JP5679667B2 - 高応力用ガルバニ素子 - Google Patents

Description

本発明は、特に、カソード、アノード、電解質、アノードとカソードとの間に配列されたセパレータ、及びハウジングを備えたボタンセル型のガルバニ素子に関する。ハウジングは、ハウジングカップ、ハウジングカバー、及びシール要素を含み、該シール要素は、ハウジングカップをハウジングカバーに対して絶縁する。

特にボタンセル（電池）形のタイプのガルバニ素子は、一般に、このタイプのハウジングを有する。このタイプのガルバニ素子は、例えば、亜鉛／二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）、一次リチウムシステム、或いは、ニッケル／カドミウム、ニッケル／金属水素化物、又は２次リチウムシステムなどの２次システムといった、幅広い種類の電気化学システムを包含することができる。

このようなセルの液密閉鎖は、一般に、プラスチック材料のリングと関連してハウジングカバーの縁部の上にカップ縁部をフランジ成形することによって行われ、該プラスチック材料のリングは、ハウジングカップとハウジングカバーとの間に配置され、シール要素として、同時にハウジングカップをハウジングカバーから絶縁するものとして使用される。このタイプのボタンセルは、例えば、ドイツ特許ＤＥ３１ １３３０９号から公知である。

このタイプの公知のガルバニ素子において、セパレータは一般に、アノードとカソードとの間にサンドイッチ様に配置され、これら３つの構成要素は、互いに同心状に配列されている。この場合、狭い周辺ギャップがセパレータとシール要素との間に残されている。加えて、セパレータは、特にガルバニ素子への高い機械的応力がある場合においては、カソード及びアノードに対してずれ動き、これにより既存のギャップが拡大される。従って、例えば高温又は大きな温度変動によってガルバニ素子の応力が重度である場合、或いはガルバニ要素が高い加速度又は圧力差に曝されている場合、カソードの粒子が放出されて、外部上のセパレータの周囲で移動が生じる可能性がある。これは、セルの短絡につながる可能性があり、電池の急速且つ非制御の自己放電を引き起こす。

ドイツ特許公開ＤＥ３１１３３０９

本発明は、上記の不都合な現象が確実に回避される最初に述べたタイプのガルバニセルを提供する目的に基づいている。

この目的は、シール要素がセパレータに固く結合される点において本発明により達成される。すなわち、セパレータとシール要素との間の周辺ギャップ（そこを通ってカソード（或いはアノード）からの粒子がセパレータの回りで移動する不都合を生じる）は、もはや存在しない。また、セパレータのずれ動きは可能ではない。従って、例えば高加速度又は高温の場合といった高負荷の場合でも、長い有効寿命を有するガルバニ素子が得られる。

本発明の好ましい実施形態によれば、シール要素は、実質的に環状であり、周囲全体に沿ってセパレータに固く結合される。ガルバニ素子は、周囲全体に沿った連続結合部によって互いに分離された２つのチャンバに分割され、アノードがチャンバの一方内に配置され、カソードが他方のチャンバ内に配置される。従って、セパレータ周囲の個々の粒子の移動が阻止される。

セパレータは、シール要素に溶接することができる。或いは、セパレータはまた、シール要素に接着することができる。他のタイプの締結も想定され、恒久的結合が得られることは明らかである。

半径方向で実質的にＵ字断面を有するシール要素を用いるのが好ましい。このタイプのシール要素は、従来技術から十分に公知であり、一般に、請求項１の前段によるガルバニセルに使用される。本発明の好ましい実施形態によれば、セパレータは、シール要素のＵ字の半径方向で内側側部を越えて、すなわち内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出する。この場合、セパレータは、シール要素のこの内側シールリップに固く結合されるのが好ましいので、シール要素の内側シールリップと共に、例えばカソードである電極を受けることができるカップ様ユニットを形成する。

シール要素の内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出するセパレータの一部は、好ましくは、セパレータの中央領域が配置される平面に対して実質的に垂直に曲がり、その結果、内側シールリップに沿ってシール要素のＵ字に延びる。この場合、内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出するセパレータの一部は、好ましくは、ハウジングカバーとシール要素の内側シールリップとの間でクランプされる。従って、セパレータは、例えば接着又は溶接結合によって所定位置に保持されるだけでなく、セパレータもずれ動きをせず、従って、セパレータがハウジングカバーとシールとの間でクランプされることにより、ギャップの生成も阻止される。従って、固定の追加が達成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、ガルバニ素子は更に、ハウジングカップ又はハウジングカバー上に支持される少なくとも１つの導電性バネ要素を備え、導電性中間要素によってセパレータの方向でカソード又はアノードを押圧する。この場合、カソード又はアノードは、中間要素及びバネ要素によってハウジングカップ又はハウジングカバーと電気的に接触する。１つのバネ要素だけが使用される場合、これはカソード側に配置されるのが好ましく、すなわち、ハウジングカップ上に支持されて、バネとカソード間に配置される導電性中間要素によってセパレータ方向でカソードを押圧する。何れの場合においても、バネ要素がアノード側とカソード側の両方で使用される解決策が特に好ましい。

バネ要素は、一方のカソード又はアノードの電気活性材料と、他方のハウジングとの間の電気的接触の信頼性を高めるのに使用される。カソード又はアノード材料とハウジングとの間の接触抵抗は、温度作用又は高い機械的応力によって増大する可能性があるので、接触が低下する。これは、特に、電気活性材料が既に消費されている場合に当てはまる。バネ要素は、片側でハウジングと電気的に接触し、反対側では、導電性中間要素をカソード又はアノード上に押圧し、よって、カソード又はアノードとハウジングとの間で導電性接触が常に生成される。従って、信頼性のある電気的接触が保証される。

バネ要素は、ハウジングカップ又はハウジングカバーに固く結合され、例えば溶接されるのが好ましい。ハウジングカップ又はハウジングカバーへのこのバネ要素の剛体結合は、ガルバニ素子の実際の組み立て前に生成することができる。従って、バネ要素は、ハウジングカップ又はハウジングカバーに対して事前に中心に位置付けることができ、後続の組み立て中にもはやずれ動きをすることはできない。

本発明の特に好ましい実施形態によれば、バネ要素は、中心に対して対称的に配列された少なくとも３つのバネアームを有する。この場合、バネアームの各々は、導電性中間要素上に載る接触面を有する。バネの押圧力は、これらのアームが星形に配列されていることによって、導電性中間要素全体に均一に分配され、よって、中間要素は、アノード又はカソードの方向でセパレータの平面に対して垂直に押圧される。その結果、中間要素は、大きな接触面全体にわたり３つのアームの押圧力を分配するのに使用され、よって、バネ要素のアームは、電極の電気活性材料内に貫通することはできない。

例えば、導電性中間要素は、中央凹部を備えた円形ディスクを含み、該円形ディスクの直径は、カソード及びアノードの直径に相当する。凹部があることによって、活性材料のスペースが得られる。原理上は、狭い環状ディスクが導電性中間要素として十分であり、その上にバネアームが支持される。

ガルバニ素子の分解図を示す。 図１のガルバニ素子の部分分解図を示す。 図１及び２からのガルバニ素子を通る断面図を示す。

添付図面を参照しながら、本発明を好ましい実施形態を用いて以下でより詳細に説明する。

図３は、本発明による、本明細書ではボタンセルであるガルバニ素子を通る断面を示している。図１は、組み立て前のボタンセルの個々の構成部品を示している。図２は、セルの最終組み立ての前の中間段階を示しており、個々の構成部品が既に互いに組み立てられている。本発明を理解するために正確な寸法は重要ではないので、各図面は、縮尺通りではない。

Ｕ字形断面を有する環状シール要素２０がハウジングをシールするために使用される。このシール要素は、同時に、ハウジングカップ１４及びハウジングカバー１２を互いに電気的に絶縁するために使用される。Ｕ字形断面を有するこのタイプのシールリングの使用は、従来技術から公知であり、よって、シール要素、並びにセルが完全に組み立てられたときのカップ１４とカバー１２との間のシール要素の位置（図３参照）についての詳細な説明は本明細書では記載しない。

ハウジングカップ１４内にはバネ要素２４が嵌装されており、該バネ要素は、ハウジングカップと同様に、例えば金属薄板などの導電性材料から精密に製作される。例えば、バネ要素は、好適な金属板から打ち抜き、次いで所定形状に曲げることができる。図１及び２で分かるように、バネ要素２４は、実質的に環状の中央部品２６を有し、ここから３つのアーム２８が矩形の基本面を有して同じ長さまで延びて、星形形状を成している。各々において、２つの隣接するアーム２８間には角度１２０度が位置付けられる。３つのアーム２８は、ハウジングカップ１４から外向きに離れて角度が形成される。セルが組み立てられる前に、ハウジングカップ１４にバネ要素２４が溶接される。図２は、最上部にバネ要素２４が溶接されたハウジングカップ１４を示しており、バネ要素２４の中央部品２６がハウジングカップ１４内に中心に嵌装され、ハウジングカップ１４の基部上に平坦に置かれ、他方、３つの角度付きアーム２８はカップ１４の基部から離れており、以下でより正確に説明するような所望のバネ力が確保されることが分かる。

例えばリチウム板であるアノード１６は、通常はハウジングカバー１２の側部に配置される。ハウジングカップ１４の側部上には、例えばプレスした二酸化マンガン（ＭｎＯ₂）板とすることができるカソード１８が配置される。

図１に別個に図示され、バネ要素２４とカソード１８との間の導電性中間要素として使用される支持リング３０は、バネ要素２４を備えたカップ１４とカソード１８との間に配置される。この支持リング３０は、実質的に、同心円凹部３２を有する円形基部のカップの形状を有し、該基部に対して垂直な円筒壁を有する。支持リング３０は、この場合には、カソード１８を受けるのに過不足のない大きさがある。ボタンセルを組み立てる前に、図２に示すように、カソード１８が支持リング３０内に挿入される。バネ要素２４がアノード側で使用される場合、このタイプの支持リングではなく導電性中間要素として簡単な金属円形ディスクを用いてもよく、少なくとも、アノードとして金属リチウム板を有する本明細書で選択された実施例と同様に、縁部には支持体を必要としない。

アノード１６及びカソード１８は、円形ディスク様セパレータ２２によって従来のように互いに分離されている。従来技術から公知のボタンセルにおいて、セパレータ２２は、アノード１６及びカソード１８と実質的に同じ直径を有するが、本明細書においては、特に図１で分かるように、セパレータ２２は、カソード１８及びアノード１６よりも大きな直径を有する。

ボタンセルを組み立てる前に、セパレータ２２及びシール要素２０は既に、締結領域２１において互いに結合されている。シール要素２０をセパレータ２２に結合するために、例えば、内側シールリップ（すなわち、シール要素２０のＵ字の内側）は、その上部を接着剤でコーティングすることができる。次いで、セパレータ２２をシール要素２０上の中心にあるように配置されて圧力が加えられ、その結果、締結領域２１において環状接着結合部が得られる。或いは、セパレータもまたシール要素２０に溶接されるか、又は異なる手法でシール要素に締結されてもよい。

図２は、シール要素２０に接続されたセパレータ２２を示しており、依然として実質的に平面内に延びることが分かる。この場合、セパレータ２２は、Ｕ字形シール要素２０の内側シールリップ上に置かれ、この内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出しており、よって、その外側縁部は、Ｕ字形シール要素の開口の上に軽く載置される。

図３に示すボタンセルの組み立ての間の手順は以下の通りである。最初に、バネ要素２４を上述のようにカップ１４に溶接する。カソード１８を支持リング３０に挿入する。更に、セパレータ２２もまた、上記で既に説明したようにシール要素２０に結合する。アノードを形成するリチウム板１６をハウジングカバー１２に押し付ける（図２と比較）。これらの中間段階を行った後、図２に示す構成が得られる。

次いで、アノード１６が嵌装されたカバー１２を、既にセパレータ２２に結合されているシール２０へと押しつける。このプロセスにおいてハウジングカバー１２の縁部は、シール要素２０の内側シールリップを越えて外向きに突出するセパレータ２２の半径方向外側領域を折り畳み、その結果、該外側領域を図３に示す位置に押圧する。ここで、セパレータ２２は、ハウジングカバー１２とシール要素２０との間で外周部においてクランプされ、従って、ずれ動きに抗して二重に固定される。これにより、セパレータ２２によって互いに分離された２つのチャンバへのセルの内部の分割が得られる。カソード（又はアノード）から粒子が脱離したとしても、これらはセパレータ２２の回りで移動して、短絡を引き起こすことはできない。

次の段階では、予め電解質で含浸されて支持リング３０内に挿入されたカソード１８をシール要素２０内でセパレータ２２上に配置する。

最後に、溶接されたバネ要素２４と共にハウジングカップ１４をハウジングカバー１２上に付勢し、プレス機によってボタンセルを閉鎖する。

図３で分かるように、支持リング３０の円形ディス様基部は、バネ要素２４のアーム２８に対する接触面として使用される。支持リング３０及びカソード１８の方向で整列したバネ要素のアーム２８は、支持リング３０ハウジングカップ１４から離れてカソード１８上に押圧する。従って、バネ要素２４及び支持リング３０によってカップ１４とカソード１８との間に電気的接触が生成される。カソード材料が消耗した場合でも、及び電池が高い機械的応力、高温、又は高圧に曝された場合でも、バネ要素２４及び支持リング３０の結果として、信頼性のある接触が保証される。

１２ ハウジングカバー
１４ ハウジングカップ
１６ アノード
１８ カソード
２０ シール要素
２１ 締結領域
２２ セパレータ
２４ バネ要素
２６ バネ要素の中心領域
２８ バネ要素のアーム
３０ 支持リング
３２ 支持リングの凹部

Claims (6)

1. カソード（１８）と、アノード（１６）と、電解質と、アノード及びカソード間に配列されたセパレータ（２２）と、ハウジングとを備え、前記ハウジングが、ハウジングカップ（１４）、ハウジングカバー（１２）、及びシール要素（２０）を含み、該シール要素（２０）が前記ハウジングカバー（１２）に対して前記ハウジングカップ（１４）を絶縁する、ガルバニ素子であって、
   前記シール要素（２０）の内側リップと前記セパレータの周縁とを接着または溶接することによって前記シール要素（２０）が前記セパレータ（２２）に結合され、さらに 前記シール要素（２０）の内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出する前記セパレータ（２２）の一部が、前記ハウジングカバー（１２）と前記シール要素（２０）のこのシールリップとの間でクランプされ、さらに、
   前記ガルバニ素子が少なくとも１つの導電性バネ要素（２４）を備え、該導電性バネ要素が、前記ハウジングカップ（１４）上又は前記ハウジングカバー（１２）上で支持され、導電性中間要素（３０）を用いて前記セパレータ（２２）の方向で前記カソード（１８）又は前記アノード（１６）を押圧し、前記カソード（１８）又は前記アノード（１６）が、前記導電性中間要素（３０）及び前記導電性バネ要素（２４）によって前記ハウジングカップ（１４）又は前記ハウジングカバー（１２）と電気的に接触し、かつ、
   前記導電性中間要素（３０）が、中央凹部（３２）を備えた円形ディスクを含み、その直径が、前記カソード（１８）又は前記アノード（１６）の直径に実質的に相当する、
   ことを特徴とするガルバニ素子。
2. 前記シール要素（２０）が実質的に環状であり、周囲全体に沿って前記セパレータ（２２）に結合されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のガルバニ素子。
3. 前記シール要素（２０）が半径方向で２つのシールリップを備えた実質的にＵ字形断面を有し、
   前記セパレータ（２２）が、前記半径方向で前記内側シールリップを少なくとも越えて半径方向外向きに突出する、
   ことを特徴とする請求項１〜２の何れか１項に記載のガルバニ素子。
4. 前記セパレータ（２２）が、前記シール要素（２０）の内側シールリップに結合され、 この内側シールリップを越えて半径方向外向きに突出する前記セパレータ（２２）の一部が、前記シール要素（２０）から半径方向内向きに配置された領域に対して実質的に垂直に曲げられる、
   ことを特徴とする請求項３に記載のガルバニ素子。
5. 前記バネ要素（２４）が、前記ハウジングカップ（１４）又は前記ハウジングカバー（１２）に溶接されている、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガルバニ素子。
6. 前記バネ要素（２４）が、中心に対して対称的に配列された少なくとも３つのバネアームを有し、各々において前記導電性中間要素（３０）上に載る接触面を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガルバニ素子。

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