DK173307B1 - Fremgangsmåde og apparat til fremstilling af separator til galvanisk batteri - Google Patents

Description

DK 173307 B1

Uagtet, at fabrikanter af galvaniske batterier igennem mange år har tilstræbt at producere bedre batterier med længere levetid, højere strømstyrke og højere ydelse ved at forbedre et eller flere elementer på batteriet, er konstruktion af separatoren, som benyttes I det galvaniske batteri stadig et område, 5 som ikke er tilfredsstillende.

I kendte alkaliske tørelementer af typen Mn02 består batterikonstruktionen i almindelighed af en metalbeholder, passende af stål, en masse eller en blanding af MnC>2 og grafit støbt indvendigt i stålhylsteret, en separator, som grænser op til Mn02-massen og et elektrolyt og et anode materiale I centrum af 10 separatoren. Separatoren tjener både som barriere mod bortvandring af depo-larisatorblandingen og anoden. Tidligere var det bekvemt og praktisk at benytte en cellulosebaseret separator, f.eks. en konstrueret af papir, træpap, alfacellulose, cellulose acetat, limet kraftkarton, metylcellulose film og ikke-vævet papir af cellulosefibre lamineret til en lignende måtte af vinylfibre. I den seneste 15 tid er polyvinyl acetatfolier blevet anvendt som separator materiale på grund af dets evne til at hindre bortvandring af depolarisator og til at tilvejebringe dimensionsstabilitet.

Traditionelt laves separatorer ved at svøbe separatoren rundt om siderne på en spole og ved at folde separatoren tværs over bunden i spolen, før den 20 indsættes i battericellen. Almindeligvis benyttes en eller flere skiver ved bunden af spolen for at fastholde separatorens foldede kanter mod bunden af battericellen. Imidlertid lider separatorer af denne konstruktion af mange mangler. De er tilbøjelige til at løsne sig, fordi de svøbes omkring spolen, før den Indsættes i battericellen. Da separatoren skal være tæt for at indeholde depolarisator-25 blandingens partikler, er der sandsynlighed for bortvandring af disse partikler.

En anden mangel er, at separatorens foldede bund er tyk og optager plads indeni battericellen, selvom der benyttes skiver til at fastholde de foldede kanter.

Fra CH-PS 593 564 kendes en fremgangsmåde til fremstilling af et mellemlag til et elektrokemisk element. Ifølge dette patent vikles en porøs 30 kunststofsdel omkring et øvre hulrum, hvorefter den nederste del af kunststoffet presses mod en opvarmet konkav overflade på en nedre del af hulrummet. Separatoren positioneres midt imellem to forskellige formværktøjer og umiddelbart derefter indbygges den i det elektrokemiske element. Denne fremgangsmåde 2 DK 173307 B1 nødvendiggør yderligere værktøjer og produktionstrin, som derved gør tilvejebringelsen af galvaniske elementer teknisk kostbart. I US patentet 3,338,142 beskrives en fremgangsmåde og et apparat til dannelse af en rørformig beholder fra et pladeformet råmateriale. Med en høj hastighed fremstiller appa-5 ratet beholderen med to åbne ender. Imidlertid egner beholderen sig ikke som separatorer i galvaniske elementer, ej heller kan apparatet indpasses sådanne batteriseparatorer ved en delvis sammebygning af galvaniske elementer.

Ifølge en kendt fremgangsmåde er der - for at skabe mere plads indeni battericellen - udviklet en metode til tilvejebringelse af en separator ved at 10 tvinge en strimmel af separatormateriale gennem en matrice med en dom og indsætte den formgivne separator i batteribeholderen, som er monteret til den formgivende matrice. En sådan metode er beskrevet i US patentet 3,089,914.

Selvom en sådan kendt fremgangsmåde tilvejebringer rimeligt tilfredsstillende resultater med papirseparatorer, er det blevet erkendt, at når separa-15 torerne konstrueres af relativt stift elastisk materiale, vil separatorvæggene på grund af elasticiteten af det benyttede materiale være tilbøjelige til at kontrahere eller sno sig indad mod centrum af battericellen og derved reducere størrelsen af åbningen, Igennem hvilken anodematerialet hældes ved fyldeopera-tionen. Dette resulterer i alvorlige problemer ved højhastighedssamling af alka-20 liske batterier; idet den forsnævrede åbning reducerer den frie plads, som er til rådighed for anodematerialet, hvorved der tilvejebringes et batteri med kortere levetid, som hyppigere forårsager overløb af anodematerialet over til katoden med det resultat, at batteriet kortsluttes, og det må kasseres.

Formålet med den foreliggende opfindelse er derfor at tilvejebringe en 25 forbedret separatorkonstruktion til et galvanisk batteri.

Et andet formål er at tilvejebringe en fremgangsmåde og et apparat til udformning af en termoplastisk batteriseparator på stedet inden i det galvaniske batteris hylster. De angivne formål opnås med en fremgangsmåde og et apparat, som angivet i den indledende del af henholdsvis krav 1 og 5, som ifølge 30 opfindelsen er karakteriseret ved den i kravenes kendetegnende del angivne udformning.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes en forbedret fremgangsmåde til konstruktion af en separator til et galvanisk batteri, som har i det mindste to kop- r DK 173307 B1 3 formede separatorbeklædninger, der hver især består afen cirkulær bund og cylindriske sidevægge, dannet af to overlappende halvcylindriske vægsegmenter, og som omfatter anvendelsen af et termoplastisk separatormateriale, som efter det er formet til en separator tilpasses inden i batteriet med en formgivet 5 dom ved en temperatur og i et tidsrum, som er tilstrækkeligt til at deformere det termoplastiske materiale mod katodematerialet og til at sammensmelte sømmene, uden at forringe separatorens mekaniske styrke, modstand mod bortvandring og isoleringsevne.

På tegningen viser: 10 Fig. 1 et ekspanderet billede af separatorkonstruktionen følge opfindelsen før tilpasningen,

Fig. 2 et ekspanderet billede af separatorkonstruktionen ifølge opfindelsen efter tilpasningen, 15

Fig. 3 et snitbillede af en typisk battericelle ifølge opfindelsen,

Fig. 4 et vertikalt snitbillede af dornapparatet før indsætningen i separatoren, 20 Fig. 5 et vertikalt snitbillede af dornapparatet, visende domen i position inden i separatoren i batteriet.

Under henvisning til tegningen ses i fig. 1 vist et ekspanderet billede af separatorkonstruktionen i overensstemmelse med opfindelsen, som omfatter 25 en ydre og en indre kopformet separatorbeklædning 12,12', fortrinsvis af termoplastisk materiale, sådan som polyvinyl acetat. Separatorbeklædningerne 12,12' formes med den ene inden i den anden og placeres derefter inden i det galvaniske batteris hylster, sådan som den i fig. 3 viste battericelle.

Som vist i fig. 3 omfatter et alkalisk batteri 20 af den konstruktionstype, 30 for hvilken opfindelsen er meget egnet, typisk et stålhylster 22, som tjener som beholder for battericellen, en katode 24 bestående af MnC>2, en separator 26, én anode 28 bestående af KOH og amalgameret zink og en anodelederspids 29.

DK 173307 B1 4

Ifølge opfindelsen kan et alkalisk batteri, sådan som det i fig. 3 viste, forsynes med en separatorkonstruktion 10, omfattende en ydre og en indre koplignende separatorbeklædning 12,12', fortrinsvis af polyvinyl acetat, som formes på stedet inden I metalhylsteret, som indeholder det forud formede ka-5 todemateriale.

Separatorbeklædningerne 12,12' ifølge fig. 1 er hver især formet af et enkelt stykke separatormateriale og omfatter en cirkulær bund 30 og cylindriske sidevægge, dannet af to halvcylindriske vægsegmenter 31,32 og 31\ 32', som har overlappende kanter, henholdsvis 34, 35 og 34', 35'. Det overskydende se-10 paratormateriale ved bundkanten af hver separatorbeklædning 12,12' samles pænt i foldede flige 36, som foldes mod de cylindriske sidevægge. Fligene 36 af separatorbeklædningerne 12,12' er beregnet til at hindre, at de overlappende sidekanter 34, 35 og 34', 35' adskilles, men på grund af stivheden af det ter-moplastiske separatormateriale ligger fligene ikke kompakt an mod sidevægge-15 ne. Sammensmeltningen af det termoplastiske separatormateriale tillader dan nelsen af en halvkuglebund, hvor fligene lukker tæt til separatorbeklædningernes cylindriske sidevægge som vist i fig. 2. Separatorbeklædningernes 12,12' overlappende sidekanter 34, 35 og 34', 35' optager steder i radial afstand rundt om periferien på separatorkonstruktionens cylindriske sidevægge. De overlap-20 pende kanter varmeforsegles ved virkningen af den opvarmede dorn 40, som således tilvejebringer øget anodevolumen og hindrer bortvandring af partikler af depolariseringsblanding og anodemateriale gennem den indre separatorbeklædnings 10' overlappende sidekanter 34', 35'.

Et apparat, som udfører den fremgangsmåde, som er vist i fig. 4 og 5, 25 omfatter en opvarmet cylindrisk udformet dorn 40 og en varmeblok 42. Domen opvarmes i varmeblokken, hvis temperatur kontrolleres af termoelementet 44.

Som det fremgår af fig. 4, anbringes den opvarmede dom 40 aksialt i en aksial boring i varmeblokken 42, som består af et messinglegeme 46, der er omgivet af varmetråde af kendt type (ikke vist), som er forbundet til en elektrisk 30 kraftkilde. Den opvarmede dom 40 bevæges langs dens akse af en slaglængdestyret luftcylinder (ikke vist), som hæver og sænker dornen. Når den samlede separator og katodeelementenhed er bragt i stilling under den opvarmede dorn 40, signalerer en styreenhed (ikke vist) til et pneumatisk system om at be- DK 173307 B1 5 væge dornen ind og ud af den samlede celleenhed. Den opvarmede dorn kan afhængigt af samlebåndets konfiguration være sammensat til flerheder, fortrinsvis indeholdende fire varmedorne pr. station.

Det er opdaget, at når den opvarmede dom 40 er forsynet med en 5 halvkuglebund, vil bunden af separatoren slutte tæt til bunden af det forud formede katodehulrum 48 og dermed minimere antallet af bugter i folderne med deres resulterende spild af plads.

Ved udførelse af fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse fremstilles separatorbeklædningen 12,12' ved en fremgangsmåde, som er 10 kendt, og den formede separator anbringes i batterikappen. Den opvarmede dom 40 sænkes fra varmeblokken 42 ind ί centerhulrummet, dannet af separatorens 12,12' cylindriske vægge, idet den tvinger sidevæggene og bunden af separatorkonstruktionen tæt mod den forud formede katode. Den opvarmede dorn 40 holdes på en temperatur og i et tidsrum, som er tilstrækkeligt til at de-15 formere den termoplastiske separator uden at nedbryde den. Hvor polyvinyl acetat benyttes som separatormateriale, holdes den opvarmede dom på en temperatur under omkring 82°C (180°F), fortrinsvis på en temperatur omkring 57°C (135°F) til omkring 71° (160°F) og helst på en temperatur omkring 61 °C (141°F). Længden af det tidsrum, som den opvarmede dorn 40 er i kontakt med 20 separatormaterialet, vil variere med sammensætningen af det termoplastiske materiale og med dornens temperatur. Imidlertid må tiden og temperaturen i alle tilfælde være sådan, at nedbrydning af separatormateriale undgås. Hvor der benyttes polyvinyl acetat, vil tiden, som den opvarmede dorn holdes i kontakt med separatoren, være mindre end 0,2 s. og fortrinsvis mindre end 0,1 s.

25 Det er klart, at længden og diameteren af den opvarmede dorn kan va riere, afhængigt af diameteren og længden af den battericelle, hvori separator-materialet skal udformes.

w

Claims (7)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af alkaliske batterier, hvori en katode isoleres 5 og adskilles fra anodematerialet ved hjælp af en separator, KENDETEGNET ved indsætning afen formet separator, som haret centralt hulrum og er konstrueret af termoplastisk materiale, i et delvist samlet hylster, bestående af hylsteret og katodemateriale, indskydning afen opvarmet formgivningsdorn I separatorkonstruktionens centrale hulrum, opretholdelse af den opvarmede dorn i 10 hulrummet over et tidsrum og ved en temperatur, som er tilstrækkelig til at deformere det termoplastiske materiale og til at sammensmelte separatorens sømme uden at nedbryde separatormaterialets mekaniske integritet, isolerende og barrrieremæssige evner og fjernelse af den opvarmede dorn fra den formgivne separator. 15

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, AT det termoplastiske separatormateriale hidrører fra et termoplastisk plademateriale, som for størstedelen består af polyvinyl acetat.

3. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1 eller 2, KENDE TEGNET ved, AT domen, som holdes ved en temperatur under omkring 82°C (180°F), indskydes i separatormaterialet og holdes deri mindre end 0,1 s., hvorved separatoren udvides mod den forud formgivne katode, og tætning af separatorens sidesømme og bund. 25

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket aom helst af kravene 1-3, KENDETEGNET ved, AT dornen, som holdes på en temperatur på omkring 57°C (135°F) til omkring 71°C (160°F), indskydes i det formede separatormateriale over mindre end omkring 0,1 s., hvorved separatoren udvides mod den forud formgivne ka- 30 tode, og tætning af separatorens sidesømme og bund.

5. Apparat til tilpasning af termoplastiske batteriseparatorer, som er afgrænset inden i en delvist samlet celle, KENDETEGNET ved, AT apparatet omfatter en DK 173307 B1 langstrakt cylindrisk formgivningsdorn (40), som er i stand til at lede varme og har en diameter, som tillader indskydelse af dornen i en celle (20) med forvalgt diameter, indeholdende en termoplastisk separator (10) og en forud formet katode (24), hvorved separatoren formes mod den indre væg af katoden. 5

6. Apparat ifølge krav 5, KENDETEGNET ved, AT formgivningsdornen (40) anbringes aksialt i en boring i en varmeblok (42), er i glidende kontakt med sidevæggene af varmeblokken og er funktionsmæssigt forbundet til anordninger til hævning og sænkning af domen i boringen. 10

7. Apparat ifølge et hvilket som helst af kravene 5 eller 6, KENDETEGNET ved, AT dornens (40) ene ende er udformet som en halvkugle.