DE69918699T2 - Batteriekonstruktion mit verringertem kollektorsatzvolumen - Google Patents

Batteriekonstruktion mit verringertem kollektorsatzvolumen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Konstruktion einer elektrochemischen Zelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Behälter und Kollektor-Aufbauten, die für eine elektrochemische Zelle, wie eine Alkalizelle, verwendet werden.
  • 1 zeigt die Konstruktion einer herkömmlichen Alkalizelle 10 der Größe C. Wie gezeigt, umfasst die Zelle 10 einen zylindrisch ausgebildeten Behälter 12, der ein offenes Ende und ein verschlossenes Ende aufweist. Der Behälter 12 ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, so dass eine äußere Abdeckung 11, die an einer Bodenoberfläche 14 an dem verschlossenen Ende des Behälters 12 angeschweißt ist, als ein elektrischer Kontaktanschluss für die Zelle dient.
  • Die Zelle 10 umfasst typischerweise ferner ein erstes Elektrodenmaterial 15, welches als die positive Elektrode (die auch als eine Kathode bekannt ist) dienen kann. Das erste Elektrodenmaterial 15 kann vorgeformt und in den Behälter 12 eingesetzt sein oder kann an der Stelle geformt sein, um so die inneren Oberflächen des Behälters 12 zu kontaktieren. Für eine Alkalizelle wird das erste Elektrodenmaterial 15 typischerweise MnO2 einschließen. Nachdem die erste Elektrode 15 in dem Behälter 12 vorgesehen worden ist, wird ein Separator 17 in den Raum eingefügt, der durch die erste Elektrode 5 definiert wird. Der Separator 17 ist vorzugsweise ein nicht-gewebter Stoff Der Separator 17 wird vorgesehen, um eine physikalische Trennung des ersten Elektrodenmaterials 15 und eines Gemischs des Elektrolyts und eines zweiten Elektrodenmaterials 20 aufrechtzuerhalten, während der Transport von Ionen zwischen den Elektrodenmaterialien erlaubt wird.
  • Sobald der Separator 17 innerhalb des Hohlraums, der durch die erste Elektrode 15 definiert wird, an der Stelle ist, wird ein Elektrolyt in den Raum, der von dem Separator 17 definiert wird, zusammen mit dem Gemisch 20 des Elektrolyts und eines zweiten Elektrodenmaterials, welches die negative Elektrode (die auch als die Anode bekannt ist) sein kann, gefüllt. Das Gemisch 20 des Elektrolyts/der zweiten Elektrode umfasst vorzugsweise einen Gelstoff. Für eine typische Alkalizelle wird das Gemisch 20 aus einem Gemisch eines wässrigen KOH-Elektrolyts und Zink gebildet, das als das zweite Elektrodenmaterial dient. Wasser und zusätzliche Zusatzstoffe können in dem Gemisch 20 ebenfalls eingebaut werden.
  • Sobald die erste Elektrode 15, der Separator 17, das Elektrolyt und das Gemisch 20 innerhalb des Behälters 12 gebildet worden sind, wird ein vorher zusammengesetzter Kollektor-Aufbau 25 in das offene Ende des Behälters 12 eingesetzt. Der Behälter 12 ist typischerweise an seinem offenen Ende geringfügig verjüngt. Diese Verjüngung dient dazu, den Kollektor-Aufbau in einer gewünschten Orientierung vor dessen Befestigung an der Stelle zu halten. Nachdem der Kollektor-Aufbau 25 eingesetzt worden ist, wird eine äußere Abdeckung 45 über den Kollektor-Aufbau 25 gelegt. Der Kollektor-Aufbau 25 wird durch radiales Drücken des Behälters gegen den Kollektor-Aufbau 25 an der Stelle gesichert. Die Endkante 13 des Behälters 12 wird um die Umfangslippe des Kollektor-Aufbaus 25 gekrimpt, wodurch die äußere Abdeckung 45 und der Kollektor-Aufbau 25 innerhalb des Endes des Behälters 12 gesichert werden. Wie nachstehend näher beschrieben besteht eine Funktion, die der Kollektor-Aufbau 25 erfüllt, darin, einen zweiten externen elektrischen Kontakt für die elektrochemische Zelle bereitzustellen. Zusätzlich muss der Kollektor-Aufbau 25 das offene Ende des Behälters 12 abdichten, um zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien darin von dieser Zelle lecken. Zusätzlich muss der Kollektor-Aufbau 25 eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um den physikalischen Missbrauch auszuhalten, dem Batterien typischerweise ausgesetzt sind. Weil elektrochemische Zellen Wasserstoffgas erzeugen können, kann der Kollektor-Aufbau 25 auch erlauben, dass intern erzeugtes Wasserstoffgas dadurch dringt, um von der elektrochemischen Zelle nach außen zu entweichen. Ferner sollte der Kollektor-Aufbau 25 irgendeine Art von Druckentlastungs-Mechanismus umfassen, um einen Druck, der innerhalb der Zelle intern erzeugt wird, zu entlasten, falls dieser Druck zu groß werden sollte. Derartige Bedingungen können auftreten, wenn die elektrochemische Zelle intern Wasserstoffgas bei einer Rate erzeugt, die diejenige übersteigt, bei der das intern erzeugte Wasserstoffgas durch den Kollektor-Aufbau von der Zelle nach außen dringen kann.
  • Der in 1 gezeigte Kollektor-Aufbau 25 umfasst eine Abdichtung 30, einen Kollektorstab (Kollektornagel) 40, eine innere Abdeckung 44, eine Unterlegscheibe 50, und eine Vielzahl von Spornen 52. Die Abdichtung 30 ist so gezeigt, dass sie eine zentrale Nabe 32 mit einem Loch, durch das der Kollektornagel 40 eingefügt wird, einschließt. 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 aufrecht stehende Umfangswand 36, die sich entlang des Umfangs der Abdichtung 30 in einer ringförmigen Weise nach oben erstreckt. Die aufrecht stehende Umfangswand 36 dient nicht nur als eine Abdichtung zwischen dem Übergang des Kollektor-Aufbaus 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 starren Metall gebildet ist, ist vorgesehen, um die Festigkeit und die Halterung der radialen Kompression des Kollektor-Aufbaus 25 zu erhöhen, wodurch die Effektivität der Abdichtung verbessert wird. Wie in 1 gezeigt, ist eine innere Abdeckung 44 konfiguriert, um den zentralen Nabenabschnitt 32 und die aufrecht stehende Umfangswand 36 zu kontaktieren. Durch Konfigurieren des Kollektor-Aufbaus 25 in dieser Weise dient die innere Abdeckung 44 dazu, eine Kompression des zentralen Nabenabschnitts 32 durch den Kollektornagel 40 zu ermöglichen, während auch eine Kompression der aufrecht stehenden Umfangswand 36 durch die innere Oberfläche des Behälters 12 unterstützt wird.
  • Die äußere Abdeckung 45 ist typischerweise aus einem Nickel-plattierten Stahl gebildet und ist konfiguriert, um sich von einem Bereich, der durch die ringförmige aufrecht stehende Umfangswand 36 der Abdichtung 30 definiert wird, zu erstrecken und um in einem elektrischen Kontakt mit einem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 zu sein. Die äußere Abdeckung 45 kann an einem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 angeschweißt sein, um irgendeinen Kontaktverlust zu verhindern. Wie in 1 gezeigt, wenn der Kollektor-Aufbau 25 in das offene Ende des Behälters 12 eingesetzt wird, dringt der Kollektornagel 40 tief in das Gemisch 20 des Elektrolyts/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 Umfangslippe 47, die sich entlang des Umfangs der äußeren Abdeckung 45 nach oben erstreckt. Durch Bilden der aufrecht stehenden Umfangswand 36 der Abdichtung 30 mit einer Länge, die größer als diejenige der Umfangslippe 47 ist, kann ein Abschnitt der aufrecht stehenden Umfangswand 36 um die Umfangslippe 47 während des Krimpprozesses gefaltet werden, um so zu verhindern, dass irgendein Abschnitt der oberen Kante 13 des Behälters 12 in einen Kontakt mit der äußeren Abdeckung 45 kommt.
  • Die Abdichtung 30 ist vorzugsweise aus Nylon gebildet. In der in 1 gezeigten Konfiguration ist ein Druckentlastungsmechanismus vorgesehen, um die Entlastung des 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 ermöglichen, dass Wasserstoffgas von der Zelle 10 nach außen entweicht. Der gezeigte Mechanismus umfasst eine ringförmige Metall-Unterlegscheibe 50 und eine Vielzahl von Spornen 52, die zwischen der Abdichtung 30 und einer inneren Abdeckung 44 vorgesehen sind. Jeder Sporn 52 umfasst ein spitzes Ende 53, welches gegen einen dünnen Zwischenabschnitt 38 der Abdichtung 30 gedrückt wird. Die Sporne 52 sind gegen die untere innere Oberfläche der inneren Abdeckung 44 so vorgespannt, dass dann, wenn der innere Druck der Zelle 10 zunimmt und die Abdichtung 30 demzufolge deformiert wird, indem nach oben in Richtung auf die innere Abdeckung 44 gedrückt wird, die spitzen Enden 53 der Sporne 52 durch den dünnen Zwischenabschnitt 34 der Abdichtung 30 eindringen, wodurch die Abdichtung 30 aufgerissen wird und das Entweichen des intern erzeugten Gases durch die Öffnungen 43 erlaubt wird.
  • Obwohl der voranstehend beschriebene Kollektor-Aufbau 25 sämtliche voranstehend erwähnten wünschenswerten Funktionen in einer zufrieden stellenden Weise ausführt, belegt dieser bestimmte Kollektor-Aufbau, wie aus seinem Querschnittsprofil ersichtlich, 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-Aufbauten existieren, die niedrigere Profile aufweisen können und somit weniger Platz innerhalb der Zelle belegen. Jedoch erzielen derartige Kollektor-Aufbauten diese Verringerung in dem belegten Volumen typischerweise auf Kosten der Abdichtungscharakteristiken des Kollektor-Aufbaus oder des Betriebsverhaltens und der Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus.
  • Die WO-A-92/16978 offenbart primäre Alkalizellen mit einer pulverförmigen Zinkanode und einem Anodenstromkollektor, der aus einem punktierten Metall, wie expandiertem Kupfer, gebildet ist, und zeigt eine Abdichtungsanordnung, die einen sich nach unten erstreckenden V-förmigen Abdichtungsabschnitt aufweist.
  • Die gemessenen externen und internen Volumen von mehreren Batterien, die zu dem Prioritätstag dieser Anmeldung kommerziell erhältlich 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 Kollektoraufbau-Volumen und der prozentuale Anteil des gesamten Zellenvolumens, der das Kollektoraufbau-Volumen bildet, ist in 2B für die in 2A aufgelisteten kommerziell erhältlichen Batterien vorgesehen. Ferner ist in 2A ein prozentualer Anteil des gesamten Zellenvolumens, der das innere Volumen bildet, welches zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist, bildet.
  • Das "gesamte Zellenvolumen" umfasst das gesamte Volumen, einschließlich von irgendwelchen inneren Leerräumen der Batterie. Für die in 1 gezeigte Batterie umfasst das Gesamtvolumen idealerweise die gesamte schraffierte Fläche, wie in 3A gezeigt. Das "interne Volumen" der Batterie wird durch die schraffierte Fläche, die in 3B gezeigt ist, dargestellt. Das "interne Volumen", so wie es hier verwendet wird, ist dasjenige Volumen innerhalb der Zelle oder Batterie, das die elektrochemisch aktiven Materialien sowie irgendwelche Leerräume und chemisch inerte Materialien (außer dem Kollektornagel), die innerhalb des abgedichteten Volumens der Zelle eingeschlossen sind, enthält. Derartige chemisch inerte Materialien können Separatoren, Leiter, und irgendwelche inerten Zusatzstoffe in den Elektroden einschließen. Wie hier beschrieben umfasst der Ausdruck "elektrochemisch aktive Materialien" die positiven und negativen Elektroden und das Elektrolyt. Das "Kollektoraufbau-Volumen" umfasst den Kollektornagel, die Abdichtung, die innere Abdeckung, die Unterlegscheibe, die Sporen und irgendein Leervolumen zwischen der Bodenoberfläche der negativen Abdeckung und der Abdichtung (was durch die schraffierte Fläche in 3C angedeutet wird). Das "Behältervolumen" umfasst das Volumen des Behälters, des Labels, der negativen Abdeckung (der äußeren Abdeckung 45), das Leervolumen zwischen dem Label und der negativen Abdeckung, der positiven Abdeckung, und das Leervolumen zwischen der positiven Abdeckung und des Behälters (mit der schraffierten Fläche in 3D gezeigt). Wenn das Label sich auf und in Kontakt mit der negativen Abdeckung erstreckt, ist das Leervolumen, welches zwischen dem Label und der negativen Abdeckung vorhanden ist, in dem Behältervolumen enthalten und wird deshalb auch als ein Teil des Gesamtvolumens angesehen. Ansonsten wird dieses Leervolumen nicht in entweder dem Behältervolumen oder dem Gesamtvolumen eingeschlossen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Gesamtsumme des "internen Volumens", "Kollektoraufbau-Volumens" und "des Behältervolumens" gleich zu dem "Gesamtvolumen" ist. Demzufolge kann das interne Volumen, welches für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar ist, durch Messen des Kollektoraufbau-Volumens und des Behältervolumens und durch Subtrahieren des Kollektoraufbau-Volumens und des Behältervolumens von dem gemessenen Gesamtvolumen der Batterie bestätigt werden.
  • Weil die äußeren Abmessungen der elektrochemischen Zelle im Allgemeinen durch das American National Standards Institute (ANSI) oder andere Standard-Organisationen festgelegt sind, gilt, dass je größer der durch den Kollektor-Aufbau belegte Platz ist, desto geringer der Platz ist, der innerhalb der Zelle für die elektrochemischen Materialien verfügbar ist. Demzufolge führt eine Verringerung in dem Betrag der elektrochemischen Materialien, die innerhalb der Zelle vorgesehen werden können, zu einer kürzeren Lebensdauer für die Zelle. Es ist deshalb wünschenswert, das innere Volumen innerhalb einer elektrochemischen Zelle, das für die elektrochemisch aktiven Komponenten verfügbar ist, zu maximieren.
  • Es wurde hier nun festgestellt, dass dies durch Konstruieren einer elektrochemischen Zelle erreicht werden kann, bei der der Raum, der von dem Kollektor-Aufbau belegt wird, und der Raum, der von dem Behältervolumen belegt wird, minimiert werden, während noch adäquate Abdichtungscharakteristiken aufrechterhalten und ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus ermöglicht wird.
  • Demzufolge ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme durch entweder Beseitigen des Kollektor-Aufbaus von der Zelle, während deren Funktionen beibehalten werden, oder durch Bereitstellen eines Kollektor-Aufbaus, der ein signifikant niedrigeres Profil aufweist und dadurch signifikant weniger Platz innerhalb einer elektrochemischen Zelle belegt, zu lösen. Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, Zellenkonstruktionen bereitzustellen, die einen geringeren Wasserverlust über der Zeit als herkömmliche Aufbauten bereitstellen, wodurch die Lagerungslebensdauer der Zelle erhöht wird. Zusätzliche Aspekte der Erfindung besteht darin, eine Batterie mit einem zuverlässigen Druckentlastungsmechanismus bereitzustellen, der nicht einen signifikanten prozentualen Anteil des verfügbaren Zellenvolumens belegt. Noch ein weiterer anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, Zellenkonstruktionen bereitzustellen, die in der Herstellung einfacher sind und die weniger Materialien benötigen, wodurch sie dadurch möglicherweise niedrigere Herstellungskosten aufweisen. Ein anderer Aspekt der Erfindung besteht darin, Zellenkonstruktionen bereitzustellen, die erfordern, dass eine geringe radiale Kompressionskraft durch den Behälter angewendet werden muss, um die Zelle richtig abzudichten, wodurch die Verwendung eines Behälters mit dünneren Seitenwänden erlaubt wird und was somit zu einem größeren inneren Zellenvolumen führt.
  • Um die obigen Aspekte und Vorteile zu erreichen, umfasst eine Batterie der vorliegenden Erfindung:
    einen Behälter, der elektrochemisch aktive Materialien mit wenigstens positiven und negativen Elektroden und einen Elektrolyt enthält, wobei der Behälter ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende aufweist; und
    einen Kollektor-Aufbau und eine äußere Abdeckung, positioniert über dem offenen Ende des Behälters, wobei der Kollektor-Aufbau und irgendein Leervolumen zwischen dem Kollektor-Aufbau und der Bodenoberfläche der äußeren Abdeckung ein Kollektoraufbau-Volumen definieren;
    dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor-Aufbau frei von einem sich nach unten erstreckenden V-förmigen Abdichtungsabschnitt und einer Abdichtungs-Rissspur (Abdichtungs-Risssporn) ist, wobei:
    für eine Batterie der Größe D, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 5,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 2,5 cm3 ist;
    für eine Batterie der Größe C, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 1,7 cm3 ist;
    für eine Batterie der Größe AA, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 6,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 0,5 cm3 ist; und
    für eine Batterie der Größe AAA, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 0,24 cm3 ist.
  • Diese und andere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung lassen sich besser verstehen und werden von Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet besser gewürdigt durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die Ansprüche und die beiliegenden Zeichnungen.
  • Die vorliegende Erfindung lässt sich durch Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Querschnitt einer herkömmlichen elektrochemischen Alkalizelle der Größe C;
  • 2A eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und internen Zellenvolumen, die für elektrochemische Materialien verfügbar sind, zeigt, sowie sie für die diejenigen Batterien gemessen werden, die zu der Zeit, zu der diese Anmeldung eingereicht wurde, kommerziell erhältlich waren;
  • 2B eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und Kollektoraufbau-Volumen, wie für diejenigen Batterien gemessen, die kommerziell erhältlich waren, wie in 2A vorgesehen, zeigt;
  • 3A–3D Querschnitte einer herkömmlichen elektrochemischen Alkalizelle der Größe C, die die Gesamtbatterie- und verschiedene Komponenten-Volumen darstellen;
  • 4 einen Querschnitt einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Abdichtung eines niedrigen Profils, die in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
  • 5 einen Teilquerschnitt einer Anpassung der ersten Ausführungsform zur Verwendung in einer Batterie der Größe AA, gezeigt im Vergleich mit einem Teilquerschnitt einer Anpassung der herkömmlichen Konstruktion, wie gegenwärtig in einer Batterie der Größe AA verwendet;
  • 6 einen Querschnitt einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Abdichtung eines ultraniedrigen Profils in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 einen Querschnitt einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Abdichtung eines ultraniedrigen Profils und einem geformten positiven Abdeckungsvorsprung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8A einen Querschnitt einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C, die in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Zurückrollabdeckung, eine ringförmige L-förmige oder J-förmige Abdichtung, und einen Druckentlastungsmechanismus, der in der Behälter-Bodenoberfläche gebildet ist, aufweist;
  • 8B einen Querschnitt des oberen Abschnitts einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C, die in Übereinstimmung der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Zurückrollabdeckung aufweist und ferner eine L-förmige ringförmige Abdichtung einschließt;
  • 8C eine perspektivische Explosionsansicht der elektrochemischen Zelle, die in 8A gezeigt ist, wobei der Aufbau der Kollektorabdichtung und des Abdeckungs-Aufbaus dargestellt ist;
  • 9 eine Bodenansicht eines Batteriebehälters mit einem Druckentlastungsmechanismus, der in dem geschlossenen Ende des Behälters gebildet ist;
  • 10 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie X-X der Behälterbelüftung, die in 9 gezeigt ist;
  • 11 einen Querschnitt einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Konstruktion eines Getränkedosen-Typs in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12A eine perspektivische Teilexplosionsansicht der Batterie, die in 11 gezeigt ist;
  • 12B und 12C Querschnittsansichten eines Abschnitts der Batterie, die in 11 gezeigt ist, wobei der Prozess zum Bilden der Konstruktion des Getränkedosen-Typs dargestellt ist;
  • 12D eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts der Batterie, die in 11 gezeigt ist;
  • 13 eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Konstruktion des Getränkedosen-Typs in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 14A eine Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und interne Zellenvolumen für verschiedene Batterien zeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
  • 14B eine Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und das Kollektoraufbau-Volumen für verschiedene Batterien, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, zeigt;
  • 15 eine Querschnittsansicht einer elektrochemischen Alkalizelle der Größe C mit einer Kollektordurchführungs-Konstruktion in Übereinstimmung mit einer siebten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 16 eine Explosionsansicht des Aufbaus der elektrochemischen Zelle, die in 15 gezeigt ist; und
  • 17 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Zusammenbauen der elektrochemischen Zelle, die in den 15 und 16 gezeigt ist, darstellt.
  • Wie voranstehend beschrieben besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das interne Volumen, welches in einer Batterie zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist, zu Volumen, die vorher nicht enthalten sind, zu erhöhen. Um diese Aufgabe zu lösen, ohne die Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus, der in der Batterie vorgesehen ist, in ungünstiger Weise zu verkleinern und ohne die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Batterie ansonsten lecken würde, werden verschiedene neuartige Modifikationen nachstehend für die Konstruktion von Batterien von verschiedenen Größen vorgeschlagen. Die nachstehend beschriebenen Modifikationen können separat oder in Kombination in einer Batterie implementiert werden, um deren Volumen-Effizienz zu verbessern.
  • Wie nachstehend mit näheren Einzelheiten beschrieben, umfassen die verschiedenen Modifikationen der vorliegenden Erfindung, die ein größeres internes Volumen zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien erreichen, eine Abdichtung mit einem niedrigen Profil (4), eine Abdichtung (6) mit einem ultraniedrigen Profil, einen positiven äußeren Abdeckungs-Vorsprung, der direkt im geschlossenen Ende des Behälters gebildet ist und in Verbindung mit der Abdichtung (6) mit dem ultraniedrigen Profil oder der Abdichtung mit dem niedrigen Profil verwendet wird, eine Behälterbelüftung, die in dem geschlossenen Ende des Batteriebehälters gebildet ist (8A–10), mit einer L-förmigen und J-förmigen ringförmigen Abdichtung (8A–8C), eine Konstruktion des Getränkedosen-Typs, die in Kombination mit einer Behälterbelüftung verwendet wird (11), und eine Konstruktion eines Getränkedosen-Typs mit einer Kollektor-Durchführung (15–17).
  • Durch die Verwendung der voranstehend angegebenen Konstruktionen kann die Batterie zusätzlich mit dünneren Wänden, in der Größenordnung von 0,10 – 0,20 mm (4 – 8 mils) ausgebildet werden, da die nachstehend angegebenen Konstruktionstechniken nicht die dickeren Wände erfordern, die in herkömmlichen Batterien benötigt werden, um eine ausreichende Krimpung und Abdichtung sicherzustellen. Ferner kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Label (Etikett) direkt auf die äußere Oberfläche des Batteriebehälters lithografisch aufgebracht werden. Indem die Behälterwände dünner ausgebildet werden und das Label (Etikett) direkt lithografisch auf die Außenseite des Behälters angebracht wird, kann das innere Volumen der Zelle weiter erhöht werden, da man die Dicke des Labelsubstrats zum Konstruieren einer Zelle, die die ANSI Außengrößen-Standards erfüllt, nicht zu berücksichtigen braucht.
  • Das gesamte Batterievolumen, das Kollektorausbau-Volumen und das innere Volumen, welches für ein elektrochemisch aktives Material für jede Batterie verfügbar ist, werden durch Betrachten einer Computer Aided Design (CAD) Zeichnung, einer Fotografie, oder einem tatsächlichen Querschnitt der Batterie, der in Epoxid eingeschlossen und longitudinal quer durchgeschnitten ist, bestimmt. Die Verwendung einer CAD-Zeichnung, einer Fotografie oder eines tatsächlichen Längsquerschnitts zum Betrachten und Messen von Batteriedimensionen erlaubt die Einschließung von sämtlichen Leervolumen, die in der Batterie vorhanden sein könnten. Um das gesamte Batterievolumen zu messen, wird die Querschnittsansicht der Batterie, genommen durch ihre zentrale longitudinale Symmetrieachse, 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 entlang ihrer zentralen longitudinalen Symmetrieachse betrachtet und die Komponenten, die das innere Volumen bilden, das die elektrochemisch aktiven Materialien, die Leervolumen und chemisch inerte Materialien (außer dem Kollektornagel) einschließt, die innerhalb des abgedichteten Volumens der Zelle eingeschlossen sind, werden durch eine geometrische Berechnung gemessen. Zum Bestimmen des Volumens des Kollektor-Aufbaus wird genauso die Querschnittsansicht der Batterie, die durch ihre zentrale longitudinale Symmetrieachse davon genommen wird, betrachtet und die Komponenten, die das Kollektoraufbau-Volumen bilden, das den Kollektornagel, die Abdichtung, die innere Abdeckung und irgendein Leervolumen, welches zwischen der Bodenoberfläche der negativen Abdeckung und der Abdichtung definiert ist, einschließen, werden durch eine geometrische Berechnung gemessen. Das Behältervolumen kann genauso gemessen werden, indem der zentrale longitudinale Querschnitt der Batterie betrachtet wird und das Volumen berechnet wird, welches von dem Behälter, dem Label (Etikett), der negativen Abdeckung, dem Leervolumen zwischen dem Etikett und der negativen Abdeckung, der positiven Abdeckung, und dem Leervolumen zwischen der positiven Abdeckung und dem Behälter aufgebracht wird.
  • Die Volumenmessungen werden durch Betrachten eines Querschnitts der Batterie, der durch deren longitudinale Symmetrieachse genommen wird, durchgeführt. Dies erlaubt eine genaue Volumenmessung, da die Batterie und ihre Komponenten gewöhnlicherweise axial symmetrisch sind. Um eine geometrische Ansicht des Querschnitts einer Batterie zu ermitteln, wurde die Batterie zunächst in Epoxid vergossen und, nachdem das Epoxid ausgehärtet war, wurde die vergossene Batterie und ihre Komponenten auf den zentralen Querschnitt durch die Symmetrieachse heruntergeschliffen. Insbesondere wurde die Batterie zunächst in Epoxid vergossen und dann bis auf kurz vor dem zentralen Querschnitt abgeschliffen. Als nächstes wurden sämtliche inneren Komponenten wie die Anode, Kathode und das Separatorpapier entfernt, um eine Messung des fertig gestellten Querschnitts besser zu ermöglichen. Die vergossene Batterie wurde dann von irgendwelchem verbleibenden Abfall gereinigt, wurde in der Luft getrocknet und die verbleibenden Leervolumen wurden mit Epoxid gefüllt, um der Batterie eine gewisse Festigkeit zu verleihen, bevor der Schleif- und Poliervorgang auf ihre Mitte fertig gestellt wurde. Die Batterie wurde erneut geschliffen und poliert, bis sie auf ihren zentralen Querschnitt fertig gestellt war, wurde danach in eine Zeichnung durchgepaust, und die Volumen wurden daraus gemessen.
  • Vor dem Vergießen der Batterie in Epoxid wurden Batteriemessungen mit Schieblehren durchgeführt, um die Gesamthöhe, die Krimphöhe und den äußeren Durchmesser oben, unten und in der Mitte der Batterie zu messen. Zusätzlich wurde eine identische Batterie zerlegt und die Komponenten davon 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 dem äußeren Durchmesser des Oberteils, Bodenteils und der Mitte der Batterie, wobei das Label (Etikett) nicht vorhanden war.
  • Sobald eine Batterie vollständig in Epoxid vergossen und durch die longitudinale Symmetrieachse auf die Mitte abgeschliffen 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 individuelle Komponenten nachzuzeichnen, um eine Zeichnung des zentralen Querschnitts der Batterie zu erzeugen. Dadurch wurde die Batterie fest an der Stelle fixiert und die Kontur der Batterieteile wurde in einem Format gespeichert, welches später in der Festkörpermodellierungssoftware verwendet werden könnte, um die Batterievolumen von Interesse zu berechnen. Bevor jedoch irgendwelche Volumenmessungen durchgeführt wurden, kann die Zeichnung eingestellt werden, um eine Kompensation für irgendwelche Batteriekomponenten bereitzustellen, die nicht exakt durch die Mitte der Batterie ausgerichtet waren. Dies kann durch Verwenden der Messungen erreicht werden, die von der Batterie vor einem Querschnitt der Batterie genommen werden, und denjenigen Messungen, die von der zerlegten identischen Batterie genommen werden, erreicht werden. 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 die entsprechenden bekannten Querschnittsdimensionen zum Herstellen der Zeichnungen genauer für Volumenmessungen einschließt. Die Einzelheiten der Abdichtungs-, Abdeckungs-, und Krimp-Bereiche wurden verwendet, so wie sie auf dem optischen Vergleicher gezogen waren.
  • Um die Volumenmessungen zu berechnen, wurde die Zeichnung in eine Festkörper-Modellierungssoftware importiert. Eine dreidimensionale Festkörper-Volumendarstellung wurde durch Drehen der Kontur des Querschnitts sowohl auf der linken als auch rechten Seite um einhundertachtzig Grad (180°) um die longitudinale Symmetrieachse erzeugt. Demzufolge wird das Volumen von jedem Bereich von Interesse durch die Software berechnet und durch Drehen der linken und rechten Seite um einhunderachtzig Grad (180°) und Aufsummieren des linken und rechten Volumens wird ein durchschnittlicher Volumenwert bestimmt, der in denjenigen Situationen vorteilhaft sein kann, bei denen die Batterie nicht-symmetrische Merkmale aufweist. Die Volumen, die irgendwelche nicht-symmetrischen Merkmale einschließen, können wie erforderlich eingestellt werden, um genauere Volumenmessungen zu ermitteln.
  • ABDICHTUNG MIT NIEDRIGEM PROFIL
  • 4 zeigt eine Batterie, die unter Verwendung einer Abdichtung mit niedrigem Profil in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Ähnlich wie die in 1 gezeigte Batterie umfasst die Batterie 100 einen elektrisch leitenden Behälter 112 mit einem geschlossenen Ende 114 und einem offenen Ende, in dem ein Kollektor-Aufbau 125 und eine negative Abdeckung 145 sicher an der Stelle gehalten werden. Ferner umfasst die Batterie 100 auch eine positive Elektrode 115 in Kontakt mit den inneren Wänden des Behälters 112 und in Kontakt mit einer Separatorschicht (Trennschicht) 117, die zwischen der positiven Elektrode 115 und einer negativen Elektrode 120 liegt. Ferner umfasst die Batterie 100 eine positive äußere Abdeckung 111, die an einer Bodenoberfläche des geschlossenen Endes des Behälters 112 angebracht ist.
  • Der Unterschied zwischen den Batterien 10 und 100 liegt in der Konstruktion des Kollektor-Aufbaus 125 und der Abdeckung 145. Während eine Abdichtung 130 ähnlich zu der Abdichtung 30 dahingehend ist, dass sie eine aufrecht stehende Wand 136 und eine zentrale Nabe 132 enthält, die eine Öffnung aufweist, die darin zur Aufnahme des Kopfabschnitts 142 eines Kollektornagels 140 gebildet ist, unterscheidet sich die Abdichtung 130 von der Abdichtung 30 dahingehend, dass der V-Abschnitt 34 der Abdichtung 30 umgedreht ist, um sich in Richtung auf die innere Abdeckung 144 nach oben zu erstrecken, wie mit dem Bezugszeichen 134 angedeutet. Durch Umdrehen dieses V-Abschnitts kann der Kollektor-Aufbau 125 quadratischer auf einer oberen Oberfläche 116 der positiven Elektrode 115 ruhen. Ferner kann das Volumen, das durch den V-Abschnitt 34 der Batterie 10 belegt wird, dann für die elektrochemisch aktiven Materialien verwendet werden.
  • Um das interne Volumen zu verringern, welches von dem Kollektor-Aufbau 125 belegt wird, ist die innere Abdeckung 144 so konstruiert, dass sie der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung 145 enger angepasst ist, um so den Leerraum zwischen der äußeren Abdeckung 45 und der inneren Abdeckung 44 in der Batterie 10 zu beseitigen. Dadurch, dass der Kollektor-Aufbau 125 fest auf der oberen Oberfläche 116 der positiven Elektrode 115 ruht, kann zusätzlich die Umfangskante 147 der äußeren Abdeckung 145 flach sein, anstelle dass sie sich nach oben erstreckt, wie für den Fall der Batterie 10. Indem die Umfangskante 147 flach gelegt wird, kann der Kollektor-Aufbau 125 noch näher zu dem Ende der Batterie 100 positioniert werden.
  • Der Kollektor-Aufbau 125 der Batterie 100 unterscheidet sich ferner von dem Kollektor-Aufbau 25 der Batterie 10 dahingehend, dass Sporne 52 und Unterlegscheiben 50 beseitigt sind. Der Kollektor-Aufbau 125 weist trotzdem einen zuverlässigen Druckentlastungsmechanismus auf und zwar durch die Bereitstellung eines ausgedünnten Abschnitts 138, der in der Abdichtung 130 unmittelbar angrenzend zu der Nabe 132 gebildet ist. Ein verdickter Ringabschnitt 139 der Abdichtung 130 ist angrenzend zu dem ausgedünnten Abschnitt 138 vorgesehen, so dass der ausgedünnte Abschnitt 138 zwischen dem verdickten Ringabschnitt 139 und der relativ dicken Nabe 132 liegt. Wenn der innere Druck der Zelle 100 zu groß wird, reißt somit die Abdichtung 130 auf und zwar an der Stelle des ausgedünnten Abschnitts 138. Wie mit der Konstruktion, die für die Batterie 10 gezeigt ist, entweicht dann das intern erzeugte Gas durch Öffnugen 143, die in der inneren Abdeckung 144 und der äußeren Abdeckung 145 gebildet sind.
  • Das innere Volumen, welches zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien fügbar ist, in einer Batterie der Größe D mit der in 1 gezeigten herkömmlichen Konstruktion, beträgt 44,16 cc, was 87,7 Prozent des Gesamtvolumens von 50,38 cc ist (siehe den entsprechenden Eintrag in der Tabelle der 2A). Wenn die gleiche Zelle unter Verwendung der in 4 gezeigten Abdichtungskonstruktion mit niedrigem Profil konstruiert wäre, könnte das interne Zellenvolumen auf 44,67 cc angehoben werden, was 89,2 Prozent des Gesamtvolumens, welches 50,07 cc beträgt, darstellt. Die inneren und externen Volumen für die Zelle, die mit der Abdichtung eines niedrigen Profils der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, sind für eine Zelle mit einer 10 mil Behälterdicke. Durch Verringern der Behälterwanddicke können ferner sogar größere innere Zellenvolumen erreicht werden.
  • Die Abdichtung mit dem niedrigen Profil, die voranstehend beschrieben wurde, ist offenbart in der gemeinsam übertragenen U.S. Patentanmeldung Nr. 08/882,572 mit dem Titel "A V-SHAPED GASKET FOR GALVANIC CELLS", die am 27. Juni 1997 von Gary R. Tucholski eingereicht wurde, wobei die Offenbarung davon hier Teil der vorliegenden Anmeldung ist.
  • 5 zeigt eine modifizierte Anpassung der Abdichtung mit niedrigem Profil, wie in einer Batterie 100' der Größe AA verwendet, im Vergleich mit einer kommerziellen Anpassung der Konstruktion, die in 1 gezeigt ist, wie für eine Batterie 10' der Größe AA verwendet. Wie der Kollektor-Aufbau der Batterie 100 (4) umfasst der Kollektor-Aufbau der Batterie 100' eine Abdichtung 130 mit einem umgedrehten V-Abschnitt 134, einen Nabenabschnitt 132, und einen ausgedünnten Abschnitt 138, der zwischen der Nabe 132 und dem verdickten Abschnitt 139 vorgesehen ist.
  • Die. primäre Differenz zwischen den Kollektor-Aufbauten der Batterien 100 und 100' ist die Beseitigung der inneren Abdeckung 144 der Batterie 100. Um eine ausreichende radiale Kompressionskraft gegen das aufrecht stehende Bein 136 der Abdichtung 130 sicherzustellen, verwendet die Batterie 100' eine Zurückroll-Abdeckung 145' an der Stelle der mit einem Flansch versehenen Abdeckung 145, die in der Batterie 100 verwendet wird, und verwendet auch einen Halter 150. Wie sich aus einem Vergleich der 4 und 5 entnehmen lässt, unterscheidet sich eine Zurückroll-Abdeckung von einer mit einem Flansch versehenen Abdeckung dahingehend, dass die Umfangskante 147 einer mit einem Flansch versehenen Abdeckung 145 flach ist, wohingegen die Umfangskante 147' einer Zurückroll-Abdeckung 145' sich axial nach unten erstreckt und gefaltet ist, um sich auch axial nach oben zu erstrecken. Die Zurückroll-Abdeckung 145' stellt eine ausreichende Federkraft in der radialen Richtung bereit, um eine Kompression des aufrecht stehenden Beins 136 der Abdichtung 130 gegen die innere Wand des Behälters 112 während einer normalen Verwendung aufrechtzuerhalten.
  • Der Halter 150 ist über und um den oberen Abschnitt der Nabe 132 der Abdichtung 130 herum vorgesehen, um die Nabe 132 gegen den Kollektornagel 140 zu drücken. Durch Konfigurieren des Halters 150, so dass er einen J- oder L-förmigen Querschnitt aufweist, kann auch die untere radiale Verlängerung des Halters 150 sicherstellen, dass die Abdichtung 130 in der Nähe des ausgedünnten Abschnitts 138 reißen wird, wenn der interne Druck einen zu großen Pegel erreicht.
  • ABDICHTUNG MIT EINEM ULTRANIEDRIGEN PROFIL
  • 6 zeigt eine Batterie, die in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und eine Abdichtung mit einem ultraniedrigen Profil verwendet. Wie die in 1 gezeigte herkömmliche Zelle 10 umfasst auch die Zelle 200 einen zylindrischen Behälter 212, der aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist. Ferner wird eine erste Elektrode 215 gegen die inneren Wände des Behälters 212 gebildet, vorzugsweise durch einen Formungsvorgang. Ein Separator 217 wird genauso innerhalb des Hohlraums, der durch das erste Elektrodenmaterial 215 definiert wird, eingefügt und ein Gemisch 220 einer zweiten Elektrode und eines Elektrolyts werden innerhalb eines Hohlraums, der durch den Separator 217 definiert wird, vorgesehen.
  • Wie in 6 gezeigt, umfasst der Kollektor-Aufbau 225 einen einstöckigen Aufbau 228 aus der Abdichtung/der inneren Abdeckung, und einen Kollektor 240, der durch ein zentrales Loch 236 geht, das in dem einstückigen Aufbau 228 aus der Abdichtung/der inneren Abdeckung bereitgestellt ist. Der Kollektor 240 ist vorzugsweise ein Messingnagel mit einem Kopf 242 und einem Halterflansch 241, der vorgesehen ist, um mit einer Geschwindigkeitsmutter 250 zusammenzuwirken, um den Kollektornagel 240 innerhalb des zentralen Lochs 236 des einstückigen Aufbaus 228 aus der Abdichtung/der inneren Abdeckung zu sichern.
  • Der integrierte Aufbau 228 aus der Abdichtung/der inneren Abdeckung umfasst eine starre innere Abdeckung 210 und eine Abdichtung 230, die direkt auf der starren inneren Abdeckung 210 durch einen Formungsvorgang oder eine Laminierung gebildet ist. Die Abdichtung 230 ist vorzugsweise aus Neopren, Butyl, oder Ethylen-Propylen-Gummi gebildet und die starre innere Abdeckung 210 ist vorzugsweise aus einem niedrigen Kohlenstoffstahl 1008 oder 1010 gebildet. Weil Gummi komprimierbarer als die Nylon- oder Polypropylen-Materialien ist, die oft in derartigen Kollektor-Aufbauten verwendet werden, muss die radiale Kompressionsstärke der starren inneren Abdeckung 210 nicht so groß sein. Somit kann die innere Abdeckung aus dünneren und/oder weicheren Metallen gebildet werden. Ferner können andere Materialien als Metall verwendet werden. Ferner kann die Abdichtung 230 aus anderen Materialien gebildet werden, vorausgesetzt, dass derartige Materialien chemisch inert, wasserundurchlässig und komprimierbar sind und die Fähigkeit aufzeigen, an das Material zu binden, welches zum Bilden der starren inneren Abdeckung 210 verwendet wird.
  • Durch Verkleinern der radialen Kraft, die zum Komprimieren der aufrecht stehenden Umfangswand der Abdichtung benötigt wird, kann zusätzlich die Dicke der Behälterwände von 0,25 mm (0,010 inch) auf ungefähr 0,15 mm (0,006 inch) oder möglicherweise sogar 0,10 mm (0,004 inch) verringert werden.
  • Durch Bereitstellen einer Struktur, die ermöglicht, dass Gummimaterialien, wie Neopren und Butyl-Gummi, als das Abdichtungsmaterial verwendet werden, wird die Wasserpermeabilität des Kollektor-Aufbaus stark reduziert. Durch Reduzieren der Wasserpermeabilität der Zelle sollte die Servicewartung der Batterie erhöht werden.
  • Die starre innere Abdeckung 210 ist im Allgemeinen scheibenförmig und weist eine zentrale Öffnung 218, die an ihrer Mitte gebildet ist, sowie eine Vielzahl von zusätzlichen Öffnungen 217 auf. Die zentrale Öffnung 218 und die zusätzlichen Öffnungen 217 erstrecken sich durch die starre innere Abdeckung 210 von ihrer oberen Oberfläche zu ihrer Bodenoberfläche. Wenn sie aus Metall gebildet ist, wird die starre innere Abdeckung 210 vorzugsweise dadurch hergestellt, dass sie aus einer Metallschicht ausgestanzt wird. Die innere Abdeckung 210 kann jedoch unter Verwendung von anderen bekannten Herstellungstechniken gebildet werden. Danach wird die starre innere Abdeckung 210 einem Oberflächenaufrauungsprozess ausgesetzt, beispielsweise einem Sandstrahlen oder einer chemischen Ätzung, um die Stärke der Bindung zu erhöhen, die danach zwischen der starren inneren Abdeckung 210 und der Abdichtung 230 gebildet wird. Für eine Zelle der Größe C ist die starre innere Abdeckung 210 vorzugsweise 0,38 bis 0,76 mm (0,015 bis 0,030 inch) dick.
  • Nachdem die starre innere Abdeckung 210 ausgestanzt und deren Oberfläche behandelt worden ist, wird sie vorzugsweise in eine Transferformungspresse eingefügt, in die der Gummi, der die Abdichtung 230 bildet, danach zugeführt wird. Die Transferformung wird vorzugsweise gebildet, um zu ermöglichen, dass der zugeführte Gummi eine Schicht 232 über der Bodenoberfläche der starren inneren Abdeckung 210 bildet. Die Dicke der Schicht 232 ist zwischen 0,25 und 0,50 mm (0,010 und 0,020 inch) dick und ist vorzugsweise ungefähr 0,46 mm (0,016 inch) dick. Der Gummi fließt auch in die Öffnungen 217 hinein, um Pfropfen 238 zu bilden. Ferner fließt der Gummi innerhalb der zentralen Öffnung 218 so, dass die Oberflächen der zentralen Öffnung 218 ausgekleidet werden, aber ohne die Öffnung vollständig zu füllen, um so ein zentrales Loch 236 bereitzustellen, in das der Kollektornagel 240 danach eingefügt werden kann. Der Durchmesser des zentralen Lochs 236 ist vorzugsweise ausreichend kleiner als der Durchmesser des Kollektornagels 240, so dass die Gummiauskleidung in der zentralen Öffnung 218 innerhalb der Öffnung 218 stark komprimiert wird, wenn der Kollektornagel 240 durch das zentrale Loch 236 an seine Stelle getrieben wird. Durch Bereitstellen eines Halters 241 auf dem Kollektor 240, der an die Bodenschicht 232 der Abdichtung 230 gedrückt wird, wenn der Kollektornagel 240 an die Stelle getrieben worden ist, arbeiten dessen Geschwindigkeitsmutter 250 und der Halter 241 zusammen, um den Abschnitt der Gummischicht 232, die dazwischen liegt, auch vertikal zu komprimieren. Durch Komprimieren der Gummiabdichtung in der Nähe des Kollektornagels 240 in dieser Weise wird die Möglichkeit, dass ein Leck in der Oberfläche zwischen dem Kollektornagel 240 und dem integrierten Aufbau 228 der Abdichtung/der inneren Abdeckung auftritt, stark verringert.
  • Durch Füllen der Öffnungen 217 mit Gummiabdichtungspfropfen 238 in der gezeigten Weise wird ein Druckentlastungsmechanismus bereitgestellt, der nicht nur zuverlässig arbeitet, sondern auch effektiv wieder abdichten kann, nachdem ein interner Druck gelöst worden ist. Wenn der interne Druck Pegel erreicht, die als zu groß angesehen werden, dann zerreißt der zu große Druck wenigstens einen der Pfropfen 238, um die schnelle Freigabe von intern erzeugten Gasen zu ermöglichen. Der Druck, bei dem ein derartiges Zerreißen auftritt, ist auf Grundlage der Materialien, die für die Abdichtung gewählt werden, der Dicke des Abdichtungsmaterials, und des Durchmessers der Öffnungen 217 steuerbar. Wegen der Elastizität des Gummiabdichtungsmaterials nimmt der Gummipfropfen 238 ferner seinen ursprünglichen Zustand ein, sobald der Druck freigegeben worden ist. Im Gegensatz zu anderen Belüftungsmechanismen, die in herkömmlichen Kollektor-Aufbauten verwendet werden, erzeugt der Druckentlastungsmechanismus der vorliegenden Erfindung somit nicht ein permanentes Loch innerhalb des Kollektor-Aufbaus, durch das elektrochemische Materialien danach lecken können. Ferner minimiert eine derartige erneute Abdichtung eine Verschlechterung der internen Komponenten der Zelle, wodurch möglicherweise die nützliche Zellenlebensdauer verlängert wird.
  • Obwohl nur eine Öffnung 217 in dem Pfropfen 238 bereitgestellt werden muss, um als ein Druckentlastungsmechanismus zu dienen, wird eine hinzugefügte Zuverlässigkeit erhalten, indem eine Vielzahl von derartigen verpfropften Öffnungen bereitgestellt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Entlastungsmechanismus-Strukturen erlaubt die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von unabhängig betreibbaren Druckentlastungsmechanismen. Sogar der in 1 dargestellte Druckentlastungsmechanismus, der eine Vielzahl von Spornen einschließt, stützt sich auf die Umdrehung der Unterlegscheibe 50 für irgendwelche der Sporne, um die Abdichtung zu durchdringen. Jede der verpfropften Öffnungen, die in dem Kollektor-Aufbau der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, ist jedoch nicht unabhängig voneinander und sie stellen deshalb einen zuverlässigeren Druckentlastungsmechanismus insgesamt bereit.
  • Wie in 6 gezeigt, weist die Abdichtung 230 eine aufrecht stehende Wand 235 auf, die direkt auf einer Umfangskante der starren inneren Abdeckung 210 gebildet ist. Durch Bereitstellen dieser aufrecht stehenden Wand 235 kann eine ausreichende Abdichtung erzeugt werden, wenn der Kollektor-Aufbau 225 in einen Behälter 212 eingefügt wird. Diese Abdichtung wird weiter verbessert, indem der äußere Durchmesser der Abdichtung 230 so gebildet wird, dass er größer als der innere Durchmesser des Behälters 212 ist, so dass die innere Abdeckung 210 die aufrecht stehende Wand 235 an die innere Oberfläche des Behälters 212 komprimiert.
  • Die Abdichtung 230 kann zusätzlich gebildet werden, um einen verlängerten Abschnitt 237 der aufrecht stehenden Wand 235 einzuschließen, der sich vertikal nach oben über die obere Oberfläche der inneren Abdeckung 210 vorbei erstreckt. Durch Bereitstellen von Verlängerungen 237 kann eine Abdichtung 230 als ein elektrischer Isolator zwischen dem gekrimpten Ende 224 des Behälters 212 und einer Umfangskante der äußeren Abdeckung 245 verwendet werden.
  • Obwohl die Abdichtung 230 so gezeigt ist, dass sie eine kontinuierliche Schicht 232 über der gesamten Bodenoberfläche der inneren Abdeckung 210 einschließt, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass die Abdichtung 230 nicht über der gesamten Bodenoberfläche der inneren Abdeckung 210 gebildet werden muss, insbesondere dann, wenn die innere Abdeckung 210 aus einem inerren Plastikmaterial gebildet ist. In Abhängigkeit von den Charakteristiken der Materialien, die zum Bilden der Abdichtung 230 und der inneren Abdeckung 210 verwendet werden, kann ein Bondungsmittel auf die Oberflächen der inneren Abdeckung 210 angewendet werden, die in einen Kontakt mit dem Abdichtungsmaterial 230 kommen werden und an dieses gebunden werden sollen.
  • Sobald die Abdichtung 230 auf die innere Abdeckung 210 geformt worden ist und der Kollektornagel 240 durch das zentrale Loch 236 des integrierten Aufbaus 228 der Abdichtung/der inneren Abdeckung und durch den Halter 240 eingefügt ist, wird die äußere Abdeckung 245 auf die obere Oberfläche des Kollektor-Aufbaus 225 platziert und vorzugsweise an dem Kopf 242 des Kollektornagels 240 angeschweißt. Danach wird der Kollektor-Aufbau 225 mit der daran angebrachten äußeren Abdeckung 245 in das offene Ende des Zellenbehälters 212 eingefügt. Um den Kollektor-Aufbau 225 vor dem Krimpvorgang an der Stelle zu halten, wird die Bodenoberfläche des Kollektor-Aufbaus 225 auf eine obere Oberfläche 216 der ersten Elektrode 215 gelegt. Somit kann der Kollektor-Aufbau 225 mit einer gewissen Kraft eingesetzt werden, um sicherzustellen, dass die Bodenoberfläche 232 der Abdichtung 230 gleichmäßig innerhalb der Zellenbehälteröffnung auf der oberen Oberfläche 216 der Elektrode 215 ruht.
  • Wenn die erste Elektrode 215 dadurch gebildet ist, dass sie innerhalb des Behälters 212 an der Stelle geformt wird, ist die erste Elektrode 215 vorzugsweise in der Weise konstruiert, die in der gemeinschaftlich übertragenen U.S. Patentanmeldung Nr. 09/036,115 mit dem Titel "ELECTROCHEMICAL CELL STRUCTURE EMPLOYING ELECTRODE SUPPORT FOR THE SEAL", eingereicht am 6. März 1998 von Gary R. Tucholski et al. offenbart ist, um zu verhindern, dass irgendein Überlauf von der Formung der ersten Elektrode 215 die geeignete Ausrichtung und Abdichtung stört, die durch den Kollektor-Aufbau bereitgestellt wird. Die Offenbarung der U.S. Patentanmeldung Nr. 09/036,115 wird hier durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung.
  • Durch Legen des Kollektor-Aufbaus 225 auf die Elektrode 215 könnte der Behälter 212 an seinem offenen Ende so gekrimpt werden, dass eine nach unten gerichtete Kraft bereitgestellt wird, die von der Elektrode 215 aufgenommen wird. Somit kann die Krimpung mit dem höheren Profil, die in der in 1 gezeigten herkömmlichen Zellenkonstruktion verwendet wird, mit einer Krimpung mit einem niedrigeren Profil ersetzt werden, wodurch ungefähr 1,52 mm (0,060 inch) mehr Platz innerhalb der Zelle geschaffen wird.
  • Ein Kollektor-Aufbau 225 mit der in 6 gezeigten Konstruktion weist ein viel niedrigeres Profil als der herkömmliche Kollektor-Aufbau, wie in 1 dargestellt, auf. Somit kann eine Zelle 200, die einen Kollektor-Aufbau 225 verwendet, größere Mengen von elektrochemischen Materialien 215 und 220 einschließen und die Lebensdauer der Zelle wird entsprechend erhöht. Trotz seines niedrigeren Profils zeigt der Kollektor-Aufbau 225 trotzdem eine ausreichende Abdichtung und ausreichende elektrische Isolation auf. Zusätzlich stellt der Kollektor-Aufbau der vorliegenden Erfindung einen Druckentlastungsmechanismus bereit, der nicht nur zuverlässig ist, sondern der die Vorteile von mehreren unabhängig betreibbaren Druckentlastungsmechanismen und eine teilweise erneute Abdichtung nach einer Entlüftung bereitstellt, um ein nachfolgendes Leck von elektrochemischen Materialien von der Zelle zu vermeiden. Somit bietet der Kollektor-Aufbau der vorliegenden Erfindung verbesserte Wasserpermeabilitätscharakteristiken an, wodurch die Servicewartung der Batterie erhöht wird.
  • Die berechneten Gesamtvolumen (cc) und internen Volumen (cc), die zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien für Batterien von verschiedenen Größen, die unter Verwendung der in 6 gezeigten Abdichtung mit einem ultraniedrigen Profil konstruiert sind, verfügbar sind, sind in der in 14A gezeigten Tabelle aufgeführt. Wie aus der Tabelle in 14A ersichtlich, sind die internen Zellenvolumen für derartige Zellen im Allgemeinen größer als irgendwelche der früheren kommerziell erhältlichen Zellen. Zum Beispiel weist eine Batterie der Größe D, die die Abdichtung mit dem ultraniedrigen Profil verwendet, ein internes Volumen, welches zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist, von 45,53 cc auf, was 90,9 Prozent des Gesamtvolumens von 50,07 cc ist. Dies ist größer als das interne Volumen, welches für irgendwelche der herkömmlichen Zellen gemessen wird, die in 2A aufgeführt sind. Für Zellen mit einer Behälterdicke von 0,20 mm (8 mils) oder 0,15 mm (6 mils) kann das interne Zellenvolumen ferner stark verringert werden. Die berechneten Gesamtvolumen (cc) sind in der Tabelle weiter gezeigt, die in 14B dargeboten wird, und zwar im Vergleich mit den Kollektoraufbau-Volumen von Batterien mit verschiedenen Größen, die unter Verwendung der in 6 gezeigten Abdichtung mit einem ultraniedrigen Profil konstruiert sind. Das Kollektoraufbau-Volumen, so wie es hier definiert ist, umfasst den Kollektornagel, die Abdichtung, die innere Abdeckung, und irgendein Leervolumen zwischen der Bodenoberfläche der negativen Abdeckung und der Abdichtung. Das Behältervolumen, so wie es hier definiert ist, umfasst das Volumen, das von dem Behälter verwendet wird, das Label (Etikett), die negative Abdeckung, das Leervolumen zwischen dem Label (Etikett) und der negativen Abdeckung, die positive Abdeckung, und das Leervolumen zwischen der positiven Abdeckung und dem Behälter. Es sei darauf hingewiesen, dass das Gesamtvolumen der Batterie gleich zu der Summation des internen Volumens, welches für elektrochemisch aktive Materialien verfügbar ist, des Kollektoraufbau-Volumens, und des Behälter-Volumens ist. Das Gesamtvolumen der Batterie, das Kollektorausbau-Volumen und das Behälter-Volumen werden durch Betrachten einer CAD-Zeichnung der zentralen longitudinalen Querschnittsansicht der Batterie bestimmt. Wie aus der Tabelle in 14B ersichtlich, ist das Kollektoraufbau-Volumen im Allgemeinen kleiner als irgendeines der früheren kommerziell erhältlichen Zellen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Kollektoraufbau-Volumen durch Verwenden der Abdichtungskonstruktion mit dem ultraniedrigen Profil verringert wird. Zum Beispiel beträgt das Kollektoraufbau-Volumen, welches in der Abdichtung mit dem ultraniedrigen Profil aufgebraucht wird, 1,89 cc, was 3,8 Prozent des Gesamtvolumens von 50,07 cc ist, wie in 14B gezeigt. Im Gegensatz dazu ist dies weniger als irgendeines der Kollektoraufbau-Volumen, die von den herkömmlichen Batterien gemessen werden, wie in 2B aufgelistet. Das Behältervolumen kann auch verringert werden. In ähnlicher Weise, für Zellen mit einer verringerten Behälterdicke von 0,20 mm (8 mils) oder 0,15 mm (6 mils), kann das interne Zellenvolumen weiter stark erhöht werden, während das Behältervolumen verkleinert wird.
  • Die voranstehend beschriebene Abdichtung mit dem ultraniedrigen Profil und mehrere alternative Ausführungsformen der Abdichtung mit dem ultraniedrigen Profil sind in der gemeinsam übertragenen U.S. Patentanmeldung Nr. 09/036,208 mit dem Titel "COLLECTOR ASSEMBLY FOR AN ELECTROCHEMICAL CELL INCLUDING AN INTEGRAL SEAL/INNER COVER", eingereicht am 6. März 1998 von Gary R. Tucholski offenbart, wobei die Offenbarung davon hier durch Bezugnahme Teil der vorliegenden Anmeldung ist.
  • ABDICHTUNG MIT EINEM NIEDRIGEN PROFIL UND ABDICHTUNG MIT EINEM ULTRANIEDRIGEN PROFIL MIT GEBILDETEM POSITIVEN VORSPRUNG
  • Wie in 7 gezeigt, kann die in 6 gezeigte zweite Ausführungsform so modifiziert werden, dass sie den Vorsprung 270 für den positiven Batterieanschluss aufweist, der direkt in dem geschlossenen Ende 214' des Behälters 212 gebildet ist. In dieser Weise kann der leere Platz, der zwischen dem geschlossenen Ende 214 des Behälters 212 und der positiven äußeren Abdeckung 211 existiert (6), verwendet werden, um elektrochemisch aktive Materialien aufzunehmen oder ansonsten einen Platz für die Ansammlung von Gasen bereitzustellen, der ansonsten innerhalb der Zelle bereitgestellt werden muss. Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden ferner erkennen, dass die in 4 gezeigte erste Ausführungsform in ähnlicher Weise derart modifiziert werden kann, dass der Vorsprung der positiven äußeren Abdeckung direkt in dem Boden des Behälters 112 gebildet wird. Obwohl die Erhöhung in dem Zellenvolumen, die durch Bilden des Vorsprungs direkt in dem Boden des Behälters erhalten wird, nicht in der Tabelle in 14A bereitgestellt wird, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass das interne Volumen typischerweise ein Prozent größer als die Volumen ist, die für die Abdichtung mit dem ultraniedrigen Profil oder die Abdichtung mit dem niedrigen Profil, die in der Tabelle aufgeführt sind und die mit einer getrennten Abdeckung gebildet sind, ist.
  • DRUCKENTLASTUNGSMECHANISMUS, DER IN DEM BEHÄLTERBODEN MIT EINER L-FÖRMIGEN ABDICHTUNG GEBILDET IST
  • Eine elektrochemische Batterie 300, die in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist in den 8A bis 8C gezeigt. Die Batterie 300 unterscheidet sich von den füheren Batteriekonstruktionen dahingehend, dass ein Druckentlastungsmechanismus 370 in dem geschlossenen Ende 314 des Behälters 312 gebildet ist.
  • Infolgedessen können komplexe Kollektor/Abdichtungs-Aufbauten mit Kollektor-Aufbauten ersetzt werden, die weniger Volumen aufbrauchen und weniger Teile aufweisen. Somit kann eine starke Verbesserung des Wirkungsgrads des internen Zellenvolumens erhalten werden. Wie in den 8A, 8B, 9 und 10 gezeigt, wird der Druckentlastungsmechanismus 370 durch Bereitstellen einer Ausnehmung 372 in der Bodenoberfläche des Behälters 312 gebildet. Diese Ausnehmung kann durch Prägen einer Bodenoberfläche des Behälters 312, Schneiden einer Ausnehmung in der Bodenoberfläche oder durch Formen der Ausnehmung in der Bodenoberfläche des Behälters zu der Zeit, zu der die positive Elektrode geformt wird, gebildet werden. Für eine Batterie der Größe AA beträgt die Dicke des Metalls an dem Boden der geprägten Ausnehmung ungefähr 0,05 mm (2 mils). Für eine Batterie der Größe D beträgt die Dicke des Metalls an dem Boden der geprägten Ausnehmung ungefähr 0,076 mm (3 mils). Die Ausnehmung kann als ein Bogen von ungefähr 300 Grad gebildet werden. Durch Halten der Form, die durch die Ausnehmung gebildet wird, geringfügig offen, wird der Druckentlastungsmechanismus ein effektives Scharnier aufweisen.
  • Die Größe der Fläche, die von der Ausnehmung 372 umschrieben wird, wird vorzugsweise derart gewählt, dass auf ein Reißen hin, als Folge des zu großen internen Drucks, die Fläche innerhalb der Ausnehmung 372 an dem Scharnier bzw. Gelenk innerhalb des positiven Vorsprungs der äußeren Abdeckung 311 ohne eine Störung von der äußeren Abdeckung 311 sich verschwenken kann. Im Allgemeinen hängt die Größe des Gebiets bzw. der Fläche, die von der Ausnehmung 372 definiert wird, sowie die gewählte Tiefe der Ausnehmung von dem Durchmesser des Behälters und dem Druck, bei dem der Druckentlastungsmechanismus reißen soll und ermöglichen soll, dass intern erzeugte Gase entweichen, ab.
  • Im Gegensatz zu Druckentlastungsmechanismen, die in dem Stand der Technik so beschrieben worden sind, dass sie in der Seite oder dem Ende des Behälters gebildet sind, ist der Druckentlastungsmechanismus 370 der vorliegenden Erfindung unterhalb der äußeren Abdeckung 311 positioniert, um so auf ein Reißen hin zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien in einer gefährlichen Weise direkt von der Batterie herausgesprüht werden. Wenn die Batterie in Serie zu einer anderen Batterie verwendet werden würde, so dass das Ende des positiven Anschlusses der Batterie gegen den negativen Anschluss einer anderen Batterie gedrückt wird, erlaubt die Bereitstellung der äußeren Abdeckung 311 über dem Druckentlastungsmechanismus 370 dem Mechanismus 370 auch sich unter den positiven Vorsprung nach außen zu biegen und schließlich zu reißen. Wenn die äußere Abdeckung 311 in derartigen Umständen nicht vorhanden wäre, könnte der Kontakt zwischen den zwei Batterien ansonsten verhindern, dass der Druckentlastungsmechanismus reißt. Wenn die äußere Abdeckung 311 über dem Druckentlastungsmechanismus 370 nicht vorgesehen wäre, würde ferner der Druckentlastungsmechanismus an dem positiven Ende der Batterie empfindlich für eine Beschädigung sein. Die äußere Abdeckung 311 schirmt auch den Druckentlastungsmechanismus 370 vor den Korrosionseffekten der umliegenden Umgebung ab und reduziert deshalb die Möglichkeit einer vorzeitigen Entlüftung und/oder eines Lecks. Durch Bilden des Druckentlastungsmechanismus unter der äußeren Abdeckung beseitigt die vorliegende Erfindung somit die Probleme im Zusammenhang mit den herkömmlichen Konstruktionen und stellt somit einen kommerziell einsetzbaren Druckentlastungsmechanismus für eine Batterie dar.
  • Sobald die Ausbildung eines Druckentlastungsmechanismus der Bodenoberfläche einer Batterie die Notwendigkeit für einen komplexen Kollektor/Abdichtungs-Aufbau beseitigen kann, kann das offene Ende der Batterie unter Verwendung von Konstruktionstechniken abgedichtet werden, die als Folge der Notwendigkeit Gasen zu ermöglichen, durch den Druckentlastungsmechanismus von der Batterie nach außen zu entweichen, früher nicht möglich waren. Zum Beispiel, wie in den 8A und 8B gezeigt, kann das offene Ende des Behälters 312 dadurch abgedichtet werden, dass entweder eine Nylonabdichtung 330 mit einem J-förmigen Querschnitt oder eine Nylonabdichtung 330' mit einem L-förmigen Querschnitt in dem offenen Ende des Behälters 312 angeordnet wird, eine negative äußere Abdeckung 314 mit einer Zurückroll-Umfangskante 347 innerhalb der Nylonabdichtung 330 oder 330' eingesetzt wird, und danach die äußere Kante 313 des Behälters 312 gekrimpt wird, um die Abdichtung 330 oder 330' zu halten und die Abdeckung 345 an der Stelle zu halten. Um dazu beizutragen, die Abdichtung 330 oder 330' an der Stelle zu halten, kann ein Wulst 316 um den Umfang des offenen Endes des Behälters 312 herum gebildet werden. Die Nylonabdichtung 330 oder 330' kann mit Asphalt beschichtet werden, um sie vor den elektrochemisch aktiven Materialien zu schützen und eine bessere Abdichtung bereitzustellen.
  • Bezug nehmend insbesondere auf die 8A und 8C 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 inneren Seite der Abdichtung und ein horizontales Basiselement 334, welches zwischen den vertikalen Wänden 332 und 336 gebildet ist, einschließt. Mit der Anwesenheit des kurzen vertikalen Abschnitts 336 wird die ringförmige Abdichtung hier so bezeichnet, dass sie entweder einen J-förmigen oder L-förmigen Querschnitt aufweist. Es sei darauf hingewiesen, dass die J-förmige Nylonabdichtung 330 auch ohne den kurzen vertikalen Abschnitt 336 konfiguriert werden könnte, um einen einfachen L-förmigen Querschnitt zu bilden, wie in 8B gezeigt.
  • Unter besonderer Bezugnahme auf 8C ist dort der Aufbau der in 8A gezeigten elektrochemischen Zelle dargestellt. Der zylindrische Behälters 312 ist mit Seitenwänden, die das offene Ende definieren, und einer Wulst 316 zur Aufnahme von intern angeordneten Batteriematerialien vor der Verschließung des Behälters gebildet. Innerhalb des Behälters 312 sind die elektrochemischen Zellenmaterialien mit den positiven und negativen Elektroden und dem Elektrolyt, sowie dem Separator und irgendwelchen Zusätzen angeordnet. Die äußere Abdeckung 345 mit dem Kollektornagel 340, der an die Bodenoberfläche 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 312 eingesetzt, um den Behälter 312 abzudichten und zu verschließen. Der Kollektornagel 340 ist vorzugsweise über eine Punktschweißung 342 an der unteren Seite der äußeren Abdeckung 345 angeschweißt. Der Kollektornagel 340 und die Abdeckung 345 werden mit der Abdichtung 330 zusammen in Eingriff gebracht, um den Kollektor-Aufbau zu bilden, und der Kollektor-Aufbau wird in dem Behälter 312 derart eingesetzt, dass die zurückgerollte Umfangskante 347 der äußeren Abdeckung 345 an die innere Wand der ringförmigen Abdichtung 330 über dem Wulst 316 angeordnet wird, der die Abdichtung 330 stützt. Der Kollektor-Aufbau wird zwangsweise innerhalb des offenen Endes des Behälters 312 angeordnet, um an der Behälteröffnung eng einzugreifen und diese zu verschließen. Danach wird die äußere Kante 313 des Behälters 12 nach innen gekrimpt, um die Abdichtung 330 und die äußere Abdeckung 345 axial zu drücken und an der Stelle zu halten.
  • Bezug nehmend zurück auf 8B ist die innere Oberfläche der äußeren Abdeckung 345 und wenigstens ein oberer Abschnitt des Kollektornagels 340 ferner so gezeigt, dass sie mit einer Antikorrosionsbeschichtung 344 beschichtet sind. Die Antikorrosionsbeschichtung 344 umfasst Materialien, die elektrochemisch kompatibel mit der Anode sind. Beispiele von derartigen elektrochemisch kompatiblen Materialien umfassen Epoxid, Teflon®, Polyolefine, Nylon, elastomerische Materialien, oder irgendwelche anderen Inert-Materialien, entweder allein oder in Kombination mit anderen Materialien. Die Beschichtung 344 kann auf denjenigen Abschnitt der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung 345 und des Kollektornagels 340, der den aktiven Materialien in dem Leerbereich über den positiven und negativen Elektroden der Zelle freigelegt ist, aufgesprüht oder aufgestrichen werden und deckt diesen Abschnitt vorzugsweise ab. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die innere Oberflächenabdeckung 345 mit Zinn, Kupfer oder anderen ähnlichen elektrochemisch kompatiblen Materialien plattiert werden könnte. Durch Bereitstellen der Antikorrosionsbeschichtung wird irgendeine Korrosion der äußeren Abdeckung 345 und des Kollektornagels 340 verringer und/oder verhindert, was in einer vorteilhaften Weise die Menge der Vergasung, die ansonsten innerhalb der elektrochemischen Zelle auftreten würde, reduziert. Eine Reduzierung der Vergasung innerhalb der Zelle führt zu einem verringerten Aufbau des internen Drucks.
  • Wie in 14A in den Zeilen gezeigt, die mit "Druckentlastung in dem Behälterboden" und "Druckentlastung in dem Behälterboden mit dünnen Wänden" bezeichnet sind, weist eine Batterie, die unter Verwendung der in 8A gezeigten Konstruktion konstruiert ist, mit der Größe D ein internes Volumen auf, welches 93,5 Volumenprozent ist, wenn die Behälterwände 0,25 mm (10 mils) dick sind, und ein internes Volumen, welches 94,9 Volumenprozent ist, wenn die Behälterwände 0,20 mm (8 mils) dick sind. Wie in 14B gezeigt, weist eine Batterie, die unter Verwendung der in 8 gezeigten Konstruktion konstruiert ist, mit einer Größe D ein Kollektoraufbau-Volumen auf, welches 2 Prozent des Gesamtvolumens ist, wenn die Behälterwände 0,25 mm (10 mils) dick und 0,20 mm (8 mils) dick sind. Die Batterien mit der Größe C, AA und AAA, die eine ähnliche Konstruktion aufweisen, zeigten ebenfalls starke Verbesserungen in der internen Volumeneffizienz auf, wie aus der Tabelle in den 14A ersichtlich.
  • KONSTRUKTION DES GETRÄNKEBEHÄLTER-TYPS
  • Die Verwendung des in den 8A-10 dargestellten Druckentlastungsmechanismus erlaubt ferner die Verwendung der in 11 gezeigten Konstruktion des Getränkedosen-Typs. Die Konstruktion des Getränkedosen-Typs, die gezeigt ist, unterscheidet sich von anderen Ausbildungen von Batterieabdichtungs-Konstruktionen dahingehend, dass es bei ihr nicht erforderlich ist, dass irgendeine Form von Nylonabdichtung in das offene Ende des Behälters 412 eingefügt wird. Anstelle davon wird eine negative äußere Abdeckung 445 an dem offenen Ende des Behälters 412 unter Verwendung einer Abdichtungstechnik gesichert, die gewöhnlicherweise verwendet wird, um den oberen Teil einer Nahrungsmittel- oder Getränkedose an dem zylindrischen Abschnitt der Dose (des Behälters) abzudichten. Derartige Abdichtungskonstruktionen sind vorher zur Verwendung bei der Abdichtung von Batterien nicht in Erwägung gezogen worden, weil sie nicht einfach erlauben würden, dass die negative äußere Abdeckung elektrisch von dem Behälter bzw. von der Dose isoliert ist.
  • Das Verfahren zur Herstellung einer Batterie mit der in 11 gezeigten Konstruktion wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 12A–12D beschrieben. Vor der Anbringung der negativen äußeren Abdeckung 445 an dem offenen Ende des Behälters 412 wird ein Kollektornagel 440 an der inneren Oberfläche der Abdeckung 440 angeschweißt. Als nächstes, wie in 12A gezeigt, wird die innere Oberfläche der Abdeckung 445, sowie der Umfangsabschnitt der oberen Oberfläche der Abdeckung 445, mit einer Schicht 475 aus einem elektrischen Isolationsmaterial, wie Epoxid, Nylon, Teflon® oder Vinyl, beschichtet. Der Abschnitt des Kollektornagels 440, der sich innerhalb des Leerstellengebiets 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 die inneren und äußeren Oberflächen des Behälters 412 ebenfalls in dem Bereich des offenen Endes des Behälters 412 beschichtet. Derartige Beschichtungen 475 können direkt an dem Behälter und der Abdeckung durch eine Sprüh-, Eintauch-, oder elektrostatische Ablagerung angebracht werden. Durch Bereitstellen einer derartigen Beschichtung kann die negative äußere Abdeckung 445 von dem Behälter 412 elektrisch isoliert werden.
  • Durch Anbringen der Isolationsbeschichtung an den Gebieten des Behälters, der Abdeckung und des Kollektornagels innerhalb der Batterie, die nahe zu dem Leerstellengebiet innerhalb des internen Volumens der Batterie sind, können diese Gebiete vor einer Korrosion geschützt werden. Während eine Beschichtung, die aus einer einzelnen Schicht des Epoxids, Nylons, Teflons®, oder den Vinyl-Materialien besteht, die voranstehend erwähnt wurden, die Funktion zur Verhinderung einer derartigen Korrosion aufweisen werden, ist es vorstellbar, dass die Beschichtung unter Verwendung von Schichten aus zwei unterschiedlichen Materialien angebracht oder aus einzelnen Schichten von unterschiedlichen Materialien, die an unterschiedlichen Bereichen der Komponenten angebracht sind, gebildet ist. Zum Beispiel kann der Umfangsbereich der Abdeckung mit einer einzelnen Schicht aus einem Material beschichtet werden, die sowohl als ein elektrischer Isolator als auch eine Antikorrosionsschicht dient, während der zentrale Abschnitt auf der inneren Oberfläche der Abdeckung mit einer einzelnen Schicht eines Materials beschichtet werden kann, die als eine Antikorrosionsschicht arbeitet, aber nicht als ein elektrischer Isolator dient. Derartge Materialien können z.B. Asphalt oder Polyamid einschließen. Alternativ kann entweder der Behälter oder die Abdeckung mit einem Material beschichtet werden, welches sowohl als elektrischer Isolator als auch als Antikorrosionsschicht dient, während die anderen von diesen zwei Komponenten mit einem Material beschichtet werden können, welches nur als eine Antikorrosionsschicht dient. In dieser Weise würde die elektrische Isolation bereitgestellt werden, wo sie benötigt wird (d.h. zwischen der Abdeckungs/Behälter-Schnittfläche), während die Oberflächen, die teilweise das Leergebiet in dem internen 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 aufzeigen oder optimale Charakteristiken für die beabsichtigte Funktion aufweisen.
  • Um zu der Abdichtung der äußeren Abdeckung 445 an dem Behälter 412 beizutragen, kann ein herkömmliches Abdichtungsmittel 473 an der Bodenoberfläche der Umfangskante 470 der Abdeckung 445 angebracht werden. Sobald die Abdichtungsprozedur abgeschlossen ist, wandert das Abdichtungsmittel 473 an die Positionen, die in 12D gezeigt sind.
  • Sobald der Kollektornagel 440 an der äußeren Abdeckung 445 angebracht worden ist und die elektrische Isolationsbeschichtung angebracht worden ist, wird eine äußere Abdeckung 445 über das offene Ende des Behälters 412 gelegt, wie in 12B gezeigt. Vorzugsweise weist der Behälter 412 einen sich nach außen erstreckenden Flansch 450 auf, der an seinem offenen Ende gebildet ist. Vorzugsweise weist die äußere Abdeckung 445 eine geringfügige gekrümmte Umfangskante 470 auf, die mit der Form des Flansches 450 übereinstimmt. Sobald die äußere Abdeckung 445 über das offene Ende des Behälters 412 gelegt worden ist, wird eine Falz-Festspannvorrichtung 500 auf der äußeren Abdeckung 445 platziert, so dass ein ringförmiger sich nach unten erstreckender Abschnitt 502 der Falz-Festspannvorrichtung 500 durch eine ringförmige Ausnehmung 472, die in der äußeren Abdeckung 445 gebildet ist, aufgenommen wird. Als nächstes wird eine erste Falzrolle 510 in einer radialen Richtung auf die Umfangskante 470 der äußeren Abdeckung 445 hin bewegt. Wenn die erste Falzrolle 510 in Richtung auf die Umfangskante 470 und den Flansch 450 hin bewegt wird, verursacht ihre gekrümmte Oberfläche, dass die Umfangskante 470 um den Flansch 450 herum gefaltet bzw. gefalzt wird. Wenn sich die erste Falzrolle 510 radial nach innen bewegt, werden die Falz-Festspannvorrichtung 500, der Behälter 412 und die äußere Abdeckung 445 um eine zentrale Achse gedreht, so dass die Umfangskante 470 um den Flansch 450 herum um den gesamten Umfang des Behälters 412 herum gefaltet wird. Wenn die erste Falzrolle 510 eine Bewegung radial nach innen fortsetzt, werden ferner der Flansch 450 und die Umfangskante 470 nach unten auf die in 12C gezeigte Position gefaltet.
  • Nachdem die Umfangskante 470 und der Flansch 450 in die Position gefaltet worden sind, die in 12C gezeigt ist, wird die erste Falzrolle 510 von dem Behälter 412 wegbewegt und eine zweite Falzrolle 520 wird dann radial nach innen auf den Flansch 450 und die Umfangskante 470 hin bewegt. Die Falzrolle 520 weist ein anderes Profil als die erste Falzrolle 510 auf. Die zweite Falzrolle 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, der von der Falz-Festspannvorrichtung 500 gehalten wird, zu drücken und zu verflachen. In Folge dieses Prozesses wird die Umfangskante 470 des Behälters 412 um und unter den Flansch 450 gefaltet und zwischen dem Flansch 450 und der äußeren Oberfläche der Wände des Behälters 412 gekrimpt, wie in den 11 und 12D gezeigt. Somit wird durch diesen Prozess eine hermetische Abdichtung gebildet.
  • Um die hermetische Art dieses Typs von Abdichtung darzustellen, 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 mit einer herkömmlichen Abdichtung konstruier war, wie derjenigen, die in 1 dargestellt ist. Die zwei Behälter wurden auf 71°C gehalten und über der Zeit gewogen, um die Menge des Wasserverlusts von den Behältern zu bestimmen. Die herkömmliche Konstruktion verlor 270 mg pro Woche und die Konstruktion in Übereinstmmunung mit der vorliegenden Erfindung verlor überhaupt kein Gewicht über der gleichen Zeitperiode. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung eines KOH-Elektrolyts bestätigt, wobei die herkömmliche Konstruktion 50 mg pro Woche verlor und die erfindungsgemäße Konstruktion wiederum überhaupt kein Gewicht verlor.
  • Wie Durchschnittsfachleuten in dem technischen Gebiet ersichtlich werden wird, verwendet die Konstruktion des Getränkedosen-Typs einen minimalen Platz in dem Batterie-Innenraum, reduzier die Anzahl von Prozessschritten, die zur Herstellung einer Batterie benötigt werden und reduziert signifikant die Kosten von Materialien und die Kosten des Herstellungsprozesses. Ferner kann die Dicke der Behälterwände signifikant auf 0,15 nun (6 mils) oder weniger verringert werden. Infolgedessen kann das innere Volumen, welches zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist, erhöht werden. Zum Beispiel kann für eine Batterie der Größe D der prozentuale Anteil des Gesamtbatterievolumens, der verwendet werden kann, um die elektrochemisch aktiven Materialien zu enthalten, so hoch wie 97 Volumenprozent sein, während ein Kollektoraufbau-Volumen so gering wie 1,6 Volumenprozent sein kann. Die Volumen von Batterien mit anderen Größen sind in der Tabelle eingebaut, die in den 14A und 14B gezeigt ist.
  • Durch Verwenden der erfindungsgemäßen Abdichtungskonstruktionen kann nicht nur die Behälterwanddicke verringert werden, sondern auch die Anzahl von möglichen Materialien, die zum Bilden des Behälters verwendet werden, kann als Folge der geringeren Festigkeitsanforderungen, die von dem Behälter aufgezeigt werden müssen, erhöht werden. Zum Beispiel können die voranstehend erwähnten erfindungsgemäßen Konstruktionen ermöglichen, dass Aluminium oder Plastik für den Behälter anstelle des gegenwärtig verwendeten Nickel-plattierten Stahls verwendet wird.
  • Eine Änderung der Getränkedosen-Konstruktion ist in 13 gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform wird zunächst der Batteriebehälter als eine Röhre mit zwei offenen Enden gebildet. Die Röhre kann extrudiert, Naht-geschweißt, gelötet, zementiert etc. sein, und zwar unter Verwendung von herkömmlichen Techniken. Die Röhre kann aus Stahl, Aluminium oder Plastik gebildet sein. Wie in 13 gezeigt, definiert die Röhre die Seitenwände 614 des Behälters 612. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen einer inneren Abdeckung 616 daran und der Verwendung der Getränkedosen-Abdichtungstechnik, die voranstehend angegeben wurde, abgedichtet, mit der Ausnahme, dass keine elektrische Isolation zwischen der inneren Abdeckung 616 und den Seitenwänden 614 benötigt wird. Eine positive äußere Abdeckung 618 kann an der äußeren Oberfläche der inneren Abdeckung 616 angeschweißt oder anders befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt werden und eine negative äußere Abdeckung 645 kann an dem zweiten offenen Ende des Behälters 612 in der gleichen Weise, wie voranstehend beschrieben, befestigt werden.
  • GEDRUCKTES LABEL AUF DEM BEHÄLTER
  • Wie voranstehend angegeben können die erfindungsgemäßen Batteriekombinationen in Kombination mit einem gedruckten Label (Etikett) anstelle der Label-Substrate, die gegenwärtig verwendet werden, verwendet werden. Gegenwärtige Label-Substrate weisen Dicken in der Größenordnung von 0,076 mm (3 mils) auf. Weil derartige Label-Substrate überlappen, um eine Naht zu bilden, die entlang der Länge der Batterie verläuft, fügen diese herkömmlichen Labels (Etiketten) effizient ungefähr 0,25 mm (10 mils) zu dem Durchmesser und 0,33 mm (13 mils) zu der Krimphöhe der Batterie bei. Infolgedessen muss der Batteriebehälter einen Durchmesser haben, der gewählt ist, um die Dicke der Labelnaht aufzunehmen, um die ANSI-Größen-Standards zu erfüllen. Durch Aufdrucken eines lithografisch abgebildeten Etiketts direkt auf der äußeren Oberfläche des Behälters in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann jedoch der Durchmesser des Behälters entsprechend ungefähr 0,25 mm (10 mils) erhöht werden. Eine derartige Erhöhung in dem Durchmesser des Behälters erhöht signifikant das interne Volumen der Batterie. Sämtliche Batterien, die in den Tabellen 14A und 14B aufgeführt sind, mit der Ausnahme der Getränkedosen-Konstruktionen, umfassen Substratlabels. Das interne Volumen der Batterien mit Substratlabels kann weiter 2 Prozent (1,02 cc) für eine Batterie der Größe D, 2,6 Prozent (0,65 cc) für eine Batterie der Größe C, 3,9 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, wenn die Labels direkt auf die Außenseite des Behälters gedruckt werden würden. Labels können auch auf den Behälter unter Verwendung von Transferdrucktechniken gedruckt werden, bei denen das Etikettbild zunächst auf ein Transfermedium gedruckt wird und dann direkt auf das Behälteräußere transferiert wird. Eine verzerrte Lithografie kann ebenfalls verwendet werden, bei der absichtlich verzerre Grafiken auf einem flachen Material gedruckt werden, um so nachfolgende Spannungsverformungen des flachen Materials zu berücksichtigen, wenn es in die Röhre oder den Zylinder des Zellenbehälters ausgeformt ist.
  • Vor dem Aufdrucken des lithografisch abgebildeten Labels wird die äußere Oberfläche des Behälters vorzugsweise gereinigt. Um ein Anhaften des Drucks an dem Behälter zu verbessern, kann eine Basisbeschichtung einer Grundierung auf die obere Oberfläche des Behälters angebracht werden. Das gedruckte Label wird dann direkt oben auf die Basisbeschichtung des Behälters durch bekannte Lithografie-Drucktechniken angebracht. Ein Lacküberzug wird vorzugsweise über das gedruckte Label (Etikett) angebracht, um das gedruckte Label abzudecken und zu schützen und auch als eine elektrische Isolationsschicht zu dienen. Das gedruckte Etikett kann mit der Verwendung einer Hochtemperatur-Erwärmung oder mit ultravioletten Bestrahlungstechniken ausgehärtet werden.
  • Mit der Verwendung des gedruckten Labels wird die Dicke des herkömmlichen Labelsubstrats signifikant auf eine maximale Dicke von ungefähr 0,5 mit reduziert. Insbesondere weist die Basisüberzugsschicht eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,2 mit auf, die Druckschicht weist eine Dicke von ungefähr 0,1 mit auf und die Lacküberzugsschicht weist eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 0,1 bis 0,2 mit auf. Durch Verringern der Labeldicke kann der Behälter im Durchmesser erhöht werden, wodurch eine Erhöhung in einem verfügbaren Volumen für aktive Zellmaterialien angeboten wird, während ein vorgegebener äußerer Durchmesser der Batterie aufrechterhalten wird.
  • GETRÄNKEDOSE MIT DURCHFÜHRUNGS-KOLLEKTOR
  • Bezogen auf 15 ist eine elektrochemische Zelle 700 so dargestellt, wie sie mit einem Durchfuhrungs-Kollektor in Übereinstimmung mit einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Ähnlich wie die elektrochemische Zelle 400 mit der Konstruktion des Getränkedosen-Typs, wie in 11 gezeigt ist, umfasst die elektrochemische Zelle 700 einen elektrisch leitenden Behälter 712 mit einem verschlossenen Ende 314 und einem offenen Ende, in dem ein Kollektor-Aufbau 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 Separator 117, der zwischen einer positiven Elektrode 115 und einer negativen Elektrode 120 liegt. Die positive Elektrode 115 wird hier auch als Kathode bezeichnet, während die negative Elektrode 120 hier auch als Anode bezeichnet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Typ von Materialien und deren Ort innerhalb der elektrochemischen Zelle sich ohne Abweichen von den Lehren der vorliegenden Erfindung verändern kann.
  • Die elektrochemische Zelle 700 umfasst auch einen Druckentlastungsmechanismus 370, der in dem geschlossenen Ende 314 des Behälters 712 gebildet ist. Dies erlaubt die Verwendung des Kollektor-Aufbaus 725 mit geringem Volumen, der weniger Volumen als herkömmliche Kollektor-Aufbauten aufbraucht und deshalb eine erhöhte Volumeneffizienz der internen Zelle erreicht. Der Druckentlastungsmechanismus 370 kann als eine Ausnehmung, wie hier beschrieben, in Verbindung mit den 8A, 8B, 9 und 10, gebildet sein. Zusätzlich wird eine positive äußere Abdeckung 311 mit dem verschlossenen Ende des Behälters 712 verbunden und liegt über dem Druckentlastungsmechanismus 370. Der Zusammenbau und der Ort der positiven äußeren Abdeckung 311 wird wie gezeigt und hier beschrieben, in Verbindung mit 8A bereitgestellt.
  • Die elektrochemische Zelle 700 umfasst einen Kollektor-Aufbau 725, der das offene Ende des Behälters 712 verschließt und abdichtet. Der Kollektor-Aufbau 725 umfasst einen Kollektornagel 740, der in einem elektrischen Kontakt mit der negativen Elektrode 120 angeordnet ist. Ferner in dem Kollektor-Aufbau 725 ist eine erste oder innere Abdeckung 745 mit einer zentralen Öffnung 751, die darin gebildet ist, enthalten. Der Kollektornagel 740 ist in der inneren Abdeckung 745 angeordnet und erstreckt sich durch die Öffnung 751 in der inneren Abdeckung 745. Ein dielektrisches Isolationsmaterial 744 ist zwischen dem Kollektornagel 740 und der ersten Abdeckung 745 angeordnet, um dazwischen eine dielektrische Isolation bereitzustellen. Demzufolge ist der Kollektornagel 740 von der inneren Abdeckung 745 elektrisch isoliert. Das dielektrische Isolationsmaterial 744 ist ein organisches makromolekulares Material, wie ein organisches Polymer, und kann ein Epoxid, Gummi, Nylon oder anderes dielektrisches Material einschließen, welches gegenüber einem Angriff durch KOH widerstandsfähig ist und bei der Anwesenheit von Kaliumhydroxid in einer Alkalizelle nicht-korrodierend ist. Das dielektrische Isolationsmaterial wird zusammengebaut, wie nachstehend erläutert.
  • Die innere Abdeckung 745 ist wiederum mit dem offenen oberen Ende des Behälters 712 verbunden und dort abgedichtet. Die innere Abdeckung 745 kann in den Behälter 712 eingefügt und an den Behälter 712 durch Bilden eines Doppelnahtverschlusses an den Umfangskanten 450 und 470, wie hier in Verbindung mit den 11-13 erläutert, abgedichtet werden. Während ein Doppelnahtbehälter-zu-Abdeckungs-Verschluss in Verbindung mit der siebten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, dass andere Behälter-zu-Abdeckung-Verschlüsse verwendet werden können, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Die elektrochemische Zelle 700 in Übereinstimmung mit der siebten Ausfuhrungsform erlaubt eine direkte Verbindung zwischen dem Behälter 712 und der inneren Abdeckung 745, was vorzugsweise eine Druckabdichtung dazwischen bereitstellt, aber nicht eine elektrische Isolation zwischen der inneren Abdeckung 745 an den Seitenwänden des Behälters 712 erfordert. Anstelle davon ist der Kollektornagel 740 dielektrisch von der inneren Abdeckung 745 derart isoliert, dass die negativen und positiven Anschlüsse der elektrochemischen Zelle elektrisch voneinander isoliert sind. Während keine Anforderung dahingehend besteht, eine elektrische Isolation zwischen dem Behälter 712 und der inneren Abdeckung 745 aufrechtzuerhalten, wird bevorzugt, dass ein Abdichtungsmittel auf den Verschluss, der den Behälter mit der Abdeckung verbindet, angebracht wird, um den Behälter richtig zu abzudichten. Ein geeignetes Abdichtungsmittel kann, wie in Verbindung mit der Batterie erläutert, die hier in Verbindung mit den 11-12D gezeigt und beschrieben wurde, angebracht werden. Es sei darauf hingewiesen, dass der abgedichtete Verschluss zusammen mit dem Isolationsmaterial einen inneren Druckaufbau größer als der Entlüftungsdruck, bei dem der Druckfreigabemechanismus 370 den Druck freigibt, aushalten können sollte.
  • Um einen akzeptablen äußeren Batterieanschluss in Übereinstimmung mit alt bekannten Batteriestandards bereitzustellen, umfasst die elektrochemische Zelle 700 ferner eine äußere Abdeckung 750 in einem elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel 740. Die äußere Abdeckung 750 kann durch eine Punktschweißung 742 an dem Kollektornagel 740 angeschweißt oder anders mit diesem elektrisch verbunden werden. Um eine richtige elektrische Isolation zwischen der äußeren Abdeckung 750 und der inneren Abdeckung 745 sicherzustellen, wird ein dielektrisches Material wie ein ringförmiges Kissen 748 zwischen der äußeren negativen Abdeckung 750 und der inneren Abdeckung 745 angeordnet. Geeignete dielektrische Materialien können Nylon, andere elastomerische Materialien, Gummi und Epoxid umfassen, die auf die obere Oberfläche der inneren Abdeckung 745 oder auf die Bodenoberfläche der äußeren Abdeckung 750 angebracht werden. Demzufolge kann ein akzeptabler standardmäßiger Batterieanschluss an dem negativen Ende der elektrochemischen Zelle 700 bereitgestellt werden.
  • Der Zusammenbau der elektrochemischen Zelle 700 in Übereinstimmung mit der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Zusammenbauansicht der 16 dargestellt und wird weiter in dem Flussdiagramm der 17 dargestellt. Das Verfahren 770 zum Zusammenbauen der elektrochemischen Zelle 700 umfasst das Bereitstellen eines Behälters 712, der mit einem verschlossenen Bodenende 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, sowie des Separators und anderer Zellen-Zusätze in dem Behälter 712. Sobald die aktiven elektrochemischen Zellenmaterialien innerhalb des Behälters 712 angeordnet sind, ist der Behälter 712 für einen Verschluss und für eine Abdichtung mit dem Kollektor-Aufbau 725 bereit. Vor dem Verschließen des Behälters wird der Kollektor-Aufbau dadurch zusammengebaut, dass zunächst der Kollektornagel 740 innerhalb der Öffnung 751, die in der inneren Abdeckung 745 gebildet ist, zusammen mit einem Ring aus einem Isolationsmaterial in Übereinstimmung mit dem Schritt 776 angeordnet wird. Der Kollektornagel 740 wird in der Öffnung 742 des Isolationsrings 744 angeordnet, der einen Ring oder eine Scheibe aus Epoxid einschließen kann, der/die eine dielektrische Isolation bereitstellt und erwärmt werden kann, um sich zwischen der inneren Abdeckung 745 und dem Kollektornagel 740 neu zu formen und abzusetzen. Alternativ können andere organische makromolekulare dielektrische Isolationsmaterialien anstelle von Epoxid, wie eine Gummitülle, ein elastomerisches Material oder andere dielektrische Materialien, die eine adäquate Isolation zwischen dem Kollektornagel 740 und der inneren Abdeckung 745 bilden können, verwendet werden. In der inneren Abdeckung 745 ist auch eine gebildete Ausnehmung 755 gezeigt, die in der oberen Oberfläche gebildet und um die Öffnung 751 herum zentriert ist.
  • In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform ist der Ring 744 des Isolationsmaterials in der Ausnehmung 755 oben auf der inneren Abdeckung 745 angebracht und der obere Kopf des Kollektornagels 740 wird 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 ist, um den Ring 744 zu schmelzen, so dass der Ring 744 sich neu formt und in die Öffnung 751 in der Abdeckung 745 fließt, um eine kontinuierliche dielektrische Isolation zwischen dem Kollektornagel 740 und der inneren Abdeckung 745 bereitzustellen. Für einen Ring 744, der aus Epoxid gemacht 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 formen und auszuhärten. Sobald das dielektrische Material 744 eine adäquate Isolation zwischen dem Kollektornagel 740 und der inneren Abdeckung 745 bildet, wird das isolierte Material vorzugsweise im Schritt 780 abgekühlt. Während der Erwärmungs- und Abkühlschritte 778 und 780 wird der Kollektornagel 740 in der Öffnung 751 derart zentriert, dass der Nagel 740 die Abdeckung 745 nicht kontaktiert. Danach, in dem Schritt 782, wird ein dielektrisches Isolationskissen 748, wie ein ringförmiges dielektrisches Kissen, auf dem oberen Teil der inneren Abdeckung 745 angebracht und erstreckt sich radial von dem Umfang des Nagels 740 nach außen. In dem Schritt 784 wird oben auf den Kollektornagel 740 und das Kissen 748 eine leitende negative Abdeckung 750 gelegt, die in einen elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel 740 geschweißt oder anders gebildet wird. Sobald der Kollektor-Aufbau vollständig zusammengebaut ist, wird der Kollektor-Aufbau dann mit dem Behälter verbunden, um in einer abgedichteten Weise das offene Ende, wie im Schritt 786 bereitgestellt, zu verschließen. Der Behälterverschluss kann eine Doppelnahtverschluss- oder eine andere geeignete Behälterverschluss-Technik verwenden. Zusätzlich umfasst das Zusammenbau-Verfahren 770 den Schritt 788 zum Verbinden einer zweiten äußeren Abdeckung mit dem verschlossenen Ende des Behälters, vorzugsweise über dem Druckentlastungsmechanismus 370 liegend.
  • Während die Erfindung voranstehend so beschrieben worden ist, dass sie eine primäre Anwendung auf Alkalibatterien aufweist, 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 Batterien auf Kohlenstoff-Zink- und Lithium-Basis und in wiederaufladbaren Batterien, wie NiCd, Metallhybrid- und Li-gestützten Batterien, verwendet werden. Ferner können bestimmte Konstruktionen der vorliegenden Erfindung in Rohzellen (d.h. Zellen ohne ein Label, wie in Batteriesäulen oder Mehrfachzellen-Batterien verwendet) verwendet werden.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Zeichnungen gezeigten und voranstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich für Illustrationszwecke vorgesehen sind und es nicht beabsichtigt ist, dass sie den Umfang der Erfindung beschränken.

Claims (17)

  1. Eine Batterie, umfassend: einen Behälter, der elektrochemisch aktive Materialien mit wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt enthält, wobei der Behälter ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende aufweist; und eine Kollektor-Aufbau und eine äußere Abdeckung positioniert über dem offenen Ende des Behälters, wobei der Kollektor-Aufbau und irgendein Leervolumen zwischen dem Kollektor-Aufbau und der Bodenoberfläche der äußeren Abdeckung ein Kollektoraufbau-Volumen definieren; dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor-Aufbau frei von einem sich nach unten erstreckenden V-förmigen Abdichtungsabschnitt und einer Abdichtungs-Rissspur ist, wobei: für eine Batterie der Größe D, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 5,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 2,5 cm3 ist; für eine Batterie der Größe C, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 1,7 cm3 ist; für eine Batterie der Größe AA, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 6,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 0,5 cm3 ist; und für eine Batterie der Größe AAA, das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie oder kleiner als 0,24 cm3 ist;
  2. Batterie nach Anspruch 1, wobei der Kollektor-Aufbau ein Kollektoraufbau-Volumen von nicht größer als 4,6 Prozent des Gesamtvolumens der Batterie definiert.
  3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kollektor-Aufbau eine Abdichtung zum Abdichten der Abdeckung an dem offenen Ende des Behälters umfasst.
  4. Batterie nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Kollektor elektrisch die Abdeckung an die negative Elektrode koppelt.
  5. Batterie nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Behälter zylindrisch ist.
  6. Batterie nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Batterie eine Alkali-Batterie ist, die eine positive Elektrode, die MnO2 umfasst, eine negative Elektrode, die Zn umfasst, und eine Elektrolyt, welches KOH umfasst, aufweist.
  7. Batterie nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei der Behälter aus einem chemischen Edelmaterial gebildet ist.
  8. Batterie nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei eine der positiven oder negativen Elektroden innerhalb eines Hohlraums angeordnet ist, der in der anderen der positiven und negativen Elektroden gebildet ist.
  9. Batterie nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Batterie ferner einen Druckentlastungsmechanismus umfasst, der in dem geschlossenen Ende des Behälters gebildet ist.
  10. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe D aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleines als 5,0 Prozent, vorzugsweise nicht größer als 4,0 Prozent, weiter bevorzugt nicht größer als 3,8 Prozent, und weiter bevorzugt nicht größer als 2,0 Prozent, des Gesamtvolumens der Batterie ist.
  11. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe C aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent, vorzugsweise nicht größer als 4,5 Prozent, weiter bevorzugt nicht größer als 3,9 Prozent, und weiter bevorzugt nicht größer als 3,1 Prozent, des Gesamtvolumens der Batterie ist.
  12. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe AA aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 6,0 Prozent, vorzugsweise nicht größer als 4,6 Prozent, weiter bevorzugt nicht größer als 3,2 Prozent, und weiter bevorzugt nicht größer als 2,5 Prozent, des Gesamtvolumens der Batterie ist.
  13. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe AAA aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 7,0 Prozent, vorzugsweise nicht größer als 4,1 Prozent, weiter bevorzugt nicht größer als 3,4 Prozent, und weiter bevorzugt nicht größer als 2,6 Prozent, des Gesamtvolumens der Batterie ist.
  14. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe D aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 2,5 cm3, vorzugsweise nicht größer als 2,0 cm3, und weiter bevorzugt nicht größer als 1,0 cm3 ist.
  15. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe C aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 1,7 cm3, vorzugsweise nicht größer als 1,5 cm3, und weiter bevorzugt nicht größer als 1,10 cm3 ist.
  16. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe AA aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 0,5 cm3, vorzugsweise nicht größer als 0,40 cm3, und weiter bevorzugt nicht größer als 0,25 cm3 ist.
  17. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Batterie die Größe AAA aufweist und das Kollektoraufbau-Volumen kleiner als 0,24 cm3, vorzugsweise nicht größer als 0,15 cm3, und weiter bevorzugt nicht größer als 0,12 cm3 ist.
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