WO2006105966A1 - Galvanisches element - Google Patents

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WO2006105966A1
WO2006105966A1 PCT/EP2006/003132 EP2006003132W WO2006105966A1 WO 2006105966 A1 WO2006105966 A1 WO 2006105966A1 EP 2006003132 W EP2006003132 W EP 2006003132W WO 2006105966 A1 WO2006105966 A1 WO 2006105966A1
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substrate
galvanic element
electrodes
element according
electrolyte
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PCT/EP2006/003132
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Inventor
Konrad Holl
Martin Krebs
Hartmut Weidenbacher
Bernd Kreidler
Hermann LÖFFELMANN
Dejan Ilic
Magnus Berggren
Staffan Nordlinder
Linda Andersson
Lars-Olof Hennerdal
Anurak Sawatdee
Original Assignee
Varta Microbattery Gmbh
Acreo Ab
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Publication date
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Priority to US11/887,686 priority patent/US20100081049A1/en
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    • Y10T29/49108—Electric battery cell making
    • Y10T29/49115—Electric battery cell making including coating or impregnating

Definitions

  • the invention relates to a galvanic element having at least one positive and at least one negative electrode and a method for producing such a galvanic element.
  • Galvanic elements and batteries are known in various designs. Including so-called printed batteries, in which functional parts, in particular electrodes and printed conductors, are printed on a corresponding substrate.
  • the arresters are in different levels. There are two collector levels, two electrode levels and one separator level. Such a battery is described in US 4,119,770.
  • a cell is formed as a stack of the various components with the current conductors on the top and bottom of the cell, respectively. Several cells are stacked in a battery. The negative pole of the lower cell is automatically connected to the positive pole of the upper cell.
  • the electrodes consist of the active material, a conductive material and an organic binder.
  • binder ethylene-acrylic acid is proposed.
  • JP 60155866 Another cell is shown in JP 60155866. It consists of one arrester with laminated anode or cathode. In between there is a gelled electrolyte in a non-woven fabric. The thickening agent is hydroxyethylcellulose.
  • US 4,623,598 describes a contact device for flat batteries.
  • the housing film consists of a two-part conductive layer and an outer insulation layer. Two windows in the insulating layer connect one or the other part of the conductive layer. This housing film is mounted around the electrode stack so that one part of the conductive film contacts the anode, the other contacts the cathode.
  • aqueous electrolyte open cell is described in US 5,652,043. Between the electrodes is an electrolyte consisting of a hygroscopic material, an ion-conducting substance and a water-soluble polymer, which holds the electrodes together by an adhesive action. The cell does not dry out under normal climatic conditions. Furthermore, any resulting gas can be released to the environment, thereby preventing the cell from swelling.
  • No. 5,897,522 describes the use of the flat cell shown in US Pat. No. 5,652,043 in various thin devices such as timer, infuser, thermometer, sugar sensor and electronic game.
  • WO 0062365 a further improvement of the flat battery is described.
  • a chip implemented in the battery or on the battery improves the functionality. It compensates for voltage fluctuations via a DC / DC converter.
  • the object of the invention is to improve the design of existing galvanic elements and batteries.
  • a thin or flat battery should be available be made, which has the simplest possible structure.
  • the corresponding battery should also be as easy to produce.
  • the at least one positive and at least one negative electrode are arranged side by side on a planar, electrically non-conductive substrate and connected to one another via an ion-conducting electrolyte.
  • the flat substrate is a film, wherein the use of a plastic film is more preferred.
  • the functional parts of the galvanic element are arranged substantially one above the other in three planes.
  • the plane of the electrodes is considered to be a plane, which of course may be composed of various parts, such as the respective arresters / collectors and active electrode material. This will be explained in more detail below.
  • the positive and negative electrodes will be arranged only on one side of the planar substrate, which will also be described below.
  • the galvanic element according to the invention has conductor tracks which serve as arresters / collectors and which are expediently and preferably arranged between the planar substrate and the actual electrodes or the (electrochemically) active electrode material.
  • these tracks can be realized in various ways.
  • electrically conductive films, in particular metal foils as such conductor tracks.
  • the conductor tracks can preferably be thin metal layers which can be applied to the substrate by means of a customary metallization method.
  • the conductor tracks are applied as a printable paste on the substrate. These pastes may also be conventional so-called conductive adhesives.
  • the electrodes or the electrode material itself are applied to the substrate as printable paste. With this variant, the already described advantages of the invention can be achieved particularly well.
  • the positive and negative electrodes are arranged in a plane, but spatially separated from each other.
  • the electrical connection of the positive and the negative electrode takes place exclusively via the ion-conducting electrolyte.
  • the at least one positive and the at least one negative electrode are arranged on the substrate at a distance of 1 .mu.m to 10 mm from each other. Within this range, distances between 100 ⁇ m and 1 mm are preferred.
  • a gel-type electrolyte is used as the ion-conducting electrolyte.
  • surface constructions in particular thin flat constructions, can be realized particularly easily.
  • the electrolyte is fixed or stabilized in a nonwoven.
  • the electrolyte is preferably present as a layer, in particular as a thin layer.
  • This layer must be arranged so as to ensure the necessary conductivity between the positive electrode and the negative electrode.
  • the electrolyte will cover the electrodes in these cases usually at least partially, to provide sufficient conductivity. It is further preferred if the electrolyte or the electrolyte layer completely covers the positive and the negative electrode or, in particular, even extends beyond the corresponding electrode surfaces. protrudes. Such arrangements of the electrolyte layer can also be implemented more easily in terms of manufacturing technology.
  • a further plastic film may be provided which is arranged above the plane of the electrolyte (based on the layer structure of three levels mentioned above) and accordingly at least partially covers the electrolyte and / or the electrodes.
  • a further plastic film may be provided which is arranged above the plane of the electrolyte (based on the layer structure of three levels mentioned above) and accordingly at least partially covers the electrolyte and / or the electrodes.
  • This further plastic film on the one hand has a protective function for the electrolyte / the electrodes in order to protect them from mechanical damage or from the entry of undesired substances or weather influences.
  • the additional plastic film gives the galvanic element overall improved mechanical stability.
  • plastic film together with the substrate forms a type of housing which encloses the electrolyte and the electrodes in a sealing manner. This will be explained in more detail in connection with the figures.
  • a corresponding protection or a corresponding stabilization can also be realized in another way, for example by applying a film or a corresponding layer over the plane of the electrolyte, preferably imprinting it.
  • This layer is usually also made of plastic, d. H. is at least polymer-based.
  • a particularly preferred variant of the electroplating element according to the invention is present if a plurality, in particular a
  • positive and negative electrodes on the sheet-like, electrically non-conductive substrate are arranged. This arrangement It makes sense, in particular, to follow in pairs, ie in each case one positive electrode and one negative electrode each are arranged in pairs next to one another. In this way, several or many individual cells (with a positive and a negative electrode) can be interconnected. This aspect will be explained later in connection with the figures.
  • the substrate has, in particular, conductor tracks via which the electrodes arranged on the substrate (that is to say the plurality or multiplicity of the electrodes) are connected in series and / or parallel circuits.
  • the electrodes arranged on the substrate that is to say the plurality or multiplicity of the electrodes
  • the substrate has, in particular, conductor tracks via which the electrodes arranged on the substrate (that is to say the plurality or multiplicity of the electrodes) are connected in series and / or parallel circuits.
  • the inventive method for producing a galvanic element is characterized in that the electrodes or the functional parts forming the electrodes are applied to an endless belt serving as a substrate.
  • the electrodes or the functional parts forming the electrodes are applied to an endless belt serving as a substrate.
  • the endless belt is already provided with the arresters / collectors of the electrodes, which considerably simplifies the process as a whole.
  • the electrodes are applied, preferably printed, in the form of a paste, in particular a pressure-type paste, to the substrate or the corresponding arresters.
  • a paste in particular a pressure-type paste
  • such a battery (as in the case of the further plastic film already described) is mechanically stabilized and protected from external influences, for example weather influences.
  • the electrical contacts of the battery are led out on the carrier film and can be tapped mechanically or likewise with a conductive adhesive.
  • the galvanic elements according to the invention are available both in the form of a single cell and in the form of several or many individual cells. In comparison with galvanic elements of the prior art, cells are particularly thin and, if necessary, also very flexible. Therefore, the galvanic element according to the invention can be used particularly well in those applications in which a small thickness and optionally high flexibility is desired, ie for example in so-called Smart Cards or Smart Tags.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a galvanic element according to the invention as a single cell with adjacent electrodes.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of a galvanic element according to the invention with three individual cells
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a galvanic element according to the invention with four individual cells (connected in series and in parallel)
  • FIG. 4 shows a schematic section of the production process for the construction of individual cells on an endless belt serving as a substrate.
  • Fig. 1 shows an inventive galvanic element in the form of a so-called single cell.
  • so-called collectors / arresters 3, 4 are applied to a flat substrate 1 in the form of an electrically non-conductive, thin plastic film 2.
  • These were applied to the substrate 1 in the form of electrically conductive pastes (preferably silver, copper, nickel, aluminum, indium, bismuth or graphite) and then dried.
  • electrically conductive pastes preferably silver, copper, nickel, aluminum, indium, bismuth or graphite
  • Such pastes may usually contain binders in the form of polymers, which may be thermally or chemically solidified, for example.
  • the application of the collectors / arresters 3, 4 is not limited to the application of electrically conductive pastes.
  • the collectors / arresters 3, 4 may be thin electrically conductive foils (metal foils, plastic foils filled with conductive materials). The connection of these films with the substrate 1 is preferably carried out by cold or hot bonding.
  • the collectors / arresters 3, 4 can also be represented by conventional metallization processes (vacuum deposition, sputtering, electrodeposition).
  • the cathode 5 ie, the corresponding electrode material
  • This application is preferably carried out with the aid of a printable paste.
  • the anode 6 ie the corresponding electrode material
  • Both the cathode 5 and the anode 6 are electrically contacted with the collectors / arresters 3, 4.
  • the electrodes there is a gel-like electrolyte 7, which is fixed with a net structure or a fleece 8.
  • the electrolyte 7 with the nonwoven 8 covers the active electrode material of the cathode 5 and the anode 6.
  • the substrate 1 and the plastic film 2 form a tightly closing housing for the functional components located between the substrate 1 and the plastic film 2, namely the actual electrodes (5, 3, 6, 4).
  • Fig. 1 clearly shows the improved thin construction of the galvanic element according to the invention.
  • the actual construction includes only three (stacked) planes, namely the plane of the substrate 1, the plane of the electrodes (cathode 5 with arrester 3, anode 6 with arrester 4, arranged side by side) and the plane of the electrolyte above the plane of the electrodes.
  • the preferred embodiment is shown with four levels, in which above the level of the electrolyte nor the further plastic film 2 forms its own level and together with the substrate 1, the tight closing housing for the actual two levels with the functional components.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of a galvanic element (battery) in which three individual cells with electrodes lying side by side in pairs (ie, three individual cells according to FIG. 1) are connected to one another via electrically conductive paths (printed conductors 9). Thereby higher voltages can be realized.
  • Such series circuits can lead to galvanic elements with voltages of 30 V and higher, which can be produced according to the invention particularly inexpensive and easy.
  • FIG. 3 the schematic structure of a galvanic element (battery) is shown in four individual cells (see FIG. 1) with electrodes lying side by side in pairs. These four single cells are connected both in series and in parallel. Through this construction, different total voltages and capacities or load capacities can be achieved.
  • Fig. 4 shows schematically a section of the production process according to the invention.
  • the galvanic elements according to the invention can be produced endlessly (as shown) on a substrate 12 (carrier tape) in the form of an endless belt or even in multiple rows (not shown).
  • the conductor tracks 10 and 11 serving as collectors / arresters are already applied to the substrate 12 prior to the actual production process of the single cell.
  • the actual electrodes or the corresponding electrode material are applied to the printed conductors 10 and 11 at the locations provided for this purpose.
  • the application of the electrolyte which is stabilized as a gel-like electrolyte with a nonwoven takes place. Due to the reference to FIG.
  • both the substrate 12 and the cover sheet 13 can be made of self-adhesive films. This facilitates, on the one hand, the application of the cover film to the single cell which has been completed in each case. On the other hand, it is possible, if appropriate after separation of the individual cells produced, to mount the substrate 12 directly by gluing on, for example, a printed circuit board without additional adhesive.
  • plastic films with low gas and water vapor diffusion rate are preferred, d. H. in particular made of PET, PP or PE. If it is intended to heat-seal these films together later, the provided base films can be laminated with a low-melting additional material. Here it can be z. B. to act a hot melt adhesive from a copolymer based on PE.
  • a collector in the form of a conductive adhesive (based on silver, copper or graphite) is then printed onto the substrate to provide the negative electrode (anode).
  • a positive electrode (cathode) conductive adhesives based on silver, nickel or graphite are to be mentioned as collector / arrester materials, which are also printed. If you want to provide very thin collectors / arresters, so also offers the vacuum coating. In this case, copper is vapor-deposited as a collector / arrester for the anode and nickel for the cathode in a high vacuum.
  • the electrode material for the anode is printed on the corresponding collector / arrester.
  • a screen printing method is preferably used.
  • the electrode material is a zinc paste consisting of zinc powder, a suitable binder and a suitable solvent.
  • a paste is used for printing the cathode material on the other collector / arrester.
  • This cathode material consists of manganese dioxide (MnO 2 ), carbon black and / or graphite as the conductive material and a suitable binder and a suitable solvent. Again, it is preferable to work by screen printing.
  • the electrolyte is applied in a further process step.
  • the electrolyte is preferably a gelatinous paste. This consists, for example, of an aqueous solution of zinc chloride, it being possible for this solution to be completely or partially predried.
  • the application of the electrolyte is also preferably carried out by a printing process.
  • the electrolyte covers (as shown in Fig. 1) both electrodes over the entire surface.
  • the electrolyte may be reinforced and stabilized by a non-woven or net-like material.
  • the individual cell produced in this way is then covered according to the example with the aid of the second (further) plastic film, ie closed in the manner of a housing. This is done, as mentioned, preferably by means of a heat-sealing method.
  • the second plastic film ie closed in the manner of a housing.
  • preferably self-adhesive films for the substrate and the other plastic film can be used. This also allows a particularly simple application of the single cell or consisting of several individual cells battery to the corresponding body of the power-supplied unit.

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Abstract

Die Erfindung umfaßt ein galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode (5, 6), wobei die positive und die negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat (1) angeordnet sind und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (7) miteinander verbunden sind. Dabei können entsprechende Einzelzellen miteinander verschaltet werden, indem eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl von positiven und negativen Elektroden paarweise nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind.

Description

Beschreibung Galvanisches Element
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen galvanischen Elements.
Galvanische Elemente und Batterien sind in den verschiedensten Aus- führungen bekannt. Darunter gibt es auch sogenannte gedruckte Batterien, bei denen Funktionsteile, insbesondere Elektroden und Leiterbahnen, auf ein entsprechendes Substrat aufgedruckt werden.
Bei herkömmlichen gedruckten Batterien befinden sich die Ableiter in verschiedenen Ebenen. Es gibt zwei Kollektorebenen, zwei Elektrodenebenen und eine Separatorebene. Eine solche Batterie ist in der US 4,119,770 beschrieben. Eine Zelle wird als Stapel der verschiedenen Komponenten gebildet, wobei sich die Stromableiter auf der Ober- bzw. Unterseite der Zelle befinden. Mehrere Zellen sind zu einer Batterie ge- stapelt. Dabei wird automatisch der Minuspol der unteren mit dem Pluspol der oberen Zelle verbunden.
In der US 4,195,121 werden flexible Elektroden beschrieben. Die Elektroden bestehen aus dem Aktivmaterial, einem Leitfähigkeitsmaterial und einem organischen Binder. Als Binder wird Ethylen-Acrylsäure vorge- schlagen.
Eine andere Zelle wird in der JP 60155866 dargestellt. Sie besteht aus je einem Ableiter mit auflaminierter Anode bzw. Kathode. Dazwischen befindet sich ein gelierter Elektrolyt in einem Faservlies. Das Verdi- ckungsmittel ist Hydroxyethylcellulose. US 4,623,598 beschreibt eine Kontaktvorrichtung für flache Batterien. Die Gehäusefolie besteht aus einer zweigeteilten leitenden Schicht und einer außen liegenden Isolationsschicht. Durch zwei Fenster in der Isolationsschicht werden der eine bzw. der andere Teil der leitenden Schicht verbunden. Diese Gehäusefolie wird so um den Elektrodenstapel montiert, daß der eine Teil der leitenden Folie die Anode, der andere die Kathode kontaktiert.
Eine offene Zelle mit wäßrigem Elektrolyt wird in der US 5,652,043 be- schrieben. Zwischen den Elektroden befindet sich ein Elektrolyt bestehend aus einem hygroskopischen Material, einer ionenleitenden Substanz und einem wasserlöslichen Polymer, das durch eine Klebewirkung die Elektroden zusammenhält. Die Zelle trocknet unter üblichen klimatischen Bedingungen nicht aus. Femer kann eventuell entstehendes Gas an die Umwelt abgegeben werden, wodurch ein Schwellen der Zelle verhindert wird.
US 5,897,522 beschreibt den Einsatz der in der US 5,652,043 dargestellten flachen Zelle in verschiedenen dünnen Geräten wie Timer, Infu- sor, Thermometer, Zuckersensor und elektronisches Spiel. In der WO 0062365 wird eine weitere Verbesserung der flachen Batterie beschrieben. Hier verbessert ein in die Batterie oder auf die Batterie implementierter Chip die Funktionalität. Er gleicht über einen DC/DC-Wandler Spannungsschwankungen aus.
Alle genannten Konstruktionen weisen den klassischen Stapelaufbau auf, bei dem die Funktionsschichten, im allgemeinen fünf, übereinander angeordnet sind.
Die Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, die Konstruktion bestehender galvanischer Elemente und Batterien zu verbessern. Insbesondere soll eine möglichst dünne bzw. flache Batterie zur Verfügung gestellt werden, die einen möglichst einfachen Aufbau besitzt. Dabei soll die entsprechende Batterie auch möglichst einfach herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das galvanische Element mit den Merk- malen des Anspruchs 1 und das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Bevorzugte Ausführungsformen dieses galvanischen Elements und dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 15 bzw. im abhängigen Anspruch 17 dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschrei- bung gemacht.
Bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element sind die mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat angeordnet und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten miteinander verbunden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem flächigen Substrat um eine Folie, wobei der Einsatz einer Kunststoffolie weiter bevorzugt ist.
Durch die Anordnung der positiven und der negativen Elektrode neben- einander sind die Funktionsteile des galvanischen Elements im wesentlichen in drei Ebenen übereinander angeordnet. Es handelt sich dabei um das flächige, elektrisch nicht leitende Substrat, die auf dem Substrat angeordneten Elektroden und den ionenleitfähigen Elektrolyten, der die beiden Elektroden miteinander verbindet und dabei mindestens teilweise bedeckt. Dementsprechend läßt sich eine insgesamt sehr flache, dünne Konstruktion des galvanischen Elements verwirklichen. In dieser Betrachtung wird die Ebene der Elektroden als eine Ebene aufgefaßt, wobei die Elektroden ihrerseits natürlich aus verschiedenen Teilen aufgebaut sein können, beispielsweise aus den entsprechenden Ableitern/Kollektoren sowie dem aktiven Elektrodenmaterial. Dies wird im folgenden noch näher erläutert. Im Regelfall werden die positiven und negativen Elektroden nur auf einer Seite des flächigen Substrats angeordnet sein, was im folgenden ebenfalls noch beschrieben wird. Es ist jedoch erfindungsgemäß ebenfalls möglich, auf beiden Seiten des flächigen Substrats positive und negative Elektroden anzuordnen, um auf diese Weise entsprechende andere Konstruktionen eines galvanischen Elements zu realisieren. Erfindungsgemäß ist dabei jedoch entscheidend, daß positive und negative Elektrode nebeneinander (und nicht in verschiedenen Ebenen übereinander) angeordnet sind.
In Weiterbildung weist das erfindungsgemäße galvanische Element Leiterbahnen auf, die als Ableiter/Kollektoren dienen und die sinnvollerweise und vorzugsweise zwischen dem flächigen Substrat und den eigentlichen Elektroden bzw. dem (elektrochemisch) aktiven Elektrodenmaterial angeordnet sind.
Diese Leiterbahnen können auf verschiedene Weise realisiert werden. So ist es zum einen möglich und bevorzugt, elektrisch leitende Folien, insbesondere Metallfolien, als solche Leiterbahnen zu verwenden. Zum anderen kann es sich bei den Leiterbahnen vorzugsweise um dünne Metallschichten handeln, die mittels eines üblichen Metallisierungsverfahrens auf das Substrat aufbringbar sind. Schließlich ist noch als besonders bevorzugte Variante hervorzuheben, daß die Leiterbahnen als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind. Bei diesen Pasten kann es sich auch um übliche sogenannte Leitkleber handeln. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen galvanischen Elements sind die Elektroden bzw. das Elektrodenmaterial selbst als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht. Mit dieser Variante lassen sich die bereits geschilderten Vorteile der Erfindung besonders gut erreichen. Entsprechende Pasten können vergleichsweise einfach mit Standardverfahren auf entsprechende Substrate aufgebracht werden, und zwar gerade auch als dünne Schichten, was erfindungsgemäß bevorzugt ist. Bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element sind die positiven und negativen Elektroden in einer Ebene angeordnet, jedoch räumlich voneinander getrennt. Die elektrische Verbindung der positiven mit der negativen Elektrode erfolgt ausschließlich über den ionenleitfähigen E- lektrolyten. Bei dieser Anordnung ist es einerseits zwingend, daß sich die positive und die negative Elektrode nicht berühren. Auf der anderen Seite ist es zweckmäßig, den Abstand der beiden Elektroden nicht zu groß zu wählen, um eine möglichst platzsparende Konstruktion zu ge- währleisten. Dementsprechend ist es bei der Erfindung bevorzugt, wenn die mindestens eine positive und die mindestens eine negative Elektrode auf dem Substrat in einem Abstand von 1 μm bis 10 mm voneinander angeordnet sind. Innerhalb dieses Bereichs sind Abstände zwischen 100 μm und 1 mm bevorzugt.
Erfindungsgemäß ist es ebenfalls bevorzugt, wenn als ionenleitfähiger Elektrolyt ein gelartiger Elektrolyt verwendet wird. Mit solchen Elektrolyten lassen sich flächige Konstruktionen, insbesondere dünne flächige Konstruktionen, besonders einfach realisieren. Um dem gelartigen Elekt- rolyten eine verbesserte mechanische Stabilität zu geben, ist es erfindungsgemäß weiter bevorzugt, wenn der Elektrolyt in einem Vlies festgelegt bzw. stabilisiert ist.
In Weiterbildung liegt der Elektrolyt erfindungsgemäß vorzugsweise als Schicht, insbesondere als dünne Schicht, vor. Diese Schicht muß so an- geordnet sein, daß sie die notwendige Leitfähigkeit zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode gewährleistet. Dabei wird der Elektrolyt in diesen Fällen die Elektroden in der Regel mindestens teilweise überdecken, um eine ausreichende Leitfähigkeit bereitzustellen. Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn der Elektrolyt bzw. die Elektrolyt- schicht die positive und die negative Elektrode vollständig bedeckt oder insbesondere sogar über die entsprechenden Elektrodenflächen hinaus- ragt. Solche Anordnungen der Elektrolytschicht lassen sich auch fertigungstechnisch einfacher realisieren.
In Weiterbildung kann bei dem erfindungsgemäßen galvanischen EIe- ment eine weitere Kunststoffolie vorgesehen sein, die (unter Zugrundelegung des eingangs erwähnten Schichtaufbaus aus drei Ebenen) über der Ebene des Elektrolyten angeordnet ist und dementsprechend den Elektrolyten und/oder die Elektroden mindestens teilweise abdeckt. Auch hier ist es bevorzugt, wenn eine vollständige Abdeckung des Elekt- rolyten und der Elektroden erfolgt.
Diese weitere Kunststoffolie hat zum einen eine Schutzfunktion für den Elektrolyten/die Elektroden, um diese vor mechanischen Schädigungen oder vor dem Zutritt unerwünschter Substanzen oder Witterungseinflüssen zu schützen. Andererseits verleiht die weitere Kunststoffolie dem galvanischen Element insgesamt eine verbesserte mechanische Stabilität.
Bei derartigen Konstruktionen mit weiterer Kunststoffolie ist es weiter bevorzugt, wenn die Kunststoffolie mit dem Substrat zusammen eine Art Gehäuse bildet, das den Elektrolyten und die Elektroden dichtend um- schließt. Dies wird im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.
Alternativ zu der weiteren Kunststoffolie kann auch in anderer Weise ein entsprechender Schutz bzw. eine entsprechende Stabilisierung realisiert werden, beispielsweise dadurch, daß man über der Ebene des Elektroly- ten einen Film oder eine entsprechende Schicht aufbringt, vorzugsweise aufdruckt. Diese Schicht besteht in der Regel ebenfalls aus Kunststoff, d. h. ist zumindest polymerbasiert.
Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen galvani- sehen Elements liegt dann vor, wenn eine Mehrzahl, insbesondere eine
Vielzahl, von positiven und negativen Elektroden auf dem flächigen, e- lektrisch nicht leitenden Substrat angeordnet sind. Diese Anordnung er- folgt sinnvollerweise insbesondere paarweise, d. h. jeweils eine positive und jeweils eine negative Elektrode sind paarweise nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise sind mehrere oder viele Einzelzellen (mit einer positiven und einer negativen Elektrode) miteinander verschaltbar. Auch dieser Gesichtspunkt wird später im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.
Bei den zuletzt genannten bevorzugten Ausführungsformen weist das Substrat insbesondere Leiterbahnen auf, über die die auf dem Substrat angeordneten Elektroden (d. h. die Mehrzahl oder Vielzahl der Elektroden) in Serien- und/oder Parallelschaltungen verbunden sind. Bezüglich des Aufbringens dieser Leiterbahnen kann auf die obige Beschreibung im Zusammenhang mit den Ableitern/Kollektoren verwiesen und Bezug genommen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements, wie es oben beschrieben wurde, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden bzw. die die Elektroden bildenden Funktionsteile auf ein als Substrat dienendes Endlosband aufgebracht werden. Auf diese Weise läßt sich eine Vielzahl von Einzelzellen mit jeweils einer positiven und einer negativen Elektrode herstellen, wobei gegebenenfalls entsprechende Leiterbahnen zur Verschaltung dieser Einzelzellen (in Serie oder parallel) in das Verfahren integriert werden können. Bei bevorzugten Ausführungsformen dieses Verfahrens ist das Endlos- band bereits mit den Ableitern/Kollektoren der Elektroden versehen, was den Verfahrensablauf insgesamt wesentlich vereinfacht. Weiter ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders bevorzugt, wenn die E- lektroden in Form einer Paste, insbesondere einer druckförmigen Paste, auf das Substrat bzw. die entsprechenden Ableiter aufgebracht, vor- zugsweise aufgedruckt werden. Die bisherigen Ausführungen haben die Vorteile, die mit der Erfindung verbunden sind, nochmals verdeutlicht. Bei der Ausbildung des galvanischen Elements als Einzelzelle ergibt sich der Vorteil einer wesentlich dünneren und insgesamt unkomplizierten Konstruktion, da die Zahl der Ebenen, in denen Funktionsbauteile angeordnet sind, reduziert werden kann. Alle elektrischen Kontakte liegen in einer Ebene, so daß ein aufwendiges Durchkontaktieren über verschiedene Ebenen, insbesondere über weit voneinander getrennt liegende Ebenen, entfällt. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung auf einfache Weise, mehre- re oder viele Einzelzellen miteinander zu verschalten. Dabei ist es zum einen möglich, bereits mehrere oder viele Elektroden paarweise auf dem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat anzuordnen und auf diesem Substrat bereits entsprechende Leiterbahnen zur Verschaltung der Einzelzellen vorzusehen. Zum anderen ist es möglich, bereits fertig herge- stellte Einzelzellen auf einer weiteren Trägerfolie, die die zur Verschaltung von Einzelzellen notwendigen Leiterbahnen bereits aufweist, zu befestigen und über entsprechende Kontaktierungsmittel miteinander zu verbinden. Hier können zur Befestigung übliche Adhäsionskleber verwendet werden, zur Kontaktierung dient typischerweise ein üblicher Leitkleber oder Leitlack, beispielsweise ein entsprechender silberhaltiger Leitkleber. Nach Komplettierung der Gesamtbatterie aus den mehreren oder vielen Einzelzellen kann diese zum Abschluß mit einer (weiteren) Deckfolie abgedeckt werden. Diese kann beispielsweise aufgeklebt oder auflaminiert werden. Dadurch wird eine solche Batterie (wie im Fall der bereits beschriebenen weiteren Kunststoffolie) mechanisch stabilisiert und von äußeren Einflüssen, beispielsweise Witterungseinflüssen, geschützt. Die elektrischen Kontakte der Batterie werden auf der Trägerfolie herausgeführt und können mechanisch oder ebenfalls mit einem Leitkleber abgegriffen werden.
Die erfindungsgemäßen galvanischen Elemente sind sowohl in Form einer Einzelzelle als auch in Form von aus mehreren oder vielen Einzel- zellen verschalteten Batterien im Vergleich mit galvanischen Elementen aus dem Stand der Technik besonders dünn und gegebenenfalls auch besonders flexibel. Deshalb kann das erfindungsgemäße galvanische Element bei solchen Anwendungen besonders gut eingesetzt werden, bei denen eine geringe Dicke und gegebenenfalls hohe Flexibilität gewünscht ist, d. h. beispielsweise bei sogenannten SmartCards oder SmartTags.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen besonderen Ausführungsformen dienen ledig- lieh zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Auch die nachstehend beschriebenen Zeichnungen sind Bestandteil der vorliegenden Beschreibung, was hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme bekräftigt wird.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 den schematisierten Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements als Einzelzelle mit nebeneinander liegenden Elektroden Fig. 2 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements mit drei Einzelzellen
Fig. 3 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen galvanischen Elements mit vier Einzelzellen (in Serie und parallel ge- schaltet) Fig. 4 schematischer Ausschnitt aus dem Produktionsprozeß zum Aufbau von Einzelzellen auf einem als Substrat dienenden Endlosband.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes galvanisches Element in Form einer sogenannten Einzelzelle. Dabei sind auf einem flächigen Substrat 1 in Form einer elektrisch nicht leitenden, dünnen Kunststoffolie 2 sogenannte Kollektoren/Ableiter 3, 4 aufgebracht. Diese wurden auf das Substrat 1 in Form elektrisch leitender Pasten (vorzugsweise Silber, Kupfer, Ni- ekel, Aluminium, Indium, Bismut oder Graphit) aufgetragen und anschließend getrocknet. Solche Pasten können üblicherweise Binder in Form von Polymeren enthalten, die beispielsweise thermisch oder chemisch verfestigt werden können.
Wie eingangs bereits erläutert, ist das Aufbringen der Kollektoren/Ableiter 3, 4 nicht auf das Aufbringen elektrisch leitender Pasten beschränkt. In vergleichbarer Weise kann es sich bei den Kollektoren/Ableitern 3, 4 um dünne elektrisch leitende Folien (Metallfolien, mit Leitmaterialien gefüllte Kunststoffolien) handeln. Die Verbindung dieser Folien mit dem Substrat 1 erfolgt vorzugsweise durch Kalt- oder Warmverklebung. Darüber hinaus können die Kollektoren/Ableiter 3, 4 auch durch übliche Metallisierungsverfahren (Vakuumabscheidung, Sputtern, galvanische Abscheidung) dargestellt werden.
Auf den Kollektor 3 ist gemäß Fig. 1 die Kathode 5 (d. h. das entsprechende Elektrodenmaterial) aufgebracht. Dieses Aufbringen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer druckfähigen Paste. Es ist jedoch auch möglich, eine separat hergestellte Kathodenfolie aufzubringen. Auf den Kollektor 4 ist die Anode 6 (d. h. das entsprechende Elektro- denmaterial) aufgebracht. Sowohl die Kathode 5 als auch die Anode 6 sind mit den Kollektoren/Ableitern 3, 4 elektrisch kontaktiert. Hier kann ein loses Aufliegen bei entsprechender Gesamtkonstruktion des galva- nischen Elements bereits ausreichen. Es kann auch eine feste Verbindung zwischen den Kollektoren/Ableitern 3, 4 und den Elektroden 5, 6 vorgesehen sein.
Über den Elektroden (Kathode 5 mit Ableiter 3; Anode 6 mit Ableiter 4) befindet sich ein gelartiger Elektrolyt 7, der mit einer Netzstruktur bzw. einem Vlies 8 festgelegt ist. Dabei überdeckt der Elektrolyt 7 mit dem Vlies 8 das aktive Elektrodenmaterial der Kathode 5 und der Anode 6.
Über dem Elektrolyt 7 mit Vlies 8 befindet sich eine weitere Kunststoffolie 2, die zum einen den Elektrolyten 7 vollständig bedeckt und zum anderen über die Abmessung des Elektrolyt 7 noch hinausragt. Auf diese Weise wird vom Substrat 1 und von der Kunststoffolie 2 ein dicht schließendes Gehäuse für die sich zwischen dem Substrat 1 und der Kunst- stoffolie 2 befindenden Funktionsbauteile, nämlich die eigentlichen Elektroden (5, 3; 6, 4), gebildet.
Fig. 1 zeigt deutlich die verbesserte dünne Konstruktion des erfindungsgemäßen galvanischen Elements. Die eigentliche Konstruktion beinhal- tet nur drei (übereinander angeordnete) Ebenen, nämlich die Ebene des Substrats 1 , die Ebene der Elektroden (Kathode 5 mit Ableiter 3, Anode 6 mit Ableiter 4, nebeneinander angeordnet) und die Ebene des Elektrolyten oberhalb der Ebene der Elektroden. In Fig. 1 ist die bevorzugte Ausführung mit vier Ebenen dargestellt, bei der oberhalb der Ebene des Elektrolyten noch die weitere Kunststoffolie 2 eine eigene Ebene und zusammen mit dem Substrat 1 das dicht schließende Gehäuse für die eigentlichen beiden Ebenen mit den Funktionsbauteilen bildet.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines galvanischen Elements (Batterie), bei dem drei Einzelzellen mit paarweise nebeneinander liegenden Elektroden (d. h. drei Einzelzellen gemäß Fig. 1) über elektrisch leitende Bahnen (Leiterbahnen 9) miteinander verbunden sind. Dadurch können höhere Spannungen realisiert werden. Solche Serienschaltungen können zu galvanischen Elementen mit Spannungen von 30 V und höher führen, die erfindungsgemäß besonders kostengünstig und einfach hergestellt werden können.
Gemäß Fig. 3 ist der schematische Aufbau eines galvanischen Elements (Batterie) bei vier Einzelzellen (siehe Fig. 1) mit paarweise nebeneinander liegenden Elektroden dargestellt. Dabei sind diese vier Einzelzellen sowohl in Serie als auch parallel geschaltet. Durch diese Konstruktion lassen sich verschiedene Gesamtspannungen und Kapazitäten bzw. Belastbarkeiten erzielen.
Fig. 4 zeigt in schematischer Weise einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Produktionsprozeß. Dabei können die erfindungsgemä- ßen galvanischen Elemente auf einem als Endlosband ausgebildeten Substrat 12 (Trägerband) einreihig (wie dargestellt) oder auch mehrreihig (nicht dargestellt) endlos produziert werden. Die als Kollektoren/Ableiter dienenden Leiterbahnen 10 und 11 sind vor dem eigentlichen Produktionsprozeß der Einzelzelle bereits auf dem Substrat 12 aufgebracht. Dann werden (wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben) die eigentlichen Elektroden bzw. das entsprechende Elektrodenmaterial an den dafür vorgesehenen Stellen auf die Leiterbahnen 10 und 11 aufgebracht. Anschließend erfolgt das Aufbringen des Elektrolyten, der als gelartiger Elektrolyt mit einem Vlies stabilisiert ist. Aufgrund des Hinwei- ses auf Fig. 1 sind die eigentlichen Elektroden und der Elektrolyt in Fig. 4 nicht mit Bezugszeichen versehen. Schließlich wird über den Elektrolyten eine weitere Kunststoffolie in Form einer Deckfolie 13 aufgebracht, die dann die jeweilige Einzelzelle auf dem Substrat 12 zusammen mit diesem in Form eines Gehäuses abschließt. Am Ende können die Einzelzellen gegebenenfalls wieder vereinzelt werden oder auch zu mehreren weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt werden. In diesem Zusammenhang soll noch erwähnt werden, daß man gemäß Fig. 4 und im übrigen ganz allgemein sowohl das Substrat 12 als auch die Deckfolie 13 aus selbstklebenden Folien fertigen kann. Dies erleich- tert zum einen das Aufbringen der Deckfolie auf die jeweils fertiggestellte Einzelzelle. Zum anderen kann man, gegebenenfalls nach Vereinzeln der hergestellten Einzelzellen, das Substrat 12 direkt durch Aufkleben, beispielsweise auf eine Leiterplatte ohne zusätzlichen Kleber montieren.
Beispiel
Zur Herstellung eines 1 ,5 V-Batteriesystems wird zur Herstellung eines in Fig. 1 dargestellten galvanischen Elements wie folgt vorgegangen. Ziel soll dabei im vorliegenden Fall die Realisierung eines Zink-Kohle- Systems sein. Dieses System sei lediglich beispielhaft erwähnt, zeichnet sich jedoch durch vergleichsweise niedrige Kosten aus.
Zunächst werden für das Substrat und die als Deckfolie dienende weite- re Kunststoffolie entsprechende Folien bereitgestellt. Hier sind Kunststoffolien mit geringer Gas- und Wasserdampf-Diffusionsrate bevorzugt, d. h. insbesondere aus PET, PP oder PE. Sofern beabsichtigt ist, diese Folien später heiß miteinander zu versiegeln, können die bereitgestellten Grundfolien mit einem niedrigschmelzenden weiteren Ma- terial kaschiert werden. Hier kann es sich z. B. um einen Schmelzkleber aus einem Copolymer auf Basis PE handeln.
Auf das Substrat wird dann zunächst zur Bereitstellung der negativen Elektrode (Anode) ein Kollektor in Form eines Leitklebers (Basis Silber, Kupfer oder Graphit) aufgedruckt. Für die positive Elektrode (Kathode) sind als Kollektor-/Ableitermaterialien Leitkleber auf Basis Silber, Nickel oder Graphit zu nennen, die ebenfalls aufgedruckt werden. Will man besonders dünne Kollektoren/Ableiter bereitstellen, so bietet sich auch die Vakuumbeschichtung an. Hierbei wird als Kollektor/Ableiter für die Anode Kupfer und für die Kathode Nickel im Hochvakuum aufgedampft.
Anschließend wird das Elektrodenmaterial für die Anode auf den entsprechenden Kollektor/Ableiter aufgedruckt. Hierzu wird vorzugsweise ein Siebdruckverfahren verwendet. Das Elektrodenmaterial ist eine Zinkpaste, die aus Zinkpulver, einem geeigneten Binder und einem ge- eigneten Lösungsmittel besteht. In entsprechender Weise wird auch eine Paste für das Aufdrucken des Kathodenmaterials auf den anderen Kollektor/Ableiter verwendet. Dieses Kathodenmaterial besteht aus Braunstein (MnO2), Ruß und/oder Graphit als Leitmaterial sowie einem geeigneten Binder und einem geeigneten Lösungsmittel. Auch hier wird vorzugsweise im Siebdruckverfahren gearbeitet.
Schließlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Elektrolyt aufgebracht. Bei dem Elektrolyten handelt es sich vorzugsweise um eine gelartige Paste. Diese besteht beispielsweise aus einer wäßrigen Lö- sung aus Zinkchlorid, wobei diese Lösung ganz oder teilweise vorgetrocknet werden kann. Das Aufbringen des Elektrolyten erfolgt ebenfalls vorzugsweise durch ein Druckverfahren. Vorzugsweise überdeckt der Elektrolyt (wie in Fig. 1 dargestellt) beide Elektroden vollflächig. Wie e- benfalls in Fig. 1 dargestellt, kann der Elektrolyt durch ein vliesartiges oder netzartiges Material verstärkt und stabilisiert sein.
Die so hergestellte Einzelzelle wird dann gemäß Beispiel mit Hilfe der zweiten (weiteren) Kunststoffolie überdeckt, d. h. nach Art eines Gehäuses verschlossen. Dies erfolgt, wie erwähnt, vorzugsweise mit Hilfe ei- nes Heißsiegelverfahrens. Genauso können, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 diskutiert, vorzugsweise selbstklebende Folien für das Substrat und die weitere Kunststoffolie eingesetzt werden. Dies ermöglicht auch ein besonders einfaches Aufbringen der Einzelzelle bzw. der aus mehreren Einzelzellen bestehenden Batterie auf den entsprechenden Grundkörper der mit Strom zu versorgenden Baueinheit.

Claims

Patentansprüche
1. Galvanisches Element mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode (5, 6), die nebeneinander auf einem flächigen, elektrisch nicht leitenden Substrat (1 ) angeordnet sind und über einen ionenleitfähigen Elektrolyten (7) miteinander verbunden sind.
2. Galvanisches Element nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem flächigen Substrat (1 ) um eine Folie, insbesondere um eine Kunststofffolie, handelt.
3. Galvanisches Element nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ableiter (3, 4) dienende Leiterbahnen aufweist, die vorzugsweise zwischen dem Substrat (1) und den Elektroden (5, 6) angeordnet sind.
4. Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Leiterbahnen elektrisch leitende Folien, insbesondere Metallfolien, aufweist.
5. Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Leiterbahnen dünne Metallschichten aufweist, die mittels eines üblichen Metallisierungsverfahren auf das Substrat aufbringbar sind.
6. Galvanisches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es Leiterbahnen aufweist, die als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind.
7. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Elektroden aufweist, die als druckfähige Paste auf das Substrat aufgebracht sind.
8. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine positive und die mindestens eine negative Elektrode auf dem Substrat in einem Abstand von 1 μm - 10 mm, vorzugsweise zwischen 100 μm - 1 mm, voneinander angeordnet sind.
9. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen gelartigen Elektrolyten aufweist.
10. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in einem Vlies (8) festgelegt ist.
11. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt als Schicht vorliegt, die vorzugsweise die Elektroden vollständig überdeckt.
12. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine weitere Kunststoffolie (2) aufweist, die den Elektrolyten (7) und/oder die Elektroden (5, 6) mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig, abdeckt.
13. Galvanisches Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kunststoffolie mit dem Substrat ein Gehäuse bildet, das den Elektrolyten und die Elektroden dichtend umschließt.
14. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl, vorzugsweise eine Vielzahl, von positiven und negativen Elektroden aufweist, die paarweise nebeneinander auf dem Substrat angeordnet sind.
15. Galvanisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Leiterbahnen (9) aufweist, über die auf dem Substrat angeordnete Elektroden in Serien- und/ oder Parallelschaltungen verbunden sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines galvanischen Elements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf ein als Substrat dienendes Endlosband (12) aufgebracht werden, welches vorzugsweise durchgehend mit Ableitern (10, 11 ) versehen ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die E- lektroden aufgedruckt werden.
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