NO863025L - Metall/luft-celle. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører knappetypemetall/luftceller og spesielt konstruksjonen av varierende høye batterier og forhindring av lekkasje fra sink/luftceller, spesielt med form som flercellede batterisammensetninger.

Den vanligste struktur for metall/luftceller såsom sink/- luftceller er knappetypeformen. Slike celler konstrueres generelt med en kopp med åpninger, generelt også cellebeholderen, som omfatter den positive terminal for cellen og inneholder en katalytisk katode og et hydrofobsjikt av et materiale såsom polytetrafluoretylen (PTFE) tilstøtende åpningene for å forhindre elektrolyttlekkasje, men som tillater depolariserende luftinnstrømning. En celletopp som lukker cellene omgir sinkano-den og utgjør den negative terminal. Da det aktive katodemate-rialet er luft som konstant utskiftes har slike celler større kapasiteter enn celler av andre typer med tilsvarende størrelse og er i alminnelighet av liten størrelse. Pga. denne lille størrelsen har det imidlertid vært vanskelig å konstruere flercellede batterier med standardstørrelser og spenninger fra slike celler. I tillegg er bruk av avstandsholdere for å bygge opp cellestørrelser ikkeønskelig, da de har tendens til å blokkere adgangen til åpningene som kreves for luftinnløp. I tillegg har slike celler en viss tendens til elektrolyttlekkasje, da åpningen som er nødvendig for luftinngang også kan tjene som passasjer for uønsket elektrolyttutslipp. Bruk av luftgjennom-trengelige hydrofobe materialer såsom PTFE for å blokkere passasjene og forhindre elektrolyttlekkasje, mens innløp av depolariserende luft samtidig tillates, har generelt vært effektiv ved forhindring av slik lekkasje. Over lange lagrings-tidsrom og ved slutten av tømmingen kan imidlertid lekkasje opptre i slike celler og er et problem som må unngås.

Det er et mål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning for å tillate konstruksjonen av varierende høyde hos flercellede batterier av knappecelletypen av metall-luftceller.

Det er et videre mål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en cellestruktur som i det vesentlige hindrer elektrolyttlekkasje utad uten å vesentlig påvirke driften av metall/luft-depolariserte celler.

Det er et videre mål for foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe slike utformede celler i flercellede batterier, hvori lekkasje vesentlig hemmes.

Disse og andre mål, trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bli klarere fra den følgende omtale, samt tegningene, hvori: Figur 1 er en isometrisk avbildning av en celle ifølge foreliggende oppfinnelse med et høydeøkende katodelokk plassert på seg; og Figur 2 er et høydesnitt av et flercellet batteri hvor hver av cellene har et katodelokk med lekkasjebeskyttende absorpsjonsmateriale i seg.

Generelt omfatter den foreliggende oppfinnelse en metall/- luftcelle, spesielt med en knappetypeform omfattende et metall, spesielt sink, anode, en katalytisk, luftdepolariserende katode og en væskeformet elektrolytt, spesielt en vandig alkalisk KOH-løsning i en lukket sylindrisk cellebeholder med en forutbestemt størrelse, idet cellebeholderen har åpninger i en stilling derav nær katoden for å la omgivelsesluft komme inn i cellen. Et sylindrisk lokk med lukket ende settes på for å øke den forutbes-temte høyde til en større høyde, hvorved eksisterende celler kan brukes til å konstruere fler-cellede batterier med varierende høyder. Lokket er fortrinnsvis plassert på cellen i en stilling nær åpningene som kreves i en slik celle for katodedepolari-serende luftinnløp. Lokket har i en slik stilling i seg selv åpninger enten i enden eller sideveggene derav eller begge deler og luftinnløpet dempes ikke nevneverdig ved dette. I tillegg inneholder lokket nær katoden fortrinnsvis et luftgjennomtrengelig elektrolyttabsorbentmateirale med tilstrekkelig volum til å effektivt immobilisere eller nøytralisere korroderende elektrolytt som lekker ut før den forlater cellebeholderen. I cellen ifølge foreliggende oppfinnelse danner katodelokket ikke noen del av den lukkede cellestruktur, men er et ytterligere element til den avsluttede celle. Katodelokket består fortrinnsvis av tynt metall for at det skal kunne brukes som en terminal for katoden. Hvis imidlertid katoden er elektrisk tilgjengelig utenfor katodelokket, kan et slikt lokk være laget av en rekke materialer såsom smeltet eller porøst plast, varmekrympet materiale, et papirprodukt eller en kombinasjon av materialer.

Katodelokket bør i kanten stemme overens med formen av katodehuset som det er stilt side om side med å bør være tynt, men mekanisk sterkt. Lokket overlapper i det minste en del av sideveggene til cellen og omgir derved fortrinnsvis fullstendig kanten av cellebeholderen. Diameteren av lokket tilsvarer denønskede diameter for den ferdige celle. Høyden av cellebeholderen med lokkhøydeforlengelsen er som for den ønskede celle i et flercellet batteri. En tett pressetilpasning av katodelokket på cellen er en foretrukket økonomisk festemetode til lokkets strukturelle form og, cellen benyttes til å gi gjennomført avsluttede lukkede celler med jevne dimensjoner. Lokkets innsidediameter ved sin åpne ende bør være minst lik den utvendige diameter av cellebeholderen for å oppnå riktig plassering. Om ønsket, kan lokkene kantsveises til cellene eller klebes med et ledende klebemiddel såsom et ledende epoksylim. Det er ønskelig at katodelokket kan avtrappes til en mindre diameter enn cellen ved sin lukkede ende. Denne form sikrer et posistivt sete av katodelokktrinnet på cellebeholderen for å gi den nødvendige høyde (summen av cellebeholderhøyden og avstanden fra trinnet til den lukkede ende). Det porøse absorpsjonsmaterialet er plassert innenfor et slikt mindre diameterområde i en stilling nær cellens lufthuller.

I en metall/luftcelle hvor kilden for den nødvendige luft er utenfor cellen, gir anvendelse av et lokk på katoden et problem med hensyn til celleanvendeligehet, da katodelokket i det vesentlige dekker cellens åpninger som tillater innstrømning av depolariserende luft. Følgelig må et slikt lokk ha åpninger for å gi et luftinnhold med lignende hastighet. Det er imidlertid et videre problem med hensyn til luftinnløp og celleegenskap. Luftinnløp gjennom katodelokket til celleåpningene og cellekatoden påvirkes også av absorbentmaterialet i lokket inntil celleåpningene. Det foretrekkes derfor at slike lokkåpninger er større og/eller større i antall enn selve cellens åpninger for å opprettholde en luftstrømningshastighet som generelt tilsvarer cellens uten lokk. I tillegg bør typen absorpsjonsmateriale og dets form inne i katodelokket være tilstrekkelig porøst til å tillate i det vesentlige upåvirket eller bare svakt påvirket luftinnstrømning i forbindelse med de forstørrede eller mer tallrike katodelokkåpninger.

Absorpsjonsmaterialet er fortrinnsvis av en superabsorbent polymertype for større volumetrisk virkningsgrad ved absorpsjon av elektrolyttlekkasje. Imidlertid, må et slikt materiale være av en ikke-uttørkende type for å ikke påvirke fuktighetsinnholdet i den luftdepolariserte celle under tett lagring. Eksempler på egnede absorpsjonsmaterialer er stivelsespodingskopolymerer, karboksymetylcellulose og andre materialer som generelt brukes med celleelektrolytter for geling eller absorpsjon derav. Da luftdepolariserte celler ikke kan virke uten tilgang på depolariserende til cellekatoden utenfra, må absorpsjonsmaterialet være luftgjennomtrengelig i slik grad at cellevirkningen ikke nedset-tes. Følgelig foretrekkes det at absorpsjonsmaterialet befinner seg på eller i et porøst substrat og er plassert i cellelokket i en stilling mellom cellens åpninger og lokkets åpninger. Et eksempel på et slikt absorpsjonsmateriale er absorberende pulvere såsom stivelsespodingskopolymerer laminert på sjiktmateriale såsom papirvev. Fiberabsorpsjonsmaterialer såsom bomull, gir selv om det ikke er slikt absorpsjonsmateriale som superabsorp-sjonsmaterialene, ikke desto mindre den fordel at den tillater større mengder luft å trenge gjennom. Andre absorpsjonsmaterialer er bomullslinters, absorpsjonspolymere basert på ark og filterpapir. Mengden av absorpsjonsmateriale som skal anvendes avhenger av dets absorpsjonsevne og generelt bør en slik mengde være tilstsrekkelig til å absorbere minst 10% av elektrolytten i cellen for å sikre at det ikke vil være noen lekkasje utad. En foretrukket form av absorpsjonsmaterialet omfatter skiver, skåret fra en plate som er dimensjonert til å passe i katodelokket. Løse partikkel- eller pulverformede absorpsjonsmaterialer må ha en størrelse som ikke vil falle ut av lufthullene i lokket eller på uønsket måte tilstoppe cellens lufthuller.

Idet det spesielt vises til tegningene viser figur 1 en knappetype-sink/luftcelle 1 med åpninger 6 i seg som tillater adgang av depolariserende luft til cellekatoden deri under åpningene. Katodelokket 5 er dimensjonert til å trykkes på over katodeenden til cellen 1 og derved dekke åpninger 6. Åpninger 2 i katodelokket 5 er vist større enn åpningene 6 og er dimensjonert til å holde en ekvivalent luftstrømhastighet til cellekatoden, da luftstrømmen påvirkes av et absorpsjonsmateriale i katodelokket i området mellom åpningene 2 og 6.

Absorpsjonsmaterialet 4 ser man klarere på figur 2, hvor en stabel av fire knappeceller la-d er vist å danne et batteri 10. Katodelokket 5 av hver av cellene består av en tynn metallkopp som overlaper sidene av den respektive celle for å gi en frik-sjonstilpasning. Cellene la-d er anordnet i serier med krympet sylindrisk hylse 7 med katodelokk 5 av cellene la-c som gir de elektriske serier forbindelse mellom slike celler og anodetermina-lene 8 av de respektive tilstøtende naboceller lb-d. Katodelokket 5 av cellen ld og anodeterminalen 8 i cellen la gir de utvendige terminalkontaktpunkter. Katodelokk 5 har avtrappet form med avsnittet 5a med redusert diameter sammenlignet med avsnitt 5b som overlapper sidene til de respektive celler. Den ferdige cellehøyde er høyden til avsnitt 5a pluss av den opprinnelige celle. Trinnet 5c med reduksjon i diameter gir posistivt sete for katodelokket på de respektive celler til en ønsket jevn høyde. Sylindriske hylser 7 omgir tett avsnittet 5b av katodelokkene 5 med avsnittet 5a av katodelokkene 5 adskilt fra hylsens vegger. Følgelig får man lufttilgang til åpningene i veggene av lokket 5 for innløp til hver av cellekatodene, hvis katodelokket har de eventuelle sideveggsåpninger som vist i figur 1.

For å beskrive virkningen av foreliggende oppfinnelse klarere presenteres de følgende eksempler. Det må være klart at slike eksempler gis i bare illustrerende hensikt, og at detaljene i disse ikke må anses som begrensninger av foreliggende oppfinnelse. Med mindre annet er angitt er alle deler vektdeler.

Eksempel 1

En knappetypecelle med en diameter på 1,55 cm og en høyde på 0,61 cm inneholder en sinkanode og en katalytisk luftdepolarisert katode. Cellen inneholder en vandig 30% KOH elektrolytt. Fire åpninger i endeveggen av cellebeholderen ved dens katodeside som vist i figur 1 er hver på 0,046 cm diameter for å tillate tilgang på luft til den katalytiske katode gjennom et hydrofobt PTFE-sjikt. Et sylindrisk trinnformet katodelokk med lukket ende av 0,025 cm tykt nikkelplettert stål med dimensjonene 0,83 cm total høyde, en diameter på 1,57 cm ved sin åpne ende og 1,32 cm ved sin lukkede ende presses fast på cellen med en overlapping av lokket og cellen på 0,52 cm til den trinndannede del av lokket. Fire lufthull formes i lokkets ende hvor hvert har en diameter på 0,1 cm i en utforming som vist i figur 1. En absorberende skive av bomull med en hovedsakelig samme diameter som lokkets innven-dige diameter ved sin lukkede ende (1,57 cm) er satt inn i lokket nær dettets lufthuller. Bomullskivens tykkelsen er 0,38 cm med en elektrolyttabsorpsjonsevne på 20 ganger sin vekt. Vekten av bomullskiven er ca. 0,025 g med en absorpsjonskapasitet på 0,5 g, hvilket er mer enn tilstrekkelig til å absorbere hele elektrolytten i cellen. Cellens kapasitet er 950 mAtimer med en begren-sende strøm på 30 mA.

Eksempel 2

Fire celler fremstilt ifølge eksempel 1 stables i et serieanordnet 5,6 volt batteri som vist i figur 2 med dimensjoner på ca. 1,68 cm diameter og en høyde på ca. 4,52 cm. Batteriet gir ca. 35 timers brukstid til en 3,6 volt spenning ved en 200 ohm belastning. Ved stablingen av cellene er det en reduksjon av strømføringsevnen til ca. 25 mA. Imidlertid krever de fleste anvendelser for sink/luftceller fra ca. 4 til 6 mA strømføringsevne.

Cellen i eksempel 1 og cellene og batteriet i eksempel 2 viser ingen lekkasje utad selv etter fullstendig tømming.

Det er klart at de ovenstående eksempler tjener illustrerende hensikter og at forandringer kan foretas i cellekomponenter og utforming uten at man fjerner seg fra oppfinnelsens omfang som er definert i de følgende krav.

Claims (10)

1. Metall/luftcelle omfattende en metallanode, en katalytisk luftdepolariserende katode og en flytende elektrolytt i en lukket sylindrisk cellebeholder med forutbestemt hø yde, hvori cellebeholderen har åpninger i en del derav nær katoden som tillater omigvelsesluft å komme inn i cellen, karakterisert ved at et sylindrisk lokk med en lukket ende er fastgripende plassert på cellebeholderen, hvorved cellens høyde dervedø kes til en ønsket høyde.

2. Metall/luftcelle ifølge krav 1, karakterisert ved at metallet er sink.

3. Metall/luftcelle ifølge krav 2, karakterisert ved at den lukkede sylindriske cellebeholder har knappetypecelleform.

4. Metall/luftcelle ifølge krav 3, karakterisert ved at den lukkede sylindriske cellebeholder har åpninger i en endevegg derav, og det sylindriske lokk er satt på endeveggen for å bevirke økning av høyden og at lokket har åpninger for å tillate omgivelsesluft å komme inn i cellen.

5. Metall/luftcelle ifølge krav 4, hvori den flytende elektrolytt består av en vandig KOH-løsning, og er karakterisert ved at det sylindriske lokk inneholder et porøst luftgjennomtrengelig absorpsjonsmateriale i en tilstrekkelig mengde til å absorbere eller nøytralisere minst 10 vektprosent av elektrolytten.

6. Metall/luftcelle ifølge krav 5, karakterisert ved at absorpsjonsmaterialet er et ikke-tørkende materiale valgt fra gruppen bestående av stivelsespodingskopolymerer, karboksymetylcellulose, bomulls"linters", absorberende polymerer og filterpapir.

7. Metall/luftcelle ifølge krav 5, karakterisert ved at absorpsjonsmaterialet er et ikke-tørkende pulvermateriale på et luftgjennomtrengelig substrat.

8. Metall/luftcelle ifølge krav 5, karakterisert ved at åpningenes totalflate på det sylindriske lokk er større enn totalflaten til cellebeholderens åpninger, hvorved omgivelsesluft kommer inn i cellen ved hovedsakelig samme hastighet som den kommer inn i cellen uten lokket med absorpsjonsmaterialet i.

9. Metall/luftcelle ifølge krav 5, karakterisert ved at det sylindriske lokk består av et ledende metall og virker som en utvendig positiv terminal for cellen og videre er karakterisert ved at det sylindriske lokk består av en trinnsylinder med en åpen ende med en diameter som minst er lik den utvendige diameter av cellebeholderen, hvorved den åpne ende er tettsittende plassert på cellebeholderen, og hvor lokket videre omfatter et sirkulært omskrivende innadrettet trinn til mindre diameter enn cellebeholderen, hvorved trinnet sitter på cellebeholderen, idet trinnet befinner seg slik på lokket at summen av avstanden fra trinnet til den lukkede ende og cellebeholderens høyde er lik den ønskede høyde.

10. Anvendelse av minst to celler ifølge krav 1 ved fremstilling av et batteri.