DE69901116T2

DE69901116T2 - Elektrochemische zelle mit vergrösserter anoden-kathoden-grenzfläche

Info

Publication number: DE69901116T2
Application number: DE69901116T
Authority: DE
Inventors: P. Jurca
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: JP2002519835A; JP4377547B2; AU4715699A; WO2000001022A1; DE69901116D1; EP1092244A1; TW431010B; CN1153309C; US6074781A; EP1092244B1; ATE215264T1; CA2334509A1; CN1307732A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Zellen, und spezieller auf eine elektrochemische Zelle, die eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche hat.
Elektrochemische Zellen werden gewöhnlich verwendet, um eine Spannung für elektrisch betriebene Geräte zu liefern, und sie sind für tragbare elektrisch betriebene Geräte besonders gut geeignet. Gegenwärtig sind die beliebten herkömmlichen Alkalizellen von einem im allgemeinen zylindrischen Typ, und sie sind in Industriestandardgrößen, die D-, C-, AA-, AAA- und AAAA-Zellen umfassen, sowie in anderen Größen und Konfigurationen im Handel erhältlich. Elektrochemische Zellen, wie der obenerwähnte zylindrische Typ, bieten gewöhnlich eine Spannungsversorgung mit einer vorgegebenen Leerlaufspannung.
Herkömmliche zylindrische Alkalizellen haben im allgemeinen einen zylinderförmigen Stahlbehälter, der an einem Ende mit einer positiven Abdeckung, und an dem entgegengesetzten Ende mit einer negativen Abdeckung versehen ist. Die zylindrische Zelle hat eine gewöhnlich als Kathode bezeichnete, positive Elektrode, die oft aus einem Gemisch von einer Mangandioxid, Kaliumhydroxidlösung, Wasser und anderen. Zusatzstoffen gebildet ist, das um die innere Seitenoberfläche des zylindrischen Stahlbehälters gebildet ist. Ein becherförmiger Separator ist in einem inneren zylindrischen Volumen des Behälters um die innere Oberfläche der Kathode herum zentral angeordnet. Eine gewöhnlich als Anode bezeichnete, negative Elektrode ist in typischer Weise aus Zinkpulver, einem Geliermittel, und anderen Zusatzstoffen gebildet, und zusammen mit der Elektrolytlösung in dem Separator angeordnet. Die obenerwähnte zylindrische Zelle wird gewöhnlich als Spulentyp-Zelle bezeichnet, wobei ein Beispiel dieser Zelle in US-A-5501924 beschrieben ist.
Herkömmliche Spulentyp-Zellen von dem obenerwähnten zylindrischen Typ haben eine einzige zylindrische Anode und eine einzige Kathode, die in dem Stahlbehälter enthalten sind, und durch den becherförmigen Separator getrennt sind. Die Kathode ist gewöhnlich an die innere Seitenwand des Stahlbehälters angrenzend angeordnet, während die Anode in einem in der Kathode vorgesehenen, zylindrischen Hohlraum angeordnet ist. Demgemäß hat die herkömmliche Zelle eine zylindrische Anoden- Kathoden-Grenzfläche, die im allgemeinen durch die Form und Größe der Anode und der Kathode definiert wird. Bei der herkömmlichen zylindrischen Zelle ist die Anoden-Kathoden-Grenzfläche ungefähr gleich der Oberfläche des in der Kathode gebildeten, zylindrischen Hohlraums, in dem der Separator angeordnet ist. Außerdem ist die Anode im allgemeinen in Form eines Zylinders mit einer gleichmäßig gekrümmten äußeren Oberfläche vorgesehen, die im allgemeinen parallel zu der Behälterwand gebildet ist, so daß die Kathode nicht leicht zu Bruch gehen kann, was zu einer ionischen und elektrischen Diskontinuität innerhalb der Zelle führen kann.
Ein hauptsächliches Ziel beim Entwerfen von Alkalizellen ist die Erhöhung der Betriebsperformance, die die Zeitdauer ist, in der sich die Zelle bei einer vorgegebenen Last bis auf eine spezifische Spannung entlädt, bei der die Zelle für ihren vorgesehenen Zweck nicht mehr brauchbar ist. Ein weiteres Ziel beim Entwerfen von Alkalizellen ist die Erhöhung der Hochstromperformance der Zelle. Im Handel erhältliche Alkalizellen haben gewöhnlich eine äußere Größe, die durch Industriestandards definiert ist, wodurch die Möglichkeit begrenzt wird, die Menge der aktiven Materialien, die verwendet werden kann, zu erhöhen. Neue Wege zu finden, um die Betriebsperformance zu erhöhen, bleibt jedoch ein hauptsächliches Ziel der Zellenentwerfer.
In überraschender Weise wurde nun herausgefunden, daß ein unregelmäßig geformter Hohlraum in der äußeren Elektrode eine größere Zwischenelektroden-Grenzfläche ergeben kann, mit einem erhöhten Nutzen für die Stromdichte und die Performance.
Folglich wird gemäß einem ersten Aspekt eine elektrochemische Zelle verwirklicht, aufweisend eine Hülle, die eine erste und eine zweite Elektrode enthält, die durch einen Separator getrennt sind, wobei die erste Elektrode einen solchen Hohlraum hat, daß sie die zweite Elektrode ganz oder teilweise enthält, und der Hohlraum so geformt ist, daß sich bei der Grenzfläche zwischen den Elektroden eine größere Oberfläche ergibt, als bei einem normalen Zylinder mit dem gleichen Volumen erhalten würde.
Dabei gilt, daß der Hohlraum in der ersten Elektrode, die bei Alkalizellen im allgemeinen die Kathode ist, irgendeine geeignete Form haben kann, und daß es, außer Fertigungsüberlegungen, im allgemeinen keine besondere Beschränkung bezüglich seiner Konfiguration gibt. Zum Beispiel könnte ein große Anzahl von Ecken Lufttaschen zur Folge haben, die beim Einfüllen des Materials der zweiten Elektrode gebildet werden, oder, was wichtiger ist, eine unwirksame Separatorauskleidung zur Folge haben.
Der Hohlraum kann zum Beispiel ziehharmonikaförmig mit eckigen oder verrundeten Wellen gebildet werden. Verrundete Wellen werden bevorzugt, aber eine bevorzugte Form der Fertigung sind Kathodenringe. Das (weiter unten beschriebene) Verrunden der Ecken solcher Ringe kann einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt erfordern, und daher hinsichtlich der Kosten uneffizient sein.
Außerdem sollte immer daran gedacht werden, daß das Aufbringen des Separators nicht unangemessen schwierig sein sollte. Es kann schwierig sein, bei den Zellen der vorliegenden Erfindung Standardseparatoren zu verwenden. Daher wird im allgemeinen bevorzugt, Separatoren zu verwenden, die ihre Form erst in situ annehmen, wie Aufsprühseparatoren. Die zweite Elektrode kann dann eingefüllt werden, wenn der Separator fest geworden ist.
Im allgemeinen wird bei der vorliegenden Erfindung die Performance, und besonders die Hochstromperformance, einer elektrochemischen Zelle dadurch verbessert, daß eine Zelle verwirklicht wird, die eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche hat, wodurch sich eine niedrige Stromdichte ergibt und eine erhöhte Betriebsperformance erreicht wird. Gemäß einem weiteren Aspekt wird bei der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle verwirklicht, die einen Behälter umfaßt, der ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat, und eine erste Elektrode hat, die in dem Behälter angeordnet ist, und an den inneren Wänden des Behälters anliegt. Die erste Elektrode hat einen nicht zylindrischen Hohlraum, und eine zweite Elektrode ist in dem nicht zylindrischen Hohlraum zentral angeordnet. Die erste und die zweite Elektrode sind so konfiguriert, daß die Form ihrer gegenseitigen Grenzfläche bei einer oder mehr Stellen längs der Länge der Zelle variiert. Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist ein Separator angeordnet. Eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit ist auf dem oberen Ende des Behälters angebracht. Demgemäß hat die Zelle eine nicht-zylindrische Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, die größer als eine zylindrische Grenzfläche ist, und dennoch eine im wesentlichen kreisförmige radiale Elektrodengrenzfläche ergibt.
Mit "nicht-zylindrisch" ist eine Form gemeint, die nicht einem normalen Zylinder entspricht, wie zum Beispiel ein schräger Zylinder, oder ein Zylinder mit einem ungleichmäßigen Querschnitt längs seiner Länge.
Gemäß einem alternativen Aspekt wird eine elektrochemische Zelle verwirklicht, aufweisend:
einen Behälter, der ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat;
eine erste Elektrode, die in dem Behälter angeordnet ist, wobei die erste Elektrode einen äußeren Umfang hat, der sich im wesentlichen an die inneren Wände des Behälters anpaßt, und weiterhin einen darin vorgesehenen, nicht zylindrischen Hohlraum hat;
eine zweite Elektrode, die in dem nicht zylindrischen Hohlraum der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei die erste und zweite Elektrode eine Grenzfläche ergeben, deren Form längs der Länge der Zelle variiert;
einen Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist;
und eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit, die auf dem offenen oberen Ende des Behälters angebracht ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Grenzfläche einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die erste Elektrode eine abgestufte innere Oberfläche, die den nicht zylindrischen Hohlraum definiert. Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die erste Elektrode eine konische innere Oberfläche, die den nicht- zylindrischen Hohlraum definiert, wobei die radiale Breite der konischen Oberfläche zu dem unteren Ende des Behälters hin abnimmt.
Außerdem wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der die erste Elektrode Wellen hat, die auf ihren inneren Wänden gebildet sind, uni den nicht zylindrischen Hohlraum zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform ergeben die Wellen vorzugsweise einen radialen Querschnitt des Hohlraums von variierender Größe. In alternativer Weise ergeben die Wellen vorzugsweise einen im wesentlichen gleich großen radialen Querschnitt über den ganzen nicht zylindrischen Hohlraum.
Im allgemeinen weist vorzugsweise die erste Elektrode eine Kathode, und die zweite Elektrode eine Anode auf. Vorzugsweise ist ein Stromkollektor mit der ersten Elektrode verbunden.
Der Separator ist zweckmäßigerweise als ein Aufsprühmaterial vorgesehen, besonders wenn das Aufsprühmaterial Stärke aufweist.
Bei einer Ausführungsform weist die erste Elektrode vorzugsweise eine Vielzahl von Kathodenringen auf, die mindestens zwei, verschieden große innere Durchmesser haben, wobei die Kathodenringe in dem Behälter aufeinander gestapelt sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine elektrochemische Zelle verwirklicht, aufweisend:
eine leitenden Hülle, die ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat;
eine erste Elektrode, die in dem Behälter angeordnet ist, wobei die erste Elektrode einen äußeren Umfang hat, der sich im wesentlichen an die inneren Wände des Behälters anpaßt, und weiterhin einen darin vorgesehenen, nicht zylindrischen Hohlraum hat, wobei der nicht-zylindrische Hohlraum einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt längs der Länge der Zelle hat;
eine zweite Elektrode, die in dem nicht zylindrischen Hohlraum der ersten Elektrode angeordnet ist;
einen Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und
eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit, die auf dem offenen oberen Ende des Behälters angebracht ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Bilden einer elektrochemischen Zelle verwirklicht, das die Schritte aufweist, bei denen:
ein Behälter vorgesehen wird, der ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat;
eine erste Elektrode in dem Behälter angeordnet wird, wobei die erste Elektrode einen äußeren Umfang hat, der sich im wesentlichen an die inneren Wände des Behälters anpaßt, und weiterhin einen darin vorgesehenen, nicht zylindrischen Hohlraum hat;
eine zweite Elektrode in dem nicht zylindrischen Hohlraum der ersten Elektrode angeordnet wird, wobei die erste und zweite Elektrode eine Grenzfläche ergeben, deren Form längs der Länge der Zelle variiert;
ein Separator zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gebildet wird; und
eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit auf dem offenen oberen Ende des Behälters angebracht wird.
In alternativer Weise wird ein Verfahren zum Bilden einer elektrochemischen Zelle verwirklicht, das die Schritte aufweist, bei denen:
ein Behälter vorgesehen wird, der ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat;
eine erste Elektrode in dem Behälter angeordnet wird, wobei die erste Elektrode einen äußeren Umfang hat, der sich im wesentlichen an die inneren Wände des Behälters anpaßt, und weiterhin einen darin vorgesehenen, nicht zylindrischen Hohlraum hat, wobei der nicht-zylindrische Hohlraum einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt über die ganze Länge der Zelle hat;
eine zweite Elektrode in dem nicht zylindrischen Hohlraum der ersten Elektrode angeordnet wird;
ein Separator zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gebildet wird; und
eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit auf dem offenen oberen Ende des Behälters angebracht wird.
Gemäß einem Aspekt umfaßt der Schritt, bei dem die erste Elektrode in dem Behälter angeordnet wird, vorzugsweise den Schritt, bei dem mehrere Kathodenringe mit mindestens zwei verschiedenen inneren Durchmessern angeordnet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt weist der Schritt, bei dem die erste Elektrode in dem Behälter angeordnet wird, vorzugsweise weiterhin den Schritt, bei dem die erste Elektrode mit einer konischen inneren Oberfläche gebildet wird, die den nicht zylindrischen Hohlraum definiert, wobei die radiale Breite der konischen Oberfläche zu dem unteren Ende des Behälters hin abnimmt.
Außerdem wird das Verfahren bevorzugt, bei dem der Schritt, bei dem die erste Elektrode in dem Behälter angeordnet wird, weiterhin den Schritt aufweist, bei dem Wellen in den inneren Wänden der ersten Elektrode gebildet werden, um den nicht zylindrischen Hohlraum zu erhalten.
Im allgemeinen weist bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung der Schritt, bei dem der Separator gebildet wird, vorzugsweise den Schritt auf, bei dem ein flüssiges Separatormaterial auf die inneren Wände der ersten Elektrode aufgesprüht wird.
Es sollte klar erkannt werden, daß bei der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche erhalten wird, die eine niedrigere Gesamtstromdichte ergibt, und folglich eine höhere Zelleffizienz, besonders für die Hochstrom-Zellperformance, zur Folge hat. Außerdem sollte klar erkannt werden, daß andere Konfigurationen vorgesehen werden können, um eine vergrößerte Kathoden-Anoden/Anoden-Kathoden-Grenzfläche zu erreichen.
Demgemäß ergeben die elektrochemischen Zellen der vorliegenden Erfindung eine nicht- zylindrische Kathode, die die Anoden-Kathoden-Grenzfläche in wirksamer Weise vergrößert, um eine niedrigere Stromdichte zu erhalten, was eine höhere Zelleffizienz zur Folge hat und die Hochstrom- Zellperformance erhöht. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß die Kathode in einer stufenweisen Konfiguration, einer V-förmigen Konfiguration, einer wellenähnlichen Konfiguration, oder in einer anderen Konfiguration vorgesehen wird, bei der eine Anoden-Kathoden-Grenzfläche mit einer nicht- zylindrischen Form, die längs der Länge der Zelle variiert, erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter veranschaulicht unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die Folgendes darstellen:
Die Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht einer elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung, gemäß der zentralen Längsachse der Zelle.
Die Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht einer teilweise zusammengebauten Zelle, die den Zusammenbau der Zelle der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die Fig. 3 ist eine Querschnittansicht der teilweise zusammengebauten Zelle, gemäß der Linie III-III der Fig. 2.
Die Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht einer elektrochemischen Zelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gemäß der Längsachse der Zelle.
Die Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht einer elektrochemischen Zelle der vorliegenden Erfindung, gemäß der Längsachse der Zelle.
Die Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht einer elektrochemischen Zelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, gemäß der Längsachse der Zelle.
In der Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine elektrochemische Zelle eines allgemein modifizierten Spulentyps, die eine vergrößerte Anoden-Kathoden-Grenzfläche hat, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Die elektrochemische Zelle 10 umfaßt eine positive Elektrode, die hier als die Kathode bezeichnet wird, und eine negative Elektrode, die hier als die Anode bezeichnet wird, wobei die Elektroden so konfiguriert sind, daß eine große Anoden-Kathoden- Grenzfläche verwirklicht wird. Obwohl die hier wiedergegebene und beschriebene elektrochemische Zelle 10 eine zylindrische Alkalizelle ist, sollte weiterhin klar erkannt werden, daß die Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung bei anderen Typen von elektrochemischen Zellen, die verschiedene Größen und Konfigurationen haben, ebenfalls anwendbar sind.
Die elektrochemische Zelle 10 umfaßt einen leitenden Behälter, wie einen zylindrischen Stahlbecher 12, mit einem geschlossenen, unteren Ende 14, und einem offenen oberen Ende, das unter Abdichtung in eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 eingreift. Eine dünne Schicht aus Schrumpfschlauchisolierung 18 ist um die äußere Oberfläche des Stahlbechers 12 gebildet, außer an dem oberen und unteren Ende des Bechers. Das geschlossene untere Ende 14 des Bechers 12 kann weiterhin eine aus metallüberzogenem Stahl gebildete, positive Abdeckung (nicht wiedergegeben) umfassen, mit einem Vorsprung in dem mittleren Gebiet, der die positive Klemme der Zelle 10 bilden kann. Auf dem offenen Ende des Stahlbechers 12 ist die Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 angebracht, die die negative Klemme der Zelle 10 bildet.
In dem Stahlbecher 12 enthalten sind die positive Elektrode, die als die Kathode 20 bezeichnet wird, und die negative Elektrode, die als die Anode 24 bezeichnet wird, wobei ein Separator 22 die Grenzschicht zwischen der Kathode 20 und der Anode 24 bildet und dazwischen angeordnet ist. Die Kathode 20 kann aus einem Gemisch von Mangandioxid, Graphit, Kaliumhydroxidlösung, Wasser und anderen Zusatzstoffen gebildet sein. Die Anode 24 kann eine Anode vom Geltyp umfassen, die aus Zinkpulver, einem Geliermittel, und anderen Zusatzstoffen gebildet ist, und andere Zusatzstoffe können mit einer Elektrolytlösung gemischt sein, die aus Kaliumhydroxid, Zinkoxid und Wasser gebildet ist. In der Anode 24 ist ein Stromkollektor 32 angeordnet, der Kontakt mit den Zinkpartikeln in der Anode 24 hat. Der Separator 22 dient als eine Grenzschicht, die die Wanderung von festen Partikeln zwischen der Kathode 20 und der Anode 24 verhindert.
Die Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 ergibt den Verschluß beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle 10 und umfaßt einen Dichtungskörper 28 und ein Druckelement 30. Der Dichtungskörper 28 ist im allgemeinen scheibenförmig und besteht aus elektrisch nicht-leitendem Material. Das Druckelement 30 ist eine rohrförmige metallische Komponente, die dem Dichtungskörper 28 um den Stromkollektor 32 zusammendrückt. Die Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 umfaßt außerdem eine äußere negative Abdeckung 26, die auf das freiliegende Ende des Stromkollektors 32 aufgeschweißt ist. Der Rand des Stahlbechers 12 ist nach innen zu dem Zellkörper hin gebördelt, um eine Dichtung zu bilden. Die Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 mit der Abdeckung 26 kann eine herkömmliche runde Einheit, wie die in US-A-5422201 beschriebene Einheit umfassen.
Bei der elektrochemischen Zelle 10 der vorliegenden Erfindung wird eine nicht-zylindrische Kathoden-Anoden-Grenzfläche verwendet, die eine Gesamtzunahme der Anoden-Kathoden-Grenzfläche ergibt, im Gegensatz zu den herkömmlichen Zellen, die eine kontinuierliche zylindrische Anoden- Kathoden-Grenzfläche haben. Die Anoden-Kathoden-Grenzfläche ist nicht-zylindrisch und nicht- gleichmäßig, wobei die Form der Grenzfläche bei einer oder mehr Stellen längs der Länge der Zelle variiert, im Gegensatz zu einer kontinuierlichen zylindrischen Form. Obwohl die Anoden-Kathoden- Grenzfläche nicht-zylindrisch ist, ist der radiale Querschnitt der Anoden-Kathoden-Grenzfläche vorzugsweise über die gesamte Länge der Zelle, in der das Anoden- und das Kathodenmaterial untergebracht ist, im wesentlichen kreisförmig.
Die Kathode 20 ist gemäß einer ersten Ausführungsform als eine Vielzahl von Kathodenringen konfiguriert, die zusammengebaut sind, uni mindestens zwei verschieden große innere Durchmesser zu ergeben. Die Kathodenringe haben einen konstanten äußeren Durchmesser und variieren in der Dicke, um die verschiedenen inneren Durchmesser zu ergeben. Die erste Ausführungsform der Zelle ergibt eine abgestufte Kathodenkonfiguration, wie in der Längsschnittansicht zu sehen ist.
In der Fig. 2, auf die nun besonders Bezug genommen wird, ist der Stahlbecher 12 wiedergegeben, bei dem die Kathode 20 aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Kathodenringen 20A-20D zusammengebaut ist. Die Kathodenringe 20A-20D sind gemäß einer formgepreßten Ringkathoden-Zelleneinheit gebaut. Für eine formgepreßte Ringkathoden-Zelleneinheit wird eine Vielzahl von formgepreßten Ringkathoden, wie die Kathodenringe 20A-20D, gebildet, die mindestens zwei verschieden große innere Durchmesser haben. Der Prozeß zum Bilden von formgepreßten Ringkathoden umfaßt im allgemeinen das Einfüllen einer abgemessenen Menge Kathodengemisch in eine ringförmige Preßform, und das Formpressen des Kathodengemischs unter Verwendung einer Gesenkpresse zu der Form eines Rings. Der Prozeß zum Bilden von formgepreßten Ringkathoden ist auf diesem Fachgebiet gut bekannt. Das Einsetzen der formgepreßten Ringkathoden 20A-20D in den Becher 12 kann durch Einpressen des unteren Kathodenrings 20A in den unteren Bereich des Stahlbechers 12 erfolgen. Danach wird der zweite Kathodenring 20B in den Stahlbecher 12 eingepreßt und auf den Kathodenring 20A aufgesetzt. Der dritte Kathodenring 20C wird dann auf den Kathodenring 20B aufgesetzt, und der vierte Kathodenring 20D wird auf den Kathodenring 20C aufgesetzt. Die Kathodenringe 20A-20D werden vorzugsweise mittels eines Stempels in den Stahlbecher 12 eingepreßt, und so angeordnet, daß aneinander grenzende Ringe verschieden große innere Durchmesser haben.
In der Fig. 3, auf die nun Bezug genommen wird, sind die zwei unteren Kathodenringe 20A und 20B eingesetzt. Der untere Kathodenring 20A hat eine innere Oberfläche, die durch einen runden radialen Querschnitt mit einem inneren Durchmesser DA definiert ist, in dem der Separator 22 und die Anode 24 angeordnet werden sollen. Der Kathodenring 20A paßt sich im wesentlichen an die Form des unteren Bereichs des Stahlbechers 12 an. Im Gegensatz dazu hat der angrenzende, zweite Kathodenring 20B eine innere Oberfläche, die durch einen runden radialen Querschnitt mit einem inneren Durchmesser DB, der größer als der Durchmesser DA ist, definiert ist. Dieser Unterschied bei den Durchmessern DA und DB ergibt eine stufenartige Grenzfläche zwischen den Kathodenringen 20A und 20B, wodurch die zwischen der Kathode 20 und der Anode 24 verwirklichte Grenzfläche vergrößert wird, im Gegensatz zu einer kontinuierlich zylindrischen Anoden-Kathoden-Grenzfläche. Dabei sollte klar erkannt werden, daß jeder der Kathodenringe 20A-20D vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt hat. Wenn ein im wesentlichen kreisförmiger radialer Querschnitt der inneren Oberfläche der Kathode 20 vorgesehen wird, wird eine zu der inneren Wand des Bechers 12 parallele, gleichmäßige kontinuierliche Oberfläche erhalten, die der Kathode 20 ermöglicht, sich auszudehnen, wenn sie sich entlädt, während die Form der Kathode 20 gleichmäßig aufrechterhalten wird, um Kathodenbruch zu verhindern. Während der wiedergegebene radiale Querschnitt im wesentlichen kreisförmig ist, hat die Kathode 20 eine nicht- zylindrische Konfiguration über ihre Längsachse, so daß eine vergrößerte Grenzfläche zwischen der Anode 24 und der Kathode 20 verwirklicht wird.
Die Anoden-Kathoden-Grenzfläche ist nicht zylindrisch, da sie sowohl die sich in der Längsrichtung erstreckende Grenzfläche, als auch die sich radial erstreckende Grenzfläche, die von der zwischen aneinandergrenzenden Kathodenringen eingefügten Fläche gebildet wird, umfaßt. Gemäß der hier wiedergegebenen Ausführungsform mit vier Kathodenringen ist die Anoden-Kathoden-Grenzfläche gleich der Summe der inneren Oberflächen der Kathodenringe 20A-20D, plus der Summe der radialen Oberflächen, die zwischen den zwei inneren Durchmessern der aneinandergrenzenden Kathodenringe eingefügt sind, nämlich der radialen Oberfläche zwischen den Kathodenringen 20A und 20B, der radialen Oberfläche zwischen den Kathodenringen 20B und 20C, und der radialen Oberfläche zwischen den Kathodenringen 20C und 20D. Demgemäß vergrößern die radialen Oberflächen die gesamte Anoden- Kathoden-Grenzfläche, die bei der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird.
In der Fig. 2, auf die wiederum Bezug genommen wird, ist außerdem ein Prozeß zum Aufbringen eines flüssigen Aufsprühseparators 22 auf die inneren Wände der Kathode 20 wiedergegeben. Der Aufsprühseparator 22 kann mit einem scheibenförmigen Flüssigseparator-Sprühgerät 34 oder einer anderen geeigneten Separator-Aufbringvorrichtung aufgebracht werden. Das Flüssigseparator-Sprühgerät 34 kann ein Rohr umfassen, das mit einer scheibenförmigen Düse verbunden ist, die sich schnell dreht, um mittels der Zentrifugalkraft ein Flüssigseparatormaterial aufzubringen, um die innere Oberfläche der Kathode 20 zu beschichten. Das Flüssigaufsprüh-Separatormaterial kann gemäß einem Beispiel Stärke umfassen. Der Flüssigaufsprüh-Separator kann in alternativer Weise einen Polystyrol-Separator umfassen, wie denjenigen, der in dem Patent US-A-4315062 beschrieben ist. Der Aufsprühseparator 22 wird vorzugsweise zum Beschichten der inneren Wände der Kathode 20 verwendet, um einen im wesentlichen gleichmäßigen Separator 22 zu ergeben, der die Grenzschicht zwischen der Kathode 20 und der Anode 24 bildet.
Wenn der Separator 22 einmal auf der inneren Oberfläche der Kathode 20 gebildet ist, wird die Anode 24 in dem in der Kathode 20 vorgesehenen Hohlraum angeordnet. Die Anode 24 paßt sich an die Form des Hohlraums an, um das verbleibende Volumen innerhalb der inneren Oberfläche der Kathode 20 auszufüllen. Wenn die Zellmaterialien, einschließlich der Anode 24, der Kathode 20, des Separators 22, und der Elektrolytlösung einmal in dem Stahlbecher 12 angeordnet worden sind, wird der Stromkollektor 32 in die Anode 24 eingesetzt, und die Abdeckungs- und Dichtungseinheit 16 wird auf dem offenen oberen Ende angebracht, um den Becher 12 dicht zu verschließen.
Obwohl die erste Ausführungsform der Zelle 10 in Verbindung mit einer aus vier Kathodenringen 20A-20D gebildeten Kathode 20 beschrieben wurde, sollte klar erkannt werden, daß in gleicher Weise eine verschiedene Anzahl von Ringen vorgesehen werden kann, um eine nicht-zylindrische Kathoden- Anoden/Anoden-Kathoden-Grenzfläche mit einer vergrößerten Oberfläche zu erhalten, um eine niedrigere Stromdichte und eine größere Zelleffizienz zu erreichen. Gemäß einem Beispiel einer AA-Zelle wurden Kathodenring 20A und 20C mit einem inneren Durchmesser von 0,635 Zentimetern (0,250 inches) vorgesehen, während Kathodenringe 20B und 20D mit einem inneren Durchmesser von 1,085 Zentimetern (0,427 inches) vorgesehen wurden, um eine gesamte Kathodenoberfläche von 13,073 Quadratzentimetern (2,026 inches squared) zu erhalten. Gemäß dem obenerwähnten Beispiel wurde bei der Zelle mit der konfigurierten Anode und Kathode eine 12,4-prozentige Zunahme der Oberfläche erreicht gegenüber einer herkömmlichen zylindrischen Zelle, die einen inneren Durchmesser der zylindrischen Kathode von 0,889 Zentimetern (0,350 inches) hat. Auf der Basis einer geraden Anzahl von zylinderförmigen Ringen kann die gesamte Anoden-Kathoden-Grenzfläche bei jeweils zwei zusätzlichen Ringen um ungefähr elf Prozent (11%) vergrößert werden. Es wurde herausgefunden, daß bei der abgestuften Anordnung bei vier Ringen pro Zelle die Performance bei Hochstromtests doppelt so groß sein konnte, verglichen mit der gegenwärtigen besten Performance, die bei einer Zellkonstruktion aus vier Ringen mit gleichmäßigem innerem Durchmesser erhalten wurde. Es sollte auch klar erkannt werden, daß eine größere Anzahl von Ringen, wie sechs, acht und zehn Ringe oder mehr, verwendet werden kann. Wenn die Anzahl der Ringe pro Zelle zunimmt, nimmt die Anoden-Kathoden-Grenzfläche ebenfalls zu. Es gibt jedoch einen Kompromiß, da es um so schwieriger wird, den Separator 22 aufzubringen, sowie die richtige Positionierung der Anode 24 zu erhalten, je dünner die Ringe sind.
In der Fig. 4, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine zweite Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 10 dargestellt, bei der die Kathode 20 eine konusförmige Konfiguration hat. Die Kathode 20 hat eine konische innere Oberfläche, auf der der konusförmige Separator 22 und die Anode 24 vorgesehen sind. Die Kathode 20 weist eine innere Oberfläche auf, die einen Konuswinkel hat, der bezüglich der Längsachse der Zelle vorzugsweise größer als zwei Grad ist. Die bei der zweiten Ausführungsform erhaltene, konusförmige Anoden-Kathoden-Grenzfläche ist ebenfalls nicht-zylindrisch und hat einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt.
In der Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle 10 wiedergegeben. Gemäß der dritten Ausführungsform hat die Kathode 20 einen inneren Durchmesser, der längs der Länge der Zelle kontinuierlich variiert, und einen radialen Querschnitt von variierender Größe bei allen Querschnitten der Zelle. In einer Längsschnittansicht der Zelle hat die Anoden-Kathoden-Grenzfläche Wellen, oder ein wellenähnliches Muster, das die Anoden-Kathoden-Grenzfläche in wirksamer Weise vergrößert, im Gegensatz zu demjenigen einer zylindrischen Kathode.
In der Fig. 6 ist eine vierte Ausführungsform der Zelle 10 wiedergegeben, bei der die Kathode 20 einen inneren Durchmesser mit einem gleichmäßigen radialen Querschnitt über die ganze Länge der Zelle 10 aufrechterhält. Gemäß dieser vierten Ausführungsform ist die Anoden-Kathoden-Grenzfläche nicht- zylindrisch, und sie ändert sich kontinuierlich längs der Länge der Zelle, um eine vergrößerte Anoden- Kathoden-Oberfläche zu erhalten. Der innere Durchmesser der Kathode 20, in dem die Anode 24 vorgesehen ist, hat jedoch einen gleichmäßigen Durchmesser, was eine leichte Einbringung der Anode ermöglichen kann.

Claims

1. Elektrochemische Zelle, aufweisend eine Hülle, die eine erste und eine zweite Elektrode enthält, die durch einen Separator getrennt sind, wobei die erste Elektrode einen solchen Hohlraum hat, daß sie die zweite Elektrode ganz oder teilweise enthält, und der Hohlraum so geformt ist, daß sich bei der Grenzfläche zwischen den Elektroden eine größere Oberfläche ergibt, als bei einem normalen Zylinder mit dem gleichen Volumen erhalten würde.

2. Elektrochemische Zelle, aufweisend:

einen Behälter, der ein geschlossenes unteres Ende und ein offenes oberes Ende hat;

eine erste Elektrode, die in dem Behälter angeordnet ist, wobei die erste Elektrode einen äußeren Umfang hat, der sich im wesentlichen an die inneren Wände des Behälters anpaßt, und weiterhin einen darin vorgesehenen, nicht zylindrischen Hohlraum hat;

eine zweite Elektrode, die in dem nicht zylindrischen Hohlraum der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei die erste und zweite Elektrode eine Grenzfläche ergeben, deren Form längs der Länge der Zelle variiert;

einen Separator, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist; und

eine Abdeckungs- und Dichtungseinheit, die auf dem offenen oberen Ende des Behälters angebracht ist.

3. Zelle gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Grenzfläche einen im wesentlichen kreisförmigen radialen Querschnitt hat.

4. Zelle gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die erste Elektrode eine abgestufte innere Oberfläche hat, die den Hohlraum definiert.

5. Zelle gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 wobei die erste Elektrode eine konische innere Oberfläche hat, die den nicht zylindrischen Hohlraum definiert, und die radiale Breite der konischen Oberfläche zu dem unteren Ende des Behälters hin abnimmt.

6. Zelle gemäß Anspruch 1, wobei die erste Elektrode Wellen hat, die auf ihren inneren Wänden gebildet sind, um den Hohlraum zu erhalten.

7. Zelle gemäß Anspruch 6, wobei die Wellen einen radialen Querschnitt des Hohlraums von variierender Größe ergeben.

8. Zelle gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Wellen einen im wesentlichen gleich großen radialen Querschnitt über den ganzen nicht-zylindrischen Hohlraum ergeben.

9. Zelle gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei der Separator als ein Aufsprühmaterial vorgesehen ist.

10. Zelle gemäß Anspruch 9, wobei das Aufsprühmaterial Stärke aufweist.

11. Zelle gemäß irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Elektrode eine Vielzahl von Kathodenringen aufweist, die mindestens zwei innere Durchmesser von verschiedener Größe haben, wobei die Kathodenringe in dem Behälter aufeinander gestapelt sind.

12. Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Zelle, das die Schritte aufweist, bei denen:

eine Hülle vorgesehen wird, die ein offenes Ende hat;

eine erste Elektrode in der Hülle angeordnet wird, wobei die Elektrode einen Hohlraum hat, um eine zweite Elektrode ganz oder teilweise zu enthalten, wobei der Hohlraum so geformt ist, daß sich bei der Grenzfläche zwischen den Elektroden eine größere Oberfläche ergibt, als bei einem normalen Zylinder mit dem gleichen Volumen erhalten würde;

und ein Separator zwischen den Elektroden angeordnet wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, das so angepaßt ist, daß eine Zelle gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten wird.

14. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 und 13, wobei der Schritt, bei dem die erste Elektrode in der Hülle angeordnet wird, den Schritt umfaßt, bei dem mehrere Kathodenringe mit mindestens zwei verschiedenen inneren Durchmessern angeordnet werden.

15. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der Schritt, bei dem der Separator gebildet wird, den Schritt aufweist, bei dem ein flüssiges Separatormaterial auf die inneren Wände der ersten Elektrode aufgesprüht wird.

16. Zelle, hergestellt gemäß dem Verfahren von irgendeinem der Ansprüche 12 bis 15.