DE2732459A1

DE2732459A1 - Dichte elektrische zellen

Info

Publication number: DE2732459A1
Application number: DE19772732459
Authority: DE
Inventors: Yoram Gal; Baruch Ravid
Original assignee: Tadiran Israel Electronics Industries Ltd
Current assignee: Tadiran Israel Electronics Industries Ltd
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-18
Publication date: 1978-01-26
Also published as: AU2708677A; IL50095A0; FR2359515A1; JPS5313138A

Description

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Liedl, Nöih, Zeiiler _{ΝριιρΤηΙ} ,6 ni/^ Patentanwälte

München 22 - Steinsdorf s t raße 21-22 Telefon 089 / 29 84 62

B 8389

TAOIRAN Israel Electronics Industries Ltd. 3, Derech Hashalom, Tel-Aviv, Israel

Dichte elektrische Zellen

Die Erfindung betrifft Primärzellen, insbesondere Plattenzellen, Knopfzellen oder Miniaturzellen, die einen neuen Aufbau aufweisen und weitgehend luftdicht verschlossen sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Zellen.

Die Erfindung kann für alle obengenannten Typen von Primärzellen Anwendung finden, jedoch eignet sie sich besonders für Hochleistungsprimärzellen mit folgender Elektrolytzusammensetzung: Anorganischer Stoff/Lithium, organischer Stoff/Lithium, Silberoxid/Zink und ähnli-

Kä/G

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- 2r-

chen Zellen, bei denen eine geringe Gesamtabmessung und eine möglichst hohe Ausnutzung des Zelleninnenraums angestrebt wird.

Es sind verschiedene Typen von Miniaturzellen bekannt, bei denen eine der Forderungen dahin lautet, daß solche Zellen über die gesamte Lebensdauer wirklich luftdicht abgeschlossen sein sollen - selbst nach Erschöpfung der Zelle, um die teuren, mit solchen Zellen ausgestatteten empfindlichen Geräte vor einer Beschädigung zu bewahren.

Es existieren verschiedene Typen von kleinen Zellen, die solche Forderungen im großen Ausmaß erfüllen, wie z.B. Mercuryzellen und ähnliche. Besonders nach Erschöpfung bzw. Entladung der Zelle fangen jedoch einige an, undicht zu werden und ein Blüheffekt ist zu beobachten. Die Chemikalien fließen aus den Zellen und neigen dazu, die Anschlußkontakte der mit solchen Zellen ausgestatteten Geräte zu verschmutzen bzw. zu oxidieren.

Für ganz spezielle Zwecke, z.B. für verschiedene Raumfahrzeuge, die im Programm zur Erforschung des Weltraums eingesetzt wurden, wurden besondere luftdicht verschlossene Zellen gebaut. Solche Zellen waren jedoch verhältnismäßig groß, weshalb die benutzten Abdichtungen sich nicht direkt auf die Miniaturzellen, mit denen sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, übertragen lassen.

Besondere Probleme treten bei Zellen auf, die als Elektrolytsystem organischen Stoff und Lithium verwenden. Da dieser Elektrolyt besonders ausgeprägte Korrosionseigenschaften besitzt, sind die Probleme eines sicheren, auslaufgeschützten Aufbaus hier von besonderer Bedeutung.

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen luftdicht abgeschlossenen Mantel für solche Zellen zu schaffen.

Die Erfindung betrifft kleine Zellen, insbesondere Plattenzellen, Knopfzellen oder Miniaturzellen, bei denen die aktive Masse in einem Metallmantel aus z.B. rostfreiem Stahl, Nickel, Kovar oder ähnlichen Stoffen oder in einem anderen geeigneten plattierten Metallmantel eingeschlossen wird, wobei dieser Mantel einen der Pole der Primärzelle bildet. Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Mantel sich aus zwei zueinander passenden Teilen zusammensetzt, die zueinander entlang einer durch einen Rand von entsprechender Größe der beiden Teile des Mantels gebildeten Fläche in Verbindung stehen und mit Hilfe einer Schweißverbindung zusammengefügt sind, und daß ein zweites Polstück in einem der beiden Außenmäntel vorgesehen ist, wobei das Polstück aus einem geeigneten Metallstück besteht, das mit Hilfe einer Glas-Metall-, einer Metall-Keramik- oder einer Metall-Polymer-Aneinanderlagerung mit dem äußeren Mantel verbunden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite Polstück aus Kovar. Die Glas-Metallverbindung ist entweder eine Paßdichtung oder eine Preßdichtung. Die Techniken zur Durchführung solcher Metall-Glasverbindungen sind bei der Herstellung von Transistoren und der Verkapselung von Mikroelektronik üblich. Das luftdichte Verschließen des äußeren, aus zwei zueinander passenden Teilen bestehenden Mantels wird durch einen geeigneten Schweißprozeß entlang der Randoberfläche, die eine glatte Fläche aufweist und somit die geforderte Qualität der Verbindung garantiert, erreicht.

Die aktive Masse, d.h. die Elektroden und das Elektrolyt, wird in den Mantel eingebracht, wobei der erforderliche Elektrolyt vor dem

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luftdichten Abschluß der Zelle entweder durch eine Öffnung eingefüllt wird, die am Schweißrand vorgesehen ist und die anschließend verschlossen wird, oder durch ein Loch in dem Mantel oder durch eine Öffnung in dem zweiten Polstück, die auch wieder anschließend verschlossen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

schematische Seitenansichten von erfindungsgemäßen Zellen im Schnitt;

schematische Seitenansichten anderer Ausführungsformen im Schnitt;

schematische Seitenansichten weiterer Ausführungsformen im Schnitt und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit einer Preßdichtung.

Die Zellen, die in den verschiedenen Figuren als Seitenansichten im Schnitt gezeigt werden, sind zylindrisch. Wie aus Fig. 1 und la ersichtlich, besteht eine Zelle aus einem becherförmigen, mit einem umlaufenden Flansch 12 versehenen Teil 11 und einem ringförmigen Teil 13, der eine geringe Vertiefung bzw. Einkerbung 14 aufweist, welche an der inneren Kante des umlaufenden Flansches 12 anliegt. Entweder im becherförmigen Teil 11 oder im ringförmigen Teil 13 ist eine Öffnung 15 vorgesehen, die durch einen nach innen gebogenen Bereich 16 des Teils 11 oder 13 gebildet wird. In diese Öffnung 15 wird ein Polstück 17 eingebracht, das in einer Glasdichtung 18 eingebettet

Fig. und	1 la
Fig. und	2 2a
Fig. und	3 3a

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ist. Der becherförmige Teil 11 und dor ringförmige Teil 13 bestehen aus einem geeigneten Metall, wie z.B. aus rostfreiem Stahl, Nickel, nickelplattiertem Stahl, Kovar oder ähnlichem. Der Anschluß 17 besteht vorzugsweise aus Kovar, das eine hervorragende Abdichtung mit der Glasmasse 18 gewährleistet.

Eine andere Abdichtungsart ist die Preßdichtung. In diesem Fall wird das Glas zwischen zwei parallele senkrechte Metallteile gebracht, wobei der Ausdehnungskoeffizient dieser drei Komponenten so ausgewählt wird, daß nach der Erstarrung des Glases eine wirklich dichte Preßdichtung erreicht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann anstatt des Glases eine geeignete Keramik oder ein Hochpolymer, die bzw. das die erforderlichen mechanischen und physikalisch-chemischen Besonderheiten aufweist, verwendet werden.

Die Zelle wird mit der aktiven Masse gefüllt und der umlaufende Flansch mit Hilfe einer Widerstandeschweißung, einer Laserstrahlschweißung oder mit einem ähnlichen Verfahren derart verschweißt, daß nahezu der gesamte Umfang des umlaufenden Flansches abgedichtet wird. An einer Stelle verbleibt eine kleine Öffnung, durch die der erforderliche Elektrolyt eingefüllt wird, zweckmäßigerweise unter verringertem Druck. Anschließend wird diese Öffnung durch einen Schweißvorgang verschlossen. Die aktive Masse entspricht dem Typ, der für Lithiumzellen, die in Elec. Soc. 120 (1973) 1613 und 1619 beschrieben sind, benutzt wird, oder einer ähnlichen Hochleistungsprimärzelle.

Das mit dem Glas verbundene Metall bildet eine Paßdichtung, wodurch ein luftdichter Abschluß solcher Zellen über längere Lager- und Benutzungszeiten erreicht wird.

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Ein ähnlicher Aufbau wird in Fig. 2 und 2a verdeutlicht. Der einzige Unterschied liegt darin, daß das ringförmige Teil 13 an der Stelle, an der der umlaufende Flansch 12 ausgebildet wird, längs seines Umfangs von flacher Gestalt ist.

Ein davon abweichender Aufbau wird mit Bezug auf Fig. 3 und 3a verdeutlicht. Der äußere Mantel der Primärzelle besteht aus zwei becherförmigen Teilen 31 und 32 mit Rändern 33 und 34, die einen umlaufenden Flansch darstellen. Aufgrund der Überlappung der Ränder 33, 34 können diese verschweißt werden, um einen dichten Abschluß zu erzielen. In einem der becherförmigen Teile 31 bzw. 32 ist eine öffnung 35 vorgesehen, wobei der Deckel bei dieser Öffnung nach innen gebogen ist und einen Teil eines trichterförmigen Teils 36 bildet, in den ein Polstück 37 zentrisch durch eine Glasmasse 38, die eine feste Metall-Glas-Metallabdichtung bildet, an seiner Stelle gehalten wird. Für solche Verbindungen ist Kovar gut geeignet. Durch das Polstück 37 erstreckt sich eine Öffnung bzw. ein Kanal 39, der zur Einfüllung des erforderlichen Elektrolyts in den Innenraum der durch die zwei Mäntel 31 und 32 gebildeten und die aktive Masse enthaltenden Zelle benutzt wird. Nach dem'Einfüllen des Elektrolyts wird der Kanal 39 vollständig verschlossen, wodurch man eine luftdichte und auslaufsichere Zelle erhält.

Wird eine Preßdichtung angewandt, so beruht dies auf der Kombination von Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, wird die Preßdichtung durch das metallische Polstück 41, das Glas 32 und den Metallmantel, der das zweite Polstück darstellt, gebildet. Das Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten lautet: A < B < C, wodurch bei der Erstarrung des Glases eine Preßdichtung erzielt wird. Bei diesem Abdichtungstyp ist es erforderlich, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Teile 41, 42

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und 43 im wesentlichen parallel sind. Preßdichtungen dieses Typs sind bekannt, z.B. kann Teil 41 aus einer "52-Legierung", Teil 42 aus einem geeigneten Glas mit einem Ausdehnungskoeffizienten größer als der des Teils 41, jedoch niedriger als der des aus rostfreiem Stahl, Nickel oder ähnlichen Materialien bestehenden Teils 43 bestehen.

Anstelle von Glas kann eine geeignete Keramik oder eine geeignete Polymersubetanz Verwendung finden, falls dieses bzw. diese sowohl die erforderlichen mechanischen Eigenschaften als auch einen genügenden Widerstand gegenüber den Chemikalien, mit denen es in Verbindung steht, aufweist.

Der Elektrolyt oder eine andere Flüssigkeit kann durch eine am Rand des umlaufenden Flansches liegende Öffnung, durch eine Öffnung, die an irgendeiner geeigneten Stelle des Mantels vorgesehen ist oder durch eine in der Mitte des Polstücks vorgesehene Öffnung bzw. Kanal eingefüllt werden.

Der Außenmantel, der das Gehäuse der Batterie darstellt, kann jede gewünschte Form erhalten, um den Erfordernissen der mit diesen Zellen ausgestatteten Geräte bzw. Instrumente Rechnung zu tragen.

In Anbetracht der kleinen Abmessungen dieser Zellentypen ist es durch den Vorschlag eines umlaufenden Flansches möglich, durch Schweißtechniken einen luftdichten Abschluß der Zelle zu erreichen.

Der obige Aufbau eignet sich bei Zellen mit einem Elektrolytsystem anorganischer Stoff/Lithium, insbesondere vom Knopftyp, vom Plattentyp und anderen Miniatur zellen. Es wird ein auslaufsicherer Aufbau erzielt, wobei die Zellen über längere Zeitperioden gelagert werden können und nach Erschöpfung bzw. Entladung nicht auslaufen.

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Claims

Patentansprüche

1J Elektrische Zelle, insbesondere Plattenzelle, Knopfzelle oder Miniatur ze Ue, bei der in einem Metallgehäuse, dar. einen Ι'υΐ der Zelle bildet, ein Elektrolyt untergebracht ist und das Gegenpolstück gegen das Gehäuse isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Teilen (11, 13 und 31, 32) besteht, die miteinander entlang eines luftdicht verschweißten umlaufenden Flansches (12 und 33, 34) in Verbindung stehen, und daß das Gegenpolstück (17. T in eine Öffnung (15, 35) des Gehäuses eingesetzt ist und luftdicht und mit Hilfe einer Metall-Glas-Metall-, einer Metall-Keramik-Mrtall oder einer Metall-Polymer-Metall-Aneinanderlagerung elektrisch isoliert gegenüber dem Gehäuse mit dem Gehäuse verbunden ist.
2. Zelle nurh Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die Abdichtung :une Metall-Glas-Metall-Abdichtung vom Paßdichtungstyp ist.
3. Zelle nach Anspruch 1, dadur ch gekennze ichnet, daß die Abdichtung eine Metall-Glas-Metall-Abdichtung vom Preßdichtungstyp ist.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn -zeichnet, daß das Gehäuse der Zelle aus rostfreiem Stahl, Nickel oder nickelplattiertem Stahl besteht.
5. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenpolstück (17, 37) aus Kovar besteht und mit Hilfe einer Paßdichtung mit dem Glas verbunden ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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6. Zelle nach einem der Aiispiüche 1 bis 5, dadurch gekenn -zeichnet, daß die Zelle eine Lithiuinzelle ist.
7. Zeile nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine Milberoixid/Zink-Zelle ist.
8. Zelle nach einerii der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Zelle ein ElektroKytfiystem organischer Stoff/Lithium aufweist.
9. Verfaliren zur Herstellung einer Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Flansch (12, 33 und 'ΛΡ mit Hilfe einer Punkts ch weißung verschweißt wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer Zelle nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Schweißvorgang mit Hilfe einer Lasers tragvorrichtung durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadur c h gekennzeichnet, daß der Elektrnlyt durch eine Öffnung am Rand des umlaufenden Flansches eingefüllt wird, der anschließend vollständig luftdicht abgeschlossen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch eine Öffnung bzw. einen Kanal (39) im Gegenpolstück (17 und 27) eingeführt wird, welches anschließend luftdicht verschlossen wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Zelle nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch eine Öffnung in den Außenmantel eingeführt wird, der anschließend vollständig verschlossen wird.

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