DE1671942A1

DE1671942A1 - Galvanisches Primaerelement

Info

Publication number: DE1671942A1
Application number: DE19671671942
Authority: DE
Inventors: Karobath Ernst Dipl-Ing Dr
Original assignee: Telephon und Telegraphen Fabriks AG Kapsch und Soehne
Current assignee: Telephon und Telegraphen Fabriks AG Kapsch und Soehne
Priority date: 1966-05-27
Filing date: 1967-05-11
Publication date: 1971-10-21
Also published as: DK123555B; AT266951B; CH454973A; NL6707029A; GB1175445A; SE319816B; US3501351A

Description

Patentanwälte

. ■„ _Faiig67

« ¹¹· ³^i 1967

DipWng. K..

KCKCHEN 22, Stetasdortstt. 10

Telephon- und Telegraphen-Fabriks-Aktiengesellschaft KAPSCH & SÖHNE in WIEN, Wien (Österreich)

XII-
¥ag"enseilgasse V _ ,

Patentanmeldung

Galvanisches Primärelement

Galvanische Primärelemente (z.B. Leclanche—Elemente) sind in der Regel so aufgebaut, daß die negative Elektrode Becherform (Zinkbecher) hat und den Behälter der Zelle bildet. Der Becher umschließt dabei die positive Elektrode (Kohleelektrode) mit der Depolarisatormasse und den Elektrolyten. Die elektrische Energie wird durch Auflösung der negativen Elektrode erzeugt. Gleichzeitig entsteht bei der Entladung Wasser, das zu einer Verflüssigung des im unverbrauchten Zustand der galvanischen Zelle durch einen Quellstoff verfestigten Elektrolyten führt* Die Folge davon ist ein Auslaufen von Elektrolytflüssigkeit ducdi die während der Entladung allmählich zerstörte Becherwand» Dieses Auslaufen der Elektrolytflüssigkeit führt oft zu großen Schaden in den Geräten, in.welche die Primärelemente eingebaut sind»

Es sind schon zahlreiche Zellenbauweisen vorgeschlagen worden, die darauf abzielen, den Flüssigkeitsaustritt aus den Zellen während und nach der Entladung zu verhindern, ohne daß dieses Problem bisher wirklieh gelöst werden konnte. Die An-

al».

Wendung einer dichten Kunststoffhülle ist schon daran gescheitert, ♦■ daß die zum Anschluß an die Pole "der Zelle erforderlichen metallischen Außenkontakte (Kopf- und Bodenkontakte) bisher nicht ausreichend dicht durch eine Kunststoffhülle hindurchgeführt werden , konnten. Wird nämlich ein Metallteil durch Spritzen in thermoplastischem Kunststoff eingebettet, so schrumpft der Kunststoff beim Erstarren, wodurch sich das Kunststoffmaterial vom eingebetteten Metallteil abhebt und In Richtung zur größten Anhäufung der Kunststoffmasse bewegt· Dadurch entsteht zwischen Kunststoff ^ und Metall ein schmaler Spalt, der eine Undichtheit zur Folge hat.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Ausbildung und Einbettung von metallischen Außenkontakten in Kunststoffhüllen besteht darin, daß an der Innenseite der Hülle relativ große

metallische Flächenteile der Kontakte unbedeckt bleiben und daher einer starken Korrosion ausgesetzt sind, durch welche schon nach kurzer Zeit die Abdichtung zerstört wird.

' Auch die sogenannten leak—proof-Zellen, die in eine Hülle aus saugfähigem Material eingeschlossen sind, über welcher unter Druckanwendung ein weiterer, meist aus Stahlblech bestehender ™ Außenmantel aufgebracht ist, wobei die äußere Stahlhülle durch Einrollen unter Druck mit dem Deckel und mit dem Boden der Zelle verbunden ist, ergeben keine befriedigende Lösung, weil auch bei diesen Zellen an den beiden indirekt durch die Hülle hindurchgeführten Außenkontakten Korrosionserscheinungen auftreten, die zum Undichtwerden an den Außenkontakten führen.

Die Korrosion der Außenkontakte kann auf zweierlei Weise eintreten* Erstens dadurch, daß die in den Zellen verwendete Elektrolytlösung die Kontakte benetzt und dadurch korrodiert.

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Dieser Vorgang verläuft allerdings so langsam, daß er den Bau praktisch dichter galvanischer Zellen nicht verhindern würde· Bei den herkömmlichen galvanischen Zellen tritt aber.noch ein weiterer Umstand ein, der eine andere Korrosionsart herbeiführt, nämlich die elektro-chemische Korrosion. Infolge der Selbstzerstörung der meist becherförmigen negativen Elektrode durch die Entladung kann nicht verhindert werden, daß die Außenkohtakte nicht nur von Elektrolytflüssigkeit benetzt werden, sondern auch mit der positiven Depolarisatormasse der Zelle in Berührung kommen. Wenn aber auf einen .Außenkontakt sowohl Elektrolytlösung als auch positive Depolarisatormasse einwirkt, so entsteht ein eigenes Lokalelement aus positiver Depolarisatormasse als Pluspol, Elektrolytlösung und Außenkontakt als Minuspol, und unter dem Einfluß der elektro-motorisehen Kraft dieses Lokalelementes ergibt sich eine rasch fortschreitende elektrö-chemiscne Korrosion des in den Kunststoff eingebetteten Außenkontaktes und damit ein Undichtwerden der an sich geschlossenen Zellenhülle an der Kontaktdurchführung nach außen.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, bei Anwendung einer eine | galvanische Zelle oder einen Zellenstapel vollständig umschließenden Kunststoffhülle die die Hülle, durchsetzenden Außenkontakte (Kopf- und Bodenkontakte) flüssigkeitsdicht mit der Hülle zu verbinden und zugleich so zu gestalten, daß sie praktisch keiner Korrosion ausgesetzt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Außenkontakte sowohl im Boden als auch im Deckel durch Metallblechteile gebildet sind, welche den Deckel bzw. Boden durchsetzend

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beidseitig in den Kunststoff eingebettet sind und zur Abdichtung im Einbettungsbereich, eine sich über den ganzen Einbettungsbereich erstreckende Reihe von eng benachbarten Öffnungen aufweisen, die nietenartig vom Kunststoff durchsetzt sind, wobei die Einbettungslänge jedes-der Blechteile^ gemessen von der Außen- zur Innenseite des Deckels bzw« Bodens, wesentlich,größer als die Dicke der Blechteile im Einbettungsbereich ist.

Dadurch, daß die als Außenkontakte in die Hülle einzubettenden Metallteile eine sich über die gesamte Einbettungsbreite erstreckende Reihe von eng benachbarten Öffnungen aufweisen, die

P bei der Einbettung der Metallteile in die thermoplastische Kunststoffmasse der Hülle von dieser Kunststoffmasse durchdrungen werden, so daß sie beim Erkalten der Kunststoffmasse durch Schrumpfen derselben eine Reihe von sich verkürzenden Kunststoffnieten bilden, wird der Kunststoff an der Berührungsfläche mit dem Metall eng an das Metall angepreßt und so die notwendige Abdichtung im erforderlichen Ausmaß erzielt. Infolge der großen Einbettungslänge der Blechteile, gemessen von der Außen- zur Innenseite des Deckels bzw. Bodens aus Kunststoff, stehen im Einbettungsbereich relativ

* große Flächenteile aus Kunststoff mit relativ großen Flächenteilen aus Metall in Berührung, so daß die beim Erstarren schrumpfenden Kunststoffnieten relativ große Dichtflächen fest gegeneinander drücken, wodurch sich eine besonders gute Abdichtung ergibt. Es. wurde gefunden, daß auf diese Weise ohne weiteres eine Abdichtung erzielt werden kann, die Überdrücken von 1 atü und mehr in der Zelle standhält.

Die elektro-chemische Korrosion, welche die eigentliche Ursache der rasch .fortschreitenden Korrosion der Außenkontakte

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ist, wird mit weitgehender Sicherheit dadurch verhindert, daß die Einbettungslänge jedes der Blechteile, gemessen von der Außenzur« Innenseite'des Deckels bzw· Bodens, wesentlich größer als die Dicke der Blechteile im Einbettungsbereich ist, wodurch einerseits der_Zutritt von positiver DepolarisatormaBse zu den Außenkontakten weitgehend feehindert wird, und anderseits die Kriechsfcrecke,/ welche die fortschreitende Korrosion von der Innenseite des in die Kunststoffhülle eingebetteten Außenkontaktes bis zxxv Außenseite dieser Hülle zurücklegen muß, um zu einem Lecken der Hülle zu führen, sehr eng und lang ist, so daß möglichst wenig Depolarisatormasse zum eingebetteten Metall vordringen kann und sich die dennoch zum Metall vorgedrungene geringe Menge an Depolarisatormasse erschöpft, bevor sie eine über die gange Länge der erwähnten Kriechstrecke durchgehende Korrosion bewirken kann· Es sei erwähnt, daß es nicht möglich ist* für galvanische

Primärelemente eine sowohl flüssigkeits*- als auch gasdichte Hülle '.zu verwenden,' weil während des. Entladungsvorganges in der Zelle eine Gasentwicklung auftritt. Diese Gasentwicklung würde bei völlig dichtem Abschluß zum Auftreten eines hohen Innendruckes von mehreren Atmosphären und damit zum Ausbeulen und Zerplatzen der Kunststoffhülle führen« Es ist nun aber möglich, durch Auswahl entsprechend dünner Außenhüllen aus geeignetem mikroporösem Kunststoff zu erreichen, daß die Hülle einerseits iß einem bestimmten Ausmaß gasdurchlässig, anderseits aber flüssigkeitsdicht ist. Vorzugsweise, soll der zylinderförmige Mantel teil der Hülle aus einem gasdurchlässigen, aber flüssigkeitsdichten, relativ weichen Kunststoffschlauchstück (beispielsweise aus Hochdruck- Polyäthylen* bestehen, wogegen die Deckel- und Bodenteile, in

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welche die Außenkontakte eingebettet werden müssen, die Form von Scheiben aus festem , völlig dichtem Kunststoffmaterial (beispielsweise aus Niederdruckpolyäthylen) haben können. Die Verbindung der Deckel- und Bodenteile mit dem Mantelteil kann durch Schweißung. Spritzguß od.dgl. erfolgen, so daß die gesamte Hülle eine einstückige Einheit bildet. -

In einer Zelle, die in einer solchen Hülle eingeschlossen ist, treten bei der Entladung je nach der Entladungsart Innendrücke auf, die normalerweise Werte von etwa 0,1 atü bis 0,5 atü annehmen und in Extremfällen (vollständige Entladung) vorübergehend auch auf etwa 0,8 bis 1 atü ansteigen können. Einem derartigen Innendruck kann, wie schon erwähnt, die Abdichtung der erfindungsgemäß in den Kunststoff eingebetteten Außenkontakte ohne weiteres standhalten»

- Versuche haben erwiesen, daß erfindungsgemäß ausgebildete galvanische Primärelemente, selbst wenn sie nach ihrer vollständigen .Erschöpfung noch lange Zeit in einem batteriegespeisten Gerät belassen werden, wie dies aus Unachtsamkeit häufig geschieht, infolge der geschilderten Abdichtung und Verhinderung bzw· Behinderung der elektrochemischen Korrosion durch Lokaleleraentbildung nicht lecken, so daß nicht durch Elektrolytaustritt Schäden an dem betreffenden Gerät entstehen können·

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden·

Fig. 1 zeigt ein Primärelement nach der Erfindung, wobei die Außenhülle im Vertikalschnitt dargestellt ist«

Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch den im Kunststoff eingebetteten Kopfkontakt und

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¹ Pig· 3 eine Dr ansicht auf den Kopf kontakt· · " Pig· 4 stellt eine andere Ausführungsform des Kopfkontaktes

Die Fig. 5 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen des

Bodenkontaktes. /

Das dargestellte Primärelenient weist eine negative Secherelektrode 1 auf, aus der die positive Elektrode 2, in der Regel ein Kohlestift, herausragt· Das gesamte Primärelement ist dicht in eine Außenhülle 3 eingeschlossen, die zur Gänze aus thermoplastischem Kunststoff besteht. Der Hüllendeckel 4 und der Hüllen- j| boden 7 haben Scheibenform und sind an ihrem Band' mit dem Mantel der Außenhülle 3 z.B. verschweißt·

Der Kopf kontakt der Primärzelle wird erfindungs gemäß durch eine Metallkappe 5 gebildet, deren Hantel wand 5 a beidseitig in den thermöjslästischeß Kunststoff eiea HÜHlencieckels 4 eingebettet ist, wobei für den schläuchartigen Jtamtisl min -gasdurchlässiger, aber flüssigkeitsdichter weicher Kunststoff_s wie Hochdruckpolyäthylen, und für die Qeckel- und Bodenteile 4, 7 ein gas- und flüssigkeitsdichter fester Kunststoff, wie Niederdruckpolyäthylen, Verwendung findet. Die Mantelwänd 5a der Kappe S weist eine rings- ^v um verlaufende Reihe von in sehr kleinen Abständen angeordneten Löchern 5b auf, die beim Spritzgießen des Deckels aus thermoplastischem Kunststoff gemäß Fig. 2 von nietartigen Teilen 4a der Kunststoffmasse durchsetzt werden und beim Erstarren des Kunststoffes schrumpfen, wodurch die beiderseits der Mantelwand der Kappe liegenden, einstückig gegossenen Deckelteile fest und dicht gegen die Mantelwand gezogen werden. Der untere Rand 5c

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der Kappe 5 steht geringfügig über die einbettende Kunststoffmasse vor und ist nach außen umgebördelt, so daß er einen guten Sitz für das obere Ende der positiven Kohleelektrode bildet. Der Kappeninnenraüm kann' vollkommen mit Kunststoff ausgefüllt, aber auch, wie dargestellt, etwas ausgehöhlt sein; wichtig ist nur, daß" die gesamte Innenfläche der Kappe mit Kunststoff abgedeckt ist. Wie aus Pig. 2 ersichtlich ist, ist die Einbettungstiefe t der Metallkappe 5 im Kunststoffdeckel 4 wesentlich größer als die Dicke d der Kappenmantelwand.

Statt einer Reihe von Rundlöchern Sb können auch Rechteckschlitze mit schmalen Zwischenstegen oder andere Formen von Öffnungen angewendet werden» Die Kappe kann statt der gezeigten zylindrischen Mantelwand auch eine beliebig anders gestaltete Seitenwand bzw. Um rißform haben»

Bei der in Fig. 4 gazeigten a&gewandelten Ausführungsform des Kopfkontaktes ist auf den Kohlestift 2 eine Metallkappe 2a mit breiter, etwas federnder Krempe 2b aufgesetzt. Der Kappenkontakt 50 besteht aus einem zylindrischen Oberteil 5Qa kleinen Durchmessers, einem sich konisch erweiternden Mittelteil 50b und einem zylindrischen Unterteil 50c großen Durchmessers. Der konische Mittelteil 50b weist eine rings um die ganze Mantelfläche verlaufende Reihe von eng benachbarten Löchern 5Od auf, die vom Kunststoffmaterial des Deckels 4 in Form von Nieten 4a durchdrungen werden. Der Einbettungsbereich umfaßt den Mittelteil 50b und gegebenenfalls die angrenzenden Zonen von Oberteil 50a und Unterteil 50c der Metallkappe» Der freie Rand des Unterteiles 50c ruht auf der Krempe 2b der am Kohlestifte sitzenden Metallkappe 2a kontaktgebend auf. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin,

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daß die Einbettungslänge der Kappe 50, von der Außenseite zur Innenseite des Deckels 4 gemessen; gegenüber der Ausführungsform nach Pig« 1 noch, weiter vergrößert ist.

Der Hüllenboden wird ähnlich wie "der Hüllendeckel durch eine Kunststoffscheibe 6 gebildet, die mit dem Hüllenmantel 3 entweder verschweißt oder durch thermoplastischen Spritzguß vereinigt ist. An der Außenseite des Hüllenbodens 6 befindet sich ein Metallblech-■stück 7 mit einem aufgebogenen Randteil 7a, der als galvanischer ■Verbindungssteg zwischen dem Metallblechstück 7 und der vom Becher 1 gebildeten Bodenelektrode des Primärelementes dient. Der Verbindungssteg ist allseitig dicht in den Hüllenboden 6 einge- Λ bettet und seine über die Innenseite des Hüllehbodens vorstehende Randkante 7b dient als'Auflager für die Becherelektrode 1.

Durch die Öffnungen 7c im aufgebogenen Randteil 7a des M§- tallblechstückes 7, die bei der Einbettung des Stegteiles, wie Fig# 1 erkennen läßt, von thermoplastischer Kunststoffmasse durchdrungen werden, wird wieder eine vollkommen dichte Einbettung des Bodenkontaktes im Kunststoff gesichert.

Auch hiebe! ist wieder die Einbettungslänge wesentlich größer als die Blechdicke. Um bei mäßiger Dicke des Hüllenbodens 6 eine große Einbettungslänge zu erhalten» wird der Randteil 7a, ^v wie die Pig« 5 und 6 zeigen, zweckmäßig schräg aufgebogen, so daß er vom Blechstück 7 weg divergiert· Die Öffnungen im Einbettungsbereich dieses Randteiles 7a können gemäß 5 Rundlöcher 7d oder gemäß Fig· 6 längliche Schlitze 7c sein _f aber auch andere Formen haben·

Bei der Ausführungsform nach Fig· 7 ist der umgebogene Randteil in drei vorzugsweise in gleichen Winkelabstinden angeordnete ("Sektoren te unterteilt* Bei allen Ausführungsformen des Bodenkon-• taktes'bildet*die freie obere Randkänte 7fo der umgebogenen Randteile 7a bzw. 7e ein Auflager für die Bodenelektrode.

1Q

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Claims

Patentansprüche;

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(l*) Galvanisches Primärelement mit einer gegen Elektrolytaustritt abgedichteten Außenhülle aus Kunststoff, in.welche die Außenkontakte eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontakte sowohl im Boden als auch im Deckel durch Metallblechteile gebildet sind, welche den Deckel bzw* Boden durchsetzend beidseitig in den Kunststoff eingebettet sind und zur Abdichtung im Einbettungsbereich eine sich über den ganzen Einbettungsbereich erstreckende Reihe von eng benachbarten Öffnungen aufweisen, die P nietenartig vom Kunststoff durchsetzt sind, wobei die Einbettungs— länge jedes der Blechteile, gemessen von der Außen- zur Innenseite des Deckels bzw. Bodens, wesentlich größer als die Dicke der Blechteile im Einbettungsbereich ist.

2· Primärelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfkontakt kappenförmig ausgebildet ist und im Bereich der in den Kunststoffdeckel der Außenhülle eingebetteten Zone seiner Mantelwand'eine in sich geschlossene, ringsum verlaufende _; Reihe von eng benachbarten öffnungen aufweist.

k 3· Primärelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der -Innenrand des kappenförmigen Kopfkontaktes flanschartig radial nach außen umgebogen ist.

4. Primärelement nach Anspruch 2„ dadurch gekennzeichnet, daß der mit Öffnungen versehene Mittelteil des Kopfkontaktes durch eine konische Erweiterung zwischen einem außen zylindrischen Kap-: penteil kleinen Durchmessers und einem irine» zylindrischen Kappen* teil großen DurchmesserSp febiXdöt ist· , ;

5* Primärelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ; daß der freie Innenranä des innen zylindrischen Kappenteiles großen Durchmessers auf einer Krempe einer auf eine Elektrode auf4

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gesetzten Metallkappe kontaktgebend aufruht.

6·» Primärelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenkontafct die Form eines an- der Außenseite, des Hüllenbodens angeordneten MetalliJlechstückes hat, das durch einen in den Hülleboden eingebetteten und über seine Einbettungsbreite mit eng benachbarten Löchern.versehenen aufgebogenen Randteil, dessen freie Kante ein Auflager bildet/ mit der -Bodenelektrode der galvanischen Zelle in Verbindung steht.

7. Primärelement ftach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblechstück kreisförmig ist, wobei sein aufgebogener, vom Metallblechstück weg vorzugsweise divergierender Rand in den Hüllenboden eingebettet ist und im Einbettungsbereich eine in sich· geschlossene, ringsum verlaufende Reihe von eng benachbarten Öffnungen aufweist·

8· Primärelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallblechstück - vorzugsweise in gleichen Wihkelabständen - mehrere aufgebogene Randteile aufweist, die in den Hüllenboden eingebettet* sind und Über ihre Breite je eine Reihe von eng benachbarten Löchern aufweisen .

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