DE69929893T2 - Elektrochemische zelle mit einem vom deckel elektrisch isolierten kollektor - Google Patents

Elektrochemische zelle mit einem vom deckel elektrisch isolierten kollektor Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Aufbau einer elektrochemischen Zelle. Die vorliegende Erfindung betrifft spezieller Behälter und Kollektorbaugruppen, die für eine elektrochemische Zelle wie z.B. eine Alkalizelle verwendet werden.
  • 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen C-Alkalizelle 10. Wie gezeigt, hat die Zelle 10 einen zylindrisch geformten Becher 12 mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende. Der Becher 12 ist vorzugsweise aus einem elektrischen Material gebildet, so dass ein auf eine Bodenfläche 14 am geschlossenen Ende des Bechers 12 geschweißter äußerer Deckel 11 als elektrischer Kontaktanschluss für die Zelle dient.
  • Die Zelle 10 weist ferner gewöhnlich ein erstes Elektrodenmaterial 15 auf, das als positive Elektrode (auch Kathode genannt) dienen kann. Das erste Elektrodenmaterial 15 kann vorgeformt und in den Becher 12 eingeführt oder so angeformt werden, dass es mit den Innenflächen des Bechers 12 in Kontakt ist. Für eine Alkalizelle beinhaltet das erste Elektrodenmaterial 15 typischerweise MnO2. Nachdem die erste Elektrode 15 im Becher 12 hergestellt ist, wird ein Separator l7 in den von der ersten Elektrode 15 definieren Raum eingeführt. Der Separator 17 ist vorzugsweise ein Vliesstoff. Der Separator 17 hat die Aufgabe, das erste Elektrodenmaterial 15 und ein Gemisch aus Elektrolyt und einem zweiten Elektrodenmaterial 20 physikalisch getrennt zu halten und gleichzeitig den Transport von Ionen zwischen den Elektrodenmaterialien zuzulassen.
  • Wenn sich der Separator 17 an seinem Platz in der durch die erste Elektrode 15 definierten Hohlraum befindet, dann wird ein Elektrolyt in den vom Separator 17 definieren Raum zusammen mit dem Gemisch 20 aus Elektrolyt und einem zweiten Elektrodenmaterial gegeben, das die negative Elektrode (auch Anode genannt) sein kann. Das Gemisch 20 aus Elektrolyt und zweiter Elektrode beinhaltet vorzugsweise ein Gelierungsmittel. Für eine typische Alkalizelle besteht das Gemisch 20 aus einer Mischung aus einem wässrigen KOH-Elektrolyt und Zink, die als das zweite Elektrodenmaterial dient. Dem Gemisch 20 können auch Wasser und weitere Zusätze zugegeben werden.
  • Wenn sich die erste Elektrode 15, der Separator 17, der Elektrolyt und das Gemisch 20 im Becher 12 befinden, wird eine vorgefertigte Kollektorbaugruppe 25 in das offene Ende des Bechers 12 eingeführt. Der Becher 12 verjüngt sich an seinem offenen Ende typischerweise etwas. Diese Konizität dient zum Tragen der Kollektorbaugruppe in einer gewünschten Ausrichtung, bevor diese an ihrem Platz befestigt wird. Nach dem Einführen der Kollektorbaugruppe 25 wird ein äußerer Deckel 45 über die Kollektorbaugruppe 25 gesetzt. Die Kollektorbaugruppe 25 wird dadurch an ihrem Platz befestigt, dass der Becher radial gegen die Kollektorbaugruppe 25 zusammengedrückt wird. Der Endrand 13 des Bechers 12 wird über die periphere Lippe der Kollektorbaugruppe 25 gesickt, so dass der äußere Deckel 45 und die Kollektorbaugruppe 25 im Ende des Bechers 12 befestigt werden. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, besteht eine Funktion der Kollektorbaugruppe 25 darin, einen zweiten externen elektrischen Kontakt für die elektrochemische Zelle zu bilden. Darüber hinaus muss die Kollektorbaugruppe 25 das offene Ende des Bechers 12 dicht verschließen, um zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien darin aus der Zelle entweichen. Ferner muss die Kollektorbaugruppe 25 eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um die widrigen physikalischen Beanspruchungen auszuhalten, denen die Batterien gewöhnlich ausgesetzt werden. Da elektrochemische Zellen Wasserstoffgas erzeugen können, kann es die Kollektorbaugruppe 25 außerdem zulassen, dass im Innern erzeugtes Wasserstoffgas durch sie permiert und aus der elektrochemischen Zelle entweicht. Ferner sollte die Kollektorbaugruppe 25 auch eine Form von Druckentlastungsmechanismus beinhalten, so dass intern innerhalb der Zelle erzeugter Druck abgelassen werden kann, falls dieser Druck zu hoch wird. Solche Bedingungen können dann auftreten, wenn die elektrochemische Zelle intern Wasserstoffgas mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die höher ist als die, mit der das intern erzeugte Wasserstoffgas durch die Kollektorbaugruppe aus der Zelle permieren kann.
  • Die in 1 gezeigte Kollektorbaugruppe 25 weist eine Dichtung 30, einen Kollektornagel 40, einen inneren Deckel 44, eine Dichtungsscheibe 50 und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 52 auf. In der Darstellung hat die Dichtung 30 eine zentrale Nabe 32 mit einer Öffnung, durch die der Kollektornagel 40 eingeführt wird. Die Dichtung 30 weist ferner einen V-förmigen Abschnitt 34 auf, der Kontakt mit einer oberen Fläche 16 der ersten Elektrode 15 erhalten kann.
  • Die Dichtung 30 beinhaltet auch eine periphere aufrechte Wand 36, die ringförmg entlang der Peripherie der Dichtung 30 nach oben verläuft. Die periphere aufrechte Wand 36 dient nicht nur als Dichtung zwischen der Grenzfläche von Kollektorbaugruppe 25 und Becher 12, sondern auch als elektrischer Isolator, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem positiven Becher und dem negativen Kontaktanschluss der Zelle zu verhüten.
  • Der innere Deckel 44, der aus einem starren Metall gebildet ist, soll die Steifigkeit erhöhen und die radiale Kompression der Kollektorbaugruppe 25 unterstützen, um dadurch die Wirksamkeit der Dichtung zu verbessern. Wie in 1 gezeigt, ist der innere Deckel 44 so konfiguriert, dass er mit dem zentralen Nabenabschnitt 32 und der peripheren aufrechten Wand 36 Kontakt erhält. Da die Kollektorbaugruppe 25 auf diese Weise konfiguriert ist, dient der innere Deckel 44 dazu, eine Kompression des zentralen Nabenabschnitts 32 durch den Kollektornagel 40 zu ermöglichen und gleichzeitig eine Kompression der peripheren aufrechten Wand 36 durch die Innenfläche des Bechers 12 zu unterstützen.
  • Der äußere Deckel 45 besteht vorzugsweise aus vernickeltem Stahl und ist so konfiguriert, dass er sich von einer durch die ringförmige periphere aufrechte Wand 36 der Dichtung 30 definierten Region erstreckt und mit einem Kopfteil 42 des Kollektornagels 40 in elektrischem Kontakt ist. Der äußere Deckel 45 kann mit dem Kopfteil 42 des Kollektornagels 40 verschweißt werden, um einen Kontaktverlust zu verhüten. Wie in 1 gezeigt, wenn die Kollektorbaugruppe 25 in das offene Ende des Bechers 12 eingeführt wird, dann dringt der Kollektornagel 40 tief in das Gemisch 20 aus Elektrolyt und zweiter Elektrode ein, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt damit herzustellen. In dem in 1 gezeigten Beispiel weist der äußere Deckel 45 eine periphere Lippe 47 auf, die am Umfang des äußeren Deckels 45 entlang nach oben verläuft. Durch Ausbilden der peripheren aufrechten Wand 36 der Dichtung 30 mit einer Länge, die größer ist als die der peripheren Lippe 47, kann ein Teil der peripheren aufrechten Wand 36 während des Sickvorgangs über die periphere Lippe 47 gefaltet werden, um zu verhindern, dass irgendein Teil des oberen Randes 13 des Bechers 12 mit dem äußeren Deckel 45 in Kontakt kommt.
  • Die Dichtung 30 ist vorzugsweise aus Nylon. In der in 1 gezeigten Konfiguration ist ein Druckentlastungsmechanismus vorgesehen, damit Innendruck abgelassen werden kann, wenn ein solcher Druck zu groß wird. Ferner sind der innere Deckel 44 und der äußere Deckel 45 typischerweise mit Lücken 43 versehen, so dass Wasserstoffgas aus der Zelle 10 entweichen kann. Der gezeigte Mechanismus beinhaltet eine ringförmige Metalldichtungsscheibe 50 und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 52, die zwischen der Dichtung 30 und dem inneren Deckel 44 vorgesehen sind. Jeder Vorsprung 52 hat ein spitz zulaufendes Ende 53, das gegen einen dünnen Zwischenabschnitt 38 der Dichtung 30 gepresst wird. Die Vorsprünge 52 sind gegen die untere Innenfläche des inneren Deckels 44 vorgespannt, so dass, wenn der Innendruck der Zelle 10 zunimmt und die Dichtung 30 demzufolge durch Aufwärtspressen in Richtung auf den inneren Deckel 40 verformt wird, die spitz zulaufenden Enden 53 der Vorsprünge 52 durch den dünnen Zwischenabschnitt 38 der Dichtung 30 dringen und dadurch die Dichtung 30 zerbrechen und das intern erzeugte Gas durch die Lücken 43 entweichen lassen.
  • Die oben beschriebene Kollektorbaugruppe 25 erfüllt zwar alle oben erwähnten wünschenswerten Funktionen zufriedenstellend, aber wie ihr Querschnittsprofil zeigt, nimmt diese besondere Kollektorbaugruppe einen erheblichen Raum im Innern der Zelle 10 ein. Es ist zu bemerken, dass die in 1 gezeigte Konstruktion lediglich eine beispielhafte Zellenkonstruktion ist. Es gibt andere Kollektorbaugruppen, die möglicherweise flacher sind und somit weitaus weniger Platz in der Zelle einnehmen. Solche Kollektorbaugruppen erzielen eine solche Reduzierung des eingenommenen Volumens jedoch typischerweise auf Kosten der Dichtungseigenschaften der Kollektorbaugruppe oder der Leistung und Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus.
  • Das gemessene Innen- und Außenvolumen für mehrere Batterien, die zum Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung im Handel erhältlich waren, sind in den Tabellen der 2A und 2B aufgeführt. Die Tabellen führen die Volumen (cm3) für Batterien der Größen D, C, AA und AAA auf. Das Volumen der Kollektorbaugruppe und der Prozentanteil des Gesamtzellenvolumens, den das Kollektorbaugruppenvolumen ausmacht, sind in 2B für die in 2A aufgeführten handelsüblichen Batterien dargestellt. 2A zeigt auch den Prozentanteil des Gesamtzellenvolumens, das vom Innenvolumen gebildet wird, das zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien zur Verfügung steht.
  • Das „Gesamtzellenvolumen" beinhaltet das gesamte Volumen, einschließlich eventueller interner Hohlräume, der Batterie. Für die in 1 gezeigte Batterie umfasst das Gesamtvolumen Idealerweise den in 3A gezeigten schraffierten Bereich. Das „Innenvolumen" der Batterie ist in 3B durch den schraffierten Bereich dargestellt. Der hierin verwendete Begriff „Innenvolumen" ist das Volumen innerhalb der Zelle oder Batterie, das die elektrochemisch aktiven Materialien aufnimmt, sowie eventuelle Hohlstellen und chemisch inerte Materialien (mit Ausnahme des Kollektornagels), die im versiegelten Volumen der Zelle enthalten sind. Solche chemisch inerten Materialien können Separatoren, Leiter und eventuelle inerte Zusätze in den Elektroden beinhalten. Der hierin beschriebene Begriff „elektrochemisch aktive Materialien" umfasst die positive und die negative Elektrode und den Elektrolyt. Der Begriff „Kollektorbaugruppenvolumen" umfasst den Kollektornagel, die Dichtung, den inneren Deckel, die Dichtungsscheibe, Vorsprünge und einen eventuellen Hohlraum zwischen der Bodenfläche des negativen Deckels und der Dichtung (in 3C durch den schraffierten Bereich angedeutet). Der Begriff „Behältervolumen" umfasst das Volumen des Bechers, das Etikett, den negativen Deckel, den Hohlraum zwischen dem Etikett und dem negativen Deckel, den positiven Deckel sowie den Hohlraum zwischen dem positiven Deckel und dem Becher (in 3D durch den schraffierten Bereich dargestellt). Wenn sich das Etikett auf den negativen Deckel und in Kontakt damit erstreckt (äußerer Deckel 45), dann ist der Hohlraum zwischen dem Etikett und dem negativen Deckel im Behältervolumen enthalten und wird somit als Teil des Gesamtvolumens angesehen. Ansonsten ist der Hohlraum weder im Behältervolumen noch im Gesamtvolumen enthalten.
  • Es ist zu verstehen, dass die Gesamtsumme von „Innenvolumen", „Kollektorbaugruppenvolumen" und „Behältervolumen" gleich dem „Gesamtvolumen" ist. Demgemäß kann das für elektrochemisch aktive Materialien verfügbare Innenvolumen durch Messen des Kollektorbaugruppenvolumens und des Behältervolumens und Subtrahieren des Kollektorbaugruppenvolumens und des Behältervolumens vom gemessenen Gesamtvolumen der Batterie ermittelt werden.
  • Da die Außenabmessungen der elektrochemischen Zelle im Allgemeinen durch das American National Standards Institute (ANSI) und andere Normungsorganisationen festgelegt werden, gilt, je größer der von der Kollektorbaugruppe eingenommene Raum, desto weniger Raum steht in der Zelle für die elektrochemischen Materialien zur Verfügung. Demzufolge führt eine Reduzierung der Menge an elektrochemischen Materialien, die in der Zelle vorgesehen werden können, zu einer kürzeren Lebensdauer der Zelle. Daher ist es wünschenswert, das für die elektrochemisch aktiven Komponenten zur Verfügung stehende Innenvolumen in einer elektrochemischen Zelle zu maximieren.
  • Wir haben nun gefunden, dass dies erzielt werden kann, indem eine elektrochemische Zelle konstruiert wird, bei der der von der Kollektorbaugruppe eingenommene Raum und der vom Behältervolumen eingenommene Raum minimal gehalten werden, während gleichzeitig ausreichende Dichtungseigenschaften aufrecht erhalten und ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus zugelassen wird.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine elektrochemische Zelle bereit, die Folgendes umfasst:
    einen Becher zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien, einschließlich wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Becher ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende hat;
    einen Deckel, der auf dem offenen Ende des Bechers sitzt und direkt mit dem Becher verbunden ist, wobei durch den Deckel eine Öffnung verläuft;
    einen Stromkollektor, der durch die Öffnung des Deckels und intern innerhalb des Bechers verläuft, um elektrisch mit der positiven oder der negativen Elektrode in Kontakt zu kommen; und
    ein erstes Isoliermaterial, das zwischen dem Kollektor und dem Deckel angeordnet ist, um den Kollektor elektrisch von dem Deckel zu isolieren und eine Dichtung zwischen dem Kollektor und dem Deckel zu bilden.
  • In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Montieren einer elektrochemischen Zelle bereit, das die folgenden Schritte umfasst:
    Geben von elektrochemisch aktiven Materialien in einen Becher mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende;
    Anordnen eines Stromkollektors durch eine in einem Deckel ausgebildete Öffnung;
    Platzieren eines Isoliermaterials zwischen dem Deckel und dem Kollektor, um eine elektrische Isolierung dazwischen zu erzeugen; und
    Montieren des Deckels und des Kollektors auf dem offenen Ende des Bechers, so dass der Deckel direkt mit dem Becher verbunden ist.
  • Vorzugsweise ist ein Druckentlastungsmechanismus in einer Oberfläche des Bechers ausgebildet, bevorzugter in einer Oberfläche am geschlossenen Ende des Bechers. Darüber hinaus umfasst die elektrochemische Zelle vorzugsweise einen Kontaktanschluss, der elektrisch mit dem Kollektor gekoppelt ist, und ein dielektrisches Material, das zwischen dem Kontaktanschluss und dem Deckel angeordnet ist, um den Deckel elektrisch von dem Kontaktanschluss zu isolieren.
  • Indem ein Kollektor bereitgestellt wird, der durch eine Öffnung im Deckel montiert wird, ist die Kollektorbaugruppe vorzugsweise erheblich flacher und nimmt somit erheblich weniger Platz in einer elektrochemischen Zelle ein. Ferner kann diese Anordnung es ermöglichen, dass Zellenkonstruktionen im Laufe der Zeit weniger Wasser verlieren als frühere Baugruppen, wodurch die Lebensdauer der Zelle erhöht wird. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, dass ein zuverlässiger Druckentlastungsmechanismus bereitgestellt werden kann, der keinen signifikanten Anteil des verfügbaren Zellenvolumens einnimmt. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die Zellenkonstruktionen einfacher herzustellen sind und weniger Material benötigen, so dass die Herstellungskosten möglicherweise gesenkt werden können. Ferner werden Zellenkonstruktionen möglich, bei denen weniger radiale Kompressionskraft vom Becher aufgebracht werden muss, um die Zelle ausreichend abzudichten, so dass ein Becher mit dünneren Seitenwänden verwendet werden kann, was zu einem größeren Innenzellenvolumen führt.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigt:
  • 1 einen Querschnitt einer herkömmlichen elektrochemischen C-Alkalizelle;
  • 2A eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und Innenzellenvolumen zeigt, die für elektrochemisch aktive Materialien zur Verfügung stehen, gemessen für diejenigen Batterien, die am Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung im Handel erhältlich waren;
  • 2B eine Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und Kollektorbaugruppenvolumen zeigt, gemessen für diejenigen Batterien, die gemäß 2A im Handel erhältlich waren;
  • 3A3D Querschnitte einer herkömmlichen elektrochemischen C-Alkalizelle, die die Gesamtbatterie- und verschiedenen Komponentenvolumen illustrieren;
  • 4 eine Bodenansicht eines Batteriebechers mit einem im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildeten Druckentlastungsmechanismus;
  • 5 eine Querschnittsansicht entlang Linie X-X der in 4 gezeigten Behälterbelüftung;
  • 6 einen Querschnitt durch eine elektrochemische C-Alkalizelle mit einem getränkedosenartigen Aufbau;
  • 7A eine teilweise auseinander gezogene Perspektivansicht der in 6 gezeigten Batterie;
  • 7B und 7C Querschnittsansichten eines Teils der in 6 gezeigten Batterie, die den Vorgang zum Erzielen des getränkedosenartigen Aufbaus zeigen;
  • 7D eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der in 6 gezeigten Batterie;
  • 8 einen Querschnitt durch eine elektrochemische C-Alkalizelle mit einem getränkedosenartigen Aufbau;
  • 9A eine Tabelle, die die berechneten Gesamt- und Innenzellenvolumen für verschiedene Batterien zeigt;
  • 9B eine Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und Kollektorbaugruppenvolumen für verschiedene Batterien zeigt;
  • 10 einen Querschnitt einer elektrochemischen C-Alkalizelle mit einer Kollektordurchführungskonstruktion gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
  • 11 eine auseinander gezogene Baugruppenansicht der in 10 gezeigten elektrochemischen Zelle; und
  • l2 ein Fließschema, das ein Verfahren zum Montieren der in den 10 und 11 gezeigten elektrochemischen Zelle illustriert.
  • Wie oben beschrieben, ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, das in einer Batterie zur Aufnahme der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbare Innenvolumen zu vergrößern, ohne die Zuverlässigkeit des Druckentlastungsmechanismus in der Batterie nachteilig zu verringern und ohne die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Batterie ansonsten auslaufen könnte.
  • Die elektrochemische Zelle beinhaltet eine Kollektorbaugruppe, die das offene Ende eines Bechers verschließt und abdichtet. Die Kollektorbaugruppe beinhaltet einen Kollektor wie z.B. einen Nagel, der mit einer Elektrode, z.B. der negativen Elektrode, in elektrischem Kontakt ist. Die Kollektorbaugruppe weist auch einen ersten oder inneren Deckel mit einer vorzugsweise mittig in dem Deckel ausgebildeten Öffnung auf. Der Kollektor ist in der Öffnung in dem Deckel angeordnet und verläuft durch diese.
  • Ein dielektrisches Isoliermaterial ist zwischen dem Kollektor und dem Deckel angeordnet, um eine dielektrische Isolierung dazwischen bereitzustellen. Demzufolge ist der Kollektornagel vom Deckel elektrisch isoliert. Das dielektrische Isolationsmaterial kann ein organisches makromolekulares Material wie z.B. ein organisches Polymer sein. Geeignete Materialien sind unter anderem Epoxy, Gummi und Nylon. Es können auch andere dielektrische Materialien zum Einsatz kommen, die gegen den verwendeten Elektrolyt beständig sind. Für Alkalizellen ist das dielektrische Material vorzugsweise beständig gegen Attacken durch Kaliumhydroxid (KOH) und ist in Anwesenheit von Kaliumhydroxid nichtkorrosiv. Das dielektrische Isoliermaterial kann an der Kollektorbaugruppe montiert werden, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird.
  • Ein Druckentlastungsmechanismus ist vorzugsweise in einer Oberfläche des Bechers ausgebildet, bevorzugter im geschlossenen Ende des Bechers. Infolgedessen können die bekannten komplexen Kollektor/Dichtungsbaugruppen durch eine Kollektorbauguppe gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt werden, die weniger Volumen einnimmt und weniger Teile hat. Dadurch kann eine erhebliche Verbesserung der internen Zellenvolumeneffizienz erzielt werden.
  • Der Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise durch Vorsehen einer Rille in der Oberfläche des Bechers ausgebildet. Diese Rille kann beispielsweise durch Prägen einer Unterseite des Bechers, Einschneiden einer Rille in die Bodenfläche oder Formen der Rille in die Bodenfläche des Bechers beim Formen der positiven Elektrode ausgebildet werden. Für eine AA-Batterie beträgt eine geeignete Stärke des Metalls am Boden der geprägten Rille etwa 50 μm (2 mil). Für eine D-Batterie ist eine geeignete Stärke etwa 75 μm (3 mil). Die Rille kann als ein Bogen von etwa 300 Grad ausgebildet werden. Indem die von der Rille beschriebene Form etwas offen gelassen wird, kann der Druckentlastungsmechanismus als wirksames Scharnier dienen.
  • Der Druckentlastungsmechanismus wird vorzugsweise unterhalb eines äußeren Deckels positioniert, um zu verhindern, dass die elektrochemischen Materialien im Falle eines Bruchs der Batterie gefährlicherweise direkt nach außen spritzen. Ebenso lässt es ein äußerer Deckel über dem Druckentlastungsmechanismus zu, dass sich der Mechanismus bei einer positiven Vorwölbung und einem anschließenden Bruch nach außen wölbt, wenn die Batterie in Reihe mit einer anderen Batterie geschaltet eingesetzt wird, so dass das Ende des positiven Anschlusses der Batterie gegen den negativen Anschluss einer anderen Batterie gepresst wird. Wenn unter solchen Umständen kein äußerer Deckel vorhanden ist, dann kann der Kontakt zwischen den beiden Batterien ansonsten verhindern, dass der Druckentlastungsmechanismus bricht. Ferner, wenn kein äußerer Deckel über dem Druckentlastungsmechanismus vorgesehen ist, dann ist der Druckentlastungsmechanismus am positiven Ende der Batterie möglicherweise schadensanfälliger. Der äußere Deckel schirmt den Druckentlastungsmechanismus auch gegen Korrosionseffekte der Umgebung ab und reduziert somit die Möglichkeit eines vorzeitigen Belüftens und/oder Leckens. Somit wird der Druckentlastungsmechanismus vorzugsweise unter einem äußeren Deckel am geschlossenen Ende des Batteriebechers ausgebildet. Der äußere Deckel dient vorzugsweise als positiver externer Batterieanschluss.
  • Die Größe des von der Rille umschriebenen Bereichs wird vorzugsweise so gewählt, dass nach einem Bruch aufgrund eines zu starken Innendrucks der Bereich in der Rille am Scharnier in der positiven Vorwölbung des äußeren Deckels schwenken kann, ohne vom äußeren Deckel gestört zu werden. Im Allgemeinen werden die Größe des durch die Rille definierten Bereichs und die gewählte Tiefe der Rille vom Durchmesser des Bechers und dem Druck abhängig, bei dem der Druckentlastungsmechanismus brechen und intern erzeugte Gase entweichen lassen soll.
  • Der Deckel der Kollektorbaugruppe ist wiederum mit/auf dem offenen oberen Ende des Bechers verbunden und verschließt es dicht. Die Verwendung eines Druckentlastungsmechanismus in einer Oberfläche des Bechers erlaubt die Nutzung eines. getränkedosenartigen Aufbaus zur Bildung eines Doppelnahtverschlusses. Der getränkedosenartige Aufbau unterscheidet sich von anderen Batteriedichtungsaufbauformen dadurch, dass keine Foren von Nylondichtung in das offene Ende des Bechers eingeführt zu werden braucht. Stattdessen wird der Deckel am offenen Ende des Bechers mit einer Dichtungstechnik befestigt, die herkömmlicherweise zum Abdichten der Oberseite einer Lebensmittel- oder Getränkedose auf dem zylindrischen Abschnitt der Dose verwendet wird.
  • Daher wird der Deckel der Kollektorbaugruppe in einer bevorzugten Ausgestaltung durch Ausbilden eines Doppelnahtverschlusses mit einer Dichtungstechnik des Getränkedosentyps abgedichtet. Demzufolge ist am offenen Ende des Bechers vorzugsweise ein nach außen verlaufender Flansch ausgebildet. Ferner hat der Deckel vorzugsweise einen etwas gekrümmten peripheren Rand, der sich der Form des Flansches anpasst. Nach dem Platzieren des Deckels auf dem offenen Becherende kann mittels eines Verschließkopfes ein Doppelnahtverschluss ausgebildet werden.
  • So wird beispielsweise in einer Ausgestaltung ein Verschließkopf auf den Deckel gesetzt, so dass ein ringförmiger, nach unten verlaufender Abschnitt des Verschließkopfes von einer im Deckel ausgebildeten ringförmigen Aussparung aufgenommen wird. Als Nächstes wird eine Verschließwalze in einer radialen Richtung auf den peripheren Rand des Deckels zu bewegt. Während die erste Verschließwalze auf den peripheren Rand und den Flansch zu bewegt wird, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, dass der periphere Rand um den Flansch gefaltet wird. Ebenso werden, während die erste Verschließwalze radial einwärts bewegt wird, der Verschließkopf der Becher und der Deckel um eine mittlere Achse gedreht, so dass der periphere Rand um den Flansch über den gesamten Umfang des Bechers gefaltet wird. Ferner werden, während die erste Verschließwalze weiter radial einwärts bewegt wird, der Flansch und der periphere Rand nach unten gefaltet. Nach dem Falten des peripheren Randes und des Flansches in diese Position wird die erste Verschließwalze vom Becher weg bewegt und eine zweite Verschließwalze wird radial einwärts auf den Flansch und den peripheren Rand zu bewegt. Die zweite Verschließwalze hat ein anderes Profil als die erste Verschließwalze. Die zweite Verschließwalze bringt eine ausreichende Kraft auf den Flansch und den peripheren Rand auf, um den gefalteten Flansch und den peripheren Rand gegen die vom Verschließkopf abgestützte Außenfläche des Bechers zu pressen und flach zu drücken. Infolge dieses Vorgangs wird der periphere Rand des Bechers um und unter den Flansch gefaltet und zwischen dem Flansch und der Außenfläche der Wände des Bechers gesickt. Durch diesen Vorgang entsteht somit ein luftdichter Verschluss.
  • Um die luftdichte Natur dieses Verschlusstyps zu illustrieren, wurde ein Becher in D-Größe, der gemäß dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde, mit Wasser gefüllt, wie auch ein Becher in D-Größe, der mit einer konventionellen Dichtung gemäß 1 konstruiert wurde. Die beiden Becher wurden auf 71°C gehalten und im Laufe der Zeit gewogen, um die Menge an Wasserverlust aus den Bechern zu ermitteln. Die konventionelle Konstriktion verlor 270 mg pro Woche, die Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung verlor über dieselbe Zeitperiode kein Gewicht. Diese Ergebnisse wurden mit KOH-Elektrolyt bestätigt, wobei die konventionelle Konstruktion 50 mg pro Woche und die erfindungsgemäße Konstruktion wieder kein Gewicht verlor.
  • Wie die Fachperson verstehen wird, nimmt der getränkedosenartige Aufbau nur minimalen Raum im Batterieinnern ein, reduziert die Zahl der Verfahrensschritte zum Herstellen einer Batterie und senkt die Material- und Herstellungskosten erheblich. Ferner kann die Stärke der Becherwände erheblich reduziert werden, z.B. auf 150 μm (6 mil) oder weniger. Infolgedessen kann das zum Aufnehmen der elektrochemisch aktiven Materialien verfügbare Innenvolumen erhöht werden. So kann beispielsweise für eine D-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung der Prozentanteil des Gesamtbatterievolumens, der zum Aufnehmen der elektrochemisch aktiven Materialien genutzt werden kann, bis zu 96 Volumenprozent betragen, während das Kollektorbaugruppenvolumen nur 2,6 Volumenprozent betragen kann. Die Volumen von Batterien anderer Größen sind aus der Tabelle in den 9A und 19B ersichtlich.
  • Mit Hilfe des getränkedosenartigen Aufbaus kann nicht nur die Dicke der Becherwand verringert werden, sondern es kann auch, aufgrund der geringeren Festigkeitsanforderungen, die der Becher erfüllen muss, eine größere Vielfalt von Materialien zum Bilden des Bechers verwendet werden. So kann es beispielsweise der oben erwähnte Getränkedosenaufbau ermöglichen, dass Aluminium oder Plastik anstatt des derzeit verwendeten vernickelten Stahls verwendet wird.
  • In einer Variation des getränkedosenartigen Aufbaus wird der Batteriebecher zunächst als eine Röhre mit zwei offenen Enden ausgebildet. Die Röhre kann beispielsweise mit herkömmlichen Techniken extrudiert, nahtgeschweißt, gelötet oder zementiert werden. Die Röhre kann beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder Plastik hergestellt werden. Die Röhre definiert die Seitenwände des Bechers. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen eines Deckels daran mit der oben erwähnten Getränkedosendichtungstechnik dicht verschlossen. Ein positiver Kontaktanschluss kann auf die Oberseite des Deckels geschweißt oder auf andere Weise befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt und der Deckel einer Kollektorbaugruppe am zweiten offenen Ende des Bechers wie oben beschrieben befestigt werden. Alternativ kann der Deckel der Kollektorbaugruppe auf die Röhre gesiegelt werden, bevor die Röhre gefüllt und auf den anderen Deckel gesiegelt wird.
  • Es wird zwar ein Becher-auf-Deckel-Doppelnahtverschluss bevorzugt, aber man wird verstehen, dass auch andere Becher-auf-Deckel-Verschlüsse im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
  • Die elektrochemische Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine direkte Verbindung zwischen dem Becher und dem Deckel, so dass vorzugsweise eine Druckdichtung dazwischen entsteht, benötigt aber keine elektrische Isolierung zwischen dem Deckel und den Seitenwänden des Bechers. Stattdessen ist der Kollektor, vorzugsweise ein Nagel, dielektrisch vom Deckel isoliert, so dass der negative und der positive Anschluss der elektrochemischen Zelle elektrisch voneinander isoliert sind. Es besteht zwar keine Notwendigkeit, die elektrische Isolierung zwischen dem Becher und dem Deckel aufrecht zu halten, aber es wird bevorzugt, ein Dichtungsmittel auf den Verschluss aufzubringen, der den Becher mit dem Deckel verbindet, um die Abdichtung zwischen Deckel und Becher zu unterstützen. Es kann ein herkömmliches Dichtungsmittel auf die Unterseite des peripheren Randes des Deckels aufgebracht werden. Bei einem Getränkedosenaufbau wandert das Dichtungsmittel nach vollendeter Dichtungsprozedur zu den in 7D gezeigten Stellen. Es ist zu verstehen, dass der versiegelte Verschluss zusammen mit dem Isoliermaterial einem Innendruckaufbau standhalten können muss, der größer ist als der Belüftungsdruck, mit dem der Druckentlastungsmechanismus Druck ablässt.
  • Um einen akzeptablen äußeren Batterieanschluss gemäß akzeptierten Batterienormen bereitzustellen, beinhaltet die elektrochemische Zelle ferner vorzugsweise einen äußeren Deckel in elektrischem Kontakt mit dem Kollektor. Der äußere Deckel kann auf den Kollektor punktgeschweißt oder auf andere Weise elektrisch damit verbunden werden. Um eine gute elektrische Isolierung zwischen dem äußeren Deckel und dem inneren Deckel zu gewährleisten, wird vorzugsweise ein dielektrisches Material wie ein ringförmiges Polster zwischen den äußeren Deckel und den inneren Deckel gelegt. Geeignete dielektrische Materialien sind unter anderem Nylon, andere elastomere Materialien, Gummi und Epoxy, die auf die Oberseite des inneren Deckels oder auf die Unterseite des äußeren Deckels aufgebracht werden können. Demgemäß kann ein Batterieanschluss auf einem akzeptablen Standard, vorzugsweise als negativer Anschluss, am Kollektorende der elektrochemischen Zelle vorgesehen werden.
  • Die Montage einer elektrochemischen Zelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Montageansicht von 11 und ferner im Fließschema von 12 illustriert. Die bevorzugte Montagemethode beinhaltet die Bereitstellung eines Bechers, der mit einem geschlossenen unteren Ende und einem offenen oberen Ende ausgebildet ist, und das Geben der elektrochemisch aktiven Materialien einschließlich der negativen Elektrode, der positiven Elektrode und eines Elektrolyts sowie des Separators und anderer Zellenzusätze in den Becher. Wenn sich die elektrochemisch aktiven Zellenmaterialien im Becher befinden, dann kann der Becher verschlossen und mit der Kollektorbaugruppe versiegelt werden.
  • Vor dem Verschließen des Bechers wird zunächst die Kollektorbaugruppe montiert, indem zunächst der Kollektor, vorzugsweise ein Nagel, in einer Öffnung im Deckel angeordnet wird, vorzugsweise zusammen mit einem Ring oder einer Scheibe aus Isoliermaterial, so dass sich der Kollekor in der Öffnung des Isolierrings befindet. Der Isolierring besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine dielektrische Isolierung ergibt und erhitzt werden kann, so dass es sich zwischen dem Deckel und dem Kollektor verformt und erhärtet, z.B. Epoxy. Alternativ können auch andere organische, makromolekulare dielektrische Isoliermaterialien anstatt Epoxy verwendet werden, wie z.B. eine Gummitülle, ein elastomeres Material oder andere dielektrische Materialien, die eine ausreichende Isolierung zwischen Kollektor und Deckel bilden können.
  • Vorzugsweise wird eine Aussparung in der Oberseite des Deckels, um die Öffnung zentriert, ausgebildet. Demzufolge kann der Ring aus Isoliermaterial in der Aussparung auf der Oberseite des Deckels und darüber der Kopf eines Kollektornagels angeordnet werden. So kann der Isolierring am Kollektornagel und am Deckel montiert werden, und der Isolierring kann auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um den Ring zu schmelzen, so dass sich der Ring verformt und in die Öffnung im Deckel fließt, um eine kontinuierliche dielektrische Isolierung zwischen dem Kollektornagel und dem Deckel zu bilden. Für einen Ring aus Epoxy kann eine Temperatur von 20°C bis 200°C für eine Zeit von ein paar Sekunden bis zu vierundzwanzig Stunden ausreichen, um das Isoliermaterial zu verformen und zu erhärten. Wenn das dielektrische Material eine ausreichende Isolierung zwischen dem Kollektornagel und dem Deckel bildet, dann wird das Isoliermaterial vorzugsweise gekühlt. Während des Erhitzens und Kühlens wird der Kollektornagel so in der Öffnung zentriert, dass der Nagel den Deckel nicht berührt.
  • Danach wird vorzugsweise ein elektrisches, dielektrisches Isolierpolster wie z.B. ein ringförmiges dielektrisches Polster so auf dem Deckel angeordnet, dass es vom Umfang des Nagels radial nach außen verläuft. Ein leitender negativer Deckel wird dann vorzugsweise auf der Oberseite von Kollektornagel und Polster angeordnet und in elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel geschweißt oder anderweitig geformt.
  • Nach dem vollständigen Montieren der Kollektorbaugruppe wird diese dann mit dem Becher verbunden, um das offene Ende dicht zu verschließen. Der Becherverschluss ist vorzugsweise ein Doppelnahtverschluss, aber es können auch andere geeignete Becherverschlusstechniken zum Einsatz kommen. Darüber hinaus wird vorzugsweise ein zweiter Deckel mit dem geschlossenen Ende des Bechers verbunden, der vorzugsweise über einem Druckentlastungsmechanismus liegt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst ein Verfahren die folgenden Schritte:
    Bilden eines Bechers mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende;
    Bilden eines Deckels mit einer Öffnung;
    Geben von elektrochemisch aktiven Materialien in den Becher;
    Montieren eines Stromkollektors, der durch die Öffnung in dem Deckel verläuft;
    Anordnen eines Isoliermaterials kontinuierlich zwischen dem Kollektor und dem Deckel; und
    Platzieren des Deckels auf dem offenen Ende des Bechers, um das offene Ende des Bechers zu bedecken und zu versiegeln.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann der Becher so ausgebildet werden, dass die Vorwölbung für den positiven Batterieanschluss direkt im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Hohlraum zwischen dem geschlossenen Ende des Bechers und dem positiven äußeren Deckel zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien verwendet werden oder anderweitig Raum für die Aufnahme von Gasen bieten, der sonst in der Zelle vorgesehen werden muss. Die Zunahme des Zellenvolumens, die durch Ausbilden der Vorwölbung direkt im Boden des Bechers erzielt wird, ist in der Tabelle in 9A zwar nicht ausgewiesen, aber die Fachperson wird verstehen, dass das Innenvolumen typischerweise um ein Prozent größer ist als die Volumen, die in der Tabelle für die Getränkedose mit Durchführungskollektorzellen mit separatem Deckel aufgeführt sind.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Druckschicht direkt auf die Außenfläche des Batteriebechers aufgebracht, um ein Etikett zu erzeugen. Durch Aufbringen des Etiketts als Druckschicht direkt auf die Außenseite des Bechers anstatt mit einem Etikettensubstrat kann das Innenvolumen der Zelle weiter erhöht werden, da bei der Konstruktion einer Zelle, die die ANSI- oder sonstige Außengrößennormen erfüllt, keine Dicke eines Etikettensubstrats berücksichtigt zu werden braucht. Unter „direkt" ist zu verstehen, dass sich zwischen der Druckschicht und der Außenseite des Batteriebechers kein Etikettensubstrat befindet. Derzeitige Etikettensubstrate haben Dicken von etwa 75 μm (3 mil). Da solche Etikettensubstrate einander zur Bildung einer über die Länge der Batterie verlaufenden Naht überlappen, tragen diese herkömmlichen Etiketten effektiv etwa 250 μm (10 mil) zum Durchmesser und 330 μm (13 mil) zur Sickhöhe der Batterie bei. Infolgedessen muss der Batteriebecher einen Durchmesser haben, der so gewählt ist, dass er die Dicke der Etikettennaht aufnimmt, um die ANSI- oder sonstige Größennormen zu erfüllen. Durch Drucken eines lithografierten Etiketts direkt auf die Außenseite des Bechers kann der Durchmesser des Bechers jedoch entsprechend um etwa 250 μm (10 mil) erhöht werden. Durch eine solche Erhöhung des Becherdurchmessers erhöht sich das Innenvolumen der Batterie erheblich. So könnte das Innenvolumen von Batterien mit Substratetiketten z.B. um 2 Prozent (1,02 cm3) für Größe D, um 2,6 Prozent (0,65 cm3) für Größe C, um 3,9 Prozent (0,202 cm3) für Größe AA und um 5,5 Prozent (0,195 cm3) für eine Batterie mit Größe AAA weiter vergrößert werden, wenn die Etiketten direkt auf die Außenseite des Bechers gedruckt werden.
  • Etiketten können auch mit Umdrucktechniken auf den Becher gedruckt werden, wobei das Etikettenbild zunächst auf ein Umdruckmedium gedruckt und dann direkt auf die Außenseite des Bechers umgedruckt wird. Es kann auch mit verzerrter Lithografie gearbeitet werden, bei der eine absichtlich verzerrte Grafik auf ein flaches Material gedruckt wird, um nachfolgende Spannungsverzerrungen des flachen Materials zu berücksichtigen, wenn dieses zur Röhre oder zum Zylinder des Zellenbechers geformt wird.
  • Vor dem Drucken des lithografierten Etiketts wird die Außenfläche des Bechers vorzugsweise gereinigt. Um die Haftung des Drucks auf dem Becher zu verbessern, kann eine Grundierung auf die Außenseite des Bechers aufgebracht werden. Die Druckschicht wird dann mit bekannten lithografischen Drucktechniken direkt auf die Grundierung aufgebracht. Das Etikett kann ferner eine elektrisch isolierende Deckschicht aufweisen. Vorzugsweise wird ein Lacküberzug auf die Druckschicht aufgebracht, um die Druckschicht zu bedecken und zu schützen und auch um als elektrisch isolierende Schicht zu dienen. Das gedruckte Etikett kann durch Hochtemperaturerhitzen oder mit UV-Bestrahlungstechniken gehärtet werden.
  • Durch die Verwendung des gedruckten Etiketts kann die Dicke des Etiketts im Vergleich zu einem herkömmlichen Etikett auf einem Substrat auf eine maximale Dicke von etwa 13 μm (0,5 mil) erheblich reduziert werden. In einer besonderen Ausgestaltung hat das gedruckte Etikett eine Grundierung mit einer Stärke von etwa 2,5 bis 5 μm (0,1 bis 0,2 mil), eine Druckschicht mit einer Stärke von etwa 2,5 μm (0,1 mil) und einen Lacküberzug mit einer Stärke im Bereich von etwa 2,5 bis 5 μm (0,1 bis 0,2 mil).
  • Durch Reduzieren der Etikettendicke kann der Durchmesser des Bechers erhöht werden, so dass das verfügbare Volumen für aktive Zellenmaterialien noch weiter vergrößert werden kann, während ein vorbestimmter Außendurchmesser der Batterie beibehalten bleiben kann.
  • Man wird verstehen, dass mit Hilfe der oben erwähnten Konstruktionen eine Batterie mit dünneren Wänden im Bereich von 100–200 μm (4–8 mil) hergestellt werden kann, da die nachfolgend erläuterten Konstruktionstechniken nicht die dickeren Wände benötigen, die in herkömmlichen Batterien nötig sind, um eine ausreichende Sickung und Dichtung zu gewährleisten. Ferner kann ein Etikett direkt auf die Außenseite des Batteriebechers lithografisch gedruckt werden. Indem die Becherwände dünner und das Etikett mit Lithografietechnik direkt auf die Außenseite des Bechers gedruckt wird, kann das Innenvolumen der Zelle noch weiter erhöht werden, da keine Dicke für ein Etikettensubstrat zum Konstruieren einer Zelle berücksichtigt zu werden braucht, die ANSI-Außengrößennormen erfüllt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zwar oben im Hinblick auf eine primäre Anwendbarkeit auf Alkalibatterien beschrieben, aber die Fachperson wird verstehen, dass ähnliche Vorzüge auch bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Konstruktionen auf Batterien mit anderen elektrochemischen Systeme erzielt werden können. So können die erfindungsgemäßen Konstruktionen beispielsweise in Primärsystemen wie Kohlenstoff Zink- und Lithium-Batterien sowie in Akkus wie z.B. auf der Basis von NiCd, Metallhydrid und Li eingesetzt werden. Ferner können bestimmte Konstruktionen der vorliegenden Erfindung in Rohzellen (d.h. Zellen ohne Etikett, wie sie in Batteriesätzen oder Mehrzellenbatterien verwendet werden) zum Einsatz kommen. Darüber hinaus wurde die vorliegende Erfindung zwar oben in Verbindung mit zylindrischen Batterien beschrieben, aber bestimmte Konstruktionen der vorliegenden Erfindung können auch beim Konstruieren von prismatischen Zellen zur Anwendung kommen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die in den 4 bis 12 gezeigten Ausgestaltungen näher beschrieben.
  • 10 zeigt eine elektrochemische Zelle 700, die mit einem Durchführungskollektor gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Ähnlich wie die in 6 gezeigte elektrochemische Zelle 400 mit getränkedosenartigem Aufbau hat die elektrochemische Zelle 700 einen elektrisch leitenden Becher 712 mit einem geschlossenen Ende 314 und einem offenen Ende, in dem eine kleinvolumige Kollektorbaugruppe 725 und ein äußerer negativer Deckel 750 montiert sind. Eine positive Elektrode (Kathode) 115 ist mit den Innenwänden des Bechers 712 und mit einem Separator 117 in Kontakt, der zwischen der positiven Elektrode 115 und einer negativen Elektrode (Anode) 120 liegt. Ein Druckentlastungsmechanismus 370 ist im geschlossenen Ende 314 des Bechers 712 ausgebildet. Der Druckentlastungsmechanismus 370 ist als eine Rille 372 ausgebildet, wie hierin in Verbindung mit den 4 und 5 beschrieben wurde. Darüber hinaus ist ein positiver äußerer Deckel 311 mit dem geschlossenen Ende des Bechers 712 verbunden und liegt über dem Druckentlastungsmechanismus 370. Die Kollektorbaugruppe 725 verschließt das offene Ende des Bechers 712 dicht. Die Kollektorbaugruppe 725 beinhaltet einen Kollektornagel 740, der in elektrischem Kontakt mit der negativen Elektrode 120 angeordnet ist. Die Kollektorbaugruppe 725 beinhaltet auch einen ersten oder inneren Deckel 745 mit einer darin ausgebildeten zentralen Öffnung 751. Der Kollektornagel 740 ist im inneren Deckel 745 angeordnet und verläuft durch die Öffnung 751. Ein dielektrisches Isoliermaterial 744 ist zwischen dem Kollektornagel 740 und dem ersten Deckel 745 angeordnet, um eine dielektrische Isolierung dazwischen zu bilden. Der innere Deckel 745 ist durch einen Doppelnahtverschluss an den peripheren Rändern 450 und 470 mit dem offenen oberen Ende des Bechers 712 verbunden und damit hermetisch versiegelt. Ein äußerer Deckel 750 ist in elektrischem Kontakt mit dem Kollektornagel 740. Ein dielektrisches ringförmiges Polster 748 befindet sich zwischen dem äußeren negativen Deckel 750 und dem inneren Deckel 745. Somit bildet der Deckel 750 einen negativen Batterieanschluss.
  • Wie bei 015 mit Bezug auf die 7A–D dargestellt ist, können Batterien gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mit getränkedosenartigen Dichtungen hergestellt werden. Der Deckel 745 (der dem Deckel 445 in den 7A–D entspricht) wird über das offene Ende des Bechers 712 (der dem Becher 412 in den 7A–D entspricht) wie in 7B gezeigt gelegt. Am offenen Ende des Bechers 712 ist ein nach außen verlaufender Flansch 450 ausgebildet. Ferner hat der Deckel 745 einen geringfügig gekrümmten peripheren Rand 470, der der Form des Flansches 450 entspricht. Nach dem Legen des Deckels 745 über das offene Ende des Behälters 712 wird ein Verschließkopf 500 auf den Deckel 745 gelegt, so dass ein ringförmiger, nach unten verlaufender Abschnitt 502 des Verschließkopfes 500 von einer ringförmigen Aussparung 472 im Deckel 745 aufgenommen wird. Als Nächstes wird eine erste Verschließwalze 510 in radialer Richtung auf den peripheren Rand 470 des Deckels 745 zu bewegt. Während die erste Verschließwalze 510 auf den peripheren Rand 470 und den Flansch 450 zu bewegt wird, bewirkt ihre gekrümmte Oberfläche, dass der periphere Rand 470 um den Flansch 450 gefaltet wird. Ebenso werden, während sich die erste Verschließwalze 510 radial einwärts bewegt, der Verschließkopf 500, der Becher 712 und der Deckel 745 um eine mittlere Achse gedreht, so dass der periphere Rand 470 über den gesamten Umfang des Bechers 712 um den Flansch 450 gefaltet wird. Ferner werden, während sich die erste Verschließwalze 510 weiter radial einwärts bewegt, der Flansch 450 und der periphere Rand 470 nach unten in die in 7C gezeigte Position gefaltet. Nach dem Falten des peripheren Randes 470 und des Flansches 450 in die in 7C gezeigte Position wird die erste Verschließwalze 510 vom Becher 712 weg bewegt und eine zweite Verschließwalze 520 wird dann radial einwärts auf den Flansch 450 und den peripheren Rand 470 zu bewegt. Die zweite Verschließwalze 520 hat ein anderes Profil als die erste Verschließwalze 510. Die zweite Verschließwalze 520 bringt eine ausreichende Kraft auf den Flansch 450 und den peripheren Rand 470 auf, um den gefalteten Flansch und den peripheren Rand gegen die vom Verschließkopf 500 abgestützte Außenseite des Bechers 712 zu drücken und abzuflachen. Infolge dieses Vorgangs wird der periphere Rand 470 des Bechers 712 um und unter den Flansch 450 gefaltet und zwischen dem Flansch 450 und der Außenfläche der Wände des Bechers 712 gesickt, wie in den 7D und 10 zu sehen ist. Um das Versiegeln des äußeren Deckels 745 auf den Becher 712 zu unterstützen, kann ein herkömmliches Dichtungsmittel 473 auf die Unterseite des peripheren Randes 470 des Deckels 745 aufgebracht werden. Wenn die Dichtungsprozedur beendet ist, dann wandert das Dichtungsmittel 473 zu den in 7D gezeigten Stellen. Durch diesen Vorgang wird somit eine hermetische Dichtung erzielt.
  • 8 zeigt eine Variation eines Getränkedosenaufbaus, bei der der Batteriebecher zunächst als eine Röhre mit zwei offenen Enden gebildet wird. Die Röhre definiert die Seitenwände 614 des Bechers 612. Ein erstes offenes Ende der Röhre wird dann durch Befestigen eines inneren Deckels 616 daran mit der oben erläuterten Getränkedosendichtungstechnik ohne elektrische Isolierung zwischen dem inneren Deckel 616 und den Seitenwänden 614 befestigt. Ein positiver äußerer Deckel 618 kann auf die Außenfläche des inneren Deckels 616 geschweißt oder anderweitig darauf befestigt werden. Die Batterie kann dann gefüllt und eine Kollektorbaugruppe 725 (nicht dargestellt) kann wie oben beschrieben am zweiten offenen Ende des Bechers 612 befestigt werden.
  • Die Baugruppe der elektrochemischen Zelle 700 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in der Montageansicht von 11 und ferner im Fließschema von 12 illustriert. Die Methode 770 zum Montieren einer elektrochemischen Zelle 700 beinhaltet das Bereitstellen eines Bechers 712, der mit einem geschlossenen unteren Ende und einem offenen oberen Ende in Schritt 772 ausgebildet wurde. Schritt 774 beinhaltet das Geben der aktiven elektrochemischen Materialien einschließlich negativer Elektrode, positiver Elektrode und einem Elektrolyt sowie des Separators und anderer Zellenzusätze in den Becher 712. Wenn sich die aktiven Materialien der elektrochemischen Zelle im Becher 712 befinden, dann ist der Becher 712 zum Verschließen und Versiegeln mit der Kollektorbaugruppe 725 bereit. Vor dem Verschließen des Bechers wird zunächst die Kollektorbaugruppe montiert, indem zuerst der Kollektornagel 740 in der Öffnung 751 im inneren Deckel 745 zusammen mit einem Ring aus Isoliermaterial gemäß Schritt 776 angeordnet wird. Der Kollektornagel 740 wird in der Öffnung 742 des Isolierrings 744 angeordnet, der eine dielektrische Isolierung erzeugt und zum Verformen und Erhärten zwischen dem inneren Deckel 745 und dem Kollektornagel 740 erhitzt werden kann. Eine Aussparung 755 ist in der Oberseite ausgebildet und um die Öffnung 751 herum zentriert. Der Ring 744 aus Isoliermaterial ist in der Aussparung 755 auf dem inneren Deckel 745 angeordnet, und der Kopf des Kollektornagels 740 befindet sich darüber. In Schritt 778 wird der Isolierring 744 am Kollektornagel 740 und am Deckel 745 montiert und der Isolierring 744 wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um den Ring 744 zu schmelzen, so dass sich der Ring 744 verformt und in die Öffnung 751 im Deckel 745 fließt, um eine kontinuierliche dielektrische Isolierung zwischen dem Kollektornagel 740 und dem inneren Deckel 745 zu bilden. Für einen Ring 744 aus Epoxy kann eine Temperatur von 20°C bis 200°C für eine Zeit von ein paar Sekunden bis zu vierundzwanzig Stunden ausreichen, um das Isoliermaterial zu verformen und zu härten. Wenn das dielektrische Material 744 eine ausreichende Isolierung zwischen dem Kollektornagel 740 und dem inneren Deckel 745 bildet, dann wird das isolierte Material in Schritt 780 vorzugsweise gekühlt. Während der Erhitzungs- und Kühlungsschritte 778 und 780 wird der Kollektornagel 740 in der Öffnung 751 zentriert, so dass der Nagel 740 den Deckel 745 nicht berührt. Danach wird in Schritt 782 ein elektrisches dielektrisches Isolierpolster 748 wie z.B. ein ringförmiges dielektrisches Polster auf der Oberseite des inneren Deckels 745 angeordnet und verläuft vom Umfang des Nagels 740 radial auswärts. In Schritt 784 wird auf dem Kollektornagel 740 und dem Polster 748 ein leitender negativer Deckel 750 angeordnet, der in elektrischen Kontakt mit dem Kollektornagel 740 angeschweißt oder auf andere Weise geformt wird. Wenn die Kollektorbaugruppe vollständig montiert ist, dann wird die Kollektorbaugruppe mit dem Becher verbunden, um das offene Ende in Schritt 786 dicht zu verschließen. Der Becherverschluss kann ein Doppelnahtverschluss sein oder eine andere geeignete Becherverschlusstechnik beinhalten. Darüber hinaus beinhaltet die Montagemethode 770 den Schritt 788 des Verbindens eines zweiten äußeren Deckels mit dem geschlossenen Ende des Bechers, vorzugsweise über dem Druckentlastungsmechanismus 370 liegend.
  • Man wird verstehen, dass die in den Zeichnungen gezeigten und oben beschriebenen Ausgestaltungen lediglich zu Illustrationszwecken dienen und den Umfang der Erfindung keinesfalls begrenzen sollen.
  • BEISPIEL
  • Das Gesamtbatterievolumen, das Kollektorbaugruppenvolumen und das für das elektrochemisch aktive Material für jede Batterie zur Verfügung stehende Innenvolumen werden durch Betrachten einer CAD- (Computer Aided Design) Zeichnung, eines Fotos oder eines tatsächlichen Querschnitts der Batterie bestimmt, die in einem Epoxidgehäuse steckt und longitudinal quergeschnitten wurde. Durch die Verwendung einer CAD-Zeichnung, eines Fotos oder eines tatsächlichen longitudinalen Querschnitts zum Betrachten und Messen von Batterieabmessungen können alle Hohlvolumen einbezogen werden, die in der Batterie vorhanden sein können. Zum Messen des Gesamtbatterievolumens wird die Querschnittsansicht der Batterie durch ihre mittlere Längssymmetrieachse betrachtet und das gesamte Volumen wird durch geometrische Berechnung gemessen. Zum Messen des für elektrochemisch aktive Materialien zur Verfügung stehenden Innenvolumens wird die Querschnittsansicht der Batterie durch ihre mittlere Längssymmetrieachse betrachtet, und die Komponenten, aus denen sich das Innenvolumen zusammensetzt, zu denen die elektrochemisch aktiven Materialien, die Hohlräume und chemisch inerten Materialien (außer dem Kollektornagel) gehören, die im versiegelten Volumen der Zelle eingeschlossen sind, werden durch geometrische Berechnung gemessen. Ebenso wird zum Bestimmen des Volumens der Kollektorbaugruppe die Querschnittsansicht der Batterie durch ihre mittlere Längssymmetrieachse betrachtet, und die Komponenten, aus denen sich das Kollektorbaugruppenvolumen zusammensetzt, zu denen der Kollektornagel, die Dichtung, der innere Deckel und ein eventueller Hohlraum gehören, der zwischen der Unterseite des negativen Deckels und der Dichtung definiert wird, werden durch geometrische Berechnung gemessen. Das Behältervolumen kann ebenso durch Betrachten des mittleren Längsquerschnitts der Batterie und Berechnen des Volumens, das von Becher, Etikett, negativem Deckel, Hohlraum zwischen Etikett und negativem Deckel, positivem Deckel und Hohlraum zwischen positivem Deckel und Becher gemessen werden.
  • Die Volumenmessungen erfolgen durch Betrachten eines Querschnitts der Batterie durch ihre Symmetrielängsachse. Dies ergibt eine genaue Volumenmessung, da die Batterie und ihre Komponenten gewöhnlich axial symmetrisch sind. Um eine geometrische Ansicht des Querschnitts einer Batterie zu erhalten, wurde die Batterie zunächst in Epoxy vergossen, und nach dem Erhärten des Epoxys wurden die vergossene Batterie und ihre Komponenten bis auf den mittleren Querschnitt durch die Symmetrieachse abgeschliffen. Spezieller, die Batterie wurde zunächst in Epoxy vergossen und dann bis fast auf den mittleren Querschnitt abgeschliffen. Als Nächstes wurden alle Innenkomponenten wie Anode, Kathode und Separatorpapier entfernt, um den fertigen Querschnitt besser messen zu können. Die vergossene Batterie wurde dann von eventuellen Schmutzrückständen befreit, an der Luft getrocknet, und die übrigen Hohlvolumen wurden mit Epoxy gefüllt, so dass die Batterie ein gewisses Maß an Integrität erhielt, bevor sie bis auf ihre Mitte abgeschliffen und poliert wurde. Die Batterie wurde dann bis auf ihren mittleren Querschnitt fertiggeschliffen und -poliert, was danach in eine Zeichnung eingetragen wurde, und davon wurden die Volumen gemessen.
  • Vor dem Vergießen der Batterie in Epoxy wurden Batteriemessungen mit Tastern zum Messen der Gesamthöhe, der Sickhöhe und des Außendurchmessers auf der Oberseite, am Boden und in der Mitte der Batterie durchgeführt. Ferner wurde eine identische Batterie zerlegt und ihre Komponenten wurden gemessen. Die Messungen der Komponenten der zerlegten Batterie beinhalteten den Durchmesser des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels, die Länge des Stromkollektornagels zum negativen Deckel und den Außendurchmesser der Oberseite, der Unterseite und der Mitte der Batterie ohne Etikett.
  • Als die Batterie vollständig in Epoxy vergossen und bis zur Mitte durch die Symmetrielängsachse abgeschliffen war, wurde die Querschnittsansicht der Batterie zum Anfertigen einer Zeichnung benutzt. Mit einem optischen Mitutoyo-Komparator mit QC-4000 Software wurden die Kontur der Batterie und ihrer einzelnen Komponenten kopiert, um eine Zeichnung des mittleren Querschnitts der Batterie anzufertigen. Dabei wurde die Batterie sicher fixiert und die Kontur der Batterieteile wurde in einem Format gespeichert, das später mit einer Volumenmodellierungssoftware zum Berechnen der Batterievolumen von Interesse verwendet werden konnte. Vor der Durchführung von Volumenmessungen kann die Zeichnung jedoch angepasst werden, um eventuelle Batteriekomponenten zu kompensieren, die nicht genau mit der Mitte der Batterie fluchteten. Dies kann anhand der vor dem Anfertigen eines Querschnitts der Batterie von dieser durchgeführten Messungen sowie anhand der Messungen von der zerlegten identischen Batterie erzielt werden. So können beispielsweise Durchmesser und Länge des Stromkollektornagels sowie der Gesamtaußendurchmesser der Batterie modifiziert werden, um die Zeichnung genauer zu profilieren, indem die Zeichnung so justiert wurde, dass sie die entsprechenden bekannten Querschnittsmesswerte beinhaltet, um die Zeichnung für Volumenmessungen genauer zu machen. Die Details der Dichtungs-, Deckel- und Sickbereiche wurden so benutzt, wie sie auf dem optischen Komparator gezeichnet wurden.
  • Zum Berechnen der Volumenmessungen wurde die Zeichnung in eine Volumenmodellierungssoftware importiert. Eine dreidimensionale Volumendarstellung wurde durch Drehen der Kontur des Querschnitts auf der linken und der rechten Seite um hunderachtzig Grad (180°) um die Symmetrielängsachse erzeugt. Demgemäß wird das Volumen jeder Region von der Software berechnet, und durch Drehen der linken und der rechten Seite um hundertachtzig Grad (180°) und Addieren der linken und rechten Volumen miteinander wird ein durchschnittlicher Volumenwert bestimmt, was in denjenigen Situationen vorteilhaft sein kann, in denen die Batterie unsymmetrische Merkmale hat. Die Volumen, die unsymmetrische Merkmale beinhalten, können nach Bedarf justiert werden, um genauere Volumenmessungen Zu erhalten.
  • Die 9A und 9B zeigen Volumen verschiedener unterschiedlicher Batteriekonstruktionstypen, die ausführlicher in der am 2. Oktober 1998 eingereichten US 60/102,951 und in der am 21. August 1998 eingereichten US 60/097,445 offenbart sind. Wie in 9A in der Reihe „Getränkedose mit Durchführungskollektor" zu sehen ist, hatte eine wie in 10 gezeigt aufgebaute Batterie mit D-Größe ein Innenvolumen, das 96,0 Volumenprozent betrug, wenn die Becherwände eine Dicke von 200 μm (8 mil) hatten. Wie in 9B gezeigt, hatte eine wie in 10 gezeigt aufgebaute D- Batterie ein Kollektorbaugruppenvolumen, das 2,6 Prozent des Gesamtvolumens betrug, wenn die Becherwände eine Dicke von 200 μm (8 mil) hatten. Die ebenso aufgebauten Batterien mit den Größen C, AA und AAA zeigten ebenfalls erhebliche Verbesserungen im Hinblick auf die Volumeneffizienz, wie aus der Tabelle in 9A hervorgeht.

Claims (25)

  1. Elektrochemische Zelle, die Folgendes umfasst: einen Becher (712) zur Aufnahme von elektrochemisch aktiven Materialien, einschließlich wenigstens positiven und negativen Elektroden und einem Elektrolyt, wobei der Becher ein offenes Ende und ein geschlossenes Ende hat; einen Deckel (745), der auf dem offenen Ende des Bechers sitzt und direkt mit dem Becher verbunden ist, wobei durch den Deckel eine Öffnung (751) verläuft; einen Stromkollektor (740), der durch die Öffnung des Deckels und intern innerhalb des Bechers verläuft, um elektrisch mit der positiven oder der negativen Elektrode in Kontakt zu kommen; und ein erstes Isoliermaterial (744), das zwischen dem Kollektor und dem Deckel angeordnet ist, um den Kollektor elektrisch von dem Deckel zu isolieren und eine Dichtung zwischen dem Kollektor und dem Deckel zu bilden.
  2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, die ferner einen Druckentlastungsmechanismus umfasst, der in einer Oberfläche des Bechers ausgebildet ist.
  3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei der Druckentlastungsmechanismus in einer Oberfläche am geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet ist.
  4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei der Druckentlastungsmechanismus eine Rille aufweist, die im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet ist.
  5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, die ferner einen ersten Kontaktanschluss aufweist, der am geschlossenen Ende des Bechers in elektrischem Kontakt damit positioniert ist, wobei der zweite Kontaktanschluss über dem Druckentlastungsmechanismus liegt.
  6. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, die ferner Folgendes umfasst: einen zweiten Kontaktanschluss, der elektrisch mit dem Kollektor gekoppelt ist; und ein zweites Isoliermaterial, das zwischen dem zweiten Kontaktanschluss und dem Deckel angeordnet ist, um den zweiten Kontaktanschluss von dem Deckel zu isolieren.
  7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei der erste Kontaktanschluss elektrisch mit der positiven Elektrode gekoppelt ist, um als positiver externer Batterieanschluss zu dienen, und der zweite Kontaktanschluss elektrisch mit der negativen Elektrode gekoppelt ist, um als negativer externer Batterieanschluss zu dienen.
  8. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Elektrolyt KOH umfasst und das erste Isoliermaterial ein organisches makromolekulares Material umfasst, das gegen einen chemischen Angriff durch das KOH resistent ist.
  9. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Deckel separat von dem Becher ausgebildet ist.
  10. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kollektor einen Nagel umfasst.
  11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der Kollektor einen Nagel umfasst und der Nagel auf den zweiten Kontaktanschluss geschweißt ist.
  12. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Becher einen Flansch hat, der vom offenen Ende des Bechers in Richtung auf das geschlossene Ende nach außen verläuft, und der Deckel einen peripheren Rand hat, der über und um den Flansch verläuft und zwischen dem Flansch und einer Außenfläche des Bechers gesickt ist.
  13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, die ferner ein Dichtungsmittel zwischen dem Flansch und dem äußeren peripheren Rand des Deckels umfasst.
  14. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das erste Isoliermaterial ein Material umfasst, das aus Epoxid, Gummi und Nylon ausgewählt ist.
  15. Elektrochemische Zelle nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zelle eine zylindrische Zelle ist.
  16. Verfahren zum Montieren einer elektrochemischen Zelle, das die folgenden Schritte umfasst: Abgabe von elektrochemisch aktiven Materialien in einen Becher (7l2) mit einem geschlossenen Ende und einem offenen Ende; Anordnen eines Stromkollektors (740) durch eine in einem Deckel ausgebildete Öffnung; Platzieren eines Isoliermaterials (744) zwischen dem Deckel und dem Kollektor, um eine elektrische Isolierung dazwischen zu erzeugen; und Montieren des Deckels (745) und des Kollektors (740) auf dem offenen Ende des Bechers, so dass der Deckel direkt mit dem Becher verbunden ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, das ferner den Schritt des Bildens eines Druckentlastungsmechanismus in einer Oberfläche des Bechers umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Druckentlastungsmechanismus im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildet ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, das ferner den Schritt des Verbindens eines ersten Kontaktanschlusses in elektrischem Kontakt mit dem geschlossenen Ende des Bechers und über dem Druckentlastungsmechanismus liegend umfasst.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der Schritt des Anordnens des Isoliermaterials das wenigstens teilweise Schmelzen des Isoliermaterials beinhaltet, so dass sich das geschmolzene Isoliermaterial zwischen dem Stromkollektor und der Abdeckung neu formt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Anordnen eines äußeren Isoliermaterials auf dem Deckel; und Verbinden eines zweiten Kontaktanschlusses auf der Oberseite des äußeren Isoliermaterials und in elektrischem Kontakt mit dem Stromkollektor.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der Deckel separat von dem Becher ausgebildet ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, das ferner den Schritt des Bildens eines Doppelnahtverschlusses zwischen dem Deckel und dem Becher umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem der Schritt des Bildens eines Doppelnahtverschlusses die Schritte des Platzierens eines peripheren Randes des Deckels, so dass er über und um einen Flansch des offenen Endes des Bechers verläuft, und das Sicken des peripheren Randes des Deckels zwischen dem Flansch und einer Außenfläche des Bechers umfasst.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, bei dem das Isoliermaterial ein Material umfasst, das aus Epoxid, Gummi und Nylon ausgewählt ist.
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