WO2001097299A1 - Lithium-flachzelle - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a flat lithium cell, consisting of a first housing part for receiving a first thin film electrode, a second housing part for receiving a second thin film electrode and a separator arranged between the thin film electrodes.
  • Such flat cells are known in particular from US Pat. No. 5,558,957 and EP Pat. No. 862,227.
  • US Pat. No. 5,558,957 describes a cell in which the electrodes and the separator are accommodated in a complex housing with a special frame and multi-layer dissipation foils. Due to the complexity of the housing, there are no bonds in several layers and directions, with the result that the mechanical strength and conductivity of this known cell are questionable.
  • EP 862.227 describes a cell of the type mentioned at the outset, in which the structure itself appears to be simpler, but has to be bought with the difficulty that the leads of the electrodes have to be led through an enclosing housing film with the associated sealing problems. This known proposal attempts to solve these sealing problems in that the leads have a mesh structure. However, this in turn has a negative impact on the efficiency of the leads and their mechanical strength.
  • DE 31222658 describes a battery in which the separator projects into an area between the cup part and the cover part of the battery, a seal being inserted between the cup and cover part.
  • the cup part is a particularly dimensionally stable, rigid part in order to absorb the forces that occur when the rim of the cup is flanged over the cover part. These flaring forces, which are dangerous for the separator, are absorbed in particular by a stiffening bead on the cup part.
  • the battery described here is deliberately rigid and relatively heavy with a large amount of material and complex construction.
  • the object of the present invention is to propose a flat cell in which
  • data carrier cards e.g. Smart cards that can be used.
  • the invention achieves this object in that the housing parts are formed from electrically conductive foils, in that the separator has electrically insulating sealing material in the region of the contact points of the two housing parts, and in that the two housing parts are connected to the separator by means of the sealing material to form a closed housing.
  • the cell according to the invention is particularly suitable for installation in data card systems as thick as plastic cards.
  • the foils forming the housing parts are metallic foils. This configuration eliminates the need for a separate carrier film according to EP 862.227 and the associated tightness problem.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a flat cell according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a flat cell according to the invention in another embodiment.
  • the flat cell according to the invention shown schematically in section, comprises a first housing part 1, the dimensions of which determine the size of the flat cell.
  • This housing part 1 can have any suitable or desired shape.
  • this first housing part 1 carries a first electrode 3 (cathode) made of a lithium-intercalating active material, such as Transition metal oxides (manganese oxide, lithium cobalt oxide, etc.)
  • the second housing part 2 carries the second electrode 4 (anode) made of electrochemically active material, such as Lithium foil or graphite, and with its housing edge faces the housing cover with the interposition of the separator 5.
  • the peripheral edge of the second housing part 2 is preferably smaller than the corresponding peripheral edge of the first housing part 1.
  • the separator 5 made of an electrolyte-containing film has an electrically insulating adhesive and sealing material 5 ⁇ on its peripheral edge or in the area of contact between the two housing parts 1, 2 ,
  • the inside of at least one of the housing parts 1, 2 is coated with an electrically conductive conductor and adhesive in the area in which they carry the electrodes 3, 4.
  • the foils forming the housing parts 1, 2 are metal foils made of copper, aluminum, titanium or stainless steel with a thickness of 12 to 50 ⁇ m and preferably 15 to 25 ⁇ m.
  • the sealing material 5 ⁇ on the separator 5 for connecting and sealing the two housing parts 1, 2 is a heat-sealable polymer film and is sealed at 80 to 130 ° C. at the points of contact of the housing parts 1, 2.
  • the sealing material 5 preferably a multilayer structure made of modified polymers such as polypropylene, polycarbonate or polyethylene terephthalate.
  • the two housing parts 1, 2 are connected particularly effectively by means of the sealing material 5 ⁇ by means of a vacuum seal at 90 to 145 ° C. and under a pressure of 5 to 200 mbar, preferably 50 mbar.
  • the sealing of the two housing parts 1, 2 by means of the sealing material 5 ⁇ can also be done by ultrasound and under vacuum.
  • the separator 5 with its sealing material 5 ⁇ protrudes slightly beyond the peripheral edge of the second housing part 2 in order to ensure reliable insulation of the two housing parts 1, 2, which act as electrodes. ken to ensure.
  • This protrusion of the sealing material 5j on the separator 5 is particularly provided in the area of the leads 6, 7 of the two housing parts 1, 2.
  • the surface area of the first housing part 1 is larger than the edge of the second housing part 2, that is to say it projects beyond it on all sides.
  • the total thickness of the flat cell formed by the housing parts 1, 2 and the separator 5 is significantly less than 1 mm and is preferably 0.4 mm.
  • the flat cell according to the invention can be integrated particularly advantageously in data carrier cards. It goes without saying, and without leaving the scope of the invention, that e.g. to weld a flat cell according to the invention into a data carrier card, not shown, with a cover film into the card or to weld the flat cell into a protective cover or to coat it with a protective material.
  • the flat cell according to the invention in its embodiment shown as an example is in no way limited to the dimensions and proportions shown here. Rather, these are chosen only for a better understanding of the inventive concept.
  • the flat cell according to the invention has the great advantage over the prior art mentioned at the outset of the simplicity of the structure, the mechanical robustness of the leads and the highly effective sealing of the housing without disturbing passages which impair mechanical strength, particularly in the area of the seal.
  • the flat cell according to the invention is characterized overall by a high mechanical strength and a current draw with high efficiency.
  • the configuration of the flat cell according to the invention provides in particular a high degree of protection against kinking and bending for the leads 6, 7. It is therefore particularly suitable for use in an environment exposed to high mechanical loads without impairing its overall efficiency.
  • the design of the separator as a simultaneous carrier of the sealing material for the connection of the housing parts brings a significant simplification of the cell structure.
  • the separator 5 ' essentially has a bone shape in the sectional view, so that the separator 5' overall has essentially the shape of a waffle with a surrounding bead and receiving recesses for the electrodes 3 'and 4' on both sides.
  • the separator 5 ' has the adhesive and sealing compound 5' on its surrounding bead. This can have the shape of a film, but can also be part of the surrounding bead.
  • the housing parts 1 'and 2' here lie flat on the separator 5 'or its surrounding bead 5 ⁇ .

Abstract

Lithium-Flachzelle, bestehend aus einem ersten Gehäuseteil (1) zur Aufnahme einer ersten Dünnschichtelektrode (3), einem zweiten Gehäuseteil (2) zur Aufnahme einer zweiten Dünnschichtelektrode (4) und einem zwischen den Dünnschichtelektroden angeordneten Separator (5), wobei die Gehäuseteile aus elektrisch leitenden Folien gebildet sind, der Separator im Bereich der Berührungsstellen der beiden Gehäuseteile isolierendes Siegel- und Haftmaterial aufweist und die beiden Gehäuseteile mittels des Siegels- und Haftmaterials (5.1) an dem Separator und durch diesen zu einem geschlossenen Gehäuse verbunden sind.

Description

Lithium-Flachzelle
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Flachzelle, bestehend aus einem ersten Gehäuseteil zur Aufnahme einer ersten Dünnschichtelektrode, einem zweiten Gehäuseteil zur Aufnahme einer zweiten Dünnschichtelektrode und einem zwischen den Dünnschichtelektroden angeordneten Separator. Solche Flachzellen sind insbesondere aus der US- Patentschrift 5.558.957 und der EP-Patentschrift 862.227 bekannt.
In der US 5.558.957 ist eine Zelle beschrieben, bei der die Elektroden und der Separator in einem komplexen Gehäuse mit einem besonderen Rahmen und mehrschichtigen Ableitfolien untergebracht sind. Durch die Komplexität des Gehäuses ergeben sich eine Nielzahl von Verklebungen in mehreren Schichten und Richtungen mit der Folge, dass die mechanische Festigkeit und die Leitfälligkeit dieser bekannten Zelle fragwürdig ist. In der EP 862.227 ist eine Zelle der eingangs genannten Art beschrieben, bei der der Aufbau an sich zwar einfacher erscheint, jedoch mit der Schwierigkeit erkauft werden muss, dass die Ableitungen der Elektroden durch eine umschliessende Gehäusefolie geführt werden müssen mit den damit verbundenen Abdichtungsproblemen. Diese Dichtigkeitsprobleme versucht dieser bekannte Vorschlag dadurch zu lösen, dass die Ableitungen eine Νetzstruktur haben. Das aber hat wiederum negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Ableitungen und deren mechanische Festigkeit.
In der DE 31222658 ist eine Batterie beschrieben, bei der der Separator in einen Bereich zwischen dem Becherteil und dem Deckelteil der Batterie hineinragt, wobei zwischen Becher- und Deckelteil eine Dichtung eingelegt ist. Hier ist das Becherteil ein besonders formstabiles, starres Teil, um die beim Bördeln des Becherrandes über den Deckelteil auftretenden Kräfte aufzufangen. Diese für den Separator gefährlichen Bördelkräfte werden dabei insbesondere durch eine versteifende Wulst des Becherteiles aufgenommen. Dadurch ist die liier beschriebene Batterie gewollt starr und relativ schwer bei grossem Materialaufwand und aufwendiger Konstruktion.
Aus der US 5714283 ist eine als pfannenkuchenförmiger Mehrschichtkörper beschriebene Batterie bekannt, wobei der Separator zwar in einen Bereich zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel hineinragt, dort aber keinerlei siegelnde oder dichtende Funktion hat. Im Gegenteil, eine besondere Dichtungsmasse und ein Befestigungsring übernehmen getrennt diese Aufgaben, was eine sehr aufwendige Konstruktion bedingt.
Aus der US 5809944 ist eine Rund- oder Knopfzelle bekannt, bei der der Separator zwischen den Gehäuseboden und den Gehäusedeckel ragt und dort beim Bördeln verquetscht wird. Zu diesem Zweck wird der Umfassungsrand des Separators mehrfach umgeschlagen bzw. umgeknickt, so dass beim Bördeln gleich mehrere Umfassungsbereiche des Separators den notwendigerweise hohen Bördelkräften ausgesetzt sind und somit beschädigt werden können. Ausserdem ergibt sich aus der Geometrie der Zelle ein im wesentlichen starrer Körper. Die beim Bördeln entstehenden Nerletzungsgefahren werden durch Einlegen einer Dichtungsmasse in den Bördelrand der Zelle herabgesetzt, bis hin zur Trennung zwischen Separator und Dichtungsmasse. Insgesamt ergibt sich eine komplexe Konstruktion mit gerade durch das Bördeln bedingten Leckagegefahren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flachzelle vorzuschlagen, bei der
- der Separator selbst eine zentrale, tragende Funktion übernimmt,
- die bei einfachem Aufbau eine minimale Zahl von Bauteilen
- und bei bestmöglichem Wirkungsgrad der Ableitungen keine Dichtigkeitsprobleme aufweist
- und die insbesondere in Datenträgerkarten, wie z.B. Smart-Cards, eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Gehäuseteile aus elektrisch leitenden Folien gebildet sind, dass der Separator im Bereich der Berührungsstellen der beiden Gehäuseteile elektrisch isolierendes Siegelmaterial aufweist und dass die beiden Gehäuseteile mittels des Siegelmaterials an dem Separator durch diesen zu einem geschlossenen Gehäuse verbunden sind.
Durch diesen einfachen Aufbau wird erreicht, dass das so gebildete Gehäuse gleichzeitig die Abieiter bildet und dass der Separator gleichzeitig Träger des Siegelmaterials für die Verbindung der beiden Gehäuseteile und deren tragendes und verbindendes Element ist. Dadurch eignet sich die erfindungsgemässe Zelle insbesondere für den Einbau in plastikkarten- dicke Datenträgersysteme.
Gemäss einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die die Gehäuseteile bildenden Folien metallische Folien sind. Durch diese Ausgestaltung entfällt die Notwendigkeit einer getrennten Trägerfolie nach EP 862.227 und das damit verbundene Dichtigkeitsproblem.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolge den Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung möglicher Ausführungsformen der Erfindung. Dabei ist
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Flachzelle gemäss der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemässen Flachzelle in einer anderen Ausfülirungsform.
Die schematisch im Schnitt dargestellten Flachzelle gemäss der Erfindung umfasst ein ersten Gehäuseteil 1, das mit seinen Ausmassen die Grosse der Flachzelle bestimmt. Dieses Gehäuseteil 1 kann dabei jede geeignete bzw. erwünschte Form aufweisen. Aufseiner Inne- seite trägt dieses erste Gehäuseteil 1 eine erste Elektrode 3 (Kathode) aus einer Lithium inter- kalierenden Aktivmasse, wie z.B. Übergangsmetalloxide (Manganoxid, Lithium-Kobald-Oxid u.a.)
Das zweite Gehäuseteil 2 trägt die zweite Elektrode 4 (Anode) aus elektrochemisch aktivem Material, wie z.B. Lithium-Folie oder -Graphiten, und steht mit seinem Gehäuserand dem Gehäusedeckel unter Zwischenschaltung des Separators 5 gegenüber. Der Umfassungsrand des zweiten Gehäuseteiles 2 ist vorzugsweise kleiner als der enstprechende Umfassungsrand des ersten Gehäuseteiles 1. Der Separator 5 aus einer eleküOlythaltigen Folie weist an seinem Umfassungsrand bzw. in Bereich der Berührungsstellen der beiden Gehäuseteile 1, 2 ein elektrisch isolierendes Haft- und Siegelmaterial 5ι auf.
Zur Verbesserung der Haftfähigkeit und zur Verringerung der Übergangswiderstände ist die Innenseite mindestens eines der Gehäuseteile 1, 2 in dem Bereich, in dem sie die Elektroden 3, 4 tragen, mit einem elektrisch leitenden Leit- und Haftmittel beschichtet.
Gemäss der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die die Gehäuseteile 1, 2 bildenden Folien Metallfolien aus Kupfer, Aluminium, Titan oder Edelstahl mit einer Dicke von 12 bis 50 μm und vorzugsweise 15 bis 25 μm sind.
Das Siegelmaterial 5\ an dem Separator 5 zur Verbindung und Abdichtung der beide- Gehäuseteile 1, 2 ist eine heiss-siegelfähige Polymerfolie und bei 80 bis 130°C an den Berührungsstellen der Gehäuseteile 1, 2 angesiegelt. Dabei weist das Siegelmaterial 5! vorzugsweise einen Mehrschichtenaufbau aus modifizierten Polymeren wie Polypropylen, Polycarbonat oder Polyethylenterephthalat auf. Die beiden Gehäuseteile 1, 2 sind besonders wirksam mittels des Siegelmaterials 5ι durch eine Vakuumversiegelung bei 90 bis 145 °C und unter einem Druck von 5 bis 200 mbar, vorzugsweise 50 mbar, verbunden. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann die Versiegelung der beiden Gehäuseteile 1, 2 mittels des Siegelmaterials 5ι auch durch Ultraschall und unter Vakuum geschehen.
Bei der dargestellten Schnittzeichnung ist zu erkennen, dass der Separator 5 mit seinem Siegelmaterial 5ι geringfügig über den Umfassungsrand des zweiten Gehäuseteiles 2 hinausragt, um eine sichere Isolierung der beiden Gehäuseteile 1, 2, die ja als Elektroden wir- ken, zu gewährleisten. Dieser Überstand des Siegelmaterials 5j an dem Separator 5 ist besonders im Bereich der Ableitungen 6, 7 der beiden Gehäuseteilen 1, 2 vorgesehen.
Dabei ist es gemäss der Erfindung vorteilhaft aber nicht zwingend, dass das erste Gehäuseteil 1 in seiner Flächenausdehnung grösser ist als der Rand des zweiten Gehäuseteils 2, also über dieses allseitig hinaussteht.
Die Gesamtdicke der von den Gehäuseteilen 1 , 2 und dem Separator 5 gebildeten Flachzelle liegt deutlich unter 1 mm und beträgt vorzugsweise 0,4 mm. Dadurch kann die Flachzelle gemäss der Erfindung besonders günstig in Datenträgerkarten integriert werden. Dabei ist es selbstverständlich, und ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, möglich, die z.B. in eine nicht dargestellte Datenträgerkarte eingebaute Flachzelle gemäss der Erfindung mit einer Abdeckfolie in die Karte einzuschweissen oder die Flachzelle in eine Schutzhülle einzuschweissen bzw. mit einem Schutzmaterial zu beschichten.
Die Flachzelle gemäss der Erfindung in ihrer als Beispiel dargestellten Ausfjührungs form ist keineswegs auf die hier gezeigten Masse und Proportionen beschränkt. Diese sind vielmehr nur zum besseren Verständnis der Erfindungsgedankens gewählt. Die Erfin- dungsgemässe Flachzelle hat gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik den grossen Vorteil der Einfachheit des Aufbaues, der mechanischen Robustheit der Ableitungen und der höchst wirksamen Gehäuseversiegelung ohne stöhrende und die mechanische Festigkeit beeinträchtigende Durchtritte gerade im Bereich der Versiegelung. Dadurch zeichnet sich die Flachzelle gemäss der Erfindung insgesamt durch eine hohe mechanische Festigkeit und eine Stromabnahme mit hohem Wirkungsgrad aus. Durch die Ausgestaltung der Flachzelle gemäss der Erfindung ist insbesondere ein hoher Knick- und Biegeschutz für die Ableitungenm 6, 7 gegeben. Sie ist daher besonders für den Einsatz in einer starken mechanischen Belastung ausgesetzten Umgebung ohne Beeinträchtigung ihres Gesamtwirkungsgrades geeignet. Die Ausgestaltung des Separators als gleichzeitiger Träger des Siegelmaterials für die Verbindung der Gehäuseteile bringt eine wesentliche Vereinfachung des Zellenaufbaues.
In Fig. 2 ist ein solcher Zellenaufbau in einer anderen Ausführungsform gemäss der Erfindung dargestellt. Hier weist der Separator 5' in der Schnittansicht im wesentlichen eine Knochenform auf, so dass der Separator 5' insgesamt im wesentlichen die Form einer Waffel mit einer Umfassungswulst und Aufnahmemulden für die Elektroden 3' und 4' auf beiden Seiten aufweist. An seiner Umfassungswulst weist der Separator 5' die Haft- und Siegel masse 5χ auf. Diese kann Folienform haben, aber auch ein Teil der Umfassungswulst sein. Die Gehäuseteile 1' und 2' liegen hier flach auf dem Separator 5' bzw. seiner Umfassungswulst 5\ auf. Dadurch wird ein geometrisch einfacher Zellenkörper mit deutlich beabstande- ten Ableitungen 6' und 7' gebildet, während gleichzeitig der Separator 5' durch seine Umfassungswulst eine stabile mechanische Form als Grundstruktur der Zelle bildet. Mit dieser waffelartigen Struktur ist der Separator 5' besonders als zentraler Träger der gesamten Zellen Struktur geeignet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der von dem Separator und den Gehäuseteilen gebildete Zellenkörper von einer Isolier- und Schutzschicht ummantelt ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Lithium-Flachzelle, bestehend aus einem ersten Gehäuseteil zur Aufnahme einer ersten Dünnschichtelektrode, einem zweiten Gehäuseteil zur Aufnahme einer zweiten Dünnschichtelektrode und einem zwischen den Dürmschichtelektroden angeordneten Separator, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (1, 2) aus elektrisch leitenden Folien gebildet sind, dass der Separator (5) im Bereich der Berülirungsstellen der beiden Gehäuseteile (1, 2) elektrisch isolierendes Siegel- und Haftmaterial (5ι) aufweist und dass die beiden Gehäuseteile (1, 2) mittels des Siegel- und Haftmaterials (5ι) an dem Separator (5) durch diesen zu einem geschlossenen Gehäuse verbunden sind.
2. Lit um-Flachzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Gehäuseteile (1, 2) bildenden Folien metallische Folien sind.
3. Lithium-Flachzelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite mindestens eines der Gehäuseteile (1, 2) im Bereich ihrer Aufnahme für die Dünnschichtelektroden (3, 4) mit einem Leit- und Haftmittel beschichtet sind.
4. Lithium-Flachzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsstellen an einem der Gehäuseteile (1) grösser dimensioniert sind als an dem jeweils anderen Gehäuseteil (2) und dass das Siegelmaterial an dem Separator (4) die grösser dimensionierten Berührungsstellen abdeckt.
5. Lithium-Flachzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Gehäuseteile (1, 2) bildenden Folien mindestens auf einer ihrer Seiten eine Beschichtung aus elektrolytisch abgeschiedenen Kupferpartikeln aufweisen.
6. Lithium-Flachzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Siegelmaterial an dem Separator (4) mindestens im Bereich der Abieiter (6, 7) für die Stromabnahme an den die Gehäuseteile (1, 2) bildenden Folien über die Umfassungslinie der von den Gehäuseteilen (1, 2) gebildeten Flachzelle hinausragt.
7. Lithium-Flachzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (5') die Form einer Waffel mit einer Umfassungswulst (5^) und Aufhahmemul- den für die Elektroden (2', 3') aufweist.
8. Lithium-Flachzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Gehäuseteilen (F, 2') und dem Separator (5') Zellenkörper mit Ausnahme der Ableitungen (6', 7') von einer Isolier- und Schutzschicht ummantelt ist.
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