aufgebracht ist.
  12. Elektrochemische Zelle nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Zelle eine zylindrische Zelle ist.
  13. Verfahren zum Erstellen einer elektrochemischen Zelle, umfassend die folgenden Schritte: Bilden eines Behälters mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende; Bilden eines Druckentlastungsmechanismus in dem geschlossenen Ende des Behälters; Anbringen einer zweiten Abdeckung an die geschlossene Oberfläche des Behälters, so dass sich die zweite Abdeckung über den Druckentlastungsmechanismus erstreckt; Einfüllen von elektrochemisch aktiven Materialien in den Behälter; und Abdichten einer ersten Abdeckung über dem offenen Ende des Behälters.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt zum Abdichten das Bereitstellen einer Schicht aus einer elektrischen Isolation zwischen dem Behälter und der ersten Abdeckung einschließt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei der Schritt zum Bilden des Behälters die Unterschritte zum Bilden einer Röhre, um Seitenwände des Behälters zu definieren, und das Befestigen einer Abdeckung über einem offenen Ende der Röhre, um eine Endwand über dem geschlossenen Ende des Behälters zu definieren, einschließt.
  16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Schritt zum Bilden eines Druckentlastungsmechanismus das Bilden einer Ausnehmung umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ausnehmung durch einen Formungsschritt gebildet wird.
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