DE102023111815B4

DE102023111815B4 - Batterie, insbesondere Knopfzelle, sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102023111815B4
Application number: DE102023111815.3A
Authority: DE
Inventors: Guido Weckwerth
Original assignee: Esperta GmbH
Current assignee: Esperta GmbH
Priority date: 2023-05-05
Filing date: 2023-05-05
Publication date: 2025-07-10
Anticipated expiration: 2043-05-06
Also published as: DE102023111815A1

Abstract

Batterie, insbesondere Knopfzelle, mit einer Anode (13) und einer Kathode (11) sowie einem dazwischen angeordneten Separator (15) und
einem Gehäuse, das aus einem Becher (5) und einem Deckel (3) sowie einer dazwischen liegenden ringförmigen Isolations- und Dichtungsschicht (17) besteht,
wobei in dem Gehäuse (3, 5) der Batterie (1) zusätzlich eine Elektronikeinrichtung (7) mit wenigstens einem elektronischen Bauelement (9) angeordnet ist,
wobei die Elektronikeinrichtung (7) als elektronisches Bauelement (9) eine Sensoreinrichtung in Form eines Bewegungs- oder Beschleunigungssensors umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie bei einem Detektieren eines vordefinierten Ereignisses eine Aktion auslöst,
die Elektronikeinrichtung (7) als elektronisches Bauelement (9) eine Schalteinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie als Aktion ein Abschalten der Batteriespannung bewirkt, wenn über eine vorgegebene Zeitspanne mittels des Bewegungs- oder Beschleunigungssensor keine Bewegung detektiert wird und/oder ein Einschalten der Batteriespannung über eine detektierte Bewegung oder ein detektiertes vorgegebenes Bewegungsmuster erfolgt,
die Elektronikeinrichtung (7) kreis- oder ringförmig ausgebildet ist und
wobei zumindest ein empfindliches elektronisches Bauelement (9) ringförmig an oder in der Elektronikeinrichtung (7) angeordnet ist und durch die ringförmige Isolations- und Dichtungsschicht (17) vor der Kathode (11) und/oder der Anode (13) geschützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere Knopfzelle, mit einer Anode und einer Kathode, sowie einem dazwischen angeordneten Separator sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Batterie.
Derartige Batterien werden in einer Unzahl von Geräten (Fernbedienungen jeglicher Art, medizinische Geräte, Messgeräte, etc.) verwendet, um diese Geräte batteriebetrieben oder -gestützt autark von der Netzstromversorgung verwenden zu können. Zudem werden derartige Batterien verwendet, um in nicht autarken Geräten (Computer, Smartphones, Laptops, Notebooks, etc.) Teile der Elektronik batteriegestützt auszugestalten, um beispielsweise Stand-by-Schaltungen mit Strom zu versorgen, flüchtigen Speicherinhalt zu erhalten oder kurzzeitige Netzstromausfälle zu überbrücken.
Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Batterie sowohl aufladbare als auch nicht aufladbare Energiespeicher, also auch sogenannte Akkumulatoren, die in ihrem Inneren Stoffe aufweisen, welche aufgrund einer chemischen Reaktion Energie speichern und abgeben können. Unter dem Begriff Batterie werden im Sinne der Erfindung auch mehrzellige, in einem Gehäuse zusammen gefasste, Batteriezellen verstanden, jedoch in bevorzugter Ausgestaltung eine einzelne Batteriezelle, insbesondere herkömmlicher standardisierter Bauform, wie beispielsweise Mono, Mignon, Micro, Mini, Baby, Lady, 9 V-Block und vorzugsweise unterschiedliche Knopfzellentypen.
Klar zu trennen sind hiervon sogenannte Akkupacks, die mehrere Batterien beinhalten. Derartige Akkupacks sind, selbst wenn sie in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, nicht im Sinne der Erfindung als Batterie zu verstehen.
Um verschieden Eigenschaften der Batterie, wie beispielsweise deren Ladezustand, zu detektieren, muss in dem Gerät, in das die Batterie eingelegt wird, eine entsprechende Messeinrichtung vorgesehen sein. Soll in geeichten Geräten (z.B. Messgeräte) oder sicherheitsrelevanten Geräten, wie beispielsweise medizinischen Geräten, das erste und/oder wiederholte korrekte Einlegen dieser Batterien detektiert, überwacht oder gar dokumentiert werden, so sind in diesen Geräten geeignete Vorrichtungen erforderlich, die nur eine bedingte Sicherheit gegen Betrug oder Missbrauch bieten.
Aus der DE 11 2017 000 614 T5 ist eine in einem Fahrzeug zu montierende Batterievorrichtung mit einem Lageänderungsdetektor im Inneren des Batteriepacks bekannt. Weitere Batterien sind aus der US 2015 / 0 349 388 A1 und der US 2008 / 0 090 134 A1 , der DE 10 2015 002 149 A1 , der DE 10 2016 105 219 A1 und der DE 11 2014 003 323 T5 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vorstehende Nachteile zu vermeiden und eine Batterie sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Batterie zu schaffen, welche(s) das Einsatzgebiet der Batterie erhöht und/oder ein Detektieren der Batterieeigenschaften erleichtert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Erfindungsgemäß ist innerhalb eines aus einem Becher und einem Deckel bestehenden Gehäuses einer Batterie zusätzlich eine Elektronikeinrichtung mit wenigstens einem elektronischen Bauelement angeordnet. Durch die Unterbringung der Elektronikeinrichtung im Gehäuse der Batterie kann die Batterie autark oder im Zusammenspiel mit Vorrichtungen die außerhalb der Batterie - insbesondere innerhalb von Geräten, in welche die Batterie eingelegt wird - angeordnet sind, verschiedene Aufgaben oder Aktionen erledigen.
Die Elektronikeinrichtung kann beispielsweise eine vorzugsweise prozessorgesteuerte Schalteinrichtung umfassen, die ein An- und/oder Abschalten der Batteriespannung ermöglicht. Weiterhin ist es denkbar, dass die Elektronikeinrichtung eine Sensoreinrichtung (insbesondere mit einem Bewegungs- oder Beschleunigungssensor), und/oder eine Messeinrichtung und/oder eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung und/oder eine Auswerteeinheit und/oder eine Speichereinheit umfasst.
So kann als eine erfindungsgemäße Aktion beispielsweise die Batteriespannung abgeschaltet werden, wenn über längere Zeit, insbesondere eine vorgegebene Zeitspanne, mittels eines Bewegungs- oder Beschleunigungssensor keine Bewegung detektiert wird. Ein Einschalten der Batteriespannung kann erfindungsgemäß auch bei Bedarf, beispielsweise über eine detektierte Bewegung oder ein detektiertes vorgegebenes Bewegungsmuster oder über ein mittels einer Empfangseinrichtung empfangenes Signal bzw. Daten erfolgen.
Zudem ist es denkbar, in der Batterie in einer Speichereinheit empfangene Daten und/oder detektierte Aktionen wie Bewegung, Bewegungsmuster, Abgabe von Batteriestrom, Batteriezustand, Ladezyklen (bei aufladbaren Batterien), etc. als Historie zu speichern.
Als elektronische Bauelemente, die einzeln oder in beliebiger Kombination von der Elektronikeinrichtung umfasst werden, kommen beispielsweise Speicher, Mikroprozessor oder FPGA, Schalttransistor, Sensoren (insbesondere Beschleunigungs- oder Bewegungssensoren, Feuchtigkeitssensoren) in Frage.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eines der Bauelemente, insbesondere säureempfindliche Bauelemente, durch die Isolations- und Dichtungsschicht von der Anode und/oder der Kathode säuredicht oder gar gasdicht getrennt. Hierdurch wird ein frühzeitiger Defekt des jeweiligen Bauelements bedingt durch eine unerwünschte chemische Reaktion (z.B. Oxidation) verhindert, wobei vorteilhafterweise das Abdichten vorzugsweise durch eine in der Batterie bereits vorhandene Isolations- und Dichtungsschicht (zwischen Becher und Deckel der Batterie) erfolgt.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist die Elektronikeinrichtung kreis- oder ringförmig, vorzugsweise mit einem Durchmesser nahezu dem Innendurchmesser des Bechers des Batteriegehäuses, ausgebildet. Dies erleichtert das Einlegen und Positionieren bei der Herstellung, so dass abgesehen von dem Einlegen der Elektronikeinrichtung im Vergleich zum herkömmlichen Herstellungsprozess kein zusätzlicher (Arbeits-)Schritt erforderlich ist.
In erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist zumindest ein empfindliches elektronisches Bauelement (Mikroprozessor, etc.) ringförmig an oder in der Elektronikeinrichtung angeordnet und durch die ringförmigen Isolations- und Dichtungsschicht von der Kathode und/oder der Anode gasdicht getrennt und damit vor chemisch aggressiven Stoffen bzw. Materialien geschützt. Durch die ringförmige Anordnung kann vorteilhafterweise die in der Batterie bereits vorhandene ringförmige Isolations- und Dichtungsschicht verwendet werden, ohne dass an dieser ringförmigen Isolations- und Dichtungsschicht, abgesehen von einer eventuellen Aussparung, wesentliche Änderungen vorgenommen werden müssen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektronikeinrichtung als kreisförmige Fläche ausgebildet und weist eine Kontaktfläche, vorzugsweise einen Innenkreis, zur Kathode und eine weitere Kontaktfläche, vorzugsweise eine Lasche oder Nase, zum Pluspol (Becher) der Batterie auf. Soweit die Kontaktflächen chemisch aggressive Materialen kontaktieren, sind diese vorzugsweise aus entsprechendem resistentem leitfähigem Material gefertigt.
Wie bereits vorstehend erläutert, kann die Elektronikeinrichtung als elektronisches Bauelement eine Schalteinrichtung umfassen, die derart ausgebildet ist, dass sie das An- und Abschalten der Batteriespannung bewirkt, also Plus und/oder Minuspol trennt und damit spannungslos (bzw. potenziallos) schaltet.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Elektronikeinrichtung als elektronisches Bauelement eine Sensoreinrichtung (insbesondere Bewegungs- oder Beschleunigungssensor) umfasst, und bei einem Detektieren eines vordefinierten Ereignisses (z.B. Bewegung oder ein Bewegungsmuster) eine Aktion, wie beispielsweise An- und Abschalten der Batteriespannung, Senden eines vordefinierten Musters (Datensignal), auslöst.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Elektronikeinrichtung als elektronisches Bauelement eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung, mittels welcher, über Funk und/oder Modulation der Batteriespannung und/oder des Batteriestroms Daten gesendet und/oder empfangen werden können. Beispielsweise können in der Batterie Daten (in einer Speichereinrichtung) abgespeichert werden, um später einen Nachweis (beispielsweise zu Zwecken der Qualitätssicherung, Eichung, Garantie) führen zu können, dass die Batterie in dem jeweiligen Gerät eingelegt war.
Nach der Erfindung wird bei der Herstellung der Batterie als zusätzlicher und vorzugsweise einziger weiterer Verfahrensschritt eine runde oder ringförmige Elektronikeinrichtung in den Becher eingelegt. Dies kann in einem ersten Schritt vor dem Einbringen der Isolations- und Dichtungsschicht, dem Einbringen von weiterem Material zur Bildung der Kathode, dem Einbringen eines Separators, Einbringen von weiterem Material oder Vorsehen von Luftlöchern zur Bildung der Anode und dem Einsetzen des Deckels erfolgen, so dass nur eine geringfügige und damit kostengünstige Änderung des herkömmlichen Herstellungsprozesses erforderlich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische gebrochene Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Batterie mit einer Elektronikeinrichtung;
2 und schematische perspektivische Detailansicht einer Elektronikeinrichtung nach 1 als Einzelheit und
3 eine schematische Seitenansicht einer Elektronikeinrichtung nach 2.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Batterie 1 beispielhaft in Form einer typischen Knopfzelle mit einem aus einem Becher 5 als Pluspol und einem Deckel 3 als Minuspol der Batterie 1 bestehenden Gehäuse, meist aus Edelstahl.
Die im Grundriss (x-y-Eben) bzw. im Querschnitt kreisförmig ausgebildete Batterie 1 weist wie herkömmliche Batterien zwei unterschiedliche Elemente auf, die als Reduktionsmittel (Anode 13: beispielsweise Zink oder Lithium) und Oxidationsmittel (Kathode 11: beispielsweise Quecksilberoxid, Silberoxid oder Manganoxid) dienen.
Die Anode 13 kontaktiert den Deckel und bildet den technischen Minuspol. Unterhalb der Anode 13 ist durch einen Separator 15 getrennt die Kathode 11 angeordnet, die den Becher 5 kontaktiert und den technischen Pluspol der Batterie 1 bildet.
Im Unterschied zu einer herkömmlichen Batterie befindet sich bei der erfindungsgemäßen Batterie unterhalb des Separators 15, vorzugsweise am Boden des Bechers 5, eine Elektronikeinrichtung 7, beispielsweise in Form einer runden Platine.
Die Elektronikeinrichtung 7 weist an ihrer Unterseite mehrere (beispielsweise drei, siehe auch 3) Kontaktfedern 29 auf, um den Becher 5 und damit den Pluspol der Batterie 1 zu kontaktieren.
Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, dass die Elektronikeinrichtung 7 nicht ganzflächig ausgebildet ist. So kann die Elektronikeinrichtung 7 auch nicht direkt auf den Boden des Bechers 5 eingelegt werden, sondern vorzugsweise nur innerhalb der Isolations- und Dichtungsschicht 17 angeordnet sein, wobei die Kathode 11 oder der Becher 5 dann über eine entsprechende Kontaktfläche kontaktiert werden kann.
Wie aus 2 ersichtlich, weist die Elektronikeinrichtung 7 an ihrer Oberseite im Bereich der Kathode 11 einen, vorzugsweise kreisflächenfömigen, inneren Teil bzw. Innenbereich 23 auf, der mit den Kontaktfedern 29 direkt oder über eine Schalteinrichtung verbunden ist, so dass die Kathode, vorzugsweise über ihren gesamten Querschnitt, mit dem Pluspol der Batterie direkt (durchkontaktiert) oder über die Schalteinrichtung verbunden ist.
Am, vorzugsweise ringförmig ausgebildeten, Rand 21 der Elektronikeinrichtung 7 sind je nach Anforderung elektronische Bauelemente 9 in beliebiger Kombination, wie beispielsweise ein Mikroprozessor, eine Bewegungssensor, eine elektronische Schalteinrichtung, eine Speichereinrichtung, eine Auswerteeinrichtung, etc., angeordnet.
Die Elektronikeinrichtung 7 weist einen Vorsprung in Form einer Kontaktnase 25 mit einer im Endbereich angeordneten Kontaktfläche 27 auf, um die Anode 13 oder unmittelbar den Deckel 3 und damit den Minuspol der Batterie 1 zu kontaktieren.
Hierzu kann die Kontaktnase beispielsweise rechtwinklig nach oben (in z-Richtung) gebogen sein, um einen üblicherweise sich nach unten erstreckenden Rand des Deckels 3 oder die (in z-Richtung gesehen) oberhalb des Separators 15 angeordnete Anode 13 zu kontaktieren.
Der Rand 21 der Elektronikeinrichtung 7 und damit in diesem Bereich angeordnete Bauelemente 9 werden durch die Isolations- und Dichtungsschicht 17 von der Kathode 11 und Anode 13 geschützt, so dass die Bauelemente nur über die Elektronikeinrichtung 7 kontaktiert werden und in gewünschter Weise jeweils mit Plus- und Minuspol der Batterie über ihre Anschlüsse in Verbindung stehen. Der Rand 21 kann hierzu beispielsweise in üblicher Weise als Platine (evtl. auch mehrlagig) ausgebildet sein und entsprechend Leiterbahnen aufweisen.
Die nach oben gebogene Kontaktnase 25 ist durch die Isolations- und Dichtungsschicht 17 (bzw. Isolationsring) derart abgedichtet, dass nur die Kontaktfläche 27 mit dem Deckel 3 oder der Anode 13 in Verbindung steht. Der Rand 21 der Elektronikeinrichtung 7 bleibt von der Kathode 11 und der Anode durch die Isolations- und Dichtungsschicht 17 getrennt und wird damit vor aggressiven chemischen Reaktionen geschützt.
Auf diese Weise werden die Bauelemente 9 von der Batterie 1 mit Strom versorgt, um ihre Aufgaben, wie beispielsweise das An- und Abschalten der Batteriespannung zu erledigen.
Wie aus 1 ersichtlich kann die Elektronikeinrichtung 7, insbesondere in Form einer kreisförmigen Platine, bei der Herstellung in einen Becher 5 eingelegt werden, wobei der Rand 21 durch die Isolations- und Dichtungsschicht 17 - die nachfolgend oder gleichzeitig eingebracht wird - gegenüber dem Innenraum der Batterie 1 und den sich darin befindlichen meist chemisch aggressiven Materialen nicht nur elektrisch isoliert (bis auf Kontaktfläche 27), sondern vorzugsweise auch geschützt ist.
Die elektronischen Bauelemente 9 befinden sich dabei im Bereich des umlaufenden Dichtungsrings bzw. der ringförmig ausgebildeten Isolations- und Dichtungsschicht 17.
Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand einer runden Knopfzelle erläutert wurde, umfasst die Erfindung selbstverständlich auch eckige Grundformen von Batterien bzw. Batteriezellen. Der Begriff ringförmig ist entsprechend auch als eckig ausgebildete Ringe zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Batterie
3: Deckel (- Pol der Batterie)
5: Becher (+ Pol der Batterie)
7: Elektronikeinrichtung in Form einer Platine
9: Elektronische Bauelemente
11: Kathode
13: Anode
15: Separator
17: Isolations- und Dichtungsschicht
21: Rand der Platine
23: Innerer Teil der Platine/Innenbereich
25: Kontaktnase
27: Kontaktfläche
29: Kontaktfedern

Claims

Batterie, insbesondere Knopfzelle, mit einer Anode (13) und einer Kathode (11) sowie einem dazwischen angeordneten Separator (15) und einem Gehäuse, das aus einem Becher (5) und einem Deckel (3) sowie einer dazwischen liegenden ringförmigen Isolations- und Dichtungsschicht (17) besteht, wobei in dem Gehäuse (3, 5) der Batterie (1) zusätzlich eine Elektronikeinrichtung (7) mit wenigstens einem elektronischen Bauelement (9) angeordnet ist, wobei die Elektronikeinrichtung (7) als elektronisches Bauelement (9) eine Sensoreinrichtung in Form eines Bewegungs- oder Beschleunigungssensors umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie bei einem Detektieren eines vordefinierten Ereignisses eine Aktion auslöst, die Elektronikeinrichtung (7) als elektronisches Bauelement (9) eine Schalteinrichtung umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie als Aktion ein Abschalten der Batteriespannung bewirkt, wenn über eine vorgegebene Zeitspanne mittels des Bewegungs- oder Beschleunigungssensor keine Bewegung detektiert wird und/oder ein Einschalten der Batteriespannung über eine detektierte Bewegung oder ein detektiertes vorgegebenes Bewegungsmuster erfolgt, die Elektronikeinrichtung (7) kreis- oder ringförmig ausgebildet ist und wobei zumindest ein empfindliches elektronisches Bauelement (9) ringförmig an oder in der Elektronikeinrichtung (7) angeordnet ist und durch die ringförmige Isolations- und Dichtungsschicht (17) vor der Kathode (11) und/oder der Anode (13) geschützt ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elektronische Bauelement (9) der Elektronikeinrichtung (7) durch die Isolations- und Dichtungsschicht (17) von der Anode (13) und/oder der Kathode (11) säuredicht getrennt ist.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (7) als kreisförmige Fläche ausgebildet ist und Kontaktflächen zu Kathode (11) und Pluspol der Batterie aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (7) als elektronisches Bauelement (9) eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung umfasst, mittels welcher über Funk und/oder Modulation der Batteriespannung und/oder des Batteriestroms Daten gesendet und/oder empfangen werden können.
Verfahren zur Herstellung einer Batterie (1), insbesondere Knopfzelle, nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem als ein Verfahrensschritt die kreis- oder ringförmige Elektronikeinrichtung (7) in das Gehäuse (3, 5) der Batterie (1) eingelegt wird, wobei in der Elektronikeinrichtung (7) als wenigstens ein elektronisches Bauelement (9) die Sensoreinrichtung in Form eines Bewegungs- oder Beschleunigungssensors angeordnet wird, wobei zumindest ein empfindliches elektronisches Bauelement (9) ringförmig an oder in der Elektronikeinrichtung (7) angeordnet wird und durch die ringförmige Isolations- und Dichtungsschicht (17) vor der Kathode (11) und/oder der Anode (13) geschützt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (7) in den Becher (5) der Batterie (1) eingelegt wird bevor weitere Verfahrensschritte zur Bildung der Anode (13), der Kathode (11) oder des Separators (15) erfolgen.