DE2705050A1

DE2705050A1 - Batterieaufbau

Info

Publication number: DE2705050A1
Application number: DE19772705050
Authority: DE
Inventors: Theodore Robert Beatty
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2705050B2; GB1568544A; DE2705050C3; FR2341208A1; US4049882A; FR2341208B1; JPS52118530A; CA1070382A

Description

7. Februar 1977 Gzm/Ra.

Union Carbide Corporation, New York, N.Y. 10O17 / USA Batterieaufbau

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verschlossene galvanische Zelle, die eine gewundene Elektrodenanordnung enthält; die Erfindung betrifft insbesondere die elektrischen streifenartigen Verbindungen, um die gewundene Elektrodenanordnung mit dem Batteriegehäuse oder mit einem anderen äußeren Anschluß zu verbinden.

Bei der Herstellung einer verschlossenen Batterie mit gewundenen Streifen des Elektrodenmaterials ist es üblich, einen oder mehrere Streifen (tabs) des leitenden Materials mit den Streifen (strips) zu verbinden, um den elektrischen Kontakt zwischen derartigen Streifen des Elektrodenmaterials und den Klemmanschlüssen auf dem äußeren Gehäuse der Batterie zu erleichtern.

Alkalische MnOp-Zellen und Nickel-Cadmium-Zellen sind typische Beispiele für Batterien, bei denen gewundene Streifen des Elektrodenmaterials verwendet werden. Die am meisten angewendeten Verfahren zur Herstellung derartiger streifenförmiger Elektroden bestehen darin, daß eine gesinterte Elektrodenmetallplatte mit den aktiven Bestandteilen imprägniert wird und die

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pulverförraigen aktiven Bestandteile gegen einen länglichen Streifen einer leitenden Metallsägeplatte gepreßt werden. Obwohl das zuerst genannte Verfahren typisch ist für die Herstellung sowohl der Anode als auch der Kathode, ist das zuletzt genannte Verfahren gegenwärtig auf die Herstellung von Anoden begrenzt. Ein poröser Separator wird zwischen die Streifen des Anoden- und Kathodenmaterials gebracht; alternativ sind die Streifen voneinander entfernt und in eine Hülle aus dem porösen Separatormaterial eingeschlossen.

Ein notwendiger Verfahrensschritt beim Zusammenbau einer Batteriezelle besteht darin, daß die elektrisch leitenden Streifen (tabs) angebracht und mit den Elektrodenstreifen (strips) verbunden werden. Dies kann vor oder nach dem Einbringen des Separators geschehen. Es ist offensichtlich, daß die Verbindung zwischen diesen Streifen (tab und strip) eine wesentliche Impedanz darstellen kann, wenn die Verbindung nicht entsprechend hergestellt wird. Aus diesem Grunde wurde bisher eine geklebte (bonded) Verbindung als notwendig, wenn nicht gar wesentlich erachtet, insbesondere für den Hochstrombetrieb. Eine geklebte Verbindung wird durch Schweißen, Löten oder Hartlöten der Teile hergestellt. Löten und Hartlöten sind im allgemeinen nicht akzeptable Verfahren wegen der möglichen Kontamination durch das verbindende Metall. Um wirksam zu Schweißen, muß die Oberfläche vorbereitet werden, dazu gehört die Elimination einiger der aktiven Elektrodenbestandteile innerhalb des Gebietes auf dem Elektrodenstreifen, der geschweißt werden soll. Dies kann, wenn nicht sorgfältig durchgeführt, zu einer Beschädigung der umgebenden Gebiete der Elektrode führen, indem zu viel aktives Material entfernt

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wii'd oder ein Kurzschluß hervorgerufen wird, wenn die zv/ei Elektrodenstreifen zusammengestellt werden. Eine Alternative zum Schweißen, die wenig kostet und ebenso wirksam ist, wurde schon lange gesucht.

Der Zusammenbau der Batterie ist beendet, nachdem die Streifen (tabs) mit den Streifen des Elektrodenmaterial.s verbunden worden sind, die miteinander verbundenen Elektrodenstreifen und der Separator zusammengerollt und die gewundene Struktur in das Batteriegehäuse eingefügt worden ist. Wie üblich, können dann die Streifen (tabs) mit ihren entsprechenden äußeren Gehäuseanschlüssen verbunden werden; alternativ kann der Streifen (tab) einerder Elektroden, z.B. der positive Streifen,mit der oberen Abdeckung des Batteriegehäuses verschweißt werden, während der negative Elektrodenstreifen zurückgebogen werden kann, so daß er mechanisch und elektrisch mit der Seitenwand des Gehäuses in Eingriff steht, und zwar unter Druck beim Einführen des Elektrodenaufbaues. Wie üblich, wird ein Elektrolyt geeigneter Zusammensetzung entweder vor oder nach der Einführung der gewundenen Elektrodenstreifen in das Gehäuse eingeführt.

Es ist das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen Batterieaufbau zu entwiekeln, bei dem wenigstens einer der gewundenen Streifen des Elektrodenmaterials derart mechanisch mit einem leitenden Streifen (tab) verbunden ist, daß die Verbindung eine Impedanz aufweist, die im wesentlichen gleich der ist einer geschweißten Verbindung.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Batterieaufbau zu entwickeln, der gewundene Strei-

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fen des Elektrodenmaterials enthält, die mit den äußeren Batterieanschlüssen durch leitende Streifen elektrisch verbunden sind; wenigstens einer der leitenden Streifen (tabs) hat eine Vielzahl von Vorsprüngen, um mit einem der gewundenen Streifen mechanisch und elektrisch in Eingriff zu stehen.

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Erläuterung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine in die Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung des Batterieaufbaus gemäß der Er Indung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der nicht gewundenen Streifen des Elektrodenmaterials für den in Fig. 1 gezeigten Batterieaufbau; die Streifen befinden sich in einer Hülle aus porösem, trennendem Material, wobei ein Streifen mit einem Streifenelement (tab element) gemäß der Erfindung verbunden ist,

Fig. 3 eine Draufsicht des bevorzugten Streifenelements gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Seitenansicht des bevorzugten Streifenelements gemäß der Erfindung entlang den Linien 4-4 der Fig. 3»

Fig. 5 eine Draufsicht eines modifizierten leitenden Streifenelementes gemäß der Erfindung,

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Fig. 6a bis c graphische Darstellungen der Arbeitsweise einer Nickel-Cadmium-Sub-C-Zelle mit Streifenverbindungen gemäß der Erfindung.

Aus den Figuren 1 bis 4 ist der Batterieaufbau 10 der vorliegenden Erfindung zu sehen; dieser besteht aus einem Batteriegehäuse 12, das im allgemeinen eine zylinderförmige Konstruktion ist, einer gewundenen Elektrodenstruktur 14, einem verträglichen Elektrolyten (nicht gezeigt) und einer Bedeckungsplatte 16. Die gewundene Elektrodenstruktur 14 wird aus länglichen Streifen des Elektrodenmaterials geformt, und zwar in Verbindung mit einem Separator zu einer konventionellen rollenfö'rmigen Konfiguration. Der Elektrolyt kann in das Gehäuse 12 entweder vor oder nach dem Einfügen der zusammengestellten gewundenen Elektrodenstruktur 14 eingeführt werden. Eine Isolierscheibe 18 wird auf das Bodenende 20 des Gehäuses 12 gelegt, um den Boden des Gehäuses von der gewundenen Elektrodenstruktur 14 zu isolieren. Die Bedeckungsplatte 16 verschließt die'Anordnung 10 und ist von dem Gehäuse 12 durch eine Dichtung 21 isoliert. Das Batteriegehäuse 12 ist elektrisch mit einem Elektrodenstreifen der gewundenen Elektrodenstruktur 14 verbunden, um als ein Batterieanschluß zu dienen; die Abdeckplatte 16 hingegen ist elektrisch mit dem anderen Elektrodenstreifen der Elektrodenstruktur 14 verbunden, um als der entgegengesetzte Batterieanschluß zu dienen. Die gewundene Elektrodenstruktur 14 besteht aus einem positiven Elektrodenstreifen 22 und einem negativen Elektrodenstreifen 24, die durch einen porösen Separator 26 voneinander getrennt sind. Der poröse Separator 26 kann aus irgendeinem konventionellen Separatormaterial bestehen, das für alkalische Zellsysteme geeignet ist, z.B. nichtgewebte Nylonfasern. Zudem kann

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der Separator 26 eine einzelne Folie sein, die zwischen die Streifen des Elektrodenmaterials 22 und 24 eingefügt ist; der Separator kann aber auch aus zwei oder mehr trennenden Folien bestehen oder vorzugsweise, wie deutlicher in Fig. 2 gezeigt wird, zv/ei geheftetai Folien, die thermisch miteinander verbunden sind oder entlang entgegengesetzter longitudinaler Begrenzungen aneinandergeheftet sind, wobei sich eine Hülle bildet, in der das voneinander getrennte Elektrodenmaterial 22 und 24 enthalten ist.

Wenigstens eine Anschlußzuführung oder Streifen wird benützt, um jeden Streifen des Elektrodenmaterials an seinen entsprechenden Batterieanschluß elektrisch anzuschließen. Die Anschlußzuführungen sind relativ kurze leitende Streifenelemente in Form von dünnen Streifen irgendeiner geeigneten Konfiguration, vorzugsweise rechteckig und ausgewählt aus einem Material, das verträglich ist mit dem besonderen elektrochemischen System des Batterieaufbausi^fn einer Nickel-Cadmium-Zelle sollten die Streifen aus Nickel seine

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist das leitende Streifenelement mit dem positiven Streifen des Elektrodenmaterials 22 verbunden, während das leitende Streifenelement 30 mit dem negativen Streifen des Elektrodenmaterials 24 verbunden ist. Wenigstens eines der leitenden Streifenelemente 28 oder 30, vorzugsweise Element 30, oder beide Elemente, enthalten eine Vielzahl von Vorsprüngen 32, wie besonders klar aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, um simultan ein mechanisches und elektrisches Ineinandergreifen mit dem Streifen des Elektrodenmaterials herzustellen. Der andere leitende Streifen 28 kann auf konventionelle Art mit

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seinem entsprechenden Streifen des Elektrodpnmaterials 22 verbunden werden.

Die Geometrie, Kurvatur und Höhe der Vorsprünge 32 und das Verfahren ihrer Ausbildung ist nicht kritisch für die vorliegende Erfindung. Für irgendeinen gegebenen Typ von Streifenelektroden kann jedoch eine besondere Art von Vorsprung günstiger sein als eine andere. Obwohl zudem das Streifenelement mit dem Streifen des Elektrodenmaterials über den dazwischenliegenden Separator verbunden wird, kann eine Art von Vorsprung günstiger sein als die andere. Wenn beispielsweise der Streifen des Elektrodenmaterials die negative Elektrode in einer Nickel-Cadmium-Zelle ist und gemäß dem in den US-PS 3 310 437 und 3 432 351 offenbarten Preßpulververfahren hergestellt wird, wird vorzugsweise eine Vielzahl von Vorsprüngen 32 verwendet, welche die gezackten Grate darstellen, die von den entsprechenden Durchbohrungen 34 in den Streifenelementen 30 herrühren. Die Durchbohrungen 34 können mit Hilfe irgendeines geeigneten konventionellen Werkzeugs, einer Stanzpresse usw. hergestellt werden und müssen nur auf eine im voraus bestimmte Oberflächensektion des Streifenelementes beschränkt sein, das an den Streifen des Elektrodenmaterials 24 oder an den bedeckenden Separator 26 angrenzt. Ein relativ kleiner Druck ist notwendig, um die Verbindung zwischen dem Streifen (tab) und dem Streifen des Elektrodenmaterials fest herzustellen. Dieser Druck kann direkt und sofort ausgeübt werden, nachdem die VorSprünge bezüglich des Streifens richtig angeordnet sind; der Druck kann auch ausgeübt v/erden durch Kompression, wenn die zusammengerollte Elektrodenstruktur 14 unter Druck in das Batteriegehäuse 12 eingeführt worden ist. Andere Formen der Vorsprünge 32 wurden aus Metallborsten be-

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stehen, Zähnen, gerichteten Vorv/ölbungen usw., die aus einer der Streifenoberflächen herausragen.

Die Zahl der Vorsprünge 32 und ihre Nähe zueinander ist nicht kritisch, obv/ohl, wie bereits angedeutet, eine bevorzugte Anordnung bestehen kann, und zwar in Abhängigkeit von der Herstellungstechnik der Streifenelektrode. Im Falle einer Nickel-Cadmium-Zelle beispielsweise bevorzugt man es, die negative Elektrode mit Hilfe des Preßpulververfahrens herzustellen, bei dem das aktive Elektrodenmaterial gegen ein stromführendes Gitter aus Metall gepreßt wird, das eine offene Netzkonstruktion aufweist. Für eine derartige Elektrode werden durchbohrte Streifenprojektionen bevorzugt, die in genügender Zahl vorhanden sein sollten, um einen vielfachen Kontakt mit dem "ytallgitter zu gewährleisten, um eine elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen, die derjenigen einer geschweißten Verbindung vergleichbar ist.

Nachdem die Streifenelemente 20 und 30 an ihren Plätzen angebracht worden sind, kann eine adhäsive Abdeckung 36 aus isolierendem Material über der Sektion des Streifenelementes 30 angebracht werden, indem die Durchbohrungen 34 angebracht wurden, um den Streifen solange zu sichern, bis die Elektrode gewunden worden ist. Die Abdeckung 36 braucht nur ein Stück eines selbstklebenden Plastikfilms zu sein oder ein Film über einer Schicht eines Klebemittels. Die Größe der isolierenden Abdeckung 36 sollte so beschaffen sein, daß das Gebiet des Streifens 30 bedeckt'wird, das die Durchbohrungen enthält, und zwar mit genügender Überlappung, um eine Befestigung mit der Elektrode oder der Separatoroberfläche herzustellen. Die Abdeckung 36 kann

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entfallen, wenn das Klebemittel zwischen dem Streifen und der Elektrode oder der Separatoroberfläche angewendet wird oder auch wenn die Vorsprünge fest in den Elektrodenstreifen gepreßt sind. Nachdem die Elektrodenstreifen unter Bildung des Elektrodenauf baus 14 gewunden worden sind, werden die Streifenelemente 28 und 30 auf die übliche Art mit der Abdeckplatte 16 und dem Gehäuse 12 des Batterieaufbaues 10 verbunden, wobei das Streifenelement 28 an die Abdeckplatte 16 festgemacht ist und das Streifenelement 30 auf die zusammengebaute gewundene Elektrodenstruktur 14 zurückgebogen ist, um einen Druckkontakt mit dem Batteriegehäuse 12 herzustellen. In der alternativen Konfiguration der Fig. 5 hat das Streifenelement 30 einen zweifachen Satz von Vorsprüngen 32, 32 an jedem entgegengesetzten Ende, wobei ein Satz von Vorsprüngen 32 dafür vorgesehen ist, um mit dem Elektrodenstreifen in Eingriff zu kommen, wie bisher erklärt wurde; der entgegengesetzte Satz von Projektionen ist dafür vorgesehen, mit der äußeren Wicklung desselben Elektrodenstreifens in Eingriff zu kommen, wenn der Streifen 30 unter die Elektrodenanordnung 14, wie in Fig. 1 gezeigt, gebogen wird, wobei die glatte Rückseite der durchbohrten Fläche gegen das Batteriegehäuse gepreßt wird. Diese alternative Konstruktion ist nur in einigen wenigen begrenzten Fällen wirksam, wo sich der Elektrodenstreifen auf der äußeren Wicklung der rollenförmig gewundenen Elektrodenstruktur 14 befindet und wo der Batteriebehälter 12 eine zugängliche, nicht isolierte Region nahe dem Streifen darbietet.

Die Verbindung, die durch das Streifenelement 30 mit einem negativen Elektrodenstreifen 24 mit Preßpulver hergestellt wurde, zeigte eine Impedanz im Bereich von ungefähr 0,0093 bis

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0,0137 Ohm, wenn bei 1000 Hz, 1 Ampere,in einer NiCd 1,2 Ah "Sub C'-Zelle gemessen wurde. Die Aufrechterhaltung der Spannung während der Entladung einer Zelle mit einem Streifenelement 30 gleicht ungefähr derjenigen einer geschweißten Streifenverbindung bei Entladungen von 10 und 20 Ampere. Die Fig. 6 (a-c) kennzeichnet das Verhalten der vorhin genannten NiCd-Zelle bei einer Entladung von 10 Ampere: der die Spannung bezeichnende Kurvenzug ist während des ganzen Entladungszyklus flach. Obwohl die entsprechenden Kurven, die mit geschweißten Streifen erhalten wurden, nicht gezeigt sind, würden sie im wesentlichen die Kurven in Fig. 6 überlappen.

Obwohl nur ein Streifenelement für jede Streifenelektrode gezeigt und beschrj&en wurde, ist es offensichtlich, daß Vielfachstreifen eingebaut werden können und hintereinander entlang der Länge des Elektrodenstreifens angeordnet werden können, um den Spannungsabfall zu verringern, der normalerweise von dem longitudinalen Stromfluß durch den Streifen herrührt.

Leitende Metallstreifen mit Vorsprüngen können im wesentlichen, wie bereits beschrieben, verwendet werden, um mechanische und elektrische Kontakte von niedrigem Widerstand mit den Elektrodenstreifen oder Platten herzustellen. Die Elektroden können aus einem gepreßten Pulver oder einer Paste auf einem leitenden Gitter oder Netz bestehen; die Elektroden können auch aus imprägniertem, porösem, gesintertem Metall bestehen. Der Streifen kann auf die bloße Elektrodenoberfläche angewendet werden oder auch nach dem Separator, so daß die Vorsprünge den Separator und die Elektrode darunter durchdringen. Die Vorsprünge sind genügend tief und in ausreichender Zahl vorhanden, so daß sicher-

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gestellt ist, daß eine wesentliche Anzahl Teile des Gitters, des Netzes oder Sinterkörpers berührt, ebenso das aktive Elektrodenmaterial. Die mechanische Stabilität der Kontakte wird in der rollenförmigen Konstruktion durch den festen Sitz der Rolle in dem zylinderförmigen Gehäuse sichergestellt. Auch ein Streifenkontakt (tab contact) mit Hilfe von Vorwölbungen kann bei flachen Bordbatterien verwendet werden, vorausgesetzt, daß ein Enddruck auf dem Elektrodenstapel aufrechterhalten wird.

Obwohl die Erfindung eine Batterieanordnung betrifft, die eine einer geschweißten Verbindung gleichwertige mechanische Druckstreifenverbindung enthält, kann dieselbe allgemeine Lösung auf Anwendungen verwendet werden, wo die Stromentnahmen sehr klein sind, beispielsweise können weniger oder kleinere Vorsprünge verwendet werden, gerauhte Oberflächen können verwendet werden, welche die lose Elektrodenfläche berühren, und zwar anstatt großer Vorsprünge und dergleichen.

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Claims

Patentansprüche

1J Batterieaufbau mit wenigstens einer galvanischen Zelle, die in einem äußeren Gehäuse eingeschlossen ist, das einen positiven und einen negativen Batterieanschluß aufweist und einen Elektrolytvorrat, bestehend aus einem Streifen eines negativen Elektrodenmaterials, einem Streifen eines positiven Elektrodenmaterials,einem porösen Trennglied, um die Streifen des positiven und negativen Elektrodenmaterials voneinander getrennt zu halten, wobei der Streifen des positiven und negativen Elektrodenmaterials zusammen mit dem porösen Trennglied spiralförmig zu einer zylinderförmigen Form gewunden wird und aus Mitteln, um den positiven und negativen Streifen des Elektrodenmaterials mit dem entsprechenden positiven und negativen Anschluß des äußeren Gehäuses zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur elektrischen Verbindung von wenigstens einem Streifen des Elektrodenmaterials mit seinem entsprechenden Anschluß ara Gehäuse wenigstens ein leitendes Element umfaßt, wobei das leitende Element eine Vielzahl von Vorsprüngen für den mechanischen Eingriff mit dem Streifen des Elektrodenmaterials aufweist, und simultan den elektrischen Kontakt mit dem Streifen aus dem Elektrodenmaterial mittels des mechanischen Punktkontaktes, der durch die Vorwölbungen bewirkt wird, herstellt.
2. Batterieaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende· Element eine ebene Oberfläche aufweist, von der sich eine Vielzahl von Vorsprüngen erstreckt.

ORIGINAL INSPECTED

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3. Batterieaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Trennglied die Form einer Hülle aufweist, welche jeden Streifen des Elektrodenmaterials umgibt und in der das leitende Element nahe der Hülle ist, wobei sich seine Vielzahl von Vorsprüngen durch die Hülle hindurch erstreckt, und zwar in elektrischem Kontakt mit dem Streifen des Elektrodenmaterials.
4. Batterieaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Element ein relativ dünner Streifen des leitenden Materials ist, das mit dem elektrochemischen System der Batterieanordnung verträglich ist und weiterhin eine Vielzahl von Durchbohrungen auf einer Oberfläche aufweist, wobei die Vielzahl der Vorsprünge die gezackten Kanten darstellt, die aus jeder der Vielzahl von Durchbohrungen herausragen.
5. Batterieaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Durchbohrungen innerhalb einer ersten, im voraus bestimmten Sektion des Streifens aus leitendem Material angeordnet ist.
6. Batterieaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er eine andere Vielzahl von Durchbohrungen aufweist, die innerhalb einer zweiten, im voraus bestimmten Sektion des Streifens aus leitendem Material angeordnet ist.
7. Batterieaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine Vielzahl von leitenden Elementen aufweist, die nacheinander entlang der longitudinalen Achse des negativen Streifens aus Elektrodenmaterial angeordnet ist.

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8. Batterieaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine isolierende Schicht aufweist, die wenigstens über die erste, im voraus bestimmte Sektion des Streifens aus leitendem Material angebracht ist.

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