DE69928674T2 - Batteriekonstruktion mit doppelfalznaht-deckel-verschluss - Google Patents

Batteriekonstruktion mit doppelfalznaht-deckel-verschluss Download PDF

Info

Publication number
DE69928674T2
DE69928674T2 DE69928674T DE69928674T DE69928674T2 DE 69928674 T2 DE69928674 T2 DE 69928674T2 DE 69928674 T DE69928674 T DE 69928674T DE 69928674 T DE69928674 T DE 69928674T DE 69928674 T2 DE69928674 T2 DE 69928674T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cup
lid
electrochemical cell
flange
cell according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69928674T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69928674D1 (de
Inventor
R. Gary TUCHOLSKI
R. George SONDECKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Edgewell Personal Care Brands LLC
Original Assignee
Eveready Battery Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eveready Battery Co Inc filed Critical Eveready Battery Co Inc
Publication of DE69928674D1 publication Critical patent/DE69928674D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69928674T2 publication Critical patent/DE69928674T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/75Wires, rods or strips
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/117Inorganic material
    • H01M50/119Metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/121Organic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/124Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/1243Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure characterised by the internal coating on the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/116Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material
    • H01M50/124Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/126Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H01M50/128Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers with two or more layers of only inorganic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/131Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery characterised by physical properties, e.g. gas-permeability or size
    • H01M50/133Thickness
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/147Lids or covers
    • H01M50/148Lids or covers characterised by their shape
    • H01M50/154Lid or cover comprising an axial bore for receiving a central current collector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/147Lids or covers
    • H01M50/166Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids
    • H01M50/167Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids by crimping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/147Lids or covers
    • H01M50/166Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids
    • H01M50/171Lids or covers characterised by the methods of assembling casings with lids using adhesives or sealing agents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/172Arrangements of electric connectors penetrating the casing
    • H01M50/174Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells
    • H01M50/182Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells for cells with a collector centrally disposed in the active mass, e.g. Leclanché cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/183Sealing members
    • H01M50/186Sealing members characterised by the disposition of the sealing members
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10Primary casings, jackets or wrappings of a single cell or a single battery
    • H01M50/183Sealing members
    • H01M50/19Sealing members characterised by the material
    • H01M50/193Organic material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30Arrangements for facilitating escape of gases
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/30Arrangements for facilitating escape of gases
    • H01M50/342Non-re-sealable arrangements
    • H01M50/3425Non-re-sealable arrangements in the form of rupturable membranes or weakened parts, e.g. pierced with the aid of a sharp member
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/543Terminals
    • H01M50/552Terminals characterised by their shape
    • H01M50/559Terminals adapted for cells having curved cross-section, e.g. round, elliptic or button cells
    • H01M50/56Cup shaped terminals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50Current conducting connections for cells or batteries
    • H01M50/571Methods or arrangements for affording protection against corrosion; Selection of materials therefor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
    • H01M6/08Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with cup-shaped electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein die Konstruktion einer elektrochemischen Zelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die für eine elektrochemische Zelle, wie z. B. eine alkalische Zelle, verwendeten Behälter und Kollektorbaugruppen.
  • 1 zeigt die Konstruktion einer herkömmlichen alkalischen Zelle 10 der Größe C. Gemäß der Darstellung weist die Zelle 10 einen zylinderförmigen Becher 12 mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende auf. Der Becher 12 besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material, so daß ein Außendeckel 11, der an eine Bodenfläche 14 am geschlossenen Ende des Bechers 12 angeschweißt ist, als elektrischer Kontaktanschluß für die Zelle dient.
  • Die Zelle 10 enthält ferner typischerweise ein erstes Elektrodenmaterial 15, das als positive Elektrode (auch als Kathode bezeichnet) dienen kann. Das erste Elektrodenmaterial 15 kann vorgeformt und in den Becher 12 eingesetzt werden, oder es kann am Ort so geformt werden, daß es im Kontakt mit den Innenflächen des Bechers 12 ist. Für eine alkalische Zelle enthält das erste Elektrodenmaterial 15 typischerweise MnO2. Nach dem Anbringen der ersten Elektrode 15 im Becher 12 wird ein Trennelement 17 in den durch die erste Elektrode 15 abgegrenzten Raum eingesetzt. Das Trennelement 17 ist vorzugsweise ein Faservlies. Das Trennelement 17 wird vorgesehen, um eine physikalische Trennung zwischen dem ersten Elektrodenmaterial 15 und einem Elektrolytgemisch und einem zweiten Elektrodenmaterial 20 aufrechtzuerhalten und dabei den Ionentransport zwischen den Elektrodenmaterialien zuzulassen.
  • Nach dem Einsetzen des Trennelements 17 in den durch die erste Elektrode 15 definierten Hohlraum wird zusammen mit dem Gemisch 20 aus Elektrolyt und einem zweiten Elektrodenmaterial, das die negative Elektrode sein kann (auch als Anode bezeichnet) ein Elektrolyt in den durch das Trennelement 17 abgegrenzten Raum eingebracht. Das Gemisch 20 aus Elektrolyt/zweiter Elektrode enthält vorzugsweise ein Geliermittel. Für eine typische alkalische Zelle besteht das Gemisch 20 aus einem Gemisch aus einem wäßrigen KOH-Elektrolyten und Zink, das als zweites Elektrodenmaterial dient. Außerdem können Wasser und weitere Zusatzstoffe in dem Gemisch 20 enthalten sein.
  • Sobald innerhalb des Bechers 12 die erste Elektrode 15, das Trennelement 17, der Elektrolyt und das Gemisch 20 ausgebildet worden sind, wird eine vormontierte Kollektorbaugruppe 25 in das offene Ende des Bechers 12 eingesetzt. Der Becher 12 ist typischerweise an seinem offenen Ende leicht verjüngt. Diese Verjüngung dient dazu, die Kollektorbaugruppe in einer gewünschten Orientierung zu halten, bevor sie fixiert wird. Nach dem Einsetzen der Kollektorbaugruppe 25 wird ein Außendeckel 45 über der Kollektorbaugruppe 25 angebracht. Die Kollektorbaugruppe 25 wird fixiert, indem der Becher radial an die Kollektorbaugruppe 25 angequetscht wird. Die Endkante 13 des Bechers 12 wird über die Randlippe der Kollektorbaugruppe 25 umgefalzt, wodurch der Außendeckel 45 und die Kollektorbaugruppe 25 innerhalb des Endes des Bechers 12 fixiert werden. Wie weiter unten beschrieben, besteht eine Funktion der Kollektorbaugruppe 25 darin, einen zweiten äußeren elektrischen Kontakt für die elektrochemische Zelle bereitzustellen. Außerdem muß die Kollektorbaugruppe 25 das offene Ende des Bechers 12 abdichten, um ein Auslaufen der darin enthaltenen elektrochemischen Materialien aus dieser Zelle zu verhindern. Außerdem muß die Kollektorbaugruppe 25 ausreichende Festigkeit aufweisen, um dem physikalischen Fehlgebrauch zu widerstehen, dem Batterien typischerweise ausgesetzt sind. Da ferner elektrochemische Zellen Wasserstoffgas entwickeln können, kann die Kollektorbaugruppe 25 intern erzeugtes Wasserstoffgas aus der elektrochemischen Zelle nach außen entweichen lassen. Ferner sollte die Kollektorbaugruppe 25 irgendeine Form einer Druckentlastungsvorrichtung aufweisen, um im Inneren der Zelle aufgebauten Druck zu entlasten, wenn dieser Druck zu hoch werden sollte. Solche Bedingungen können auftreten, wenn die elektrochemische Zelle im Inneren Wasserstoffgas mit einer Geschwindigkeit entwickelt, welche die Geschwindigkeit übersteigt, mit der das intern entwickelte Wasserstoffgas aus der Zelle durch die Kollektorbaugruppe nach außen entweichen kann.
  • Die in 1 dargestellte Kollektorbaugruppe 25 enthält eine Dichtung 30, einen Kollektornagel 40, einen Innendeckel 44, einen Dichtungsring 50 und mehrere Sporne 52. Gemäß der Darstellung weist die Dichtung 30 eine Mittelnabe 32 mit einem Loch auf, durch das der Kollektornagel 40 eingesetzt wird. Die Dichtung 30 weist ferner einen V-förmigen Abschnitt 34 auf, der mit einer oberen Seite 16 der ersten Elektrode 15 in Kontakt kommen kann.
  • Die Dichtung 30 weist ferner eine aufrechtstehende Umfangswand 36 auf, die sich entlang dem Umfang der Dichtung 30 ringförmig nach oben erstreckt. Die aufrechtstehende Umfangswand 36 dient nicht nur als Dichtung zwischen der Grenzfläche der Kollektorbaugruppe 25 und dem Becher 12, sondern auch als elektrischer Isolator, um das Auftreten eines elektrischen Kurzschlusses zwischen dem positiven und dem negativen Anschlußkontakt der Zelle zu verhindern.
  • Der aus einem steifen Metall geformte Innendeckel 44 wird vorgesehen, um die Steifigkeit zu erhöhen und die radiale Kompression der Kollektorbaugruppe 25 aufzunehmen und dadurch die Wirksamkeit der Abdichtung zu verbessern. Wie in 1 dargestellt, ist der Innendeckel 44 so konfiguriert, daß er mit dem Mittelnabenabschnitt 32 und mit der aufrechtstehenden Umfangswand 36 in Kontakt kommt. Indem die Kollektorbaugruppe 25 auf diese Weise konfiguriert wird, dient der Innendeckel 44 dazu, die Kompression des Mittelnabenabschnitts 32 durch den Kollektornagel 40 zu ermöglichen, während er außerdem die Kompression der aufrechtstehenden Umfangswand 36 durch die Innenfläche des Bechers 12 aufnimmt.
  • Der Außendeckel 45 besteht typischerweise aus vernickeltem Stahl und ist so konfiguriert, daß er von einem durch die ringförmige aufrechtstehende Umfangswand 36 der Dichtung 30 definierten Bereich ausgeht und mit einem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 in elektrischem Kontakt ist. Der Außendeckel 45 kann mit dem Kopfabschnitt 42 des Kollektornagels 40 verschweißt werden, um einen Kontaktverlust zu verhindern. Wie in 1 dargestellt, dringt beim Einsetzen der Kollektorbaugruppe 25 in das offene Ende des Bechers 12 der Kollektornagel 40 tief in das Gemisch 20 aus Elektrolyt/zweiter Elektrode ein, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt damit herzustellen. In dem in 1 dargestellten Beispiel weist der Außendeckel 45 eine Umfangslippe 47 auf, die entlang dem Umfang des Außendeckels 45 aufrecht steht. Indem die aufrechtstehende Umfangswand 36 der Dichtung 30 länger als die Umfangslippe 47 ausgebildet wird, kann ein Teil der aufrechtstehenden Umfangswand 36 während des Falzvorgangs über die Umfangslippe 47 gefalzt werden, um zu verhindern, daß irgendein Teil der Oberkante 13 des Bechers 12 in Kontakt mit dem Außendeckel 45 kommt.
  • Die Dichtung 30 wird vorzugsweise aus Nylon geformt. In der in 1 dargestellten Konfiguration ist eine Druckentlastungsvorrichtung vorgesehen, um die Entlastung des Innendrucks zu ermöglichen, wenn dieser Druck zu stark wird. Ferner sind der Innendeckel 44 und der Außendeckel 45 typischerweise mit Öffnungen 43 versehen, die Wasserstoffgas aus der Zelle 10 nach außen entweichen lassen. Die dargestellte Vorrichtung weist eine ringförmige Metallscheibe 50 und mehrere Sporne 52 auf, die zwischen der Dichtung 30 und dem Innendeckel 44 vorgesehen sind. Jeder Sporn 52 weist ein spitzes Ende 53 auf, das an einen dünnen Zwischenabschnitt 38 der Dichtung 30 angepreßt wird. Die Sporne 52 sind gegen die untere Innenfläche des Innendeckels 44 so vorgespannt, daß bei einem Anstieg des Innendrucks der Zelle 10 und daraus folgender Verformung der Dichtung 30, indem diese nach oben gegen den Innendeckel 44 gepreßt wird, die spitzen Enden 53 der Sporne 52 den dünnen Mittelabschnitt 38 der Dichtung 30 durchdringen und dadurch die Dichtung 30 aufreißen und das Entweichen des innen entwickelten Gases durch Öffnungen 43 zulassen.
  • Obwohl die oben beschriebene Kollektorbaugruppe 25 alle oben angegebenen erwünschten Funktionen zufriedenstellend erfüllt, wie aus ihrem Querschnittsprofil ersichtlich ist, nimmt diese besondere Kollektorbaugruppe einen beträchtlichen Raum im Inneren der Zelle 10 ein. Zu beachten ist, daß die in 1 dargestellte Konstruktion nur ein Beispiel einer Zellenkonstruktion ist. Es gibt weitere Kollektorbaugruppen, die niedrigere Profile aufweisen und daher weniger Raum innerhalb der Zelle einnehmen können. Solche Kollektorbaugruppen erreichen jedoch diese Verminderung des eingenommenen Volumens auf Kosten der Dichtungseigenschaften der Kollektorbaugruppe oder der Leistung und Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus.
  • Die gemessenen Außen- und Innenvolumina für verschiedene Batterien, die zum Prioritätsdatum der vorliegenden Patentanmeldung im Handel erhältlich waren, sind in den Tabellen aufgeführt, die in den 2A und 2B dargestellt sind. In den Tabellen sind die Volumina (cm3) für Batterien der Größen D, C, AA und AAA aufgeführt. Das Volumen der Kollektorbaugruppe und der Anteil am Gesamtvolumen der Zelle, den das Volumen der Kollektorbaugruppe ausmacht, ist in 2B für diejenigen im Handel erhältlichen Batterien angegeben, die in 2A aufgeführt sind. In 2A ist auch ein Anteil am Gesamtvolumen der Zelle angegeben, den das Innenvolumen bildet, das für die Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbar ist.
  • Das "Gesamtvolumen der Zelle" schließt das gesamte Volumen einschließlich etwaiger innerer Hohlräume der Batterie ein. Für die in 1 dargestellte Batterie schließt das Gesamtvolumen idealerweise den in 3A dargestellten schraffierten Bereich ein. Das "Innenvolumen" der Batterie wird durch den in 3B gezeigten schraffierten Bereich dargestellt. Der Begriff "Innenvolumen", wie er hier gebraucht wird, bedeutet das Volumen innerhalb der Zelle oder Batterie, das die elektrochemisch aktiven Materialien sowie etwaige Hohlräume und chemisch inerte Materialien (mit Ausnahme des Kollektornagels) enthält, die innerhalb des abgedichteten Volumens der Zelle eingeschlossen sind. Zu diesen chemisch inerten Materialien können Trennelemente, Leiter und etwaige inerte Zusatzstoffe in den Elektroden gehören. Der Begriff "elektrochemisch aktive Materialien", wie er hierin beschrieben wird, schließt die positiven und negativen Elektroden und den Elektrolyten ein. Der Begriff "Volumen der Kollektorbaugruppe" schließt den Kollektornagel, die Dichtung, den Innendeckel, den Dichtungsring, die Sporne und etwaiges Hohlraumvolumen zwischen der Bodenfläche des negativen Deckels und der Dichtung ein (angedeutet durch den schraffierten Bereich in 3C). Das "Behältervolumen" schließt das Volumen des Bechers, des Etiketts, des negativen Deckels (des Außendeckels 45), das Hohlraumvolumen zwischen dem Etikett und dem negativen Deckel, den positiven Deckel und das Hohlraumvolumen zwischen dem positiven Deckel und dem Becher ein (dargestellt durch den schraffierten Bereich in 3D). Wenn sich das Etikett auf den und in Kontakt mit dem negativen Deckel erstreckt, ist das zwischen dem Etikett und dem negativen Deckel vorhandene Hohlraumvolumen in dem Behältervolumen enthalten und wird daher als Teil des Gesamtvolumens angesehen. Andernfalls ist dieses Hohlraumvolumen weder im Behältervolumen noch im Gesamtvolumen enthalten.
  • Es dürfte erkennbar sein, daß die Gesamtsumme aus dem "Innenvolumen", dem "Volumen der Kollektorbaugruppe" und dem "Behältervolumen" gleich dem "Gesamtvolumen" ist. Dementsprechend kann das für elektrochemisch aktive Materialien verfügbare Innenvolumen durch Messung des Volumens der Kollektorbaugruppe und des Behältervolumens und Subtraktion des Volumens der Kollektorbaugruppe und des Behältervolumens von dem gemessenen Gesamtvolumen der Batterie bestätigt werden.
  • Da die Außenabmessungen der elektrochemischen Zelle im allgemeinen durch das American National Standards Institute (ANSI) oder andere Normungsorganisationen festgelegt wird, ist innerhalb der Zelle um so weniger Raum für die elektrochemischen Materialien verfügbar, je größer der durch die Kollektorbaugruppe eingenommene Raum ist. Infolgedessen führt eine Verringerung der Menge der elektrochemischen Materialien, die innerhalb der Zelle untergebracht werden können, zu einer kürzeren Nutzlebensdauer für die Zelle. Es ist daher wünschenswert, das innerhalb einer elektrochemischen Zelle für die elektrochemisch aktiven Bestandteile verfügbare Innenvolumen zu maximieren.
  • Wir haben jetzt festgestellt, daß dies erreicht werden kann, indem eine elektrochemische Zelle konstruiert wird, wo der durch die Kollektorbaugruppe eingenommene Raum und der durch das Behältervolumen eingenommene Raum minimiert werden, wobei immer noch ausreichende Dichtungseigenschaften aufrechterhalten werden und ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus ermöglicht wird.
  • US-A-054136438 beschreibt ein Batteriegehäuse mit einem Deckel, der so gefalzt wird, daß sich die Umfangskante des Deckels über das Ende des Bechers erstreckt.
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung nach einem ersten Aspekt eine elektrochemische Zelle bereit, die aufweist:
    ein Zellengefäß bzw. einen Becher zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien, zu denen positive und negative Elektroden und ein Efektrolyt gehören, wobei der Becher ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstrecken, eine Stirnwand, die sich quer über das erste Ende erstreckt, und einen Flansch aufweist, der sich von dem offenen zweiten Ende des Bechers zum ersten Ende hin erstreckt;
    einen quer über dem offenen zweiten Ende angeordneten Deckel, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über und um den Flansch herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche der Seitenwände des Bechers gebördelt wird; und
    einen Überzug aus einem Isoliermaterial, der auf mindestens eine der Komponenten Becher und Deckel aufgebracht wird, um den Becher elektrisch von dem Deckel zu isolieren, wobei zwischen dem Flansch und der Umfangskante des Deckels und zwischen dem Becher und der Umfangskante Isoliermaterial vorgesehen ist.
  • Nach einem zweiten Aspekt bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, mit den folgenden Schritten:
    Formen eines Bechers, der ein offenes und ein geschlossenes Ende mit einem am offenen Ende ausgebildeten, nach außen ragenden Flansch aufweist;
    Formen eines Deckels für das offene Ende des Bechers, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über den Flansch hinaus nach außen erstreckt, wenn der Deckel auf das offene Ende des Bechers aufgesetzt wird;
    Beschichten mindestens einer der Komponenten Flansch oder Umfangskante mit einem elektrischen Isoliermaterial zur elektrischen Isolierung des Bechers von dem Deckel;
    Einbringen von elektrochemisch aktiven Materialien in den Becher;
    Aufsetzen des Deckels auf das offene Ende des Bechers;
    Umbiegen der Umfangskante des Deckels über und um den Flansch herum; und
    Flachdrücken der umgebogenen Umfangskante und des Flansches an einer Außenfläche des Bechers, so daß der Flansch von dem offenen Ende zurückgebogen wird und die Umfangskante zwischen dem Flansch und der Außenfläche des Bechers gebördelt wird, wodurch der Deckel auf dem offenen Ende des Bechers mit dem dazwischen eingebrachten Isoliermaterial abgedichtet wird.
  • Vorzugsweise ist ein Druckentlastungsmechanismus in einer Oberfläche des Bechers ausgebildet, stärker bevorzugt in einer Oberfläche am geschlossenen Ende des Bechers. Der Deckel wird an dem Becher durch eine getränkedosenähnliche Dichtung abgedichtet, um einen Doppelfalzverschluß zu bilden.
  • Durch Aufbringen von Isoliermaterial direkt auf den Becher oder den Deckel oder beide kann vorteilhafterweise eine Kollektorbaugruppe verwendet werden, die ein wesentlich niedrigeres Profil aufweist und dadurch wesentlich weniger Raum innerhalb einer elektrochemischen Zelle einnimmt. Ferner kann diese Anordnung Zellenkonstruktionen ermöglichen, die im Lauf der Zeit einen niedrigeren Wasserverlust aufweisen als frühere Baugruppen, wodurch die Lagerfähigkeit der Zelle verlängert wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, daß ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus vorgesehen werden kann, der keinen wesentlichen Anteil des verfügbaren Zellenvolumens einnimmt. Ein weiterer Vorteil ist, daß Zellenkonstruktionen einfacher gefertigt werden können und weniger Materialien erfordern, wodurch möglicherweise niedrigere Fertigungskosten anfallen. Darüber hinaus werden Zellenkonstruktionen ermöglicht, bei denen zum hinreichenden Abdichten der Zelle eine geringere radiale Druckkraft durch den Becher ausgeübt werden muß, wodurch die Verwendung eines Bechers mit dünneren Seitenwänden ermöglicht wird, woraus sich ein größeres Innenvolumen der Zelle ergibt.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch eine herkömmliche alkalische elektrochemische Zelle der Größe C;
  • 2A eine Tabelle, in der die relativen Gesamtvolumina der Batterie und die für elektrochemisch aktive Materialien verfügbaren Innenvolumina der Zelle angegeben sind, gemessen für diejenigen Batterien, die zum Prioritätsdatum der vorliegenden Patentanmeldung im Handel erhältlich waren;
  • 2B eine Tabelle, in der die relativen Gesamtvolumina der Batterie und Volumina von Kollektorbaugruppen angegeben sind, gemessen für die im Handel erhältlichen Batterien, wie in 2A angegeben;
  • Die 3A-3D zeigen Schnitte einer herkömmlichen alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C, die das Gesamtvolumen der Batterie und Volumina verschiedener Komponenten darstellen;
  • 4 eine Unteransicht eines Batteriebechers mit einem im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildeten Druckentlastungsmechanismus;
  • 5 eine Schnittansicht entlang der Linie X-X der in 4 dargestellten Becherentlüftung;
  • 6 einen Schnitt durch eine alkalische elektrochemische Zelle der Größe C mit einer getränkedosenähnlichen Konstruktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7A eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht der in 6 dargestellten Batterie;
  • Die 7B und 7C Schnittdarstellungen eines Teils der in 6 dargestellten Batterie, die das Verfahren zur Ausbildung der getränkedosenähnlichen Konstruktion veranschaulichen;
  • 7D eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Teils der in 6 dargestellten Batterie;
  • 8 einen Schnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C mit einer getränkedosenähnlichen Konstruktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 9A eine Tabelle, in der das berechnete Gesamtvolumen und das Innenvolumen der Zelle für verschiedene Batterien angegeben sind; und
  • 9B eine Tabelle, in der das berechnete Gesamtvolumen und das Volumen der Kollektorbaugruppe für verschiedene Batterien angegeben sind.
  • Wie oben beschrieben, besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das in einer Batterie verfügbare Innenvolumen für die Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien zu vergrößern, ohne die Zuverlässigkeit des in der Batterie vorgesehenen Druckentlastungsmechanismus auf nachteilige Weise zu vermindern und ohne die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, daß die Batterie auf andere Weise undicht wird.
  • Die elektrochemische Zelle enthält eine Kollektorbaugruppe, die das offene Ende eines Bechers verschließt und abdichtet. Die Kollektorbaugruppe umfaßt einen Kollektor, wie z. B. einen Nagel, der in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode angeordnet ist, z. B. der negativen Elektrode. Direkt auf den Deckel, den Becher oder auf beide wird ein Isoliermaterial aufgebracht, um den Becher elektrisch von dem Deckel zu isolieren, wenn der Deckel am Becher montiert wird. Der Deckel wird quer über das offene Ende des Bechers abgedichtet, um einen Doppelfalzverschluß zu bilden.
  • Ein Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise in einer Oberfläche des Bechers, stärker bevorzugt im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet, um den Innendruck aus dem Inneren des Bechers zu entlasten, wenn der Innendruck zu groß wird. Als Ergebnis können die bekannten komplexen Kollektor/Dichtungs-Baugruppen durch eine Kollektorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden, die weniger Volumen verbraucht und weniger Teile aufweist. Auf diese Weise kann eine wesentliche Verbesserung der Ausnutzung des Innenvolumens der Zelle erreicht werden.
  • Der Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise ausgebildet, indem in der Oberfläche des Bechers eine Rille angebracht wird. Diese Rille kann zum Beispiel durch Prägen einer Bodenfläche des Bechers, Einschneiden einer Rille in die Bodenfläche oder durch Formpressen der Rille in der Bodenfläche des Bechers beim Formen der positiven Elektrode ausgebildet werden. Für eine Batterie der Größe AA ist eine geeignete Dicke des Metalls am Boden der geprägten Rille etwa 50 μm (2 Mil). Für eine Batterie der Größe D ist eine geeignete Dicke etwa 75 μm (3 Mil). Die Rille kann als Bogen von etwa 300° ausgebildet werden. Indem die durch die Rille gebildete Form ein wenig offen gehalten wird, weist der Druckentlastungsmechanismus ein effektives Gelenk auf.
  • Der Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise unterhalb eines Außendeckels angebracht, um bei einem Bruch das gefährliche direkte Herausspritzen der elektrochemischen Materialien aus der Batterie zu verhindern. Bei einer Verwendung der Batterie in Reihenschaltung mit einer anderen Batterie, so daß das Ende des positiven Anschlusses der Batterie an den negativen Anschluß einer anderen Batterie angedrückt wird, ermöglicht außerdem die Bereitstellung eines Außendeckels über den Druckentlastungsmechanismus das Ausbeulen des Mechanismus unter der Vorwölbung und seinen schließlichen Bruch. Wenn unter derartigen Umständen kein Außendeckel vorhanden ist, könnte der Kontakt zwischen den beiden Batterien sonst den Bruch des Druckentlastungsmechanismus verhindern. Wenn ferner über dem Druckentlastungsmechanismus kein Außendeckel vorgesehen ist, kann der Druckentlastungsmechanismus am positiven Ende der Batterie empfindlicher gegen Beschädigung sein. Der Außendeckel schirmt außerdem den Druckentlastungsmechanismus gegen die Korrosionswirkungen der Umgebung ab und vermindert daher die Möglichkeit einer vorzeitigen Entlüftung und/oder Undichtigkeit. Daher wird der Druckentlastungsmechanismus vorzugsweise unter einem Außendeckel am geschlossenen Ende des Batteriebechers ausgebildet. Der Außendeckel dient vorzugsweise als positiver äußerer Batterieanschluß.
  • Die Größe des durch die Nut umschriebenen Bereichs wird vorzugsweise so gewählt, daß bei einem Bruch wegen zu großen Innendrucks der Bereich innerhalb der Nut an dem Scharnier innerhalb der Vorwölbung des Außendeckels ohne Störung vom Außendeckel ausschwenken kann. Im allgemeinen ist die Größe des durch die Nut umgrenzten Bereichs ebenso wie die gewählte Tiefe der Nut vom Durchmesser des Bechers und von dem Druck abhängig, bei dem der Druckentlastungsmechanismus reißen und das Entweichen der im Inneren entwickelten Gase ermöglichen soll.
  • Der Deckel der Kollektorbaugruppe ist seinerseits mit dem offenen oberen Ende des Bechers verbunden und daran abgedichtet und bildet einen Doppelfalzverschluß, in dem der Becher elektrisch von dem Deckel isoliert ist. Vorzugsweise wird ein getränkedosenähnliches Abdichtungsverfahren angewandt, um den Verschluß zu bilden. Die getränkedosenähnliche Konstruktion unterscheidet sich von anderen Formen von Batteriedichtungskonstruktionen darin, daß sie nicht das Einsetzen irgendeiner Form von Nylondichtung in das offene Ende des Bechers erfordert. Statt dessen wird der Deckel an dem offenen Ende des Bechers unter Anwendung eines Abdichtungsverfahren befestigt, das gewöhnlich angewandt wird, um das Oberteil einer Nahrungsmittel- oder Getränkedose an dem zylinderförmigen Teil der Dose abzudichten. Solche Dichtungskonstruktionen wurden bisher nicht für den Gebrauch beim Abdichten von Batterien in Betracht gezogen, da sie nicht ohne weiteres die elektrische Isolierung des Deckels von dem Becher ermöglichten.
  • Vor dem Anbringen des Deckels an dem offenen Ende des Bechers wird jedoch ein Kollektor, wie z. B. ein Nagel, mit der Innenfläche des Deckels elektrisch verbunden, vorzugsweise durch Schweißen. Als nächstes wird eine Beschichtung aus einem elektrischen Isoliermaterial, wie z. B. Epoxidharz, Nylon, Teflon® oder Vinyl, auf den Deckel oder den Becher oder auf beide aufgebracht. Vorzugsweise wird die Innenfläche des Deckels sowie der Randabschnitt der oberen Deckeloberfläche mit einer Schicht des elektrischen Isoliermaterials überzogen. Der Abschnitt des Kollektors, der sich in dem hohlen Bereich zwischen dem Boden des Deckels und der oberen Fläche des Elektroden/Elektrolyt-Gemischs erstreckt, wird vorzugsweise gleichfalls mit dem elektrischen Isoliermaterial beschichtet. Vorzugsweise werden auch die Innen- und Außenflächen des Bechers im Bereich des offenen Endes des Bechers beschichtet. Solche Beschichtungen können direkt auf den Becher und den Deckel aufgebracht werden, z. B. durch Sprühen, Tauchen oder elektrostatische Abscheidung. Man wird erkennen, daß die Schicht aus elektrischem Isoliermaterial entweder auf den Deckel oder auf den Becher oder sowohl auf den Deckel als auch auf den Becher durch irgendein geeignetes Mittel aufgebracht werden kann, vorausgesetzt, daß es eine elektrisch isolierende Dichtung zwischen dem Deckel und dem Becher bildet. Durch Bereitstellen einer solchen Beschichtung kann der Deckel elektrisch von dem Becher isoliert werden.
  • Durch Aufbringen der Isolierschicht auf die Flächen des Bechers, des Deckels und des Kollektornagels innerhalb der Batterie, die nahe an dem Hohlraumbereich innerhalb des Innenvolumens der Batterie liegen, können diese Bereiche gegen Korrosion geschützt werden. Während eine Beschichtung, die aus einer einzigen Schicht der oben angegebenen Epoxidharz-, Nylon-, Teflon® oder Vinylmaterialien besteht, so funktioniert, daß sie eine solche Korrosion verhindert, ist es denkbar, daß die Beschichtung unter Verwendung von Schichten aus zwei verschiedenen Materialien aufgetragen wird oder aus Einzelschichten aus unterschiedlichen Materialien besteht, die in verschiedenen Bereichen der Komponenten aufgebracht werden. Zum Beispiel kann der Randbereich des Deckels mit einer Einzelschicht aus einem Material überzogen werden, das sowohl als elektrischer Isolator als auch als Korrosionsschutzschicht funktioniert, während der Mittelabschnitt an der Innenfläche des Deckels mit einer Einzelschicht aus einem Material überzogen werden kann, das als Korrosionsschutzschicht funktioniert, aber nicht auch als elektrischer Isolator. Zu diesen Materialien können zum Beispiel Alphalt oder Polyamid gehören. Alternativ kann entweder der Becher oder der Deckel mit einem Material beschichtet werden, das sowohl als elektrischer Isolator als auch als Korrosionsschutzschicht funktioniert, während die jeweils andere von diesen beiden Komponenten mit einem Material beschichtet werden kann, das nur als Korrosionsschutzschicht funktioniert. Auf diese Weise würde die elektrische Isolierung vorgesehen werden, wo sie benötigt wird (d. h. an der Grenzfläche zwischen dem Deckel und dem Becher), während die Oberflächen, die teilweise den Hohlraumbereich im Innenvolumen der Zelle begrenzen, noch gegen die Korrosionswirkungen der elektrochemischen Materialien innerhalb der Zelle geschützt werden. Durch Nutzung unterschiedlicher Materialien können ferner Materialien gewählt werden, die kostengünstiger sind oder optimale Eigenschaften für die vorgesehene Funktion aufweisen.
  • Um die Abdichtung des Deckels an dem Becher zu unterstützen, kann auf die Unterseite der Umfangskante des Deckels ein herkömmliches Dichtungsmittel aufgebracht werden.
  • Wenn der Kollektor an dem Deckel befestigt und die elektrische Isolierschicht aufgebracht worden ist, wird der Deckel über dem offenen Ende des Bechers angebracht. Vorzugsweise ist am offenen Ende des Bechers ein Flansch ausgebildet, der sich nach außen erstreckt. Ferner weist der Deckel vorzugsweise eine leicht gekrümmte Umfangskante auf, die sich an die Form des Flansches anschmiegt. Sobald der Deckel über dem offenen Ende des Bechers angebracht worden ist, kann zur Ausbildung eines Doppelfalzverschlusses ein Verschließkopf benutzt werden.
  • Zum Beispiel wird in einer Ausführungsform ein Verschließkopf auf den Deckel aufgesetzt, so daß ein ringförmiger, sich nach unten erstreckender Abschnitt des Verschließkopfes durch eine im Deckel ausgebildete ringförmige Aussparung aufgenommen wird. Als nächstes wird eine erste Falzrolle in radialer Richtung zur Umfangskante des Deckels bewegt. Während sich die erste Falzrolle zur Umfangskante und zum Flansch hin bewegt, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, daß die Umfangskante um den Flansch herum gefalzt wird. Während sich die erste Falzrolle radial nach innen bewegt, werden außerdem der Verschließkopf, der Becher und der Deckel um eine Mittelachse gedreht, so daß die Umfangskante am gesamten Umfang des Bechers um den Flansch herum gefalzt wird. Während sich die erste Falzrolle weiter radial nach innen bewegt, werden ferner der Flansch und die Umfangskante nach unten gefalzt. Nachdem die Umfangskante und der Flansch in diese Position gefalzt worden sind, wird die erste Falzrolle von dem Becher fortbewegt, und eine zweite Falzrolle wird dann radial nach innen zum Flansch und zur Umfangskante hin bewegt. Die zweite Falzrolle weist ein anderes Profil auf als die erste Falzrolle. Die zweite Falzrolle übt eine ausreichende Kraft auf den Flansch und die Umfangskante aus, um den gefalzten Flansch und die Umfangskante an die Außenfläche des Bechers, die durch den Falzverschließkopf unterstützt wird, anzupressen und flachzudrücken. Als Ergebnis dieses Vorgangs wird die Umfangskante des Bechers um den Flansch und unter den Flansch gefalzt und zwischen dem Flansch und der Außenfläche der Becherwände gefalzt. Auf diese Weise wird durch diesen Prozeß ein luftdichter Verschluß gebildet.
  • Um die luftdichte Natur dieses Dichtungstyps zu veranschaulichen, wurde ein gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruierter Becher der Größe D mit Wasser gefüllt, ebenso wie ein Becher der Größe D, der mit einer herkömmlichen Dichtung konstruiert wurde, wie z. B. der in 1 dargestellten. Die beiden Becher wurden auf 71°C gehalten und im zeitlichen Verlauf gewogen, um die Größe des Wasserverlusts aus den Bechern zu bestimmen. Die herkömmliche Konstruktion verlor 270 mg pro Woche, und die Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung verlor im gleichen Zeitraum überhaupt kein Gewicht. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung eines KOH-Elektrolyten bestätigt, wobei die herkömmliche Konstruktion 50 mg pro Woche verlor und die erfindungsgemäße Konstruktion überhaupt keinen Gewichtsverlust aufwies.
  • Wie für den Fachmann ersichtlich sein wird, nutzt die getränkedosenähnliche Konstruktion einen minimalen Raum im Inneren der Batterie, vermindert die Anzahl der Verfahrensschritte, die zur Fertigung einer Batterie erforderlich sind, und senkt wesentlich die Materialkosten und die Kosten des Fertigungsprozesses. Ferner kann die Dicke der Becherwände erheblich verringert werden, z. B. auf 150 μm (6 Mil) oder weniger. Als Ergebnis kann das für die Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbare Innenvolumen vergrößert werden. Zum Beispiel kann für eine erfindungsgemäße Batterie der Größe D der Anteil des Gesamtvolumens der Batterie, der für die Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien genutzt werden kann, bis zu 97 Vol.-% betragen, während das Volumen der Kollektoreinheit nur 1,6 Vol.-% betragen kann. Die Volumina von Batterien anderer Größen sind in der Tabelle enthalten, die in den 9A und 9B dargestellt ist.
  • Durch Nutzung der getränkedosenähnlichen Konstruktion kann nicht nur die Dicke der Becherwand verringert werden, sondern aufgrund der geringeren Anforderungen an die Festigkeit, die der Becher aufweisen muß, kann auch die Anzahl möglicher Materialien erhöht werden, die zum Formen des Bechers benutzt werden. Zum Beispiel kann die oben angegebene getränkedosenähnliche Konstruktion die Verwendung von Aluminium oder Kunststoffen für den Becher anstelle des gegenwärtig verwendeten vernickelten Stahls ermöglichen.
  • In einer Variante der getränkedosenähnlichen Konstruktion wird der Batteriebecher zunächst als Röhre mit zwei offenen Enden geformt. Die Röhre kann z. B. unter Anwendung herkömmlicher Verfahren extrudiert, nahtgeschweißt, gelötet oder verklebt werden. Die Röhre kann beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff hergestellt werden. Die Röhre definiert die Seitenwände des Bechers. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann verschlossen, indem unter Anwendung des oben skizzierten Getränkedosenabdichtungsverfahrens ein Deckel daran befestigt wird. Ein positiver Kontaktanschluß kann an der Außenfläche des Deckels angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt werden, und der Deckel einer Kollektorbaugruppe kann am zweiten offenen Ende des Bechers auf die gleiche Weise wie oben beschrieben befestigt werden. Alternativ kann der Deckel der Kollektorbaugruppe an der Röhre abgedichtet werden, bevor die Röhre gefüllt und an dem anderen Deckel abgedichtet wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Batterie bereitgestellt, die einen Becher zur Aufnahme elektrochemisch aktiver Materialien mit mindestens einer positiven und einer negativen Elektrode und einem Elektrolyten aufweist, wobei der Becher ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstrecken, und eine Stirnwand aufweist, die sich quer über das erste Ende erstreckt, wobei der Becher ferner aufweist: einen Flansch, der sich von dem offenen zweiten Ende des Bechers nach außen zum ersten Ende hin erstreckt; einen Deckel zum Verschließen des offenen Endes des Bechers, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über den Flansch und um diesen herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche der Seitenwände des Bechers gebördelt bzw. gefalzt wird; und eine elektrische Isolierung, die zwischen dem Flansch und der Umfangskante des Deckels und zwischen dem Becher und der Umfangskante vorgesehen ist. Das elektrische Isoliermaterial wird vorzugsweise in Form einer Beschichtung bereitgestellt, die direkt auf den Becher oder den Außendeckel oder auf beide aufgebracht wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird eine luftdicht verschlossene elektrochemische Zelle bereitgestellt, die aufweist:
    einen Becher zur Aufnahme elektrochemisch aktiver Materialien, die zumindest positive und negative Elektroden und einen Elektrolyten enthalten, wobei der Becher ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstrecken, und eine Stirnwand aufweist, die sich quer über das erste Ende erstreckt, wobei der Becher ferner einen Flansch aufweist, der sich von dem offenen zweiten Ende des Bechers zum ersten Ende hin erstreckt;
    einen Deckel zum Verschließen des offenen zweiten Endes des Bechers, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über und um den Flansch herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche des Bechers gebördelt bzw. gefalzt wird; und
    ein Dichtungsmittel, das zwischen dem Flansch und der Umfangskante des Deckels vorgesehen wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Becher so geformt sein, daß der vorstehende Teil für den positiven Batterieanschluß direkt im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der zwischen dem geschlossenen Ende des Bechers und dem positiven Außendeckel vorhandene Hohlraum zur Aufnahme elektrochemisch aktiver Materialien genutzt werden oder auf andere Weise Raum für das Auffangen von Gasen bieten, der sonst innerhalb der Zelle bereitgestellt werden muß. Obwohl die Zunahme des Zellenvolumens, die man durch Ausbilden des vorstehenden Teils direkt im Boden des Bechers erzielt, nicht in der Tabelle in 9A angegeben ist, wird der Fachmann erkennen, daß das Innenvolumen typischerweise um 1% größer ist als die Volumina für die in der Tabelle aufgeführten Zellen, die mit einem getrennten Deckel ausgebildet sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform, kann eine Druckschicht direkt auf die Außenfläche des Batteriebechers aufgebracht werden, um ein Etikett herzustellen. Durch Aufbringen des Etiketts direkt auf die Außenseite des Bechers in Form einer Druckschicht anstelle eines Etikettsubstrats kann das Innenvolumen der Zelle weiter vergrößert werden, da die Dicke eines Etikettsubstrats nicht berücksichtigt werden muß, um eine Zelle zu konstruieren, die den ANSI-Normen oder anderen Normen für die Außenabmessungen entspricht. Mit "direkt" ist gemeint, daß zwischen der Druckschicht und der Außenfläche des Batteriebechers kein Etikettsubstrat vorhanden ist. Gegenwärtige Etikettsubstrate weisen Dicken in der Größenordnung von 75μm (3 Mil) auf. Da sich derartige Etikettsubstrate überlappen, um eine Naht in Längsrichtung der Batterie zu bilden, vergrößern diese herkömmlichen Etikette den Durchmesser effektiv um etwa 250 μm (10 Mil) und die Falzhöhe der Batterie um 330 μm (13 Mil). Als Ergebnis muß der Batteriebecher einen Durchmesser aufweisen, der so gewählt ist, daß er die Dicke der Etikettnaht aufnimmt, um den ANSI- oder anderen Größennormen zu entsprechen. Durch direktes Aufdrucken eines lithographierten Etiketts auf die Außenfläche des Bechers kann der Durchmesser des Bechers entsprechend um etwa 250 μm (10 Mil) vergrößert werden. Eine solche Zunahme des Becherdurchmessers vergrößert das Innenvolumen der Batterie erheblich. Auf diese Weise könnte das Innenvolumen der Batterien mit Substratetiketten weiter vergrößert werden, z. B. um 2% (1,02 cm3) für eine Batterie der Größe D, 2,6% (0,65 cm3) für eine Batterie der Größe C, 3,9% (0,202 cm3) für eine Zelle der Größe AA und 5,5% (0,195 cm3) für eine Batterie der Größe AAA, wenn die Etikette direkt auf die Außenseite des Bechers aufgedruckt würden.
  • Etiketten können auch unter Anwendung von Verfahren auf den Becher aufgedruckt werden, bei denen das Etikettbild zuerst auf ein Umdruckmedium aufgedruckt und dann direkt auf die Außenseite des Bechers umgedruckt wird. Es kann auch eine verzerrte Lithographie angewandt werden, wobei absichtlich verzerrte Graphiken auf Flachmaterial aufgedruckt werden, um die anschließenden Spannungsverzerrungen des Flachmaterials zu berücksichtigen, wenn es zu der Röhre oder zu dem Zylinder des Zellenbechers umgeformt wird.
  • Vor dem Aufdrucken des lithographierten Etiketts wird die Außenfläche des Bechers vorzugsweise gereinigt. Um das Anhaften der Farbe an dem Becher zu verbessern, kann eine Grundierungsschicht auf die Außenfläche des Bechers aufgebracht werden. Die Druckschicht wird dann durch bekannte Flachdruckverfahren direkt auf die Grundierung auf dem Becher aufgebracht. Das Etikett kann ferner eine elektrisch isolierende Deckschicht aufweisen. Vorzugsweise wird über der Druckschicht eine Lackdeckschicht aufgebracht, um die Druckschicht zu überdecken und zu schützen, und außerdem, um als elektrisch isolierende Schicht zu dienen. Das gedruckte Etikett kann durch Anwendung von Hochtemperaturerhitzungs- oder Ultraviolettbestrahlungsverfahren ausgehärtet werden.
  • Bei Verwendung des gedruckten Etiketts kann die Dicke des Etiketts im Vergleich zu einem herkömmlichen Etikett auf einem Substrat erheblich auf eine maximale Dicke von etwa 13 μm (0,5 Mil) reduziert werden. In einer besonderen Ausführungsform weist das gedruckte Etikett eine Grundierungsschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 2,5 bis 5 μm (0,1 bis 0,2 Mil), eine Druckschicht mit einer Dicke von etwa 2,5 μm (0,1 Mil) und eine Lackdeckschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 2,5 bis 5 μm (0,1 bis 0,2 Mil) auf.
  • Durch Vermindern der Etikettdicke kann der Durchmesser des Bechers vergrößert werden, wodurch eine weitere Vergrößerung des verfügbaren Volumens für die aktiven Zellenmaterialien unter Beibehaltung eines vorgegebenen Außendurchmessers der Batterie geboten wird.
  • Wie man erkennen wird, kann durch Verwendung der oben angegebenen Konstruktionen eine Batterie mit dünneren Wänden in der Größenordnung von 100-200 μm (4-8 Mil) hergestellt werden, da die oben skizzierten Konstruktionsverfahren nicht die dickeren Wände benötigen, die in herkömmlichen Batterien erforderlich sind, um einen ausreichenden Falz und ausreichende Abdichtung sicherzustellen. Ferner kann ein Etikett direkt mittels Lithographie auf die Außenfläche des Batteriebechers aufgedruckt werden. Indem die Becherwände dünner ausgeführt und das Etikett mittels Lithographie direkt auf die Außenfläche des Bechers aufgedruckt wird, kann das Innenvolumen der Zelle weiter vergrößert werden, da für die Konstruktion einer Zelle, die den ANSI-Normen für die äußeren Abmessungen entspricht, die Dicke des Etikettsubstrats nicht berücksichtigt zu werden braucht.
  • Die vorliegende Erfindung ist oben zwar als hauptsächlich auf alkalische Batterien anwendbar beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß ähnliche Vorteile bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Konstruktionen in Batterien erzielt werden können, die andere elektrochemische Systeme nutzen. Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Konstruktionen in Primärsystemen eingesetzt werden, wie z. B. in Kohle-Zink-Batterien und in Batterien auf Lithiumbasis sowie in wiederaufladbaren Batterien, wie z. B. auf NiCd-, Metallhydrid- und Li-Basis. Ferner können bestimmte erfindungsgemäße Konstruktionen in Rohzellen angewandt werden (d. h. in Zellen ohne Etikett, wie sie in Batterieteilen oder Mehrzellenbatterien verwendet werden). Außerdem ist die vorliegende Erfindung oben zwar in Verbindung mit zylinderförmigen Batterien beschrieben worden, aber erfindungsgemäße Konstruktionen können auch bei der Konstruktion von prismatischen Zellen angewandt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den 4 bis 9B dargestellten Ausführungsformen näher erläutert:
  • 6 zeigt eine Ausführungsform einer Batterie, die nach dem getränkedosenartigen Abdichtungsverfahren konstruiert wurde, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 7A-7D beschrieben. Vor dem Anbringen des negativen Außendeckels 445 an das offene Ende des Bechers 412 wird ein Kollektornagel 440 an die Innenfläche des Deckels 445 angeschweißt. Als nächstes wird, wie in 7A dargestellt, die Innenfläche des Deckels 445 sowie der Randabschnitt der Oberseite des Deckels 445 mit einer Schicht 475 aus elektrischem Isoliermaterial beschichtet. Der Abschnitt des Kollektornagels 440, der sich in dem Hohlraumbereich zwischen dem Boden des Deckels 445 und der Oberfläche des negativen Elektroden/Elektrolyt-Gemischs 120 erstreckt, wird gleichfalls mit der elektrischen Isolierung beschichtet. Außerdem werden auch die Innen- und Außenflächen des Bechers 412 im Bereich des offenen Endes des Bechers 412 beschichtet. Die Beschichtung sorgt daher für eine elektrische Isolierung zwischen dem Deckel und dem Becher, und durch Auftragen der Isolierschicht auf die Bereiche des Bechers, Deckels und des Kollektornagels innerhalb der Batterie, die nahe am Hohlraumbereich im Innenvolumen der Batterie liegen, können diese Bereiche gegen Korrosion geschützt werden. Ein Dichtungsmittel 473 wird auf die Unterseite der Umfangskante 470 des Deckels 445 aufgebracht. Sobald das Abdichtungsverfahren abgeschlossen ist, wandert das Dichtungsmittel 473 in die in 7D dargestellten Positionen.
  • Sobald der Kollektornagel 440 befestigt und die elektrische Isolierschicht aufgebracht worden ist, wird der Außendeckel 445 über dem offenen Ende des Bechers 412 angebracht, wie in 7B dargestellt. Am offenen Ende des Bechers 412 ist ein Flansch 450 ausgebildet, der sich nach außen erstreckt. Ferner weist der Außendeckel 445 eine leicht gekrümmte Umfangskante 470 auf, die sich an die Form des Flansches 450 anschmiegt. Wenn der Außendeckel 445 über dem offenen Ende des Bechers 412 angebracht worden ist, wird ein Falzverschließkopf 500 so auf den Außendeckel 445 aufgesetzt, daß ein ringförmiger, sich nach unten erstreckender Abschnitt 502 des Verschließkopfes 500 in einer ringförmigen Vertiefung 472 aufgenommen wird, die im Außendeckel 445 ausgebildet ist. Als nächstes wird eine erste Falzrolle 510 in radialer Richtung zur Umfangskante 470 des Außendeckels 445 bewegt. Während sich die erste Falzrolle 510 zur Umfangskante 470 und zum Flansch 450 hin bewegt, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, daß die Umfangskante 470 um den Flansch 450 herum gefalzt wird. Außerdem werden, während sich die erste Falzrolle 510 radial nach innen bewegt, der Verschließkopf 500, der Becher 412 und der Außendeckel 445 um eine Mittelachse gedreht, so daß die Umfangskante 470 am gesamten Umfang des Bechers 412 um den Flansch 450 gefalzt wird. Während sich die erste Falzrolle 510 weiter radial nach innen bewegt, werden ferner der Flansch 450 und die Umfangskante 470 nach unten in die in 7C dargestellte Position gefalzt.
  • Nach dem Falzen der Umfangskante 470 und des Flansches 450 in die in 7C dargestellte Position wird die erste Falzrolle 510 vom Becher 412 fortbewegt, und eine zweite Falzrolle 520 wird dann radial nach innen zum Flansch 450 und der Umfangskante 470 hin bewegt. Die zweite Falzrolle 520 weist ein anderes Profil auf als die erste Falzrolle 510. Die zweite Falzrolle 520 übt eine ausreichende Kraft auf den Flansch 450 und die Umfangskante 470 aus, um den gefalzten Flansch und die Umfangskante an die durch den Falzverschließkopf 500 unterstützte Außenfläche des Bechers 412 anzupressen und flachzudrücken. Als Ergebnis dieses Vorgangs wird die Umfangskante 470 des Bechers 412 um den Flansch 450 herum und unter dem Flansch gefaltet und zwischen dem Flansch 450 und der Außenfläche der Wände des Bechers 412 gefalzt, wie in den 6 und 7D dargestellt. So wird durch diesen Prozeß eine hermetische Abdichtung ausgebildet.
  • 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher der Batteriebecher zunächst als Röhre mit zwei offenen Enden geformt wird. Die Röhre definiert die Seitenwände 614 des Bechers 612. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann verschlossen, indem ein Innendeckel 616 unter Anwendung des oben skizzierten Getränkedosenverschlußverfahrens daran angebracht wird, mit der Ausnahme, daß zwischen dem Innendeckel 616 und den Seitenwänden 614 keine elektrische Isolierung vorhanden ist. Ein positiver Außendeckel 618 kann an die Außenfläche des Innendeckels 616 angeschweißt oder auf andere Weise daran befestigt werden. Die Batterie kann gefüllt werden, und ein negativer Außendeckel 645 kann am zweiten offenen Ende des Bechers 612 auf die gleiche Weise wie oben beschrieben befestigt werden.
  • Man wird einsehen, daß die in den Zeichnungen dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich zur Erläuterungszwecken dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
  • BEISPIEL
  • Das Gesamtvolumen der Batterie, das Volumen der Kollektorbaugruppe und das für elektrochemisch aktives Material verfügbare Innenvolumen werden durch Betrachten einer computerunterstützten Konstruktionszeichnung (CAD-Zeichnung), einer Fotografie oder eines realen Querschnitts der Batterie bestimmt, die in Epoxidharz eingeschlossen und in Längsrichtung geschnitten wurde. Die Verwendung einer CAD-Zeichnung, einer Fotografie oder eines realen Längsschnitts, um Batterieabmessungen zu betrachten und zu messen, ermöglicht die Einbeziehung aller Hohlraumvolumina, die in der Batterie vorhanden sein könnten. Um das Gesamtvolumen der Batterie zu messen, wird die Schnittansicht der Batterie durch ihre zentrale Symmetrieachse in Längsrichtung betrachtet, und das Gesamtvolumen wird durch geometrische Berechnung gemessen. Zur Messung des für elektrochemisch aktive Materialien verfügbaren Innenvolumens wird die Schnittdarstellung der Batterie durch ihre zentrale Symmetrieachse in Längsrichtung betrachtet, und die Komponenten, die das Innenvolumen bilden, das die elektrochemisch aktiven Materialien, Hohlraumvolumina und chemisch inerte Materialien (mit Ausnahme des Kollektornagels) enthält, die innerhalb des abgedichteten Volumens der Zelle eingeschlossen sind, werden durch geometrische Berechnung gemessen. Ebenso wird zur Bestimmung des Volumens der Kollektorbaugruppe die Schnittansicht der Batterie durch ihre zentrale Symmetrieachse in Längsrichtung betrachtet, und die Komponenten, die das Volumen der Kollektorbaugruppe bilden, das den Kollektornagel, die Dichtung, den Innendeckel und ein etwaiges, zwischen der Unterseite des negativen Deckels und der Dichtung abgegrenztes Hohlraumvolumen einschließt, werden durch geometrische Berechnung gemessen. Das Behältervolumen kann gleichfalls gemessen werden, indem der zentrale Längsschnitt der Batterie betrachtet und das Volumen berechnet wird, das durch den Becher, das Etikett, den negativen Deckel, das Hohlraumvolumen zwischen Etikett und negativem Deckel, den positiven Deckel und das Hohlraumvolumen zwischen dem positiven Deckel und dem Becher verbraucht wird.
  • Die Volumenmessungen werden ausgeführt, indem ein Schnitt der Batterie durch ihre Symmetrieachse in Längsrichtung betrachtet wird. Dies sorgt für eine genaue Volumenmessung, da die Batterie und ihre Komponenten gewöhnlich axialsymmetrisch sind. Um eine geometrische Schnittansicht einer Batterie zu erhalten, wurde die Batterie zunächst in Epoxidharz eingegossen, und nach dem Erstarren des Epoxidharzes wurden die eingegossene Batterie und ihre Komponenten auf den zentralen Schnitt durch die Symmetrieachse abgeschliffen. Genauer gesagt, die Batterie wurde zunächst in Epoxidharz eingegossen und dann bis kurz vor dem zentralen Schnitt abgeschliffen. Als nächstes wurden alle inneren Komponenten, wie z. B. die Anode, die Kathode und das Papiertrennelement, entfernt, um eine bessere Messung des fertigen Schnitts zu ermöglichen. Die eingegossene Batterie wurde dann von etwaigen zurückgebliebenen Trümmern gereinigt, luftgetrocknet, und die übrigen Hohlaumvolumina wurden mit Epoxidharz gefüllt, um der Batterie eine gewisse Integrität zu verleihen, bevor das Schleifen und Polieren bis auf die Mitte abgeschlossen wurde. Die Batterie wurde nochmals geschliffen und poliert, bis ihr zentraler Schnitt fertiggestellt war, wurde dann in eine Zeichnung abgepaust, und daraus wurden die Volumina gemessen.
  • Vor dem Eingießen der Batterie in Epoxidharz wurden mit Feinmeßlehren Batteriemessungen ausgeführt, um die Gesamthöhe, die Falzhöhe und den Außendurchmesser am oberen Ende, am unteren Ende und in der Mitte der Batterie zu messen. Außerdem wurde eine identische Batterie zerlegt, und ihre Komponenten wurden gemessen. Diese Messungen von Komponenten der zerlegten Batterie umfassen den Durchmesser des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels bis zum negativen Deckel und den Außendurchmesser der Batterie am oberen Ende, am unteren Ende und in der Mitte ohne Etikett.
  • Sobald die Batterie vollständig in Epoxidharz eingegossen und durch die Längssymmetrieachse auf Mitte geschliffen war, wurde die Schnittansicht der Batterie zur Herstellung einer Zeichnung benutzt. Ein Mitutoyo-Meßprojektor mit QC-4000-Software wurde verwendet, um die Kontur der Batterie und ihrer einzelnen Komponenten zu verfolgen und eine Zeichnung des zentralen Schnitts der Batterie zu erstellen. Dabei wurde die Batterie fixiert, und die Kontur der Batterieteile wurde in einem Format gespeichert, das später in der CSG-Modellierungssoftware zur Berechnung der interessierenden Batterievolumina benutzt werden konnte. Bevor jedoch irgendwelche Volumenmessungen ausgeführt werden, kann die Zeichnung justiert werden, um alle Batteriekomponenten, die nicht exakt auf die Mitte der Batterie ausgerichtet sind, zu kompensieren. Dies kann erreicht werden, indem die Messungen, die vor dem Schnitt der Batterie ausgeführt wurden, und die an der zerlegten identischen Batterie ausgeführten Messungen verwendet werden. Zum Beispiel können der Durchmesser und die Länge des Stromkollektornagels und der Gesamtaußendurchmesser der Batterie modifiziert werden, um die Zeichnung genauer zu profilieren, indem die Zeichnung justiert wird, um die entsprechenden bekannten Schnittabmessungen einzubeziehen und die Genauigkeit der Zeichnung für Volumenmessungen zu verbessern. Die Details der Dichtungs-, Deckel- und Falzbereiche wurden so verwendet, wie sie auf dem Meßprojektor gezeichnet wurden.
  • Um die Volumenmessungen zu berechnen, wurde die Zeichnung in eine CSG-Modellierungssoftware importiert. Eine räumlich dreidimensionale Volumendarstellung wurde durch Drehen der Schnittkontur auf den linken und rechten Seiten um 180 Grad (180°) um die Längssymmetrieachse erzeugt. Entsprechend wird das Volumen jedes interessierenden Bereichs durch die Software berechnet, und durch Drehen der linken und rechten Seiten um 180 Grad (180°) und Summieren der linken und rechten Volumina wird ein mittlerer Volumenwert bestimmt, was in den Situationen vorteilhaft sein kann, wo die Batterie unsymmetrische Merkmale aufweist. Die Volumina, die etwaige unsymmetrische Merkmale enthalten, können nötigenfalls justiert werden, um genauere Volumenmessungen zu erhalten.
  • Die 9A und 9B zeigen Volumina verschiedener Batteriekonstruktionstypen, die ausführlicher in US-A-60/102951, eingereicht am 2. Oktober 1998, und US-A-60/097445, eingereicht am 21. August 1998, offenbart werden. Wie in 9A in der mit "Konstruktion vom Getränkedosentyp" bezeichneten Zeile dargestellt, hatte eine Batterie der Größe D, die unter Anwendung der in 6 dargestellten Konstruktion konstruiert wurde, ein Innenvolumen von 97,0 Vol.-%, wenn die Wände 200 μm (8 Mil) dick waren. Wie in 9B dargestellt, hatte eine Batterie der Größe D, die unter Anwendung der in 6 dargestellten Konstruktion konstruiert wurde, ein Volumen der Kollektorbaugruppe, das 1,6% des Gesamtvolumens betrug, wenn die Becherwände 200 μm (8 Mil) dick waren. Die Batterien der Größen C, AA und AAA mit entsprechender Konstruktion wiesen gleichfalls wesentliche Verbesserungen der Innenvolumenausbeute auf, wie aus der Tabelle in 9A ersichtlich ist.

Claims (33)

  1. Elektrochemische Zelle, die aufweist: ein Zellengefäß bzw. einen Becher zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien, zu denen positive und negative Elektroden und ein Elektrolyt gehören, wobei der Becher ein erstes Ende, ein offenes zweites Ende, Seitenwände, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstrecken, eine Stirnwand, die sich quer über das erste Ende erstreckt, und einen Flansch aufweist, der sich von dem offenen zweiten Ende des Bechers zum ersten Ende hin erstreckt; einen quer über dem offenen zweiten Ende angeordneten Deckel, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über und um den Flansch herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche der Seitenwände des Bechers gebördelt wird; und einen Überzug aus einem Isoliermaterial, der auf mindestens eine der Komponenten Becher und Deckel aufgebracht wird, um den Becher elektrisch von dem Deckel zu isolieren, wobei zwischen dem Flansch und der Umfangskante des Deckels und zwischen dem Becher und der Umfangskante Isoliermaterial vorgesehen ist.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei das Isoliermaterial unter Epoxidharz, Nylon, Teflon®, Vinyl und Kombinationen davon ausgewählt wird.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Überzug aus dem Isoliermaterial sowohl auf den Deckel als auch auf den Becher direkt aufgebracht wird.
  4. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein zwischen dem Deckel und dem Becher eingebrachtes Dichtungsmaterial aufweist.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei das Isoliermaterial und das Dichtungsmaterial getrennte Dichtungsmaterial- und Isoliermaterialschichten aufweisen.
  6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das Dichtungsmaterial Asphalt ist.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei das Isoliermaterial und das Dichtungsmaterial eine Ringdichtung mit L-förmigem Querschnitt bilden.
  8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7, wobei die Ringdichtung aus Nylon besteht und mit Asphalt überzogen wird.
  9. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Isoliermaterial sowohl auf die Innen- als auch auf die Außenfläche der Deckelumfangskante aufgebracht wird.
  10. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Isoliermaterial sowohl auf die Innen- als auch auf die Außenfläche des Flanschs aufgebracht wird.
  11. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Isoliermaterial in einem Bereich, der sonst die Deckelumfangskante berühren würde, auf die Außenfläche des Bechers aufgebracht wird.
  12. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Isoliermaterial auf die gesamte Innenfläche des Deckels aufgebracht wird.
  13. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, die einen an der Innenfläche des Deckels angebrachten Kollektor aufweist.
  14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 13, wobei der Kollektor ein Nagel ist und ein an den Deckel angrenzender Teil des Kollektornagels mit Isoliermaterial beschichtet wird.
  15. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine in der Stirnwand des Bechers ausgebildete Druckentlastungseinrichtung aufweist.
  16. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 15, wobei die Druckentlastungseinrichtung eine in der Stirnwand des Bechers ausgebildete Nut aufweist.
  17. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, die einen äußeren Deckel aufweist, der an einer Außenfläche der Becherstirnwand in elektrischem Kontakt damit befestigt ist und sich über die Druckentlastungseinrichtung erstreckt.
  18. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 17, wobei der äußere Deckel elektrisch mit der positiven Elektrode gekoppelt ist, um als positiver äußerer Batterieanschluß zu dienen, und wobei der Deckel über dem zweiten Ende elektrisch mit der negativen Elektrode gekoppelt ist, um als negativer äußerer Batterieanschluß zu dienen.
  19. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das erste Ende des Bechers eine mit den Seitenwänden des Bechers integrierte Stirnwand aufweist.
  20. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der Becher als Röhre ausgebildet ist, wobei die Stirnwand ein quer über dem ersten Ende angebrachter Deckel ist.
  21. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 20, wobei der Becher einen zweiten Flansch aufweist, der sich vom ersten Ende des Bechers nach außen zum zweiten Ende hin erstreckt, und wobei der Deckel über dem ersten Ende eine Umfangskante aufweist, die sich über und um den Flansch herum erstreckt und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche der Seitenwände des Bechers gebördelt wird.
  22. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Becher ein direkt auf seine Außenfläche aufgedrucktes Etikett aufweist.
  23. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Becher eine Wanddicke von 200 μm (8 Mil) oder weniger aufweist; vorzugsweise eine Wanddicke von 150 μm (6 Mil) oder weniger.
  24. Elektrochemische Zelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Becher zylinderförmig ist.
  25. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, mit den folgenden Schritten: Formen eines Bechers, der ein offenes und ein geschlossenes Ende mit einem am offenen Ende ausgebildeten, nach außen ragenden Flansch aufweist; Formen eines Deckels für das offene Ende des Bechers, wobei der Deckel eine Umfangskante aufweist, die sich über den Flansch hinaus nach außen erstreckt, wenn der Deckel auf das offene Ende des Bechers aufgesetzt wird; Beschichten mindestens einer der Komponenten Flansch oder Umfangskante mit einem elektrischen Isoliermaterial zur elektrischen Isolierung des Bechers von dem Deckel; Einbringen von elektrochemisch aktiven Materialien in den Becher; Aufsetzen des Deckels auf das offene Ende des Bechers; Umbiegen der Umfangskante des Deckels über und um den Flansch herum; und Flachdrücken der umgebogenen Umfangskante und des Flansches an der Außenfläche des Bechers, so daß der Flansch von dem offenen Ende zurückgebogen wird und die Umfangskante zwischen dem Flansch und der Außenfläche des Bechers gebördelt wird, wodurch der Deckel auf dem offenen Ende des Bechers mit dem dazwischen eingebrachten Isoliermaterial abgedichtet wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei Isoliermaterial sowohl auf den Becher als auch auf den Deckel direkt aufgebracht wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei Isoliermaterial in einem das offene Ende umgebenden Bereich direkt auf die Innen- und Außenflächen des Bechers aufgebracht wird.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei Isoliermaterial direkt auf eine Umfangskante und eine Innenfläche des Deckels aufgebracht wird.
  29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, das ferner den Schritt zum Einbringen eines Dichtungsmaterials zwischen dem Deckel und dem Becher aufweist.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, wobei der Beschichtungsschritt das Beschichten sowohl des Flanschs als auch der Umfangskante des Deckels mit Isoliermaterial aufweist.
  31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, das ferner den Schritt zum Ausbilden einer Druckentlastungseinrichtung im geschlossenen Ende des Bechers aufweist.
  32. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, das ferner den Schritt zum Befestigen eines Kollektors am Deckel aufweist.
  33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, wobei der Schritt zum Ausbilden eines Bechers die Teilschritte zum Ausbilden einer Röhre zur Abgrenzung der Seitenwände des Bechers und zur Befestigung einer Stirnwand an einem offenen Ende der Röhre zum Ausbilden des geschlossenen Endes des Bechers aufweist.
DE69928674T 1998-08-21 1999-08-16 Batteriekonstruktion mit doppelfalznaht-deckel-verschluss Expired - Lifetime DE69928674T2 (de)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US293453 1981-08-17
US9744598P 1998-08-21 1998-08-21
US97445P 1998-08-21
US10295198P 1998-10-02 1998-10-02
US102951P 1998-10-02
US09/293,453 US6410186B1 (en) 1998-08-21 1999-04-16 Battery construction having double seam cover closure
PCT/US1999/018669 WO2000011734A1 (en) 1998-08-21 1999-08-16 Battery construction having double seam cover closure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69928674D1 DE69928674D1 (de) 2006-01-05
DE69928674T2 true DE69928674T2 (de) 2006-09-07

Family

ID=27378380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE69928674T Expired - Lifetime DE69928674T2 (de) 1998-08-21 1999-08-16 Batteriekonstruktion mit doppelfalznaht-deckel-verschluss

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6410186B1 (de)
EP (1) EP1105928B1 (de)
JP (1) JP4778144B2 (de)
CN (1) CN1171328C (de)
AT (1) ATE311667T1 (de)
AU (1) AU5675899A (de)
CA (1) CA2340388A1 (de)
DE (1) DE69928674T2 (de)
TW (1) TW431008B (de)
WO (1) WO2000011734A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010030993A1 (de) 2010-07-06 2012-01-12 Sb Limotive Company Ltd. Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle und Kraftfahrzeug
DE102012221771A1 (de) 2012-11-28 2014-05-28 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, Batterie und Kraftfahrzeug
WO2017009104A1 (de) 2015-07-16 2017-01-19 Schuler Pressen Gmbh Batteriezellengehäuse und verfahren zu dessen herstellung
DE102022101673A1 (de) 2022-01-25 2023-07-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers sowie Batteriezelle

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1205985B1 (de) * 2000-02-09 2014-08-13 NGK Insulators, Ltd. Lithium-sekundär-zelle
US6368745B1 (en) * 2000-06-21 2002-04-09 Eveready Battery Company, Inc. Battery construction having cover assembly
US7195839B2 (en) * 2003-02-11 2007-03-27 Eveready Battery Company, Inc. Battery cell with improved pressure relief vent
JP4786159B2 (ja) * 2004-09-22 2011-10-05 日産自動車株式会社 電池収納容器及びその組立方法
WO2006123666A1 (ja) * 2005-05-17 2006-11-23 Toyo Seikan Kaisha, Ltd. 3ピース角形缶及びその製造方法
US20080085450A1 (en) * 2006-10-05 2008-04-10 Depalma Christopher L End cap seal assembly for an electrochemical cell
US8236444B2 (en) * 2007-03-27 2012-08-07 Eveready Battery Company, Inc. Electrochemical cell having low volume collector assembly
DE102012212379A1 (de) * 2012-07-16 2014-01-16 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle und Verfahren zum Verschließen der Batteriezelle
JP6254102B2 (ja) * 2013-01-31 2017-12-27 三洋電機株式会社 密閉型電池
KR101514827B1 (ko) * 2013-02-26 2015-04-23 주식회사 엘지화학 이차 전지 및 그 제조 방법
JP5910624B2 (ja) * 2013-12-26 2016-04-27 株式会社豊田自動織機 電池パック
US10899503B2 (en) * 2016-04-20 2021-01-26 Yeti Coolers, Llc Spigot and spigot guard for an insulating container
CN108075147B (zh) * 2017-05-27 2024-04-09 深圳市水动力环保新能源有限公司 一种可用于应急充电的水电池
US10784519B2 (en) * 2018-03-02 2020-09-22 Energizer Brands, Llc Electrochemical cell with electrode filled protrusion
KR102538690B1 (ko) * 2019-01-14 2023-06-01 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지용 탑 캡, 이차전지 및 그 이차전지의 제조방법

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL45699C (de) 1936-03-18
US2525436A (en) 1945-03-27 1950-10-10 Ruben Samuel Dry cell
US2478798A (en) 1946-06-25 1949-08-09 Ruben Samuel Primary cell vent and method of making
US2837593A (en) * 1955-11-23 1958-06-03 Hamilton Watch Co Primary cell case
US3068313A (en) 1958-11-19 1962-12-11 Union Carbide Corp High pressure mechanical seal gasket
US3255049A (en) 1963-01-03 1966-06-07 Union Carbide Corp Dry cell having gel on depolarizer surface
JPS423381Y1 (de) * 1965-02-06 1967-02-28
US3663301A (en) * 1970-04-09 1972-05-16 Mallory & Co Inc P R Leak-proof primary cell
JPS4951538A (de) 1972-09-25 1974-05-18
FR2293803A1 (fr) 1974-12-06 1976-07-02 Accumulateurs Fixes Generateurs electrochimiques etanches
US4052537A (en) * 1976-10-01 1977-10-04 P. R. Mallory & Co. Inc. Electrical device
US4175166A (en) 1978-05-02 1979-11-20 Power Conversion, Inc. Sealed container construction capable of safely venting internal pressure
JPS5817332Y2 (ja) 1979-05-31 1983-04-08 株式会社ユアサコーポレーション 密閉形電池
US4320182A (en) 1979-11-21 1982-03-16 General Electric Company Electrochemical cell having cast-in-place insulator
US4322483A (en) 1980-07-07 1982-03-30 Tune Harold S Method of utilizing empty aluminum beverage cans to provide an energy source
US4308323A (en) 1980-11-10 1981-12-29 Emerson Electric Co. Battery seal
FR2510310A1 (fr) 1981-07-21 1983-01-28 Gipelec Traversee etanche de borne negative et generateur electrochimique faisant application de cette traversee
US4663248A (en) 1982-09-07 1987-05-05 Duracell Inc. Electrode terminal contact
GB2160352B (en) 1984-06-08 1987-08-26 Venture Tech Ltd Insulating seal for electrochemical cells
US4698282A (en) 1986-06-02 1987-10-06 Power Conversion Inc. Safety vent device for electrochemical cells
US4702976A (en) 1986-09-19 1987-10-27 Emerson Electric Co. Hermetic terminal assembly and method of manufacturing same
US4707424A (en) 1986-09-19 1987-11-17 Emerson Electric Co. Terminal pin and end closure structure for chamber defining housing of hermetic terminal assembly and method of manufacture
US4789608A (en) 1987-03-26 1988-12-06 Saft America, Inc. Pressure venting device
JPS63274054A (ja) * 1987-05-01 1988-11-11 Fuji Elelctrochem Co Ltd 筒形アルカリ電池
JPH01254546A (ja) * 1988-04-04 1989-10-11 Dainippon Printing Co Ltd 金属蓋付容器
GB8917022D0 (en) * 1989-07-25 1989-09-13 Chloride Silent Power Ltd Sodium/sulphur cell
US5283139A (en) 1993-04-12 1994-02-01 Duracell Inc. Alkaline cell
JPH07122253A (ja) * 1993-10-21 1995-05-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 筒形アルカリ電池
US5500308A (en) 1994-05-02 1996-03-19 Rayovac Corporation Electrochemical cell having an inner seal member
JP3601120B2 (ja) * 1995-07-25 2004-12-15 新神戸電機株式会社 密閉形蓄電池
US5712058A (en) 1996-09-27 1998-01-27 Eveready Battery Company, Inc. Miniature galvanic cell having optimum internal volume for the active components
DE19643011A1 (de) 1996-10-18 1998-04-23 Varta Batterie Direkt berdrucktes galvanisches Element
US6022635A (en) * 1997-09-24 2000-02-08 Eveready Battery Company, Inc. Electrochemical cell having a moisture barrier
JPH11273631A (ja) * 1998-03-24 1999-10-08 Sanyo Electric Co Ltd アルカリ二次電池及びその製造方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010030993A1 (de) 2010-07-06 2012-01-12 Sb Limotive Company Ltd. Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle und Kraftfahrzeug
DE102012221771A1 (de) 2012-11-28 2014-05-28 Robert Bosch Gmbh Batteriezelle, Verfahren zur Herstellung einer Batteriezelle, Batterie und Kraftfahrzeug
WO2017009104A1 (de) 2015-07-16 2017-01-19 Schuler Pressen Gmbh Batteriezellengehäuse und verfahren zu dessen herstellung
DE102015111572A1 (de) 2015-07-16 2017-01-19 Schuler Pressen Gmbh Batteriezellengehäuse und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102022101673A1 (de) 2022-01-25 2023-07-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriezellgehäuse für eine Batteriezelle eines elektrischen Energiespeichers sowie Batteriezelle

Also Published As

Publication number Publication date
CN1171328C (zh) 2004-10-13
US6410186B1 (en) 2002-06-25
EP1105928B1 (de) 2005-11-30
JP4778144B2 (ja) 2011-09-21
JP2002523876A (ja) 2002-07-30
DE69928674D1 (de) 2006-01-05
EP1105928A1 (de) 2001-06-13
ATE311667T1 (de) 2005-12-15
AU5675899A (en) 2000-03-14
WO2000011734A1 (en) 2000-03-02
CN1323453A (zh) 2001-11-21
CA2340388A1 (en) 2000-03-02
TW431008B (en) 2001-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69928674T2 (de) Batteriekonstruktion mit doppelfalznaht-deckel-verschluss
DE69918699T2 (de) Batteriekonstruktion mit verringertem kollektorsatzvolumen
DE69924858T2 (de) Batteriekonstruktion mit vergrössertem innenvolumen für aktivmaterialen
DE2448370C3 (de) Anordnung von Knopf zellen in einem mehrteiligen Gehäuse
DE69816266T2 (de) Prismatische aufladbare oder primäre Zelle mit steifem und zusammendrückendem Halter
EP0123201B1 (de) Luftsauerstoffzelle
EP2415101B1 (de) Knopfzelle ohne bördelung
DE4413808B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe für eine elektrochemische Zelle, Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle und Knopfzelle
DE69929893T2 (de) Elektrochemische zelle mit einem vom deckel elektrisch isolierten kollektor
DE69912454T2 (de) Konstruktion einer batterie mit sicherheitsentlüftung
DE2743566A1 (de) Gehaeuse fuer elektrische vorrichtung
EP1955386A1 (de) Galvanisches element mit neuartigem gehäuse
EP2692903B1 (de) Wasserstoffentwicklungszelle mit Kathodentasche
WO2014072127A1 (de) Batteriezelle mit gehäusedeckplatte mit vernieteter einfüllöffnung
DE3732037A1 (de) Dichte bleibatterie und verfahren zu deren herstellung
CH658342A5 (de) Gasdichte primaerbatterie.
DE2813465B2 (de) Galvanische Rundzelle mit einem Druckentlüftungsverschluß
DE60034397T2 (de) Elektrochemische Zelle mit Deckelbaugruppe
DE2440640A1 (de) Batterie mit mindestens einem element
DE2055638A1 (de) Elektrochemische Zelle und Verfahren zu deren Abdichtung
DE2743078C2 (de)
DE112015000896T5 (de) Energiespeichervorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Energiespeichervorrichtung
DE102012216479A1 (de) Batteriezelle mit in Gehäusedeckplatte integrierter Berstscheibe
DE3332174A1 (de) Elektrochemische zelle sowie herstellungsverfahren hierfuer
DE1596307A1 (de) Zellenbehaelter fuer elektrische Akkumulatoren,vorzugsweise zylindrischer Bauform

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition