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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die Zeichnungen
besser verständlich.
Dabei zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine herkömmliche
alkalische elektrochemische Zelle der Größe C;
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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;
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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;
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Die 3A-3D zeigen
Schnitte einer herkömmlichen
alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C, die das Gesamtvolumen
der Batterie und Volumina verschiedener Komponenten darstellen;
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4 eine
Unteransicht eines Batteriebechers mit einem im geschlossenen Ende
des Bechers ausgebildeten Druckentlastungsmechanismus;
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5 eine
Schnittansicht entlang der Linie X-X der in 4 dargestellten
Becherentlüftung;
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6 einen
Schnitt durch eine alkalische elektrochemische Zelle der Größe C mit
einer getränkedosenähnlichen
Konstruktion gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7A eine
teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht der in 6 dargestellten Batterie;
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Die 7B und 7C Schnittdarstellungen
eines Teils der in 6 dargestellten Batterie, die
das Verfahren zur Ausbildung der getränkedosenähnlichen Konstruktion veranschaulichen;
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7D eine
vergrößerte Schnittdarstellung eines
Teils der in 6 dargestellten Batterie;
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8 einen
Schnitt einer alkalischen elektrochemischen Zelle der Größe C mit
einer getränkedosenähnlichen
Konstruktion gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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9A eine
Tabelle, in der das berechnete Gesamtvolumen und das Innenvolumen
der Zelle für verschiedene
Batterien angegeben sind; und
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9B eine
Tabelle, in der das berechnete Gesamtvolumen und das Volumen der
Kollektorbaugruppe für
verschiedene Batterien angegeben sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um
die Abdichtung des Deckels an dem Becher zu unterstützen, kann
auf die Unterseite der Umfangskante des Deckels ein herkömmliches
Dichtungsmittel aufgebracht werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
in den 4 bis 9B dargestellten Ausführungsformen
näher erläutert:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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BEISPIEL
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.