WO2010089152A1 - Knopfzellen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

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WO2010089152A1
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cell
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separator
housing
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PCT/EP2010/000787
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Eduard Pytlik
Jürgen Lindner
Ulrich Barenthin
Winfried Gaugler
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Varta Microbattery Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to button cells comprising two metallic GeHouseschmaschine, which are separated by an electrically insulating gasket and which form a housing with a flat bottom portion and a parallel flat lid portion and within the housing with an electrode-separator composite comprising at least one positive and at least one negative electrode formed as flat layers and bonded to each other via at least one sheet separator, and a method of manufacturing such button cells.
  • Button cells usually have a housing of two Gehot endeavour puzzle, a cell cup and a cell cover on. These can be made, for example, from nickel-plated deep-drawn sheet metal as punched drawing parts. Usually, the cell cup is positive and the lid is negatively poled.
  • the housing can contain a wide variety of electrochemical systems, for example zinc / MnO 2 , primary and secondary lithium systems or secondary systems such as nickel / cadmium or nickel / metal hydride.
  • rechargeable button cells based on nickel-metal hydride or lithium-ion systems are very common.
  • the electrochemically active materials within the button cell housing are usually not arranged in the form of individual tablet-shaped electrodes which are separated from one another by a separator. Instead prefabricated electrode-separator composites are preferably laid flat in the housing.
  • the separator used is preferably a porous plastic film onto which the electrodes are laminated or adhesively bonded.
  • the total composite of separator and electrodes is usually a maximum of a few 100 microns thick.
  • To be able to fill button cell housing usual dimensions, therefore often several such networks are placed flat on top of each other. In this way, stacks can be obtained in any desired height, in each case matched to the available dimensions of the button cell housing in which the stack is to be installed. This ensures optimum utilization of the available housing interior.
  • button cells containing such stacks of electrode-separator composites also have various problems.
  • the required electrical contacts cause material costs, the space occupied by them is also no longer available for active material.
  • the manufacture of the electrode stack is also complicated and expensive, since when contacting the composites with each other can easily occur errors that increase the reject rate.
  • button cells with a stack of electrodes and separators leak very quickly.
  • button cells in which cell cup and cell cover are held together in the axial direction exclusively by a non-positive connection and have no flanged cup rim.
  • Such button cells and a process for their preparation are described in the still unpublished German patent application with the file number 10 2009 017 514.8.
  • the various advantages that such button cells can have without crimping they are in the axial direction, however, less resilient than comparable button cells with flanged cup edge, especially with regard to axial mechanical stresses that have their cause inside the button cell.
  • the electrodes of rechargeable lithium-ion systems are always exposed to volume changes during charging and discharging processes.
  • the axial forces occurring in button cells without crimping are comparatively easier to cause leaks than with button cells with crimping.
  • the present invention has for its object to provide a button cell in which the above-mentioned problems do not occur or only to a greatly reduced extent.
  • the button cell is intended to be more resistant, in particular to mechanical loads occurring in the axial direction, than conventional button cells, especially even if it is manufactured as a button cell without flanged cup rim.
  • a button cell according to the invention always comprises two metallic housing half parts, which are separated from one another by an electrically insulating seal and which form a housing with a flat bottom area and a flat lid area parallel thereto.
  • Both Gepatiuse Halbieri is, as already mentioned, usually a so-called housing cup and a housing cover.
  • housing cup and a housing cover As Gescouse Halbmaschine particular parts of nickel-plated steel or sheet metal are preferred. Trimetals, for example with the sequence nickel, steel (or stainless steel) and copper (the nickel layer preferably the outer layer and the copper layer preferably forming the inside of the button cell housing) are also suitable as metallic material.
  • a button cell within the housing, comprises an electrode-separator composite at least one positive and at least one negative electrode. These are each in the form of flat electrode layers.
  • the electrodes are connected to one another via a flat separator.
  • the electrodes are laminated or glued to this separator.
  • the electrodes and the separator usually have only thicknesses in the micron range in each case.
  • a separator usually serves a porous plastic film.
  • the button cell according to the invention is characterized in particular by the fact that the electrode layers have a very special orientation, namely that they are oriented substantially orthogonally to the flat base and lid region.
  • button cells known from the prior art with stacked electrode-separator composites always contain them flat, so that the electrode layers are oriented essentially parallel to the flat bottom and lid regions, the opposite is the case with a button cell according to the invention.
  • the orthogonal orientation of the electrode layers has an unexpectedly significant advantage, namely, it has been found that this alignment is accompanied by a significant improvement in the sealing properties of a button cell according to the invention, in particular button cells based on lithium-ion systems.
  • the electrodes of rechargeable lithium-ion systems are always exposed to volume changes during charging and discharging processes. Of course, such changes in volume may also occur in the electrodes of a button cell according to the invention.
  • the resulting mechanical forces no longer act primarily axially, as is the case in the case of a flat inserted stack of electrode-separator composites. Due to the orthogonal orientation of the electrodes they act rather radially. Radial forces can be absorbed much better by the housing of a button cell than by axial ones. Presumably, it can be attributed to the improved tightness properties.
  • the electrode coil is preferably arranged such that the end faces of the coil point in the direction of the same bottom region and the flat lid region.
  • a button cell according to the invention in preferred embodiments has a fixed winding core in the center of the coil, which at least partially fills the axial cavity in the center of the coil.
  • a winding core fixes the electrode roll in the radial direction and prevents possible implosion of the roll in the axial cavity.
  • arrester hereinafter more even
  • the mentioned axial cavity in the center of the coil is preferably substantially cylindrical (in particular special circular cylindrical) is formed. On the shell side, it is bounded by the winding, the end face by corresponding surfaces of Boden upon, the lid portion of the button cell housing.
  • the composite of electrodes and separator in a button cell according to the invention has one of the following layer sequences:
  • a separator can also be turned around the end of one of the electrodes, so that as a result both sides of this electrode are covered by the separator.
  • the electrodes of a button cell according to the invention preferably have a thickness of between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m, in particular between 30 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the positive electrode in particular an edge of the positive electrode, directly on the cup part, especially in the flat bottom portion of the cup part, while the negative electrode, in particular an edge of the negative electrode, directly on Cover part, in particular in the flat lid portion of the lid part, rests.
  • the negative electrode in particular an edge of the negative electrode, directly on Cover part, in particular in the flat lid portion of the lid part, rests.
  • the staggered arrangement of the electrodes to one another thus makes it possible to contact the electrodes with the respective housing parts, without the need for additional electrical contacts and connecting means.
  • At least one of the electrodes are connected to the flat bottom and top regions via one or more arresters.
  • the arresters may, for example, be collector tabs made of copper or another suitable metal.
  • the arresters can be connected, for example, to a current collector.
  • a connection of the arrester to the housing and / or to the current collectors can be done for example via welding or via a clamp connection.
  • the current collectors of the positive and negative electrodes themselves can act as arresters.
  • Such collectors are usually metallic foils or nets embedded in the respective electrode material. Uncovered portions, especially end pieces, of such collectors can be bent and brought into contact with the button cell housing.
  • arresters may be advantageous, in particular, when the negative electrode and the positive electrode are arranged within the composite in such a way that a similar spacing to the planar bottom and top regions results for the electrodes. In other words, if the electrodes within the electrode-separator composite are not offset from one another, as described above.
  • the button cell according to the invention may therefore comprise at least one insulating means which prevents direct and immediate mechanical and electrical contact between the end faces of the roll and the flat bottom and top regions.
  • the electrodes in such a button cell according to the invention are connected to the flat bottom and top regions via the already mentioned separate arresters. These ensure electrical contact between the electrodes and the housing.
  • the button cell according to the invention is according to the above statements in particular a rechargeable button cell.
  • a button cell according to the invention has at least one lithium-intercalating electrode.
  • the ratio of height to diameter for button cells is definitely below 1. In a button cell according to the invention, this ratio is particularly preferably between 0.1 and 0.9, in particular between 0.15 and 0.7. Under the height of the distance between the flat bottom area and the parallel flat lid area is to be understood.
  • the diameter means the maximum distance between two points on the jacket area of the button cell.
  • the cell cup and the cell lid form a housing which forms a receptacle for the usual internal components of a button cell such as electrodes, separators, etc.
  • a button cell such as electrodes, separators, etc.
  • the bottom portion of the cell cup and the lid portion of the cell lid are aligned substantially parallel to each other.
  • the jacket areas of the cell cup and the cell lid are aligned in the finished button cell substantially orthogonal to Boden upon, the lid area and preferably have a substantially cylindrical geometry.
  • inner and outer radius of the cell cup and cell lid are substantially constant in the cladding regions.
  • the mentioned edge areas of the cell cup and the cell lid form the transition between the jacket areas and the lid area or the floor area.
  • the bottom and top regions formed essentially flat, and, on the other hand, by the substantially cylindrical jacket regions arranged orthogonally to them.
  • the edge regions may be formed, for example, as a sharp edge or rounded.
  • the shell region of the It is preferred that between 20% and 99%, in particular between 30% and 99%, particularly preferably between 50% and 99%, overlap with the mantle area of the cell cup (the percentages refer in each case to the height of the jacket or the jacket) cladding region).
  • a button cell electrodes, separator, electrolyte, etc.
  • the housing cup and / or in the housing cover Before inserting the other usual components of a button cell (electrodes, separator, electrolyte, etc.) can be used in the housing cup and / or in the housing cover. After complete insertion of the cell cover into the cell cup, pressure is exerted on the jacket area of the cell cup, in particular in the area of the cut edge, in order to seal the housing.
  • the assembled housing parts should be subject to no or only very little load in the axial direction as possible. The pressure is therefore applied in particular radially.
  • sealing of the housing can be calibrated as well as the outer diameter of the cell housing.
  • the heights of the jacket areas of the cell cup and cell lid are matched to one another such that the cutting edge of the cell cup is pressed against the mantle area of the cell lid by the pressure on the mantle area of the cell cup.
  • the heights of the cladding regions are therefore preferably chosen such that a bending of the cutting edge of the cell cup inwards over the edge region of the cell cover which is completely inserted into the cell cup is not possible. There is accordingly no beading of the edge of the cell cup over the edge region of the cell cover.
  • the cell cup of a button cell fabricated by the method according to the invention has a jacket region with a substantially constant radius in the direction of the cut edge.
  • a cell cup which is conical at least in a partial area of its jacket, so that at least its inner diameter increases in the direction of the cut edge. This considerably facilitates the insertion of the cell lid into the cell cup.
  • the dimensions of the cell cup and the cell lid are preferably matched to one another such that larger opposing forces preferably only occur when the lid is almost completely inserted into the cup.
  • the cone angle is preferably between 10 min and 3 °, in particular between 30 min and 1 ° 30 min.
  • the cell lid which is inserted with applied seal in the cell cup, is formed in preferred embodiments, at least in a part of the jacket area cylindrical. If appropriate, this relates in particular to the part of the jacket region which, after insertion of the cell lid into the cell cup, overlaps with the mentioned conically shaped portion of the cell cup shell. Particularly preferably, the jacket of the cell cover and thus also the jacket area are completely cylindrical.
  • the cell lid thus preferably has a constant outer radius in the jacket region. If appropriate, this relates in particular to the part which, after insertion of the cell lid, overlaps with the conically shaped part of the jacket area of the cell cup.
  • an upwardly opening gap between the cell cup and the cell cover generally arises.
  • This gap is usually removed by the pressure on the shell region of the cell cup again.
  • the pressure on the mantle area of the cell cup is optionally selected so that the conical portion of the shell portion of the cell cup is pushed inwardly until the inside of the cell cup and the outside of the cell lid are substantially equally spaced in the overlapping area.
  • the resulting button cell has cladding regions which are aligned parallel to one another, in particular in the overlapping region.
  • Foil seals can be made with a very uniform thickness. When a suitable pressure is applied to the jacket area of the cell cup, a press fit results, as a result of which the button cell produced has very excellent sealing properties. Thus, last but not least, the use of foil seals makes it possible to dispense with beading around the edge of the cell cup, without having to accept disadvantages in other important properties in return.
  • plastic seals in particular plastic films, based on polyamide or based on polyether ether ketones.
  • both the outer and inner radii of the cup and lid should be adjusted to each other and the thickness of the film seal. Only in this way can a sufficiently high pressing pressure be created, which holds the two individual parts together. It is preferred for the parts used in this case that the difference between the outer radius of the cell lid to be inserted into the cell cup at the cut edge of the cell lid and the smallest inner radius of the cell cup in the part of the jacket area which overlaps with the jacket area of the cell lid is smaller than the initial thickness of the seal used. Particularly preferably, the difference between 10% and 90% of the initial thickness, in particular between 30% and 70%, most preferably about 50%.
  • a part of the jacket area of the cell cup can be drawn in radially inwards.
  • this is the part of the jacket region which does not overlap with the jacket region of the cell cover.
  • the housing is usually assembled from a metallic cup part (housing cup) and a metallic cover part (housing cover), wherein an electrode-separator composite with flat-layered electrodes is inserted into the housing such that the electrodes are orthogonal to the level bottom and lid area are aligned.
  • the method according to the invention always comprises the steps
  • the electrodes are usually soaked with electrolyte solution.
  • the winding is preferably rolled up when inserted on a mandrel. After or during insertion of the winding mandrel can then be removed. Optionally, then the above-mentioned winding core is used. Alternatively, the electrode-separator composite can also be directly wound onto such a core.
  • the spiral-shaped winding is heat-treated before being installed on its end faces. He is at least briefly exposed to a temperature at which the separator in the coil is thermoplastically deformable. As a rule, the separator slightly overhangs on the end faces of the roll, even on condition that the electrodes are arranged with the offset described above relative to each other. As a result of the heat treatment, the separator can shrink somewhat and thereby possibly even expose the edge of an adjacent electrode, so that it can abut the button cell housing directly.
  • Fig. 3 shows an electrode-separator composite in the form of a coil, as it can be installed in a coin cell according to the invention.
  • Fig. 4 shows a sectional view of another preferred embodiment of a button cell according to the invention.
  • Fig. 5 shows schematically the cross section of a preferred embodiment of a button cell according to the invention, in which the edge of the cell cup is not crimped over the edge of the cell cover.
  • FIG. 1 shows schematically the cross section of a preferred embodiment of a button cell 100 according to the invention.
  • the two parts are sealingly connected to one another. Together they form a housing with a flat bottom cover 103 and a flat cover area 104 parallel thereto. In use, these flat areas 103 and 104 form the poles of the button cell, where a current decrease by a consumer can be done.
  • the edge 110 of the cell cup 101 is crimped inwardly over the edge of the cell lid 102.
  • a composite of a strip-shaped E- electrode 105, a strip-shaped electrode 106 and the strip-shaped separators 107 is arranged inside the electrode.
  • the composite of the electrodes 105 and 106 and the separators 107 is in the form of a coil, which abuts with its end faces against the flat bottom portion 103 and the flat lid portion 104 parallel thereto.
  • the composite is wound on the core 108 in the center of the button cell 100. Both the core 108 and the electrodes and separators wound around it are aligned orthogonal to the planar bottom and top regions 104 and 103. If the electrodes gain or lose volume during a charging or discharging process, the resulting mechanical forces act predominantly radially and can be absorbed by the jacket area of the button cell 100.
  • FIG. 2 shows the effect of the heat treatment of an electrode-separator roll 200, which is provided in preferred embodiments of the method according to the invention for producing a button cell.
  • a winding 200 made of a composite of a positive electrode 201 (striated bars), a negative electrode 202 (white bars) and the separators 203 (detail).
  • the positive and negative electrodes 201 and 202 are each offset from each other.
  • the separators at least partially withdraw between adjacent electrodes.
  • the edges of the negative electrode 202 are exposed while the edges of the positive electrode 201 are covered.
  • the edges of the positive electrode 201 are exposed while the edges of the negative electrode 202 are covered.
  • Electrodes of the same polarity can each lie directly against the housing cup or the housing cover only. Separate electrical connections between the electrodes and the housing parts are not required.
  • FIG. 3 shows an electrode-separator composite for button cells according to the invention in the form of a roll 300, the illustration A showing a plan view perpendicularly from above onto one of the end faces 301 of the roll 300, while in the illustration B the winding 300 is inclined in a view is shown from above.
  • the composite comprises two layers of separator 302 and 303 and two electrode layers 304 and 305 (one positive and one negative electrode).
  • the composite is spirally wound and held together by an adhesive tape 306 on its outside.
  • the arrester 409 is connected to the cup portion 402 via a clamping connection (it is sandwiched between the support ring 413 on which the edge of the cell lid rests and the bottom of the cell cup).
  • the insulating means 411 and 412 are arranged, which are each thin plastic discs. This prevents electrodes of opposite polarity from coming into contact with the cup or lid part 401 and 402 at the same time. A short circuit is thereby prevented.
  • the composite of the electrodes 508 and 509 and the separators 507 is in the form of a wedge whose end faces point in the direction of the flat bottom region 503 and the flat lid region 504 parallel thereto.
  • the composite is wound on the winding core 512 in the center of the button cell 500. Both the core 512 and the electrodes and separators wound around it are oriented orthogonally to the flat bottom and top regions 504 and 503. If the electrodes gain or lose volume during a charging or discharging process, the resulting mechanical forces act predominantly radially and can be absorbed by the jacket area of the button cell 500.
  • the positive and the negative electrodes are connected to the housing half-bodies cup and lid via the arrester 505 and the arrester 506.
  • the arrester 505 is made of aluminum, the arrester 506 of nickel (or alternatively of copper). Both arresters are thin foils that lie flat between the end faces of the roll and the flat top or bottom regions 503 and 504. Due to the winding core 512, a constant slight contact pressure is maintained on the arresters. From the end faces of the coil, the arresters are preferably separated by a separate insulator element (not shown in the drawing), for example by a thin film.

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Abstract

Beschrieben wird eine Knopfzelle (100; 400; 500), umfassend zwei metallische Gehäusehalbteile (101, 102; 401, 402; 501, 502), welche dichtend miteinander verbunden sind und ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103; 503) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104; 504) ausbilden, wobei innerhalb des Gehäuses als flache Schichten ausgebildete positive und negative Elektroden (105, 106; 201, 202; 304, 305; 407, 408; 508, 509) angeordnet sind, die über einen flächigen Separator (107; 203; 302, 303; 405, 406; 507) miteinander verbunden sind, wobei die Elektrodenschichten orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet sind. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Knopfzelle beschrieben.

Description

Knopfzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft Knopfzellen umfassend zwei metallische Gehäusehalbteile, die durch eine elektrisch isolierende Dichtung voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbilden sowie innerhalb des Gehäuses mit einem Elektroden-Separator- Verbund, umfassend mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode, die als flache Schichten ausgebildet und über mindestens einen flächigen Separator miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Knopfzellen.
Knopfzellen weisen üblicherweise ein Gehäuse aus zwei Gehäusehalbteilen, einem Zellenbecher und einem Zellendeckel, auf. Diese können beispielsweise aus vernickeltem Tiefziehblech als Stanzziehteile hergestellt werden. Gewöhnlich ist der Zellenbecher positiv und der Gehäuse- deckel negativ gepolt. In dem Gehäuse können die verschiedensten e- lektrochemischen Systeme enthalten sein, beispielsweise Zink/MnO2, primäre und sekundäre Lithium-Systeme oder sekundäre Systeme wie Nickel/Cadmium oder Nickel/Metallhydrid.
Sehr verbreitet sind z.B. wiederaufladbare Knopfzellen auf Basis von Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Systemen. Bei Lithium-Ionen- Knopfzellen werden die elektrochemisch aktiven Materialien innerhalb des Knopfzellengehäuses üblicherweise nicht in Form von einzelnen, durch einen Separator voneinander getrennten, tablettenförmigen Elekt- roden angeordnet. Stattdessen werden bevorzugt vorgefertigte Elektroden-Separator-Verbünde flach in das Gehäuse eingelegt. Als Separator dient dabei bevorzugt eine poröse Kunststofffolie, auf welche die Elektroden flächig auflaminiert oder aufgeklebt sind. Der Gesamtverbund aus Separator und Elektroden ist dabei in der Regel maximal wenige 100 μm dick. Um Knopfzellengehäuse üblicher Dimensionen ausfüllen zu können, werden daher häufig mehrere solcher Verbünde flach übereinander gelegt. Auf diese Weise lassen sich Stapel in grundsätzlich beliebiger Höhe erhalten, jeweils abgestimmt auf die zur Verfügung stehenden Di- mensionen des Knopfzellengehäuses, in das der Stapel verbaut werden soll. So wird eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Gehäuseinnenraumes gewährleistet.
Konstruktionsbedingt treten bei Knopfzellen, die solche Stapel aus Elek- troden-Separator-Verbünden enthalten, allerdings auch diverse Probleme auf. Zum einen ist es natürlich erforderlich, Elektroden von jeweils gleicher Polarität innerhalb des Stapels miteinander zu verbinden und dann jeweils mit dem entsprechenden Pol des Knopfzellengehäuses zu kontaktieren. Die erforderlichen elektrischen Kontakte verursachen Ma- terialkosten, der durch sie eingenommene Raum steht zudem für Aktivmaterial nicht mehr zur Verfügung. Die Herstellung der Elektrodenstapel ist darüber hinaus kompliziert und teuer, da bei der Kontaktierung der Verbünde untereinander leicht Fehler auftreten können, die die Ausschussrate erhöhen. Zum anderen wurde festgestellt, dass Knopfzellen mit einem Stapel aus Elektroden und Separatoren sehr schnell undicht werden.
Der flüssigkeitsdichte Verschluss von Knopfzellen erfolgt klassisch durch Umbördeln des Randes des Zellenbechers über den Rand des Zellen- deckeis in Verbindung mit einem Kunststoffring, der zwischen Zellenbecher und Zellendeckel angeordnet ist und der gleichzeitig als Dichtungselement sowie zur elektrischen Isolierung des Zellenbechers und des Zellendeckels dient. Derartige Knopfzellen sind beispielsweise in der DE 31 13 309 beschrieben.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, Knopfzellen zu fertigen, bei denen Zellenbecher und Zellendeckel in axialer Richtung ausschließlich durch eine kraftschlüssige Verbindung zusammengehalten werden und die keinen umgebördelten Becherrand aufweisen. Derartige Knopfzellen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 017 514.8 beschrieben. Ungeachtet der diversen Vorteile, die solche Knopfzellen ohne Bördelung aufweisen können, sind sie in axialer Richtung jedoch weniger belastbar als vergleichbare Knopfzellen mit umgebördeltem Becherrand, insbesondere was axiale mechanische Belastungen angeht, die ihre Ursache im Inneren der Knopfzelle haben. So sind zum Beispiel die Elektroden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Systemen bei Lade- und Entladevorgängen stets Volumenänderungen ausgesetzt. Die dabei auftretenden axialen Kräfte können bei Knopfzellen ohne Bördelung natürlich vergleichsweise leichter zu Undichtigkeiten führen als bei Knopfzellen mit Bördelung.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Knopfzelle bereitzustellen, bei der die oben angesprochenen Probleme nicht oder nur in stark verringertem Maß auftreten. Die Knopfzelle soll insbesondere gegenüber in axialer Richtung auftretenden mechanischen Belastungen widerstandsfähiger sein als herkömmliche Knopfzellen, insbesondere auch dann, wenn sie als Knopfzelle ohne umgebördelten Becherrand gefertigt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Knopfzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 definiert. Auch das Verfahren gemäß Anspruch 11 trägt zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe bei. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 12 bis 14 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Knopfzelle umfasst stets zwei metallische Gehäusehalbteile, die durch eine elektrisch isolierende Dichtung voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbilden. Bei den beiden Gehäusehalbteilen handelt es sich, wie eingangs bereits erwähnt, in der Regel um einen sogenannten Gehäusebecher und einen Gehäusedeckel. Als Gehäusehalbteile sind insbesondere Teile aus vernickeltem Stahl oder Blech bevorzugt. Weiterhin als metallischer Werk- stoff geeignet sind insbesondere Trimetalle, beispielsweise mit der Abfolge Nickel, Stahl (oder Edelstahl) und Kupfer (wobei die Nickelschicht bevorzugt die Außen- und die Kupferschicht bevorzugt die Innenseite des Knopfzellengehäuses bildet).
Als Dichtung kann beispielsweise eine Spritzguß- oder eine Foliendichtung zum Einsatz kommen. Letztere sind beispielsweise in der DE 196 47 593 beschrieben.
Innerhalb des Gehäuses umfasst eine erfindungsgemäße Knopfzelle einen Elektroden-Separator-Verbund mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode. Diese liegen jeweils in Form von flachen Elektrodenschichten vor. Miteinander verbunden sind die Elektroden über einen flächigen Separator. Bevorzugt sind die Elektroden auf diesen Separator auflaminiert oder aufgeklebt. Die Elektroden und der Separator weisen in der Regel jeweils nur Dicken im μm-Bereich auf. Als Separator dient in der Regel eine poröse Kunststofffolie.
Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Knopfzellen zeichnet sich die erfindungsgemäße Knopfzelle insbesondere dadurch aus, dass die E- lektrodenschichten eine ganz besondere Orientierung aufweisen, sie sind nämlich im wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet. Während aus dem Stand der Technik bekannte Knopfzellen mit gestapelten Elektroden-Separator-Verbünden diese stets flach eingelegt enthalten, so dass die Elektrodenschichten im wesentlichen parallel zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen ausgerichtet sind, ist bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle das Gegenteil der Fall. Die orthogonale Ausrichtung der Elektrodenschichten hat einen unerwartet deutlichen Vorteil, es wurde nämlich festgestellt, dass diese Ausrichtung mit einer deutlichen Verbesserung der Dichtigkeitseigenschaften einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einhergeht, insbesondere bei Knopfzellen auf Basis von Lithium-Ionen-Systemen. Die Elektroden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Systemen sind bei Lade- und Entladevorgängen stets Volumenänderungen ausgesetzt. Zu solchen Volumenänderungen kann es natürlich auch bei den Elektroden einer erfindungsgemäßen Knopfzelle kommen. Die dabei entstehenden mechani- sehen Kräfte wirken jedoch nicht mehr primär axial, wie das im Falle eines flach eingelegten Stapels aus Elektroden-Separator-Verbünden der Fall ist. Aufgrund der orthogonalen Ausrichtung der Elektroden wirken sie vielmehr radial. Radiale Kräfte können von dem Gehäuse einer Knopfzelle sehr viel besser aufgenommen werden als axiale. Vermutlich lassen sich darauf die verbesserten Dichtigkeitseigenschaften zurückführen.
Besonders bevorzugt sind die Elektroden und der flächige Separator einer erfindungsgemäßen Knopfzelle jeweils streifen- oder bandförmig ausgebildet. So kann zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Knopfzelle beispielsweise von einem als Endlosband vorliegenden Separatormaterial ausgegangen werden, auf das die Elektroden flächig, insbesondere wieder in Form von Streifen oder zumindest von Rechtecken, aufgebracht, insbesondere auflaminiert, werden.
Im Gehäuse einer erfindungsgemäßen Knopfzelle liegt dieser Verbund besonders bevorzugt in Form eines Wickels, insbesondere in Form eines spiralförmigen Wickels, vor. Derartige Wickel lassen sich nach bekannten Verfahren (s. z.B. DE 36 38 793) recht einfach herstellen, in- dem auf einen als Endlosband vorliegenden Separator die Elektroden flächig, insbesondere in Form von Streifen, aufgebracht, insbesondere auflaminiert, werden. Aufgewickelt wird der Verbund aus Elektroden und Separatoren dabei in der Regel auf einen sogenannten Wickeldorn. Nach Abstreifen des Wickels vom Wickeldorn bleibt im Zentrum des Wi- ckels ein axialer Hohlraum zurück. Das hat zur Folge, dass sich der Wickel gegebenenfalls in diesen Hohlraum hinein entspannen kann. Dies kann jedoch unter Umständen zu Problemen bei der elektrischen Kon- taktierung der Elektroden mit den metallischen Gehäusehalbteilen füh- ren, was im Folgenden noch genauer beschrieben wird.
Der Elektrodenwickel ist innerhalb einer erfindungsgemäßen Knopfzelle (damit die Elektrodenschichten des Wickels orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich des Gehäuses ausgerichtet sind) bevorzugt derart angeordnet, dass die Stirnseiten des Wickels in Richtung des e- benen Bodenbereichs und des ebenen Deckelbereichs weisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine erfindungsgemäße Knopfzelle in bevorzugten Ausführungsformen einen fes- ten Wickelkern im Zentrum des Wickels aufweist, der den axialen Hohlraum im Zentrum des Wickels mindestens teilweise ausfüllt. Ein solcher Wickelkern fixiert den Elektrodenwickel in radialer Richtung und verhindert eine mögliche Implosion des Wickels in den axialen Hohlraum. Bei einer derartigen Entspannung des Wickels lässt auch der Druck nach, den die Stirnseiten des Wickels in axialer Richtung und damit in Richtung dort gegebenenfalls angeordneter Ableiter (hierzu unten noch mehr) ausüben. Wird dies unterbunden, so resultieren in der Regel auch keine Probleme mit der elektrischen Kontaktierung der Elektroden und der metallischen Gehäusehalbteile.
Daneben verbessert ein solcher Wickelkern auch die Stabilität der erfindungsgemäßen Knopfzelle gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen. Eine Beschädigung des Elektrodenwickels in der Knopfzelle durch einen äußeren mechanischen Druck in axialer Richtung ist in der Regel nicht mehr möglich.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Elektrodenwickels als spiralförmiger Elektrodenwickel ist der erwähnte axiale Hohlraum im Zentrum des Wickels vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch (insbe- sondere kreiszylindrisch) ausgebildet. Mantelseitig wird er durch den Wickel begrenzt, stirnseitig durch entsprechende Flächen des Bodenbzw, des Deckelbereichs des Knopfzellengehäuses.
Entsprechend ist auch der in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle enthaltene Wickelkern bevorzugt als Zylinder, insbesondere als Hohlzylin- der, ausgebildet. Die Höhe eines solchen Zylinders entspricht bevorzugt dem jeweiligen Abstand des ebenen Bodenbereichs von dem dazu parallelen ebenen Deckelbereich.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann der Wickelkern radial selbstexpandierende Eigenschaften aufweisen. Es ist zum Beispiel möglich, den Wickelkern in einer radial komprimierten Konfiguration in den axialen Hohlraum des Wickels einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einzuführen. Bei Entspannung des radial komprimierten Wickelkerns übt dieser einen radialen Druck auf den ihn umgebenden Elektrodenwickel aus und gewährleistet so einen Anpressdruck auch in axialer Richtung.
Als radial selbstexpandierender Wickelkern kann beispielsweise ein axi- al geschlitzter Hohlzylinder zum Einsatz kommen. Alternativ sind jedoch auch andere radial selbstexpandierende Materialien, beispielsweise auf Kunststoffbasis, denkbar.
Besonders bevorzugt besteht der Wickelkern aus einem Metall wie Edelstahl oder aus Kunststoff.
Besonders bevorzugt weist der Verbund aus Elektroden und Separator in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle eine der folgenden Schichtabfolgen auf:
• negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separator
oder • positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator.
Derartige Verbünde lassen sich sehr einfach herstellen und aufwickeln, ohne dass es zu Kurzschlüssen zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden kommt.
Bei den in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einsetzbaren Separatoren handelt es sich vorzugsweise um Folien aus mindestens einem Kunststoff, insbesondere aus mindestens einem Polyolefin. Bei dem mindestens einen Polyolefin kann es sich beispielsweise um Polyethylen handelt. Es können aber auch mehrlagige Separatoren verwendet werden, beispielsweise Separatoren aus einer Abfolge verschiedener Polyo- lefinschichten, z.B. mit der Sequenz Polyethylen/Polypropylen/Polyethy- len.
Zur Herstellung von Verbünden der oben genannten Abfolge müssen nicht zwingend mehrere separate Separatoren zum Einsatz kommen. Vielmehr kann ein Separator auch um das Ende einer der Elektroden umgeschlagen werden, so dass im Ergebnis beide Seiten dieser Elekt- rode von dem Separator bedeckt werden.
Die in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt einsetzbaren Separatoren weisen bevorzugt eine Dicke zwischen 3 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 10 μm und 50 μm, auf.
Die Elektroden einer erfindungsgemäßen Knopfzelle weisen bevorzugt eine Dicke zwischen 10 μm und 1000 μm, insbesondere zwischen 30 μm und 500 μm, auf.
In bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Knopfzelle sind die negative Elektrode und die positive Elektrode im Elektroden- Separator-Verbund innerhalb des Verbundes versetzt zueinander angeordnet. Unter einer versetzten Anordnung soll dabei verstanden werden, dass die Elektroden derart angeordnet sind, dass in der erfindungsge- mäßen Knopfzelle eine jeweils unterschiedliche Beabstandung der E- lektroden zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen resultiert. Im einfachsten Fall können z.B. eine positive und eine negative Elektrode als gleich breite Streifen leicht versetzt auf die gegenüberliegenden Seiten eines Separatorbandes aufgebracht werden, so dass der Abstand der positiven Elektrode zum oberen Separatorrand größer ist als der vergleichbare Abstand von der negativen Elektrode aus gemessen. Umgekehrtes gilt dann natürlich im Hinblick auf den Abstand zum unteren Separatorrand.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt, vorzugsweise als Resultat dieser versetzten Anordnung, die positive Elektrode, insbesondere ein Rand der positiven Elektrode, unmittelbar am Becherteil an, insbesondere im ebenen Bodenbereich des Becherteils, während die negative Elektrode, insbesondere ein Rand der negativen Elektrode, unmittelbar am Deckelteil, insbesondere im ebenen Deckelbereich des Deckelteils, anliegt. In dieser Ausführungsform besteht ein unmittelbarer elektrischer und mechanischer Kontakt zwischen den Elektroden und dem Becher- bzw. Deckelteil. Die versetzte Anordnung der Elektroden zueinander ermöglicht also eine Kontaktierung der Elektroden mit den jeweiligen Gehäuseteilen, ohne dass zusätzliche elektrische Kontakte und Verbindungsmittel zum Einsatz kommen müssen.
In alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann es allerdings auch bevorzugt sein, dass zumindest eine der Elektroden, vorzugsweise sowohl die mindestens eine negative als auch die mindestens eine positive Elektrode in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle, über einen oder mehrere Ableiter mit den ebenen Boden- und Deckelbereichen verbunden sind. Bei den Ableitern kann es sich beispielsweise um Ableiterfahnen aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Metall handeln. Elektroden- seitig können die Ableiter z.B. an einen Stromkollektor angebunden sein. Eine Anbindung der Ableiter ans Gehäuse und/oder an die Stromkollektoren kann z.B. über Verschweissung oder über eine Klemmverbindung erfolgen. Im einfachsten Fall können als Ableiter auch die Stromkollektoren von positiver und negativer Elektrode selbst fungieren. Bei solchen Kollektoren handelt es sich in der Regel um metallische Folien oder Netze, die in das jeweilige Elektrodenmaterial eingebettet sind. Unbedeckte Teilbereiche, insbesondere Endstücke, solcher Kollektoren können umgebogen und in Kontakt mit dem Knopfzellengehäuse gebracht werden.
Die Verwendung von Ableitern kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die negative Elektrode und die positive Elektrode innerhalb des Verbundes derart zueinander angeordnet sind, dass für die Elektroden eine jeweils gleiche Beabstandung zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen resultiert. Oder mit anderen Worten, wenn die Elektroden innerhalb des Elektroden-Separator-Verbundes nicht versetzt zueinander angeordnet sind, wie es oben beschrieben wurde.
Allerdings besteht bei gleicher Beabstandung entgegengesetzt gepolter Elektroden zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen die Gefahr, dass eine positive und eine negative Elektrode gleichzeitig das metalli- sehe Becher- oder Deckelteil berühren, so dass ein Kurzschluss entsteht. In bevorzugten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Knopfzelle deshalb mindestens ein Isoliermittel umfassen, das einen direkten und unmittelbaren mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Boden- und Deckel- bereichen unterbindet.
In Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn die Elektroden in einer solchen erfindungsgemäßen Knopfzelle über die bereits erwähnten separaten Ableiter mit den ebenen Boden- und Deckelbereichen verbunden sind. Diese gewährleisten den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und dem Gehäuse.
Dabei ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teilabschnitt des oder der Ableiter im Boden- bzw. im Deckelbereich des Gehäuses flach an der Innenseite der Gehäusehalbteile anliegt. Ideal ist die elektrische Kontak- tierung der Ableiter mit den Innenseiten des Gehäuses natürlich dann, wenn sie zumindest leicht an das Gehäuse angepresst werden (falls sie nicht ohnehin angeschweisst sind). Überraschend effizient kann dies durch geeignete Anordnung des oben erwähnten Wickelkerns in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle erreicht werden.
Bei dem Isoliermittel kann es sich z.B. um eine flache Schicht aus Kunststoff, beispielsweise um eine Kunststofffolie handeln, die zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Boden- und Deckelbereichen des Gehäuses einer erfindungsgemäßen Knopfzelle angeordnet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle handelt es sich entsprechend den obigen Ausführungen insbesondere um eine wiederaufladbare Knopfzelle. Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Knopfzelle mindestens eine Lithium-interkalierende Elektrode auf.
Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser liegt bei Knopfzellen definiti- onsgemäß unterhalb von 1. Besonders bevorzugt liegt dieses Verhältnis bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle zwischen 0.1 und 0.9, insbesondere zwischen 0.15 und 0.7. Unter der Höhe soll dabei der Abstand zwischen dem ebenen Bodenbereich und dem dazu parallelen ebenen Deckelbereich verstanden werden. Der Durchmesser meint die maxima- Ie Entfernung zweier Punkte auf dem Mantelbereich der Knopfzelle.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle um eine Knopfzelle ohne Bördelung, wie sie in der eingangs bereits erwähnten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 017 514.8 beschrieben ist. Entsprechend besteht zwischen den Gehäusehalbteilen bevorzugt eine ausschließlich kraftschlüssige Verbindung. Die erfindungsgemäße Knopfzelle weist also keinen umgebördelten Becherrand auf, wie dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Knopfzellen stets der Fall ist. Die Knopfzelle ist bördelfrei verschlossen. Für solche bördelfreien Knopfzellen greift man in der Regel auf übliche Zellenbecher und Zellendeckel zurück, die jeweils einen Boden- bzw. einen Deckelbereich, einen Mantelbereich, einen zwischen Boden- bzw. Deckelbereich und Mantelbereich angeordneten Randbereich und eine Schnittkante aufweisen. Zusammen bilden Zellenbecher und Zellendeckel ein Gehäuse, das eine Aufnahme für die üblichen Innenkomponenten einer Knopfzelle wie Elektroden, Separator etc. bildet. Wie üblich sind in diesem Gehäuse der Bodenbereich des Zellenbechers und der Deckelbereich des Zellendeckels im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die Mantelbereiche von Zellenbecher und Zellendeckel sind in der fertigen Knopfzelle im wesentlichen orthogonal zum Bodenbzw, zum Deckelbereich ausgerichtet und weisen bevorzugt eine im wesentlichen zylindrische Geometrie auf. Vorzugsweise sind Innen- und Außenradius von Zellenbecher und Zellendeckel in den Mantelbereichen im wesentlichen konstant. Die erwähnten Randbereiche von Zellenbecher und Zellendeckel bilden den Übergang zwischen den Mantelbereichen und dem Deckelbereich bzw. dem Bodenbereich. Sie sind also bevorzugt zum einen begrenzt durch die im wesentlichen eben ausgebilde- ten Boden- und Deckelbereiche, zum anderen durch die orthogonal zu diesen angeordneten im wesentlichen zylindrischen Mantelbereiche. Die Randbereiche können beispielsweise als scharfe Kante oder auch abgerundet ausgebildet sein.
Zur Herstellung einer bördelfreien Knopfzelle geht man in der Regel so vor, dass zunächst eine Dichtung auf den Mantelbereich eines Zellendeckels aufgebracht wird. In einem weiteren Schritt wird dann der Zellendeckel mit der aufgebrachten Dichtung in einen Zellenbecher eingeschoben, so dass sich ein Bereich ergibt, in dem die Mantelbereiche von Zellenbecher und Zellendeckel überlappen. Die Größe des Überlappungsbereiches bzw. das Verhältnis von überlappendem Bereich zu nicht überlappendem Bereichen ist dabei durch die jeweilige Höhe der Mantelbereiche von Zellenbecher und Zellendeckel sowie durch die Tiefe des Einschubs festgelegt. Hinsichtlich des Mantelbereichs des ZeI- lendeckels ist es bevorzugt, dass zwischen 20 % und 99 %, insbesondere zwischen 30 % und 99 %, besonders bevorzugt zwischen 50 % und 99 %, mit dem Mantelbereich des Zellenbechers überlappen (die Prozentzahlen beziehen sich jeweils auf die Höhe des Mantels bzw. des Mantelbereichs). Vor dem Einschieben können in den Gehäusebecher und/oder in den Gehäusedeckel die sonstigen üblichen Bestandteile einer Knopfzelle (Elektroden, Separator, Elektrolyt etc.) eingesetzt werden. Nach dem vollständigen Einschieben des Zellendeckels in den Zellenbecher wird auf den Mantelbereich des Zellenbechers, insbesondere im Bereich der Schnittkante, ein Druck ausgeübt, um das Gehäuse abzudichten. Dabei sollen die zusammengefügten Gehäuseteile möglichst keinen oder nur sehr geringen Belastungen in axialer Richtung unterliegen. Der Druck wird daher insbesondere radial angelegt. Abgesehen von der bereits erwähnten Abdichtung des Gehäuses kann so auch der Außendurchmesser des Zellengehäuses kalibriert werden.
Besonders wichtig ist es dass die Höhen der Mantelbereiche von Zellenbecher und Zellendeckel derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Schnittkante des Zellenbechers durch den Druck auf den Mantelbe- reich des Zellenbechers gegen den Mantelbereich des Zellendeckels gepresst wird. Die Höhen der Mantelbereiche sind also bevorzugt so gewählt, dass ein Umbiegen der Schnittkante des Zellenbechers nach innen über den Randbereich des vollständig in den Zellenbecher eingeschobenen Zellendeckels nicht möglich ist. Es findet entsprechend keine Umbördelung des Randes des Zellenbechers über den Randbereich des Zellendeckels statt. In Folge dessen weist der Zellenbecher einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Knopfzelle einen Mantelbereich mit einem im wesentlichen konstanten Radius in Richtung der Schnittkante auf.
Bei nach einem solchen Verfahren hergestellten Knopfzellen besteht zwischen den Gehäusekomponenten Zellenbecher, Zellendeckel und Dichtung vorzugsweise eine ausschließlich kraftschlüssige Verbindung. Der Zusammenhalt der Komponenten wird also bevorzugt im wesentlichen nur durch Haftkraft gewährleistet.
Besonders bevorzugt wird zur Herstellung bördelfreier Knopfzellen ein Zellenbecher verwendet, der zumindest in einem Teilbereich seines Mantels konisch ausgebildet ist, so dass zumindest sein Innendurchmesser in Richtung der Schnittkante zunimmt. Dadurch wird das Einschieben des Zellendeckels in den Zellenbecher deutlich erleichtert. Die Dimensionen von Zellenbecher und Zellendeckel sind bevorzugt so auf- einander abgestimmt, dass größere Gegenkräfte vorzugsweise erst bei nahezu vollständigem Einschub des Deckels in den Becher auftreten. Vorzugsweise liegt der Konuswinkel dabei zwischen 10 min und 3°, insbesondere zwischen 30 min und 1 ° 30 min.
Der Zellendeckel, der mit aufgebrachter Dichtung in den Zellenbecher eingeschoben wird, ist in bevorzugten Ausführungsformen zumindest in einem Teil des Mantelbereiches zylindrisch ausgebildet. Dies betrifft gegebenenfalls insbesondere den Teil des Mantelbereiches, der nach dem Einschieben des Zellendeckels in den Zellenbecher mit dem erwähnten konisch ausgebildeten Teilbereich des Zellenbechermantels überlappt. Besonders bevorzugt ist der Mantel des Zellendeckels und damit auch der Mantelbereich zur Gänze zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise weist der Zellendeckel im Mantelbereich also einen konstanten Außenradius auf. Dies betrifft gegebenenfalls insbesondere den Teil, der nach dem Einschieben des Zellendeckels mit dem konisch ausgebildeten Teil des Mantelbereichs des Zellenbechers überlappt.
Beim Einschieben eines Zellendeckels mit zylindrischem Mantelbereich in einen zumindest in einem Teilbereich seines Mantels konisch ausge- bildeten Zellenbecher, wie er oben beschrieben wurde, entsteht in der Regel ein sich nach oben öffnender Spalt zwischen Zellenbecher und Zellendeckel. Dieser Spalt wird in der Regel durch den Druck auf den Mantelbereich des Zellenbechers wieder beseitigt. So wird der Druck auf den Mantelbereich des Zellenbechers gegebenenfalls so gewählt, dass der konisch ausgebildete Teil des Mantelbereichs des Zellenbechers nach innen gedrückt wird, bis die Innenseite des Zellenbechers und die Außenseite des Zellendeckels im überlappenden Bereich im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die resultierende Knopfzelle weist Mantelbereiche auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind, insbesondere im überlappenden Bereich.
Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Wahl der Dichtung, die den Zellenbecher mit dem Zellendeckel verbindet. Bevorzugt handelt es sich bei der Dichtung um eine Kunststoffdichtung aus einem Thermoplasten.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Kunststoffdichtung um eine Foliendichtung, wie sie z.B. in der bereits genannten DE 196 47 593 beschrieben ist, insbesondere um eine Foliendichtung aus einem Thermo- plasten.
Foliendichtungen können mit einer sehr gleichmäßigen Dicke hergestellt werden. Beim Anlegen eines geeigneten Drucks auf den Mantelbereich des Zellenbechers ergibt sich eine Presspassung, infolge derer die her- gestellte Knopfzelle ganz hervorragende Dichtigkeitseigenschaften aufweist. So ermöglicht nicht zuletzt die Verwendung von Foliendichtungen den Verzicht auf ein Umbördeln des Randes des Zellenbechers, ohne im Gegenzug Nachteile bei sonstigen wichtigen Eigenschaften in Kauf nehmen zu müssen.
Ganz besonders bevorzugt kommen vorliegend Kunststoffdichtungen, insbesondere Kunststofffolien, auf Basis von Polyamid oder auf Basis von Polyetheretherketonen zum Einsatz.
Es ist bevorzugt, dass die Dichtung einer bördelfreien Zelle eine Ausgangsdicke im Bereich zwischen 50 μm und 250 μm, besonders bevorzugt zwischen 70 μm und 150 μm, insbesondere von ca. 100 μm, aufweist. Unter dem Begriff „Ausgangsdicke" soll dabei die Dicke verstanden werden, die die Dichtung aufweist, bevor sie auf den Mantel des Zellendeckels aufgebracht wird. Im Gegensatz dazu soll unter dem Begriff „Enddicke" die Dicke der Dichtung in der fertigen Zelle verstanden werden. Es ist klar, dass diese zumindest im überlappenden Bereich in der Regel dem Abstand zwischen der Innenseite des Zellenbechers und der Außenseite des Zellendeckels entspricht.
Damit eine ausreichend hohe Reibung zwischen Zellenbecher und Zellendeckel entstehen kann, sollten sowohl die Außen- als auch die Innenradien von Becher und Deckel aufeinander sowie auf die Dicke der Fo- liendichtung abgestimmt werden. Nur so kann ein ausreichend hoher Pressdruck entstehen, der die beiden Einzelteile zusammenhält. Für die dabei verwendeten Teile gilt bevorzugt, dass die Differenz zwischen dem Außenradius des in den Zellenbecher einzuschiebenden Zellendeckels an der Schnittkante des Zellendeckels und dem kleinsten Innenra- dius des Zellenbechers in dem Teil des Mantelbereichs, der mit dem Mantelbereich des Zellendeckels überlappt, kleiner ist als die Ausgangsdicke der verwendeten Dichtung. Besonders bevorzugt beträgt die Differenz zwischen 10 % und 90 % der Ausgangsdicke, insbesondere zwischen 30 % und 70 %, ganz besonders bevorzugt ca. 50 %.
Nach dem Einschieben des Zellendeckels in den Zellenbecher kann ein Teil des Mantelbereiches des Zellenbechers radial nach innen eingezogen werden. Es handelt sich dabei insbesondere um den Teil des Mantelbereichs, der nicht mit dem Mantelbereich des Zellendeckels über- läppt.
Es wurde gefunden, dass durch diesen radialen Einzug deutlich verbesserte Dichtigkeitseigenschaften erzielt werden können. Durch das Einziehen des Bechermantels wird ein radialer Druck auf den an der In- nenwand des Gehäusebechers anliegenden Randabschnitt bzw. auf die zwischen Gehäusedeckel und Gehäusebecher angeordnete Dichtung ausgeübt, die in der Folge in diesem Bereich zusammengepresst wird. Das Einziehen kann zeitgleich zu der bereits erwähnten Druckausübung auf den Mantelbereich des Zellenbechers erfolgen, bevorzugt erfolgt das Einziehen aber in einem späteren separaten Schritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Knopfzelle kann insbesondere zur Herstellung von Knopfzellen dienen, wie sie vorstehend beschrieben wurde, also von Knopfzellen mit einem Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich. Es eignet sich sowohl zur Herstellung von bördelfreien Knopfzellen als auch von solchen mit Bördelung.
Betreffend die bevorzugten Ausführungsformen der einzelnen in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Komponenten (Gehäuseteile und — dimensionen, Elektroden, Separator etc.) kann somit vollum- fänglich auf die obenstehenden Ausführungen und Erläuterungen Bezug genommen und verwiesen werden.
Das Gehäuse wird in der Regel aus einem metallischen Becherteil (Gehäusebecher) und einem metallischen Deckelteil (Gehäusedeckel) zu- sammengefügt, wobei ein Elektroden-Separator- Verbund mit als flache Schicht ausgebildeten Elektroden derart in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Elektroden orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet sind.
Wie bereits erwähnt, wird der Elektroden-Separator-Verbund bevorzugt in Form eines Wickels verbaut, insbesondere als spiralförmiger Wickel.
In aller Regel umfasst das erfindungsgemäße Verfahren stets die Schritte
• Einsetzen des Wickels in das metallische Deckelteil und
• Einsetzen des metallischen Deckelteils mit dem Wickel in ein metallisches Becherteil. Danach erfolgt optional das Umbördeln des Randes des Becherteils ü- ber den Rand des Deckelteils.
Sofern eine bördelfreie Knopfzelle hergestellt wird, werden die entspre- chenden oben beschriebenen Schritte durchgeführt.
Vor dem Schließen des Gehäuses werden die Elektroden üblicherweise noch mit Elektrolytlösung getränkt.
Der Wickel befindet sich beim Einsetzen bevorzugt aufgerollt auf einem Wickeldorn. Nach dem oder beim Einsetzen kann der Wickeldorn dann entfernt werden. Gegebenenfalls wird dann der oben erwähnte Wickelkern eingesetzt. Alternativ kann der Elektroden-Separator-Verbund auch gleich unmittelbar auf einen solchen Kern aufgewickelt werden.
Besonders bevorzugt wird der spiralförmige Wickel vor dem Verbauen an seinen Stirnseiten wärmebehandelt. Dabei wird er zumindest kurzfristig einer Temperatur ausgesetzt, bei der der Separator in dem Wickel thermoplastisch verformbar ist. In der Regel steht der Separator an den Stirnseiten des Wickels etwas über, selbst unter der Voraussetzung, dass die Elektroden mit dem oben beschriebenen Versatz zueinander angeordnet sind. Durch die Wärmebehandlung kann der Separator etwas zusammenschrumpfen und dadurch gegebenenfalls sogar den Rand einer benachbarten Elektroden freilegen, so dass dieser unmittel- bar am Knopfzellengehäuse anliegen kann.
Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen. Figurenbeschreibung
Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle.
Fig. 2 illustriert den Effekt der Wärmebehandlung eines aufgewickelten Elektrode-Separator-Verbundes, welche bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Einsatz kommt.
Fig. 3 zeigt einen Elektroden-Separator- Verbund in Form eines Wickels, wie er in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle verbaut werden kann.
Fig. 4 zeigt eine geschnittene Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle.
Fig. 5 zeigt schematisch den Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle, bei der der Rand des Zellenbechers nicht über den Rand des Zellendeckels gebördelt ist.
Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100. Diese weist ein metallisches Becherteil 101 und ein metallisches Deckelteil 102 auf. Cl- ber eine Dichtung 109 sind die beiden Teile dichtend miteinander ver- bunden. Zusammen bilden sie ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbe- rerch 103 und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich 104 aus. Im Gebrauchszustand bilden diese ebenen Bereiche 103 und 104 die Pole der Knopfzelle, an denen eine Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgen kann. Der Rand 110 des Zellenbechers 101 ist nach innen über den Rand des Zellendeckels 102 gebördelt.
Im Inneren der Elektrode ist ein Verbund aus einer streifenförmigen E- lektrode 105, einer streifenförmigen Elektrode 106 und den streifenförmigen Separatoren 107 angeordnet. Der Verbund aus den Elektroden 105 und 106 sowie den Separatoren 107 liegt dabei in Form eines Wickels vor, der mit seinen Stirnseiten an den ebenen Bodenbereich 103 und den dazu parallelen ebenen Deckelbereich 104 anstösst. Aufgewi- ekelt ist der Verbund auf dem Kern 108 im Zentrum der Knopfzelle 100. Sowohl der Kern 108 als auch die um ihn gewickelten Elektroden und Separatoren sind orthogonal zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen 104 und 103 ausgerichtet. Sofern die Elektroden bei einem Ladeoder Entladevorgang an Volumen gewinnen oder verlieren, wirken die dabei resultierenden mechanischen Kräfte überwiegend radial und können vom Mantelbereich der Knopfzelle 100 aufgefangen werden.
Hervorzuheben ist, dass die positive Elektrode 105 und die negative Elektrode 106 jeweils unmittelbar an dem Becherteil 101 bzw. an dem Deckelteil 102 der Knopfzelle 100 anliegen. Ein separater Ableiter zum Verbinden der Elektroden mit dem Deckelteil 102 und dem Becherteil 101 ist nicht erforderlich.
Fig. 2 zeigt den Effekt der Wärmebehandlung eines Elektroden-Separa- tor-Wickels 200, die in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Knopfzelle vorgesehen ist. Dargestellt ist schematisch ein Wickel 200 aus einem Verbund aus einer positiven Elektrode 201 (quergestreifte Balken), einer negativen Elektrode 202 (weisse Balken) und den Separatoren 203 (Ausschnitt). Die posi- tive und die negative Elektroden 201 und 202 sind jeweils versetzt zueinander angeordnet. Die Separatoren 203 bestehen aus einem thermoplastisch verformbaren Material. Setzt man die sich an den Stirnseiten 204 und 205 des Wickels 200 befindlichen Separatorränder einer hohen Temperatur aus (beispielsweise 250 0C, wie dargestellt), so schrumpfen diese Separatorränder. Die Separatoren ziehen sich zumindest teilweise zwischen benachbarte Elek- troden zurück. Dabei werden an der Stirnseite 204 die Ränder der negativen Elektrode 202 freigelegt, während die Ränder der positiven Elektrode 201 abgedeckt werden. An der Stirnseite 205 werden die Ränder der positiven Elektrode 201 freigelegt, während die Ränder der negativen Elektrode 202 abgedeckt werden.
Beim Einsatz eines so behandelten Wickels ist gewährleistet, dass E- lektroden gleicher Polarität jeweils nur am Gehäusebecher oder am Gehäusedeckel unmittelbar anliegen können. Separate elektrische Verbindungen zwischen den Elektroden und den Gehäuseteilen sind nicht er- forderlich.
Fig. 3 zeigt einen Elektroden-Separator-Verbund für erfindungsgemäße Knopfzellen in Form eines Wickels 300, wobei die Darstellung A eine Draufsicht senkrecht von oben auf eine der Stirnseiten 301 des Wickels 300 abbildet, während in der Darstellung B der Wickel 300 in einer Ansicht schräg von oben dargestellt ist. Zu erkennen ist in beiden Fällen, dass der Verbund zwei Lagen Separator 302 und 303 sowie zwei Elektrodenschichten 304 und 305 (eine positive und eine negative Elektrode) umfasst. Der Verbund ist spiralförmig aufgewickelt und wird durch ein Klebeband 306 auf seiner Außenseite zusammengehalten.
Fig. 4 zeigt eine geschnittene Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 400. Zu erkennen ist das Gehäuse der Knopfzelle aus dem Becherteil 401 und dem Deckelteil 402, zwischen denen die Dichtung 403 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein Verbund aus Elektroden und Separatoren, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, als spiralförmiger Wickel 404 (im Querschnitt schematisch dargestellt) enthalten. Gut zu erkennen sind auch hier die Separatorlagen 405 und 406 sowie die entgegengesetzt gepolten Elektroden 407 und 408. Die Elektrode 407 ist dabei über den Ableiter 410 mit dem Deckelteil 402 verbunden, während die Elektrode 408 über den Ableiter 409 mit dem Becherteil 402 verbunden ist. Der Ableiter 410 ist vorzugsweise mit dem Deckelteil 402 verschweisst. Dagegen ist der Ableiter 409 mit dem Becherteil 402 über eine Klemmverbindung verbunden (er ist zwischen dem Stützring 413, auf dem der Rand des Zellendeckels aufliegt, und dem Boden des Zellenbechers eingeklemmt). Zwischen den Stirnseiten des Wickels und dem Becherteil 401 und dem Deckelteil 402 sind die Isoliermittel 411 und 412 angeordnet, bei denen es sich jeweils um dünne Kunststoffscheiben handelt. Durch diese wird verhindert, dass Elektroden entgegengesetzter Polarität gleichzeitig in Kontakt mit dem Becher- oder dem Deckelteil 401 und 402 kommen können. Einem Kurzschluss wird dadurch vorgebeugt.
Fig. 5 zeigt schematisch den Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 500.
Diese weist ein metallisches Becherteil 501 und ein metallisches Deckelteil 502 auf. Über eine Dichtung 510 sind die beiden Teile dichtend mit- einander verbunden. Zusammen bilden sie ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich 503 und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich 504 aus. Im Gebrauchszustand bilden diese ebenen Bereiche 503 und 504 die Pole der Knopfzelle, an denen eine Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgen kann.
Der Zellendeckel 502 ist in den Zellenbecher 501 eingeschoben, so dass die Mantelbereiche des Zellendeckels und des Zellenbechers überlappen, wobei der Innenradius des Zellenbechers 501 im überlappenden Bereich in Richtung der Schnittkante im wesentlichen konstant ist. Der Rand des Zellenbechers 501 ist also nicht über den Rand 511 des Zellendeckels 502 gebördelt, bei der vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 500 handelt es sich somit um eine bördelfreie Knopfzelle. Im Inneren der Elektrode ist ein Verbund aus einer streifenförmigen E- lektrode 508, einer streifenförmigen Elektrode 509 und den streifenförmigen Separatoren 507 angeordnet. Der Verbund aus den Elektroden 508 und 509 sowie den Separatoren 507 liegt dabei in Form eines Wi- ckels vor, dessen Stirnseiten in Richtung des ebenen Bodenbereichs 503 und des dazu parallelen ebenen Deckelbereichs 504 weisen. Aufgewickelt ist der Verbund auf dem Wickelkern 512 im Zentrum der Knopfzelle 500. Sowohl der Kern 512 als auch die um ihn gewickelten Elektroden und Separatoren sind orthogonal zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen 504 und 503 ausgerichtet. Sofern die Elektroden bei einem Lade- oder Entladevorgang an Volumen gewinnen oder verlieren, wirken die dabei resultierenden mechanischen Kräfte überwiegend radial und können vom Mantelbereich der Knopfzelle 500 aufgefangen werden.
Kontaktiert sind die positiven und die negativen Elektroden mit den Gehäusehalbteilen Becher und Deckel über den Ableiter 505 und den Ableiter 506. Der Ableiter 505 besteht aus Aluminium, der Ableiter 506 aus Nickel (oder alternativ aus Kupfer). Bei beiden Ableitern handelt es sich um dünne Folien, die flach zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Deckel- bzw. Bodenbereichen 503 und 504 zum Liegen kommen. Bedingt durch den Wickelkern 512 wird ein steter leichter Anpressdruck auf die Ableiter aufrechterhalten. Von den Stirnseiten des Wickels sind die Ableiter bevorzugt durch ein separates Isolatorelement (in der Zeichnung nicht dargestellt) getrennt, beispielsweise durch eine dünne Folie.

Claims

Patentansprüche
1. Knopfzelle (100; 400; 500), umfassend
- zwei metallische Gehäusehalbteile (101 , 102; 401 , 402; 501 , 502), die durch eine elektrisch isolierende Dichtung (109; 403; 510) voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103; 503) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104; 504) ausbilden sowie
- innerhalb des Gehäuses einen Elektroden-Separator-Verbund umfassend mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode (105, 106; 201 , 202; 304, 305; 407, 408; 508, 509), die als flache Schichten ausgebildet und über mindestens einen flächigen Separator (107; 203; 302, 303; 405, 406; 507) miteinander verbunden sind,
wobei die Elektrodenschichten im Wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet sind.
2. Knopfzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und/oder der Separator streifen- oder bandförmig ausgebildet sind.
3. Knopfzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-Separator-Verbund als Wickel (200; 300; 404) vorliegt, insbesondere als spiralförmiger Wickel, dessen Stirnseiten (204, 205; 301 ) in Richtung des ebenen Bodenbereichs und des ebenen Deckelbereichs weisen.
4. Knopfzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel in seinem Zentrum einen axialen Hohlraum aufweist, der mindestens teilweise von einem Wickelkern (108; 512) ausgefüllt ist.
5. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-Separator-Verbund eine der folgenden Schichtabfolgen aufweist:
- negative Elektrode / Separator / positive Elektrode / Separator
- positive Elektrode / Separator / negative Elektrode / Separator
6. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode (408; 509) und/oder die negative Elektrode (407; 508) über einen Ableiter (409, 410; 505, 506) mit dem Gehäuse im Bereich des ebenen Boden- und/oder des ebenen Deckelbereichs verbunden sind.
7. Knopfzelle nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Isoliermittel (413, 414) umfasst, das einen direkten mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Boden- und Deckelbereichen unterbindet.
8. Knopfzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem mindestens einen Isoliermittel (413, 414) um eine flache Schicht aus Kunststoff, beispielsweise um eine Kunststofffolie handelt, die zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Boden- und Deckelbereichen angeordnet ist.
9. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wiederaufladbar ist.
10. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verhältnis Höhe : Durchmesser < 1 , vorzugsweise zwischen 0.1 und 0.9, insbesondere zwischen 0.15 und 0.7, aufweist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Knopfzelle, insbesondere einer Knopfzelle (100; 400; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus metallische Gehäusehalbteilen, insbesondere einem metallischen Becherteil (101 ; 401 ; 501 ) und einem metallischen Deckelteil (102; 402; 502), ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103; 503) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104; 504) montiert wird und wobei ein Elektroden- Separator-Verbund mit als flache Schicht ausgebildeten Elektroden (105, 106; 201, 202; 304, 305; 407, 408; 508, 509) derart in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Elektrodenschichten im Wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich (103, 104; 503, 504) ausgerichtet sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-Separator-Verbund als Wickel (200; 300; 404) eingesetzt wird, insbesondere als spiralförmiger Wickel.
13. Verfahren nach Anspruch 12, umfassend die Schritte
- Einsetzen des Wickels (200; 300; 404) in das metallische Deckelteil (102; 402; 502),
- Einsetzen des metallischen Deckelteils mit dem Wickel in ein metallisches Becherteil (101 ; 401 ; 501 ),
- Gegebenenfalls Umbördeln des Randes des Becherteils.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel (200; 300; 404) vor dem Verbauen an seinen Stirnseiten (204, 205; 301) wärmebehandelt wird, wobei er zumindest kurzfristig einer Temperatur ausgesetzt wird, bei der der Separator (107; 203; 302, 303; 405, 406; 507) thermoplastisch verformbar ist.
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