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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen besser verständlich.
Dabei zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer herkömmlichen
elektrochemischen C-Alkalizelle;
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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;
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2B eine
Tabelle, die die relativen Gesamtbatterievolumen und Kollektorbaugruppenvolumen
zeigt, gemessen für
diejenigen Batterien, die gemäß 2A im
Handel erhältlich
waren;
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3A–3D Querschnitte
einer herkömmlichen
elektrochemischen C-Alkalizelle, die die Gesamtbatterie- und verschiedenen
Komponentenvolumen illustrieren;
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4 eine Bodenansicht eines Batteriebechers
mit einem im geschlossenen Ende des Bechers ausgebildeten Druckentlastungsmechanismus;
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5 eine
Querschnittsansicht entlang Linie X-X der in 4 gezeigten
Behälterbelüftung;
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6 einen
Querschnitt durch eine elektrochemische C-Alkalizelle mit einem
getränkedosenartigen
Aufbau;
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7A eine
teilweise auseinander gezogene Perspektivansicht der in 6 gezeigten
Batterie;
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7B und 7C Querschnittsansichten eines
Teils der in 6 gezeigten Batterie, die den Vorgang
zum Erzielen des getränkedosenartigen Aufbaus
zeigen;
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7D eine
vergrößerte Querschnittsansicht
eines Teils der in 6 gezeigten Batterie;
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8 einen
Querschnitt durch eine elektrochemische C-Alkalizelle mit einem
getränkedosenartigen
Aufbau;
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9A eine
Tabelle, die die berechneten Gesamt- und Innenzellenvolumen für verschiedene Batterien
zeigt;
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9B eine
Tabelle, die das berechnete Gesamtvolumen und Kollektorbaugruppenvolumen
für verschiedene
Batterien zeigt;
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10 einen
Querschnitt einer elektrochemischen C-Alkalizelle mit einer Kollektordurchführungskonstruktion
gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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11 eine
auseinander gezogene Baugruppenansicht der in 10 gezeigten
elektrochemischen Zelle; und
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l2 ein Fließschema, das ein Verfahren zum
Montieren der in den 10 und 11 gezeigten
elektrochemischen Zelle illustriert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die in den 4 bis 12 gezeigten Ausgestaltungen
näher beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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BEISPIEL
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.