DE1240966B - Elektrodenpaket fuer Akkumulatoren, insbesondere fuer gasdicht verschlossene Knopfzellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutschem.: 21b-25/01

Nummer: 1240 966

Aktenzeichen: Y 681 VI b/21 b

1 240 966 Anmeldetag: 21.Februar 1963

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenpaket für gasdicht verschlossene Akkumulatoren in Form von Knopfzellen, bei dem scheibenförmige Elektroden abwechselnder Polarität unter Zwischenschaltung von Separatoren zu einem Stapel vereinigt und gleichnamige Elektroden durch die dazwischenliegenden Gegenelektroden und Separatoren überbrückende Metallstreifen miteinander leitend verbunden sind, und hat eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung zum Gegenstand, durch welche die Haltbarkeit der Knopfzellen wesentlich verbessert wird.

Es sind bereits Elektrodenpakete für alkalische Akkumulatoren bekannt, bei denen scheibenförmige Elektroden abwechselnder Polarität unter Zwischenschaltung von Sparatoren zu einem Stapel vereinigt sind. Dabei sind gleichnamige Elektroden durch Metallstreifen miteinander verbunden, welche die dazwischenliegenden Gegenelektroden und Separatoren überbrücken. Da die einzelnen Elektroden- und Separatorenscheiben jedoch häufig deformieren oder seitlich verrutschen, kommt es immer wieder zu Kurzschlüssen an diesen Metallstreifen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile und Schwierigkeiten auszuschalten und durch eine geeignete Ausgestaltung des Elektrodenpaketes dafür Sorge zu tragen, daß derartige Kurzschlüsse mit Sicherheit ausgeschaltet werden. Dabei soll insbesondere dafür Sorge getragen werden, daß die Knopfzelle trotz eines kleinen und kompakten Aufbaus in einer gasdicht verschlossenen Ausführung zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens einzelne Separatoren mit radial über ihren Rand vorstehenden Zungen versehen sind, die über den Rand einer angrenzenden Elektrode hinaus abgebogen sind und diese Elektrode von einem die beiden benachbarten Elektroden miteinander leitend verbindenden Metallstreifen isoliert halten.

Die Anordnung der neuartigen Zungen an den Separatoren gewährleistet eine bestmögliche Isolierung, so daß Kurzschlüsse bei einer Verlagerung von Elektrodenscheiben durch Berührung mit dem Metallstreifen ausgeschlossen werden. Die Isolierung ist also wesentlich verbessert.

Um die Zungen der Separatoren leichter umbiegen zu können, sind zweckmäßig zu beiden Seiten jeder Zunge Schlitze vorgesehen, die bei Abbiegen der Zunge eine zur Aufnahme des betreffenden Metallstreifens dienende Ausnehmung freigeben. Die Zunge läßt sich hierdurch bei der Herstellung des Elektrodenpaketes in einem Bogen abbiegen, so daß ein Elektrodenpaket für Akkumulatoren,
insbesondere für gasdicht verschlossene
Knopfzellen

Anmelder:

Yardney International Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Ackmann, Patentanwalt,
Duisburg, Claubergstr. 24.

Als Erfinder benannt:

Frank Solomon, New York, N. Y.;
Albert Himy, Tustin, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 5. April 1962 (185 341) - -

scharfer rechteckiger Bruch vermieden wird. Weiterhin erhalten in vorteilhafter Weise einige Separatoren neben den Zungen gegen diese versetzte Ausnehmungen, welche einen weiteren Metallstreifen sowie eine gegen diese anliegende Zunge eines anderen Separators aufnehmen.

Auch lassen sich in vorteilhafter Weise die Metallstreifen mit ring- oder scheibenförmig ausgebildeten Stromableitern einstückig herstellen, in oder auf denen das aktive Material ein- oder aufgebracht ist. Die Stromableiter weisen Zungen auf, die das plattenförmige Elektrodenmaterial umgreifen. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen rutschfesten, kompakten Aufbau der betreffenden Elektrodenscheiben und verbessert hierdurch ebenfalls die Wirkung der Separatorenzungen. Das Elektrodenmaterial ist zweckmäßig innerhalb eines Halteringes untergebracht. Die beiden mit Elektrodenmaterial beladenen Stromableiter können wellenförmig ausgebildet sein.

Durch die Verwendung der vorgenannten, durch Metallstreifen miteinander verbundenen Stromableiter, welche das aktive Elektrodenmaterial tragen, ist ein besonders einfacher Faltaufbau des Elektrodenpaketes möglich, wobei in Verbindung mit den Separatorenzungen eine bestmögliche Isolierung erhalten wird.

709 587/217

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Knopfzellenanordnung in einer auseinandergezogenen Darstellung,

F i g. 2 die Gehäuseteile des Gegenstandes der F i g. 1 im Querschnitt und im zusammengesetzten Zustand,

F i g. 3 eine Draufsicht auf einen negativen Elektrodensatz, teilweise geschnitten,

F i g. 4 den Gegenstand der F i g. 3 in einem Querschnitt nach Linie 4-4,

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen positiven Elektrodensatz, teilweise geschnitten,

Fig. 5A den Gegenstand der Fig. 5 in einem Querschnitt nach Linie 5A-5A,

F i g. 6 die Draufsicht auf einen anderen positiven Elektrodensatz,

F i g. 7 den Gegenstand der F i g. 6 in einem Querschnitt nach Linie 7-7, F i g. 8 eine Draufsicht auf einen Separator,

F i g. 9 den Gegenstand der F i g. 8 in einem Querschnitt nach Linie 9-9,

F i g. 10 eine Draufsicht auf einen anders ausgeführten Separator,

Fig. 11 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgestalteten Separators,

F i g. 12 eine Draufsicht auf eine Elektrode, wobei die Verwendung eines Sicherungsringes dargestellt ist,

Fig. 13 den Gegenstand der Fig. 12 in einem Querschnitt nach Linie 13-13 und

F i g. 14 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß vorgesehenen Elektrodenpaketes, teilweise auseinandergezogen dargestellt, wobei die Art der Halterung der Elektroden und der dazwischenliegenden Separatoren gezeigt ist.

In den F i g. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäß ausgestaltete Knopfzelle mit einem zweiteiligen Gehäuse dargestellt, wobei dieses aus einem äußeren Becher 2 und einem inneren Becher 4 besteht, die beide aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt sind.

Ein im wesentlichen zylindrisch geformter, hohler, dünnwandiger und isolierender Gummibecher 6, der mit einem eine Öffnung 10 aufweisenden Dachteil 8 versehen ist, ist in den inneren Becher 4 eingelegt und wird von einem einen Polkontakt bildenden Teller 12 in Stellung gehalten. Dieser Teller 12 ist an der Unterseite des Daches vom inneren Becher 4 angeschweißt oder anderswie befestigt, wobei er durch die öffnung 10 des Gummibechers 6 hindurchragt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Teller 12 durch Preßsitz mit anderen Zellenelementen in Stellung zu halten. Ein Teil 14 des Gummibechers 6, der unter den Rand 16 des inneren Bechers 4 greift, ist nach oben so umgebogen, daß er über den Rand des Bechers 4 greift und eine die Seitenwände des Bechers einfassende Tasche bildet.

Der den oberen Polkontakt bildende Teller 12 und ein einen zweiten Polkontakt bildender Teller 18, bestehen ebenfalls aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material.

In den inneren Becher 4 ist ein Bausatz aus positiven und negativen Platten unter Zwischenschaltung eines Separatormaterials eingelegt. Diese Teile sind in den äußeren Becher 2 eingesetzt, an dessen innerer Bodenfläche der Teller 18 für den zweiten Pol-

kontakt durch Punktschweißen befestigt ist. Auch dieser Teller 18 kann durch einfachen Preßsitz in Stellung gehalten werden. Ehe der Bausatz in den äußeren Becher 2 eingeführt wird, wird im Boden des Bechers 2 ein Dichtungsring 17 aus einem geeigneten losliermaterial, z. B. Neopren, angeordnet.

Für den Zusammenbau der Zelle ist der Handteil des äußeren Bechers 2 dann zwecks Abdichtung nach innen eingebogen, so daß ein Dichtungsring 22 aus einem elektrisch isolierenden Material festgehalten wird, der vorzugsweise in einer Ausnehmung oder Rille 24 sitzt, die am inneren Becher 4 vorgesehen ist.

Bei der Ausführung nach F i g. 1 enthält die Knopfzelle einen aus drei positiven Elektroden bestehenden positiven Elektrodensatz, wobei die Elektroden elektrisch miteinander durch einen positiven leitenden Metallstreifen 28 verbunden sind. Dieser positive Elektrodensatz ist in den Fig. 5 und 5A dargestellt und besteht aus einem positiven Stromableiter 30, der sich aus drei Ringteilen 32 zusammensetzt, die miteinander durch Metallstreifen 28 verbunden sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromableiter 28 durch Ausstanzen aus einer z. B. 0,127 mm dicken Silberfolie hergestellt, wobei alle Teile eine Einheit bilden.

Auf jeder Seite der mittleren und unteren Ringteile 32 sind ein Paar gesinterte Silbertabletten 34 befestigt, während auf der Unterseite des unteren Ringteiles 32 nur eine Silbertablette 34 angebracht ist. Der Teller 12 steht mit dem unteren Ringteil 32 in unmittelbarer Verbindung (vgl. F i g. 1). Die Silbertabletten 34 werden auf übliche Art und Weise auf den Ringteilen 32 befestigt. Bevorzugt werden sie warm aufgepreßt oder warm angeformt.

In Abwandlung dieser Ausführung können die Ringteile 32 durch perforierte Scheibenteile ersetzt werden, die ähnlich durch Metallstreifen 28 verbunden sind.

Bei einer weiteren Ausführung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, ist der Ringteil ausgelassen und die Leiterstreifen 28 sind nur zwischen den Silbertabletten 34 eingeschichtet. F i g. 7 zeigt eine Ausführung, in der ein Gitter 36 aus Streckmetall, vorzugsweise aus Silber, zwischen den Silbertabletten zusammen mit dem ebenfalls aus Silber bestehenden Metallstreifen 28 angeordnet ist. Diese Teile werden zur Bildung einer Baueinheit wanngeformt. Dies kann unter Verwendung einer beheizten Presse bei einer Temperatur von etwa 600° C und einem Druck von etwa 35 bis 70 kg/cm² auf die Dauer von wenigstens 1 Minute oder IV2 Minuten geschehen.

Ein negativer Elektrodensatz38 ist in den Fig. 1, 3 und 4 dargestellt und besteht aus einem negativen Stromableiter 40, der aus gewellten scheibenförmigen Teilen 42 zusammengesetzt ist, die elektrisch miteinander durch kurze leitende Metallstreifen 44 miteinander verbunden sind. Die Teile 42 sind alle mit einer größeren Anzahl umbiegbarer Zungen 46 versehen, welche der Halterung einer negativen Elektrodenplatte 48 auf jeder Seite der Scheiben 42 des Stromableiters 40 dienen, ausgenommen bei der unteren negativen Elektrode, welche den Teller 18 berührt, wo nur eine negative Elektrodentablette vorgesehen ist.

Da die vorliegende Knopfzelle verschlossen ist, können die Gase und insbesondere der in der Zelle entstehende Sauerstoff mit den negativen Elektroden in Verbindung kommen. Die Wellen der scheiben-

förmigen Teile 42 dienen dazu, die negativen Elektrodenplatten 48 soweit wie möglich freizulegen, um eine Riickbindung des Sauerstoffes zu fördern.

Um eine noch bessere Annahme des Sauerstoffes auf der negativen Platte zu erreichen, kann der Stromableiter 40 mit einer zentralen Bohrung (etwa 50% Fläche der Scheibe) oder mit mehreren kleinen Löchern versehen sein. Auch kann ein Fiberglas oder Nickeldraht, das auf der Fläche der negativen Platte angeordnet ist, verwendet werden, um die Bindung des Sauerstoffes an die negative Elektrode zu fördern.

Der negative Stromableiter 40 kann aus einem geeigneten elektrischen leitenden Material bestehen und z. B. aus einem 0,127 mm dicken Nickelblech ausgestanzt sein. Die Auswellungen dieses Stromableiters sind etwa 0,305 bis 0,38 mm hoch. Die negativen Elektrodenplatten oder -tabletten 48 sind auf beiden Seiten der gewellten Teile 42 des Stromableiters 40 angeordnet und durch Umbiegen zweier diametral gegenüberliegender Zungen 46 über die Elektrodenplatten 48 befestigt.

Es ist auch möglich, den negativen Stromableiter 40 ganz eben, mit oder ohne Befestigungszungen 46 auszuführen. Finden keine Zungen Verwendung, wird ein leitender Binder oder Kleber zur Befestigung der negativen Elektrodenplatten auf dem Sammler benutzt. Geeignet ist hierfür kollodiales, mit einem adhäsiven Kunststoffbinder vermischtes Graphit.

Die negative Elektrodenplatte 48 besteht vorzugsweise aus gepreßtem Cadmiumpulver. Hierzu wird das Pulver zu einer Tablette gepreßt, die eine Dichte von etwa 4,5 bis 5,2 pro Kubikzentimeter, einen Durchmesser von etwa 28,6 mm und eine Dicke von etwa 1,04 mm hat.

Die benachbarten negativen und positiven Platten können voneinander abweichend große Flächen haben. Vorzugsweise soll die aktive Fläche der negativen Platte 28% größer sein als die der positiven Platten.

Es ist auch möglich, die Metallstreifen 28 durch einen Überzug aus Lack oder mit einem Anstrich, durch Einbetten in einen Polyäthylenfilm oder durch Aufbringen von Silikonfett, z. B. durch Auf streichen, zu schützen.

Bei der Ausführung nach F i g. 1 sind scheibenförmige Separatoren 50 mit Zungen 52 versehen und zwischen jedem Paar der negativen und positiven Elektroden angeordnet (vgl. Fig. 8 und 9). Die Zunge 52 ist so angeordnet, daß sie über die Ränder der Elektrode ragt und mit dem Metallstreifen 28 bzw. 44 der positiven bzw. negativen Elektrodensammler in Kontakt ist. Sie verhüten eine Stromleitung durch einen Kontakt zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität und verhindern Kurzschlüsse in der Zelle.

Eine bevorzugte Separatorausführung ist in F i g. 10 gezeigt, bei der die Zunge 52 auf jeder Seite mit einem Schlitz 54 versehen ist. Dieser Schlitz erlaubt ein festeres und flexibleres Umbiegen der Zungen um die Stromableiter in dem zusammengesetzten Paket. In einem Winkel von 90° von der Mittellinie der Zunge ist der Separator 50 bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Ausnehmung 56 versehen. Sie kann gleichzeitig mit der gleichen Preßplatte, die zur Herstellung des Separators und der Zunge verwendet wird, ausgeschnitten werden. Sie ist etwas breiter als

die Zunge 52 sowie etwas tiefer als die Dicke der Zunge zusammen mit dem metallischen Leiter, der die Elektroden gleicher Polarität verbindet. Beim Zusammenbau des Zellenpaketes werden, wie F i g. 14 zeigt, abwechselnd verbindende Metallstreifen 28 und 44 um 90° zueinander versetzt angeordnet. Die Zunge 52 berührt den Metallstreifen 28 und legt sich in die Ausnehmung 56 des nächsten Separators ein. Hierdurch wird die ganze Zellenpackung zu einer ίο Einheit verspannt und eine axiale oder radiale Verschiebung des Paketes verhindert. Die Zellenpackung läßt sich so in einer genau fluchtenden Stellung halten.

Eine andere Separatorausführung ist in Fig. 11 gezeigt, bei der keine Zungen verwendet sind. Der Separator nach F i g. 8 kann auch mit Schlitzen 54 gemäß Fig. 10 versehen sein. In den Zellen können die in den Fig. 8 bis 11 dargestellten Separatoren beliebig kombiniert verwendet werden, und zwar je

ao nach den besonderen Anforderungen und der Anordnung der Separatoren in der Zellenpackung.

Wie F i g. 9 zeigt, besteht ein Separator vorzugsweise aus einer Knopf- und einer Bodenlage Nylon 58 unter Zwischenlage eines Wursthüllenstoffes 60 aus regenerierter Cellulose, die aus Cellulosenitrat regeneriert ist. An Stelle der Nylongewebeschichten kann auch ein Fliesmaterial wie beispielsweise poröses Papier verwendet werden.

Beim Arbeiten der Knopfzelle dehnen sich die Cd-Elektroden nach einigen Zyklen radial aus. Dieses Wachsen ist unerwünscht, da es zu Kurzschlüssen führt, wenn der Elektrodenrand die Kanten der Separatoren erreicht. Dies kann durch Anordnung eines festsitzenden Ankerringes am Rand der negativen Cadmium-Elektroden-Tablette vermieden werden. In den F i g. 12 und 13 ist die negative Cadmiumplatte 48 mit einem Ankerring 62 versehen, der aus verschiedenen Stoffen bestehen kann, z. B. Kunststoffe und metallische Stoffe.

Zum Zusammenbau eines Zellenpaketes kann ein Elektrodensatz 38 entsprechend F i g. 3 flach hingelegt werden. Auf eine Endplatte dieses Elektrodensatzes wird ein Separator mit einer Zunge 52 gelegt, die über dem Metallstreifen 44 zu liegen kommt. Sodann wird ein positiver Elektrodensatz entsprechend F i g. 5 so angeordnet, daß die lange Achse dieses Streifens rechtwinklig zum negativen Elektrodensatz liegt, wobei eine Endelektrode des positiven Streifens über dem ersten Separator mit der Zunge 52 liegt. Darauf wird ein zweiter Separator gelegt, dessen Zunge 52 über dem Metallstreifen 28 liegt. Die Zunge dieses zweiten Separators ist also gegenüber der Zunge des ersten Separators um 90° versetzt. Der negative Elektrodenstreifen wird dann derart gefaltet, daß die zweite negative Elektrodenplatte auf den zweiten Separator zu liegen kommt. Nach der Anbringung eines dritten Separators über der zweiten negativen Elektrode mit der Zunge 52, welche über dem Leiter 44 der Elektrode liegt, wird der positive Streifen der Elektroden nach unten gefaltet, so daß eine zweite positive Elektrode nun über dem dritten Separator liegt. Diese Arbeitsweise wird wiederholt, bis alle Elektrodenplatten übereinandergestapelt sind, wobei ein Separator zwischen je einem Paar Elektroden entgegengesetzter Polarität angeordnet ist. Die Zungen 52 sind immer so angeordnet, daß sie die Leiterstreifen der Elektroden einer Polarität von den Elektroden der entgegengesetzten Polarität

Claims (7)

trennen. Ein Separator entsprechend F i g. 10 wird so angeordnet, daß die Zunge 52 eines unterliegenden Separators mit einer Ausnehmung 56 des nächstfolgenden Separators übereinstimmt. Die Separatoren werden hierdurch in Stellung gehalten und verhindem ein Verdrehen der Elemente in der Zellenpackung. In bestimmten Bereichen der Zellenpackung haben die Zunge 52 oder die Ausnehmung 56 keine Funktion, wie z. B. bei dem ersten und letzten Separator. Hierfür braucht im Separator keine Zunge oder Ausnehmung vorgesehen zu sein. Ehe das Elektrodenpaket in das Gehäuse eingesetzt wird, wird es in einen Elektrolyten, z. B. eine 38°/oige wäßrige KOH-Lösung, eingetaucht. Nach dem Zusammenbau der Zelle in der oben beschriebenen Art und Weise ist der in F i g. 2 dargestellte Zustand erreicht, wo die Randkante der äußeren Kappe nach oben in der gestrichelten Darstellung verläuft. Diese Zelle wird dann zwischen die Druckstempel einer hydraulischen Presse gelegt und zusammengedrückt, so daß die Randkante umgebogen wird. Dieser Verschließarbeitsgang kann unter normalen Bedingungen oder unter teilweisem Vakuum ausgeführt werden. Anschließend wird die Zelle geladen. Patentansprüche:

1. Elektrodenpaket für Akkumulatoren, insbesondere für gasdicht verschlossene Knopfzellen, bei dem scheibenförmige Elektroden abwechselnder Polarität unter Zwischenschaltung von Separatoren zu einem Stapel vereinigt und gleichnamige Elektroden durch die dazwischenliegenden Gegenelektroden und Separatoren überbrükkende Metallstreifen miteinander leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einzelne Separatoren(SO) mit radial über ihren Rand vorstehenden Zungen (52) versehen sind, die über den Rand einer angrenzenden Elektrode hinaus abgebogen sind und diese

Elektrode von einem die beiden benachbarten Elektroden miteinander leitend verbindenden Metallstreifen (28 bzw. 44) isoliert halten.

2. Elektrodenpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Zungen (52) versehenen Separatoren (50) zu beiden Seiten der Zunge Schlitze (54) aufweisen, die bei Abbiegen der Zunge eine zur Aufnahme des betreffenden Metallstreifens dienende Ausnehmung freigeben.

3. Elektrodenpaket nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Separatoren (50) neben den Zungen (52) gegen diese versetzte Ausnehmungen (56) aufweisen, um einen weiteren Metallstreifen sowie eine diesem anliegende Zunge eines anderen Separators aufzunehmen.

4. Elektrodenpaket nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen (28,44) mit ring- oder scheibenförmig ausgebildeten Stromableitern (30 bzw. 40) einstückig hergestellt sind, in oder auf denen das aktive Material (48) ein- oder aufgebracht ist.

5. Elektrodenpaket nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromableiter Zungen (46) aufweisen, die das plattenförmige Elektrodenmaterial umgreifen.

6. Elektrodenpaket nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial innerhalb eines Halterings (62) untergebracht ist.

7. Elektrodenpaket nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiderseitig mit Elektrodenmaterial beladenen Stromableiter (40) wellenförmig ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 888 122;
französische Patentschriften Nr. 1165 706,
607;

USA.-Patentschrift Nr. 2 675 418.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 587/217 5.67 © Bundesdruckerei Berlin