EP2550695A1 - Gegen kurzschluss gesicherte knopfzelle - Google Patents

Gegen kurzschluss gesicherte knopfzelle

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Publication number
EP2550695A1
EP2550695A1 EP11708486A EP11708486A EP2550695A1 EP 2550695 A1 EP2550695 A1 EP 2550695A1 EP 11708486 A EP11708486 A EP 11708486A EP 11708486 A EP11708486 A EP 11708486A EP 2550695 A1 EP2550695 A1 EP 2550695A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cover part
cup
separator
button cell
seal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11708486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf Brenner
Eduard Pytlik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
VARTA Microbattery GmbH
Original Assignee
VARTA Microbattery GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VARTA Microbattery GmbH filed Critical VARTA Microbattery GmbH
Publication of EP2550695A1 publication Critical patent/EP2550695A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/109—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure of button or coin shape
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49108—Electric battery cell making
    • Y10T29/4911—Electric battery cell making including sealing

Definitions

  • the present invention relates to a button cell with a housing of a cup-shaped cup part and a cup-shaped cover part, which are spatially and electrically separated from each other by a film seal.
  • a positive and a negative electrode are arranged and between the electrodes, a separator which separates them.
  • Button cells usually have a housing of two Gehot endeavour puzzle, a cup part and a lid part, on. These can be made, for example, from nickel-plated deep-drawn sheet metal as punched drawing parts. Usually the cup part is positive and the lid part is negatively poled.
  • the housing can contain a wide variety of electrochemical systems, for example zinc / manganese dioxide, primary and secondary lithium systems or secondary systems such as nickel / cadmium or nickel / metal hydride.
  • cup part and lid part plastic ring serves as a rule at the same time as a seal and as an insulator, which separates the cup part spatially and electrically from the cover part.
  • button cells are known for example from DE 31 13309.
  • the sealing elements required for button cells are conventionally produced by injection molding, for example from polyamides.
  • the necessary injection tools are very expensive and expensive.
  • DE 19647593 describes the use of a sealing element which is produced by deep drawing from a film. From a heated film is pulled by means of a drawing die and a forming die under vacuum, a cup-shaped molding. As preferred film material polyamides are given. The deformation takes place, depending on the desired diameter / height ratio, in one or more stepped operations. In the bottom region of the cup-shaped molded part produced by deep-drawing then a punched out by means of a cutting punch and a cutting bush. The sealing element thus produced is mounted on a lid part, which can then be inserted into a cup part. Since such produced film seals have only very small thicknesses, the resulting button cells are capacity optimized. The use of foil seals offers clear advantages compared to the classic use of seals made of injection-molded parts.
  • the present invention is based on the development described in DE 19647593. Its task was to provide button cells, which are characterized by optimized capacity, a simple structure and an efficient separation of positive and negative electrode within the button cell housing.
  • buttons cell with the features of claim 1 and by the method having the features of claim 8.
  • Preferred embodiments of the button cell according to the invention are given in the dependent claims 2 to 7.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention can be found in the dependent claims 9 or 10. The wording of all Claims are hereby incorporated by reference into the content of this specification.
  • a coin cell according to the invention comprises a cup-shaped cup part and a cup-shaped lid part.
  • the cup part comprises a first planar bottom region, which is followed by a jacket region extending up to a first cutting edge.
  • the cover part comprises a second planar bottom region, adjoined by a second jacket region extending up to a second cutting edge.
  • the cover part is inserted with the cutting edge first in the cup part and forms with this a closed housing.
  • the bottom portions of cup portion and lid portion are arranged parallel to each other in a ready-mounted button cell and form in use the top and bottom of the button cell, where usually the power is removed by a consumer.
  • the jacket areas form the side walls of the button cell.
  • Cup part and lid part are spatially and electrically separated by a seal. In addition to its insulating function, this seal usually also ensures that the housing is sealed liquid-tight lid part and cup part.
  • a positive and a negative electrode Inside the case are a positive and a negative electrode.
  • the positive electrode is in electrical contact with the flat bottom area of the cup part, the negative electrode with the flat bottom area of the lid part.
  • the positive and negative electrodes such as the cup part and the lid part must not touch each other directly.
  • a separator is positioned between the positive and the negative electrode, which separates them spatially.
  • the separator preferably forms a flat layer, which is aligned substantially parallel to the planar bottom regions of the cup and lid part, or comprises at least one such layer. The separator divides the interior of the housing into two compartments, in which the positive and the negative electrode are arranged separately from one another.
  • the separator used is preferably ion-permeable materials such as porous membranes made of plastic or nonwovens.
  • ion-permeable materials such as porous membranes made of plastic or nonwovens.
  • the person skilled in the corresponding button cell suitable separators materials are known.
  • the seal used in a button cell according to the invention is a film seal, as already mentioned at the outset.
  • a film seal should in particular be understood to mean a seal which is formed from a molded part produced by deep drawing from a plastic film, in particular such a seal as described in DE 19647593.
  • this foil seal surrounds the outside of the cover part in the jacket region in the manner of a sleeve, but at the same time has a circumferential section which is turned inwards around the cutting edge of the cover part.
  • the film seal preferably has a thickness of less than 0.15 mm, more preferably less than 0.1 mm.
  • the circumferential portion is turned so far inward that it forms a closed cavity together with the separator and the cover part, in which the negative electrode is arranged (in classical button cells, this cavity is formed only by the cover part and the separator).
  • buttons cells as they are known from the prior art, for example, from DE 102007003519, are usually just so far turned around the cutting edge of a cell cover around that the cut edge completely from the film is covered. This serves to avoid gas developments inside the housing.
  • the housing parts of button cells often consist of trimetal with the layer sequence nickel, steel and copper, with copper usually forms the inside of the button cell housing.
  • the comparatively base steel layer between the nickel and copper layers is freely accessible. This is where gassing phenomena are particularly frequent, as a result of which button cells can leak out and be irreparably damaged.
  • the film seal of a button cell according to the invention is generally dimensioned so that it can cover at least larger sections of the inside of the shell area of the cover part to a depth in which the separator is positioned or in preferred embodiments on the inner walls of the cover part is applied.
  • the film seal together with the separator thus ensures a complete and efficient separation of cathode and anode space. Short circuit problems within the button cell according to the invention are thereby largely excluded.
  • a button cell according to the invention is particularly preferably characterized in that the film seal surrounds the separator in an annular manner and exerts a radial pressure on it (variant A). Ideally, the film seal is in an elastically deformed, in particular an elastically stretched, state.
  • Such a condition can be achieved by suitably tuning the diameter and radius of the inwardly turned portion of the film seal to the diameter and radius of the separator annularly enclosed by it.
  • the section of the film seal that has been turned inwards can be thermally treated, for example, so that its throughput diameter / radius reduced by shrinkage compared to the diameter / radius of the outside of the cover part in the shell area enclosing part of the film seal.
  • diameter and radius of the folded-over section fall off after such a treatment, starting from the cut edge of the cover part in the direction of the bottom region of the cover part.
  • the diameter / radius of the separator is chosen to be sufficiently large, it can only be positioned with radial expansion and expansion of the folded section in the button cell. The radially expanded portion then exerts the mentioned radial pressure on the separator.
  • the separator is designed and positioned in the housing in such a way that it presses the film seal folded inwards radially against the inside of the cover part (variant B).
  • This variant can represent an extreme case of the mentioned radial widening of the folded portion (ie be an embodiment of variant A), but also be implemented completely independently thereof.
  • the separator of a button cell according to the invention is in a preferred embodiment disk-like, in particular as a circular disc formed.
  • the edges of the disc can radially expand the foil seal and / or press it against the inside of the lid part.
  • the radius of the disc preferably corresponds substantially to the inner radius of the cover part in the jacket region or even exceeds this, preferably by between 1% and 25%.
  • the radius of the disc is preferably at least 90% of the inner radius of the lid part and is at most 25% higher.
  • the section of the film seal folded inwards has at least one partial area in which its radius is smaller than the maximum radius of the separator.
  • the separator may be formed cup-shaped with a flat, designed as a disc base and an adjoining, preferably aligned perpendicular to the base peripheral edge region.
  • the opening edge of the cup, in a button cell according to the invention preferably points in the direction of the bottom region of the cup part, while the base surface is preferably aligned parallel to the flat bottom and top region of the cup and lid part.
  • Such a separator preferably has its maximum radius in the region of the peripheral edge region.
  • the radius of the base preferably corresponds substantially to the inner radius of the cover part in the jacket area.
  • the peripheral edge region is preferably flat on the inside of the lid and overlaps there with the folded portion of the film seal.
  • Such a cup-shaped separator is formed, for example, by using a separator disk whose radius clearly exceeds the inner radius of the cover part and whose edge region correspondingly folds counter to the insertion direction when the separator is pushed into the cover part.
  • the radius of the base surface preferably undershoots the inner radius of the cover part in the jacket region.
  • the cut edge of the lid part preferably sits in a button cell according to the invention in the flat bottom area or on the bottom of the cup part.
  • a support ring is conceivable, for example, to prevent damage to the film seal at the cutting edge of the cover part.
  • the film seal is preferably a seal made of a thermoplastic film, in particular of a material such as polyamide or polyetheretherketone (PEEK). With regard to other preferred features of the film seal, reference is made to the already mentioned DE 102007003519 and DE 19647593.
  • the method according to the invention for the production of button cells is used in particular for the production of button cells, as described above.
  • the negative electrode material is a hydrogen storage alloy, such as an AB 5 alloy
  • the positive electrode material is nickel hydroxide.
  • the turning over of the cut edge of the lid part projecting portion of the film seal around the cut edge of the lid part around inside the lid part can basically be done as described in DE 102007003519, so for example by means of a heated punch.
  • the portion to be folded is preferably heated so high that a shrinkage occurs and its radius relative to the radius of the outside of the cover part in the shell area enclosing part of the film seal decreases.
  • the size of the separator can be chosen such that it presses the folded portion of the film seal radially to the inside of the lid part after its positioning in the housing and / or the portion of the film seal is expanded so that it is a radial pressure on the Separator exercises.
  • the method according to the invention may also comprise further steps, for example the metering in of electrolyte, which, however, has nothing to do with the essence of the present invention.
  • the methods according to the invention and the compact batteries according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawings, in which the objects according to the invention are shown schematically and which are described below. It should be emphasized at this point that all facultative aspects of the compact batteries according to the invention or the methods according to the invention described in the present application can each be implemented alone or in combination with one or more of the further facultative aspects described in one embodiment of the invention.
  • the following description of preferred embodiments is merely for the purpose of illustrating and understanding the invention and is in no way limiting.
  • Fig. 1 shows in cross section a preferred embodiment of a button cell 100 according to the invention (schematic representation).
  • a bowl-shaped lid part 101 is inserted into a cup-shaped cup part 102.
  • the cover part 101 has a flat bottom portion 103 and a up to a cutting edge 104 extending shell area 105.
  • the housing cup 102 has the flat bottom portion 106 and the shell portion 107. Whose upper part with the cutting edge 108 is flanged inwards, this ensures the cohesion of cup portion 102 and lid portion 101.
  • the film seal 109 is arranged between the cup portion 102 and the lid portion 101. This is folded around the cutting edge 104 of the cover part 101 into the interior of the cover part and is located on the inside in the jacket portion 105 at.
  • the separator 110 which is also cup-shaped.
  • the separator 110 has a base formed as a circular disc and an adjoining, substantially perpendicular to the base aligned peripheral edge region. This edge region presses the foil seal 109, which has been wrapped around the cutting edge 104 of the lid part 101 in its interior, against the inside of the lid part.
  • the described button cell 100 is thus an embodiment according to the above variant B.
  • the separator 110 separates the electrodes 111 and 112 from each other.
  • the electrode 112 is the positive electrode
  • the electrode 111 is the negative electrode.
  • a contact spring 113 is arranged in order to be able to compensate for any changes in volume of the electrodes that may occur.
  • the separator 110, the foil seal 109, and the bottom portion 106 of the cell cup define a sealed cavity in which the positive electrode 112 is disposed. This is cleanly separated from the anode compartment, so a short circuit is almost impossible.
  • Fig. 2 shows in cross-section a preferred embodiment of a button cell 200 according to the invention (schematic representation).
  • a cup-shaped lid part 201 is inserted into a cup-shaped cup part 202.
  • the cover part 201 has a flat bottom portion 203 and a up to a cutting edge 204 extending shell area 205.
  • the housing cup 202 has the planar bottom region 206 and the jacket region 207. Whose upper part with the cutting edge 208 is flanged inwardly, this ensures the cohesion of cup portion 202 and lid portion 201.
  • the film seal 209 is arranged between the cup portion 202 and the lid portion 201. This is turned around the cutting edge 204 of the cover part 201 around inside the lid part.
  • the separator 210 has one as a circular Washer formed base and an adjoining, substantially perpendicular to the base aligned peripheral edge region. This edge region partially overlaps with the film seal 209 wrapped around the cutting edge 204 of the cover part 201 in its interior, which exerts a radial pressure on it. Due to its diameter, the separator 210 could only be positioned in the cover 201 with a radial widening of the section of the film seal 209 which constricted in the direction of the bottom 203.
  • the inwardly folded portion is correspondingly at least in the area in which it overlaps with the edge region of the separator, under tension.
  • the described button cell 200 is thus an embodiment according to the above variant A.
  • the separator 210 separates the electrodes 211 and 212 from each other.
  • the electrode 212 is the positive electrode
  • the electrode 211 is the negative electrode.
  • a contact spring 213 is arranged in order to compensate for any changes in volume of the electrodes may occur.
  • the separator 210, the foil seal 209, and the bottom portion 206 of the cell cup define a sealed cavity in which the positive electrode 212 is disposed. This is cleanly separated from the anode compartment, so short-circuiting is almost impossible.

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Abstract

Beschrieben wird eine Knopfzelle mit einem Gehäuse aus einem Becherteil und einem Deckelteil, die jeweils einen Bodenbereich und einen sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden Mantelbereich aufweisen. In dem Gehäuse sind eine positive und eine negative Elektrode, getrennt durch einen Separator, angeordnet. Das Becherteil und das Deckelteil sind räumlich und elektrisch durch eine Foliendichtung voneinander getrennt, wobei die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und über die Schnittkante des Deckelteils nach innen umgeschlagen ist. Die Foliendichtung bildet dabei zusammen mit dem Separator und dem Deckelteil einen geschlossenen Hohlraum aus, in dem die negative Elektrode angeordnet ist. Des Weiteren wird ein Verfahren beschrieben, mit dem sich solche Knopfzellen herstellen lassen.

Description

Beschreibung
Gegen Kurzschluss gesicherte Knopfzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Knopfzelle mit einem Gehäuse aus einem napfartig ausgebildeten Becherteil und einem napfartig ausgebildeten Deckelteil, die durch eine Foliendichtung räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind. Innerhalb des Gehäuses sind eine positive und eine negative Elektrode angeordnet sowie zwischen den Elektroden ein Separator, der diese voneinander trennt.
Knopfzellen weisen üblicherweise ein Gehäuse aus zwei Gehäusehalbteilen, einem Becherteil und einem Deckelteil, auf. Diese können beispielsweise aus vernickeltem Tiefziehblech als Stanzziehteile hergestellt werden. Gewöhnlich ist das Becherteil positiv und das Deckelteil negativ gepolt. In dem Gehäuse können die verschiedensten elektrochemischen Systeme enthalten sein, beispielsweise Zink/Braunstein, primäre und sekundäre Lithium-Systeme oder sekundäre Systeme wie Nickel/Cad- mium oder Nickel/Metallhydrid.
Der flüssigkeitsdichte Verschluss solcher Zellen erfolgt beispielsweise durch Umbördeln des Randes des Becherteils. Ein zwischen Becherteil und Deckelteil angeordneter Kunststoffring dient dabei in der Regel gleichzeitig als Dichtung und als Isolator, der das Becherteil räumlich und elektrisch vom Deckelteil trennt. Derartige Knopfzellen sind beispielsweise aus der DE 31 13309 bekannt.
Die für Knopfzellen erforderlichen Dichtungselemente werden klassisch im Spritzgussverfahren, beispielsweise aus Polyamiden, hergestellt. Die dazu notwendigen Spritzwerkzeuge sind sehr aufwendig und teuer. Darüber hinaus ist es praktisch nicht möglich, Dichtungselemente mit Wandungen in einer Dicke von weniger als 0,2 mm im Spritzgussverfahren herzustellen, so dass die bekannten Dichtungen insbesondere bei sehr kleinen Knopfzellen ein verhältnismäßig großes Volumen beanspruchen und damit die Kapazitätsausnutzung der Zelle beinträchtigen.
In der DE 19647593 wird der Einsatz eines Dichtungselementes beschrieben, das durch Tiefziehen aus einer Folie hergestellt wird. Aus einer beheizten Folie wird mittels einer Ziehmatrize und eines Formstempels unter Vakuum ein becherförmiges Formteil gezogen. Als bevorzugtes Folienmaterial werden Polyamide angegeben. Die Verformung erfolgt, abhängig vom gewünschten Durchmesser/Höhenverhältnis, in einem oder mehreren gestuften Arbeitsgängen. Im Bodenbereich des durch Tiefziehen hergestellten becherförmigen Formteils erfolgt anschließend eine Ausstanzung mittels eines Schnittstempels und einer Schnittbuchse. Das so hergestellte Dichtungselement wird auf ein Deckelteil montiert, das dann in ein Becherteil eingesetzt werden kann. Da so hergestellte Foliendichtungen nur sehr geringe Dicken aufweisen, sind die resultierenden Knopfzellen kapazitätsoptimiert. Die Verwendung von Foliendichtungen bietet gegenüber dem klassischen Einsatz von Dichtungen aus Spritzgussteilen diesbezüglich klare Vorteile.
Die vorliegend beschriebene Erfindung baut auf der in der DE 19647593 beschriebenen Entwicklung auf. Ihr lag die Aufgabe zugrunde, Knopfzellen bereit zu stellen, die sich durch optimierte Kapazität, einen einfachen Aufbau und durch eine effiziente Trennung von positiver und negativer Elektrode innerhalb des Knopfzellengehäuses auszeichnen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Knopfzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen 9 oder 10. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Knopfzelle umfasst ein napfartig ausgebildetes Becherteil sowie ein napfartig ausgebildetes Deckelteil. Das Becherteil umfasst einen ersten ebenen Bodenbereich, an den sich ein sich bis zu einer ersten Schnittkante erstreckender Mantelbereich anschließt. Das Deckelteil umfasst einen zweiten ebenen Bodenbereich, an den sich ein sich bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckender zweiter Mantelbereich anschließt. Das Deckelteil ist mit der Schnittkante voran in das Becherteil eingeschoben und bildet mit diesem ein geschlossenes Gehäuse aus. Die Bodenbereiche von Becherteil und Deckelteil sind bei einer fertig montierten Knopfzelle parallel zueinander angeordnet und bilden im Gebrauchszustand die Ober- und Unterseite der Knopfzelle, an denen in der Regel die Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgt. Die Mantelbereiche bilden die Seitenwände der Knopfzelle. Becherteil und Deckelteil sind räumlich und elektrisch durch eine Dichtung voneinander getrennt. Neben ihrer isolierenden Funktion gewährleistet diese Dichtung in der Regel auch, dass das Gehäuse aus Deckelteil und Becherteil flüssigkeitsdicht verschlossen ist.
Innerhalb des Gehäuses befinden sich eine positive und eine negative Elektrode. Die positive Elektrode steht dabei in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Becherteils, die negative Elektrode mit- dem ebenen Bodenbereich des Deckelteils. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses dürfen sich die positive und die negative Elektrode wie das Becherteil und das Deckelteil nicht unmittelbar berühren. Aus diesem Grund ist zwischen der positiven und der negativen Elektrode ein Separator positioniert, der diese räumlich voneinander trennt. Innerhalb des Gehäuses bildet der Separator vorzugsweise eine flache Schicht aus, die im Wesentlichen parallel zu den ebenen Bodenbereichen von Becher- und Deckelteil ausgerichtet ist, oder umfasst zumindest eine solche Schicht. Der Separator teilt das Gehäuseinnere so in zwei Kom- partimente auf, in denen die positive und die negative Elektrode getrennt voneinander angeordnet sind.
Als Separator werden bevorzugt ionendurchlässige Materialien wie poröse Membranen aus Kunststoff oder Vliese eingesetzt. Dem Fachmann sind entsprechende für Knopfzellen geeignete Separatormaterialien bekannt.
Als Dichtung kommt bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle eine Foliendichtung zum Einsatz, wie sie eingangs bereits erwähnt wurde. Unter einer Foliendichtung soll vorliegend insbesondere eine Dichtung verstanden werden, die aus einem durch Tiefziehen aus einer Kunststofffolie hergestellten Formteil gebildet ist, insbesondere eine solche Dichtung, wie sie in der DE 19647593 beschrieben ist. Diese Foliendichtung umschließt bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich nach Art einer Manschette, weist gleichzeitig aber einen umlaufenden Abschnitt auf, der um die Schnittkante des Deckelteils herum nach innen umgeschlagen ist. Die Foliendichtung weist bevorzugt eine Dicke von weniger als 0,15 mm, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 mm, auf.
Besonders bevorzugt ist der umlaufende Abschnitt so weit nach innen umgeschlagen, dass er zusammen mit dem Separator und dem Deckelteil einen geschlossenen Hohlraum bildet, in dem die negative Elektrode angeordnet ist (bei klassischen Knopfzellen wird dieser Hohlraum nur vom Deckelteil und vom Separator gebildet).
Die Foliendichtungen von Knopfzellen, wie sie aus der Stand der Technik, beispielsweise auch aus der DE 102007003519, bekannt sind, sind in aller Regel gerade so weit um die Schnittkante eines Zellendeckels herum umgeschlagen, dass die Schnittkante vollständig von der Folie abgedeckt wird. Dies dient der Vermeidung von Gasentwicklungen im Gehäuseinneren. Wie eingangs angesprochen, bestehen die Gehäuseteile von Knopfzellen oft aus Trimetall mit der Schichtfolge Nickel, Stahl und Kupfer, wobei Kupfer in der Regel die Innenseite des Knopfzellengehäuses bildet. An der Schnittkante des Knopfzellendeckels ist die vergleichsweise unedle, zwischen der Nickel- und der Kupferschicht befindliche Stahlschicht frei zugänglich. Dort kommt es deshalb besonders häufig zu Gasungsphänomenen, in deren Folge Knopfzellen auslaufen können und irreparabel geschädigt werden.
Im Gegensatz dazu ist die Foliendichtung einer erfindungsgemäßen Knopfzelle in der Regel so bemessen, dass sie zumindest größere Teilabschnitte der Innenseite des Mantel bereichs des Deckelteils abdecken kann bis hin zu einer Tiefe, in der der Separator positioniert ist oder in bevorzugten Ausführungsformen an den Innenwänden des Deckelteils anliegt. Die Foliendichtung gewährleistet gemeinsam mit dem Separator somit eine vollständige und effiziente Trennung von Kathoden- und Anodenraum. Kurzschlussprobleme innerhalb der erfindungsgemäßen Knopfzelle werden dadurch weitestgehend ausgeschlossen.
Besonders bevorzugt zeichnet sich eine erfindungsgemäße Knopfzelle dadurch aus, dass die Foliendichtung den Separator ringförmig umschließt und einen radialen Druck auf ihn ausübt (Variante A). Idealerweise befindet sich die Foliendichtung dazu in einem elastisch verformten, insbesondere einem elastisch gedehnten, Zustand.
Ein solcher Zustand kann erreicht werden, indem Durchmesser und Radius des nach innen umgeschlagenen Abschnitts der Foliendichtung in geeigneter Weise auf den Durchmesser und Radius des von ihm ringförmig umschlossenen Separators abgestimmt wird. Um dies zu erreichen, kann der nach innen umgeschlagene Abschnitt der Foliendichtung beispielsweise thermisch behandelt werden, so dass sich sein Durch- messer/Radius durch Schrumpfung gegenüber dem Durchmesser/Radius des die Außenseite des Deckelteils im Mantel bereich umschließenden Teils der Foliendichtung verringert. Bevorzugt fallen Durchmesser und Radius des umgeschlagenen Abschnitts nach einer solchen Behandlung ausgehend von der Schnittkante des Deckelteils in Richtung Bodenbereich des Deckelteils ab. Wenn gleichzeitig der Durchmesser/Radius des Separators ausreichend groß gewählt wird, kann dieser nur unter radialer Aufweitung und Dehnung des umgeschlagenen Abschnitts in der Knopfzelle positioniert werden. Der radial aufgeweitete Abschnitt übt dann den erwähnten radialen Druck auf den Separator aus.
Es kann es bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt sein, dass der Separator derart ausgebildet und im Gehäuse positioniert ist, dass er die nach innen umgeschlagene Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst (Variante B). Diese Variante kann einen Extremfall der erwähnten radialen Aufweitung des umgeschlagenen Abschnitts darstellen (also eine Ausführungsform von Variante A sein), allerdings auch völlig unabhängig davon verwirklicht sein.
Der Separator einer erfindungsgemäßen Knopfzelle ist in bevorzugten Ausführungsformen scheibenartig, insbesondere als kreisrunde Scheibe, ausgebildet. Die Ränder der Scheibe können die Foliendichtung radial aufweiten und/oder an die Innenseite des Deckelteils drücken. Im Fall von Variante B entspricht der Radius der Scheibe vorzugsweise im Wesentlichen dem Innenradius des Deckelteils im Mantelbereich oder überschreitet diesen sogar, bevorzugt um zwischen 1 % und 25 %. Im Fall von Variante A beträgt der Radius der Scheibe bevorzugt mindestens 90 % des Innenradius des Deckelteils und liegt höchstens 25 % darüber. Im Fall von Variante B weist der nach innen umgeschlagene Abschnitt der Foliendichtung zumindest einen Teilbereich auf, in dem sein Radius geringer ist als der maximale Radius des Separators. In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann der Separator napfartig ausgebildet sein mit einer ebenen, als Scheibe ausgebildeten Grundfläche und einem sich daran anschließenden, bevorzugt senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich. Der Öffnungsrand des Napfes weist in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt in Richtung des Bodenbereichs des Becherteils während die Grundfläche bevorzugt parallel zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich von Becher- und Deckelteil ausgerichtet ist. Bevorzugt weist ein solcher Separator seinen maximalen Radius im Bereich des umlaufenden Randbereichs auf.
Im Fall von Variante B entspricht der Radius der Grundfläche bevorzugt im Wesentlichen dem Innenradius des Deckelteils im Mantel bereich. Der umlaufende Randbereich liegt vorzugsweise an der Innenseite des Deckels flach an und überlappt dort mit dem umgeschlagenen Abschnitt der Foliendichtung. Gebildet wird ein solcher napfartiger Separator beispielsweise durch Verwendung einer Separatorscheibe, deren Radius den Innenradius des Deckelteils deutlich überschreitet und deren Randbereich entsprechend beim Einschieben des Separators in das Deckelteil entgegen der Einschieberichtung umklappt.
Im Fall von Variante A unterschreitet der Radius der Grundfläche bevorzugt den Innenradius des Deckelteils im Mantelbereich.
Die Schnittkante des Deckelteils sitzt in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt im ebenen Bodenbereich bzw. auf dem Boden des Becherteils auf. Alternativ ist auch die Verwendung eines Stützringes denkbar, etwa um eine Beschädigung der Foliendichtung an der Schnittkante des Deckelteils zu verhindern. Bei der Foliendichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Dichtung aus einer thermoplastischen Folie, insbesondere aus einem Material wie Polyamid oder aus Polyetheretherketon (PEEK). Im Hinblick auf sonstige bevorzugte Merkmale der Foliendichtung wird auf die bereits erwähnten DE 102007003519 und DE 19647593 Bezug genommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Knopfzellen dient insbesondere zur Herstellung von Knopfzellen, wie sie oben beschrieben wurden.
Es umfasst stets die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Becherteils und eines napfartig ausgebildeten Deckelteils, wie sie oben bereits beschrieben wurden,
- Aufbringen einer Foliendichtung auf den Außenmantel des Deckelteils, so dass die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und ein umlaufender Abschnitt der Foliendichtung über die Schnittkante des Deckelteils hinaus ragt,
- Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Deckelteils herum ins Innere des Deckelteils,
- Einbringen von negativem Elektrodenmaterial in das Deckelteil,
- Positionieren eines Separators im Deckelteil, derart, dass dieser mit der Foliendichtung und dem Deckelteil einen geschlossenen Hohlraum bildet, in dem das negative Elektrodenmaterial eingeschlossen ist,
- gegebenenfalls Einbringen von positivem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, insbesondere in eine von Foliendichtung und Separator gebildeten napfförmige Aufnahme,
- Einschieben des Deckelteils in das Becherteil und
- Verschließen der Zelle, insbesondere durch Umbördelung. Betreffend die in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommende Foliendichtung sowie den Separator kann auf die obigen im Rahmen der Erläuterung der erfindungsgemäßen Knopfzelle gemachten Ausführungen Bezug genommen werden. Als Elektrodenmaterialien können sämtliche gängige Elektrodenmaterialien dienen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem negativen Elektrodenmaterial um eine Wasserstoffspeicherlegierung, beispielsweise um eine AB5-Legierung, und beim positiven Elektrodenmaterial um Nickelhydroxid.
Das Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Deckelteils herum ins Innere des Deckelteils kann grundsätzlich wie in der DE 102007003519 beschrieben erfolgen, also beispielsweise mit Hilfe eines beheizten Stempels. Mittels des Stempels oder einer alternativen Wärmequelle wird der umzuschlagende Abschnitt bevorzugt so hoch erwärmt, dass eine Schrumpfung auftritt und sich sein Radius gegenüber dem Radius des die Außenseite des Deckelteils im Mantel bereich umschließenden Teils der Foliendichtung verringert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Größe des Separators derart gewählt werden, dass er nach seiner Positionierung im Gehäuse den umgeschlagenen Abschnitt der Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils drückt/presst und/oder der Abschnitt der Foliendichtung aufgeweitet wird, dass er einen radialen Druck auf den Separator ausübt.
Neben den genannten Schritten kann das erfindungsgemäße Verfahren noch weitere Schritte umfassen, beispielsweise das Eindosieren von Elektrolyt, das jedoch mit dem Kern der vorliegenden Erfindung nichts zu tun hat. Näher erläutert werden die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäßen Kompaktbatterien anhand der Zeichnungen, in denen die erfindungsgemäßen Gegenstände schematisch dargestellt sind und die im Folgenden beschrieben werden. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Kompaktbatterien oder der erfindungsgemäßen Verfahren jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung
Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100 (schematische Darstellung). Ein napfartig ausgebildetes Deckelteil 101 ist in ein napfartig ausgebildetes Becherteil 102 eingeschoben. Der Deckelteil 101 weist einen ebenen Bodenbereich 103 sowie einen sich bis zu einer Schnittkante 104 erstreckenden Mantel bereich 105 auf. Der Gehäusebecher 102 weist den ebenen Bodenbereich 106 sowie den Mantel bereich 107 auf. Dessen oberer Teil mit der Schnittkante 108 ist nach innen umgebördelt, dies gewährleistet den Zusammenhalt von Becherteil 102 und Deckelteil 101. Zwischen dem Becherteil 102 und dem Deckelteil 101 ist die Foliendichtung 109 angeordnet. Diese ist um die Schnittkante 104 des Deckelteils 101 herum ins Innere des Deckelteils umgeschlagen und liegt an dessen Innenseite im Mantelbereich 105 an. Fixiert wird sie dort durch den Separator 110, der ebenfalls napfförmig ausgebildet ist. Der Separator 110 weist eine als kreisförmige Scheibe ausgebildete Grundfläche und einen sich daran anschließenden, im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich auf. Dieser Randbereich presst die um die Schnittkante 104 des Deckelteils 101 in dessen Inneres umgeschlagene Foliendichtung 109 an die Innenseite des Deckelteils. Die beschriebene Knopfzelle 100 ist also eine Ausführungsform gemäß obiger Variante B. Der Separator 110 trennt die Elektroden 111 und 112 voneinander. Bei der Elektrode 112 handelt es sich um die positive Elektrode, bei der Elektrode 111 um die negative Elektrode. Zwischen der negativen Elektrode 111 und dem Deckelteil 101 ist eine Kontaktfeder 113 angeordnet, um gegebenenfalls auftretende Volumenänderungen der Elektroden kompensieren zu können. Der Separator 110, die Foliendichtung 109 und der Bodenbereich 106 des Zellenbechers definieren einen abgeschlossenen Hohlraum, in dem die positive Elektrode 112 angeordnet ist. Dieser ist gegenüber dem Anodenraum sauber getrennt, ein Kurzschluss ist somit nahezu unmöglich.
Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 200 (schematische Darstellung). Ein napfartig ausgebildetes Deckelteil 201 ist in ein napfartig ausgebildetes Becherteil 202 eingeschoben. Der Deckelteil 201 weist einen ebenen Bodenbereich 203 sowie einen sich bis zu einer Schnittkante 204 erstreckenden Mantel bereich 205 auf. Der Gehäusebecher 202 weist den ebenen Bodenbereich 206 sowie den Mantelbereich 207 auf. Dessen oberer Teil mit der Schnittkante 208 ist nach innen umgebördelt, dies gewährleistet den Zusammenhalt von Becherteil 202 und Deckelteil 201. Zwischen dem Becherteil 202 und dem Deckelteil 201 ist die Foliendichtung 209 angeordnet. Diese ist um die Schnittkante 204 des Deckelteils 201 herum ins Innere des Deckelteils umgeschlagen. Ausgehend von der Schnittkante des Deckelteils fallen Durchmesser und Radius des ins Innere umgeschlagenen Abschnitts der Foliendichtung in Richtung Bodenbereich des Deckelteils ab, was auf eine thermische Behandlung diese Abschnitts zurückzuführen ist, bei der es zu einem Schrumpfen der Foliendichtung kam. Der Separator 210 weist eine als kreisförmige Scheibe ausgebildete Grundfläche und einen sich daran anschließenden, im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich auf. Dieser Randbereich überlappt teilweise mit der um die Schnittkante 204 des Deckelteils 201 in dessen Inneres umgeschlagenen Foliendichtung 209, welche einen radialen Druck auf ihn ausübt. Aufgrund seines Durchmessers konnte der Separator 210 nur unter radialer Aufweitung des sich in Richtung des Bodens 203 verengenden nach innen umgeschlagenen Abschnitts der Foliendichtung 209 im Deckel 201 positioniert werden. Der nach innen umgeschlagene Abschnitt steht entsprechend zumindest in dem Bereich, in dem er mit dem Randbereich des Separators überlappt, unter Spannung. Die beschriebene Knopfzelle 200 ist also eine Ausführungsform gemäß obiger Variante A. Der Separator 210 trennt die Elektroden 211 und 212 voneinander. Bei der Elektrode 212 handelt es sich um die positive Elektrode, bei der Elektrode 211 um die negative Elektrode. Zwischen der negativen Elektrode 211 und dem Deckelteil 101 ist eine Kontaktfeder 213 angeordnet, um gegebenenfalls auftretende Volumenänderungen der Elektroden kompensieren zu können. Der Separator 210, die Foliendichtung 209 und der Bodenbereich 206 des Zellenbechers definieren einen abgeschlossenen Hohlraum, in dem die positive Elektrode 212 angeordnet ist. Dieser ist gegenüber dem Anodenraum sauber getrennt, ein Kurz- schluss ist somit nahezu unmöglich.

Claims

Patentansprüche
1. Knopfzelle, umfassend ein napfartig ausgebildetes Becherteil mit einem ersten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden ersten Mantelbereich, ein napfartig ausgebildetes Deckelteil mit einem zweiten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckenden zweiten Mantelbereich,
wobei das Deckelteil mit der Schnittkante voran in das Becherteil eingeschoben ist und mit diesem ein geschlossenes Gehäuse ausbildet,
eine Dichtung, die das Becherteil und das Deckelteil räumlich und elektrisch voneinander trennt,
eine positive Elektrode, die in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Becherteils steht,
eine negative Elektrode, die in elektrischem Kontakt mit dem ebenen Bodenbereich des Deckelteils steht und
einen Separator zwischen der positiven und der negativen
Elektrode, der diese voneinander trennt, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung eine Foliendichtung zum Einsatz kommt, die die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und über die Schnittkante des Deckelteils so weit nach innen umgeschlagen ist, dass sie zusammen mit dem Separator und dem Deckelteil einen geschlossenen Hohlraum bildet, in dem die negative Elektrode angeordnet ist.
2. Knopfzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Foliendichtung den Separator ringförmig umschließt und einen radialen Druck auf ihn ausübt.
3. Knopfzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator derart ausgebildet und im Gehäuse positioniert ist, dass er die nach innen umgeschlagene Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils presst.
4. Knopfzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator als Scheibe ausgebildet ist.
5. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator napfartig mit einer ebenen, als Scheibe ausgebildeten Grundfläche und einem sich daran anschließenden, bevorzugt senkrecht zur Grundfläche ausgerichteten umlaufenden Randbereich, ausgebildet ist.
6. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkante des Deckelteils im ebenen Bodenbereich des Becherteils aufsitzt.
7. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Foliendichtung um eine Dichtung aus einer thermoplastischen Folie, insbesondere aus Polyamid oder aus PEEK, handelt.
8. Verfahren zur Fertigung einer Knopfzelle, insbesondere einer Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Deckelteils mit einem ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer Schnittkante erstreckenden Mantel bereich, Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Becherteils mit einem ersten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer ersten Schnittkante erstreckenden ersten Mantelbereich,
Bereitstellen eines napfartig ausgebildeten Deckelteils mit einem zweiten ebenen Bodenbereich und einem sich daran anschließenden, bis zu einer zweiten Schnittkante erstreckenden zweiten Mantelbereich,
Aufbringen einer Foliendichtung auf den Außenmantel des Deckelteils, so dass die Foliendichtung die Außenseite des Deckelteils im Mantelbereich manschettenartig umschließt und ein umlaufender Abschnitt der Foliendichtung über die Schnittkante des Deckelteils hinausragt,
Umschlagen des über die Schnittkante des Deckelteils hinausragenden Abschnitts der Foliendichtung um die Schnittkante des Gehäusehalbteils herum ins Innere des Deckelteils,
Einbringen von negativem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, Positionieren eines Separators im Deckelteil, derart, dass dieser mit der Foliendichtung und dem Deckelteil einen geschlossenen Hohlraum bildet, in dem das negative Elektrodenmaterial eingeschlossen ist,
Gegebenenfalls Einbringen von positivem Elektrodenmaterial in das Deckelteil, insbesondere in eine von Foliendichtung und Separator gebildete napfformige Aufnahme für die positive Elektrode,
Einschieben des Deckelteils in das Becherteil und
Verschließen der Zelle, insbesondere durch Umbördeln.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Schnittkante des Deckelteils hinausragende Abschnitt der Foliendichtung vor, während und/oder nach dem Umschlagen um die Schnittkante des Gehäusehalbteils herum ins Innere des Deckelteils wärmebehandelt wird, so dass er sich zusammenzieht und sich sein Radius verringert.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Separators derart gewählt wird, dass er nach seiner Positionierung im Gehäuse den umgeschlagenen umlaufenden Abschnitt der Foliendichtung radial an die Innenseite des Deckelteils drückt/presst und/oder der umlaufende Abschnitt der Foliendichtung einen radialen Druck auf den Separator ausübt.
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