DE102009008859A1 - Knopfzelle und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine Knopfzelle (100), die ein metallisches Becherteil (101) und ein metallisches Deckelteil (102) aufweist, welche dichtend miteinander verbunden sind und ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104) ausbilden, wobei innerhalb des Gehäuses als flache Schichten ausgebildete positive und negative Elektroden (105, 106; 201, 202) angeordnet sind, die über einen flächigen Separator (107; 203) miteinander verbunden sind, wobei die Elektrodenschichten (105, 106; 201, 202) im Wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich (103, 104) ausgerichtet sind. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Knopfzelle beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Knopfzelle mit einem Gehäuse aus einem metallischen Becherteil und einem metallischen Deckelteil, die dichtend miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Knopfzellen.
  • Wiederaufladbare Knopfzellen können unterschiedliche elektrochemische Systeme enthalten. Sehr verbreitet sind z. B. Knopfzellen auf Basis von Nickel-Metallhydrid- sowie auf Basis von Lithium-Ionen-Systemen. Insbesondere bei Lithium-Ionen-Knopfzellen werden die elektrochemisch aktiven Materialien innerhalb des Knopfzellengehäuses üblicherweise nicht in Form von einzelnen, durch einen Separator voneinander getrennten, tablettenförmigen Elektroden angeordnet. Stattdessen werden bevorzugt vorgefertigte Elektroden-Separator-Verbünde flach in das Gehäuse eingelegt. Als Separator dient dabei bevorzugt eine poröse Kunststofffolie, auf welche die Elektroden flächig auflaminiert oder aufgeklebt sind. Der Gesamtverbund aus Separator und Elektroden ist dabei in der Regel maximal wenige 100 μm dick. Um Knopfzellengehäuse üblicher Dimensionen ausfüllen zu können, werden daher häufig mehrere solcher Verbünde flach übereinander gelegt. Auf diese Weise lassen sich Stapel in grundsätzlich beliebiger Höhe erhalten, jeweils abgestimmt auf die zur Verfügung stehenden Dimensionen des Knopfzellengehäuses, in das der Stapel verbaut werden soll. So wird eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Gehäuseinnenraumes gewährleistet.
  • Konstruktionsbedingt treten bei Knopfzellen, die solche Stapel aus Elektroden-Separator-Verbünden enthalten, allerdings auch diverse Probleme auf. Zum einen ist es natürlich erforderlich, Elektroden von jeweils gleicher Polarität innerhalb des Stapels miteinander zu verbinden und dann jeweils mit dem entsprechenden Pol des Knopfzellengehäuses zu kontaktieren. Die erforderlichen elektrischen Kontakte verursachen Materialkosten, der durch sie eingenommene Raum steht zudem für Aktivmaterial nicht mehr zur Verfügung. Die Herstellung der Elektrodenstapel ist darüber hinaus kompliziert und teuer, da bei der Kontaktierung der Verbünde untereinander leicht Fehler auftreten können, die die Ausschußrate erhöhen. Zum anderen wurde festgestellt, dass Knopfzellen mit einem Stapel aus Elektroden und Separatoren sehr schnell undicht werden können.
  • Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Knopfzellen bereitzustellen, bei denen die genannten Probleme nicht auftreten. Die bereitzustellenden Knopfzellen sollten eine möglichst einfache Konstruktionsweise aufweisen, höchsten Anforderungen im Hinblick auf die Dichtigkeit im Betrieb genügen und sehr einfach herzustellen sein.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Knopfzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Bevorzugte Ausfüh rungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 10 bis 12. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
  • Eine erfindungsgemäße Knopfzelle weist ein metallisches Becherteil und ein metallisches Deckelteil auf, die dichtend miteinander verbunden sind. Zusammen bilden die beiden Teile ein Gehäuse aus, das einen ebenen Bodenbereich und einen dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbildet. Als Becher- und Deckelteil sind insbesondere Teile aus vernickeltem Stahl oder Blech bevorzugt. Weiterhin als metallischer Werkstoff geeignet sind insbesondere Trimetalle, beispielsweise mit der Abfolge Nickel, Stahl (oder Edelstahl) und Kupfer (wobei dann die Nickelschicht bevorzugt die Außen- und die Kupferschicht bevorzugt die Innenseite des Knopfzellengehäuses bildet). Als Dichtung kann beispielsweise eine Spritzguss- oder eine Foliendichtung zum Einsatz kommen.
  • Innerhalb des Gehäuses sind mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode angeordnet, und zwar jeweils in Form von flachen Elektrodenschichten. Die Elektroden sind dabei über einen flächigen Separator miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Elektroden auf diesen Separator auflaminiert oder aufgeklebt. Die Elektroden und der Separator weisen in der Regel jeweils nur Dicken im μm-Bereich auf. Sie bilden zusammen einen Elektroden-Separator-Verbund aus, wie er bereits eingangs erwähnt wurde.
  • Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Knopfzellen zeichnet sich die erfindungsgemäße Knopfzelle jedoch insbesondere dadurch aus, dass die Elektrodenschichten eine ganz besondere Orientierung aufweisen, sie sind nämlich im wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet. Während aus dem Stand der Technik bekannte Knopfzellen mit gestapelten Elektroden-Separator-Verbünden diese stets flach eingelegt enthalten, so dass die Elektrodenschichten im wesentlichen parallel zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen ausgerichtet sind, ist bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle das Gegenteil der Fall.
  • Die orthogonale Ausrichtung der Elektrodenschichten hat einen unerwartet deutlichen Vorteil, es wurde nämlich festgestellt, dass diese Ausrichtung mit einer deutlichen Verbesserung der Dichtigkeitseigenschaften einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einhergeht, insbesondere bei Knopfzellen auf Basis von Lithium-Ionen-Systemen. Die Elektroden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Systemen sind bei Lade- und Entladevorgängen stets Volumenänderungen ausgesetzt. Zu solchen Volumenänderungen kann es natürlich auch bei den Elektroden einer erfindungsgemäßen Knopfzelle kommen. Die dabei entstehenden mechanischen Kräfte wirken jedoch nicht mehr primär axial, wie das im Falle eines flach eingelegten Stapels aus Elektroden-Separator-Verbünden der Fall ist. Aufgrund der orthogonalen Ausrichtung der Elektroden wirken sie stattdessen radial. Radiale Kräfte können von dem Gehäuse einer Knopfzelle allerdings sehr viel besser aufgenommen werden als axiale, worauf vermutlich die verbesserten Dichtigkeitseigenschaften zurückzuführen sind.
  • Besonders bevorzugt sind die Elektroden und der flächige Separator einer erfindungsgemäßen Knopfzelle jeweils streifen- oder bandförmig ausgebildet. So kann zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Knopfzelle beispielsweise von einem als Endlosband vorliegenden Separatormaterial ausgegangen werden, auf das die Elektroden flächig, insbesondere wieder in Form von Streifen oder zumindest von Rechtecken, aufgebracht, insbesondere auflaminiert werden.
  • Wenn die Elektroden streifenförmig auf einen solchen Separator aufgebracht werden, so lässt sich der entstehende Verbund aus streifenförmigen Elektroden und streifenförmigem Separator gut aufwickeln. In be vorzugten Ausführungsformen enthält eine erfindungsgemäße Knopfzelle entsprechend den Verbund aus Elektroden und Separator als Wickel, besonders bevorzugt als spiralförmigen Wickel.
  • Besonders bevorzugt weist der Verbund aus Elektroden und Separator in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle eine der folgenden Schichtabfolgen auf:
    • • negative Elektrode/Separator/positive Elektrode/Separator oder
    • • positive Elektrode/Separator/negative Elektrode/Separator.
  • Derartige Verbünde lassen sich sehr einfach herstellen und aufwickeln, ohne dass es zu Kurzschlüssen zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden kommt.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Knopfzelle sind die negative Elektrode und die positive Elektrode im Elektroden-Separator-Verbund innerhalb des Verbundes versetzt zueinander angeordnet. Unter einer versetzten Anordnung soll dabei verstanden werden, dass die Elektroden derart angeordnet sind, dass in der erfindungsgemäßen Knopfzelle eine jeweils unterschiedliche Beabstandung der Elektroden zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen resultiert. Im einfachsten Fall können z. B. eine positive und eine negative Elektrode als gleich breite Streifen leicht versetzt auf die gegenüberliegenden Seiten eines Separatorbandes aufgebracht werden, so dass der Abstand der positiven Elektrode zum oberen Separatorrand größer ist als der vergleichbare Abstand von der negativen Elektrode aus gemessen. Umgekehrtes gilt dann natürlich im Hinblick auf den Abstand zum unteren Separatorrand.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen liegt, vorzugsweise als Resultat dieser versetzten Anordnung, die positive Elektrode, insbesondere ein Rand der positiven Elektrode, unmittelbar am Becherteil an, insbesondere im ebenen Bodenbereich des Becherteils, während die negative Elektrode, insbesondere ein Rand der negativen Elektrode, unmittelbar am Deckelteil, insbesondere im ebenen Deckelbereich des Deckelteils, anliegt.
  • Die versetzte Anordnung der Elektroden zueinander ermöglicht also eine Kontaktierung der Elektroden mit den jeweiligen Gehäuseteilen, ohne dass zusätzliche elektrische Kontakte und Verbindungsmittel zum Einsatz kommen müssen.
  • Bei den in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einsetzbaren Separatoren handelt es sich vorzugsweise um Folien aus mindestens einem Kunststoff, insbesondere aus mindestens einem Polyolefin. Bei dem mindestens einen Polyolefin kann es sich beispielsweise um Polyethylen handelt. Es können aber auch mehrlagige Separatoren verwendet werden, beispielsweise Separatoren aus einer Abfolge verschiedener Polyolefinschichten, z. B. mit der Sequenz Polyethylen/Polypropylen/Polyethylen.
  • Die in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt einsetzbaren Separatoren weisen bevorzugt eine Dicke zwischen 3 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 10 μm und 50 μm, auf.
  • Die Elektroden einer erfindungsgemäßen Knopfzelle weisen bevorzugt eine Dicke zwischen 10 μm und 1000 μm, insbesondere zwischen 30 μm und 500 μm, auf.
  • Wie bereits eingangs erwähnt wurde, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle insbesondere um eine wiederaufladbare Knopfzelle. Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Knopfzelle mindestens eine Lithium interkalierende Elektrode auf.
  • Das Verhältnis Höhe: Durchmesser einer erfindungsgemäßen Knopfzelle beträgt vorzugsweise < 1. Besonders bevorzugt liegt es zwischen 0.1 und 0.9, insbesondere zwischen 0.15 und 0.7. Unter der Höhe soll dabei der Abstand zwischen dem ebenen Bodenbereich und dem dazu parallelen ebenen Deckelbereich verstanden werden. Der Durchmesser meint die maximale Entfernung zweier Punkte auf dem Mantelbereich der Knopfzelle.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Knopfzelle kann insbesondere auch zur Herstellung einer Knopfzelle dienen, wie sie vorstehend beschrieben wurde, also einer Knopfzelle mit einem Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich. Betreffend die bevorzugten Ausführungsformen der einzelnen in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Komponenten (Gehäuseteile und -dimensionen, Elektroden, Separator etc.) kann somit vollumfänglich auf die obenstehenden Ausführungen und Erläuterungen Bezug genommen und verwiesen werden.
  • Das Gehäuse wird aus einem metallischen Becherteil und einem metallischen Deckelteil zusammengefügt, wobei ein Elektroden-Separator-Verbund mit als flache Schicht ausgebildeten Elektroden derart in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Elektroden orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich ausgerichtet sind.
  • Wie bereits erwähnt, wird der Elektroden-Separator-Verbund in Form eines Wickels verbaut, insbesondere als spiralförmiger Wickel.
  • In aller Regel umfasst das erfindungsgemäße Verfahren stets die Schritte
    • – Einsetzen des Wickels in das metallische Deckelteil,
    • – Einsetzen des metallischen Deckelteils mit dem Wickel in ein metallisches Becherteil,
    • – Umbördeln des Randes des Becherteils.
  • Vor dem Schließen des Gehäuses werden die Elektroden üblicherweise noch mit Elektrolytlösung getränkt.
  • Der Wickel befindet sich beim Einsetzen bevorzugt aufgerollt auf einem Wickeldorn. Nach dem oder beim Einsetzen kann der Wickeldorn dann entfernt werden.
  • Besonders bevorzugt wird der spiralförmige Wickel vor dem Verbauen an seinen Stirnseiten wärmebehandelt. Dabei wird er zumindest kurzfristig einer Temperatur ausgesetzt, bei der der Separator in dem Wickel thermoplastisch verformbar ist. In der Regel steht der Separator an den Stirnseiten des Wickels etwas über, selbst unter der Voraussetzung, dass die Elektroden mit dem oben beschriebenen Versatz zueinander angeordnet sind. Durch die Wärmebehandlung kann der Separator etwas zusammenschrumpfen und dadurch gegebenenfalls sogar den Rand einer benachbarten Elektroden freilegen, so dass dieser unmittelbar am Knopfzellengehäuse anliegen kann.
  • Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Dabei können die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Knopfzelle.
  • 2 illustriert den Effekt der Wärmebehandlung eines aufgewickelten Elektrode-Separator-Verbundes, welche bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommt.
  • 1 zeigt schematisch den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100. Diese weist ein metallisches Becherteil 101 und ein metallisches Deckelteil 102 auf. Über eine Dichtung 109 sind die beiden Teile dichtend miteinander verbunden. Zusammen bilden sich ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich 103 und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich 104 aus. Im Gebrauchszustand bilden diese ebenen Bereiche 103 und 104 die Pole der Knopfzelle, an denen eine Stromabnahme durch einen Verbraucher erfolgen kann. Der Rand 110 des Zellenbechers 101 ist nach innen über den Rand des Zellendeckels 102 gebördelt.
  • Im Inneren der Elektrode ist ein Verbund aus einer streifenförmigen Elektrode 105, einer streifenförmigen Elektrode 106 und den streifenförmigen Separatoren 107 angeordnet. Der Verbund aus den Elektroden 105 und 106 sowie den Separatoren 107 liegt dabei in Form eines Wickels vor. Aufgewickelt ist der Verbund auf dem Kern 108 im Zentrum der Knopfzelle 100. Sowohl der Kern 108 als auch die um ihn gewickelten Elektroden und Separatoren sind orthogonal zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen 104 und 103 ausgerichtet. Sofern die Elektroden bei einem Lade- oder Entladevorgang an Volumen gewinnen oder verlie ren, wirken die dabei resultierenden mechanischen Kräfte radial und können vom Mantelbereich der Knopfzelle 100 aufgefangen werden.
  • Hervorzuheben ist, dass die positive Elektrode 105 und die negative Elektrode 106 jeweils unmittelbar an dem Becherteil 101 bzw. an dem Deckelteil 102 der Knopfzelle 100 anliegen. Ein separater Ableiter zum Verbinden der Elektroden mit dem Deckelteil 102 und dem Becherteil 101 ist nicht erforderlich.
  • 2 zeigt den Effekt der Wärmebehandlung eines Elektroden-Separator-Wickels 200, die in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Knopfzelle vorgesehen ist. Dargestellt ist schematisch ein Wickel 200 aus einem Verbund aus einer positiven Elektrode 201 (schwarze Balken), einer negativen Elektrode 202 (weisse Balken) und den (quergestreiften) Separatoren 203 (Ausschnitt). Die positive und die negative Elektroden 201 und 202 sind jeweils versetzt zueinander angeordnet. Die Separatoren 203 bestehen aus einem thermoplastisch verformbaren Material.
  • Setzt man die sich an den Stirnseiten 204 und 205 des Wickels 200 befindlichen Separatorränder einer hohen Temperatur aus (beispielsweise 250°C, wie dargestellt), so schrumpfen diese Separatorränder. Die Separatoren ziehen sich zumindest teilweise zwischen benachbarte Elektroden zurück. Dabei werden an der Stirnseite 204 die Ränder der negativen Elektrode 202 freigelegt, während die Ränder der positiven Elektrode 201 abgedeckt werden. An der Stirnseite 205 werden die Ränder der positiven Elektrode 201 freigelegt, während die Ränder der negativen Elektrode 202 abgedeckt werden.
  • Beim Einsatz eines so behandelten Wickels ist gewährleistet, dass Elektroden gleicher Polarität jeweils nur am Gehäusebecher oder am Gehäusedeckel unmittelbar anliegen können. Separate elektrische Verbindungen zwischen den Elektroden und den Gehäuseteilen sind nicht erforderlich.

Claims (12)

  1. Knopfzelle (100), umfassend ein metallisches Becherteil (101) und ein metallisches Deckelteil (102), welche dichtend miteinander verbunden sind und ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104) ausbilden, sowie innerhalb des Gehäuses als flache Schichten ausgebildete positive und negative Elektroden (105, 106; 201, 202), die über einen flächigen Separator (107; 203) miteinander verbunden sind, wobei die Elektrodenschichten (105, 106; 201, 202) im wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich (103, 104) ausgerichtet sind.
  2. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (105, 106; 201, 202) und/oder der Separator (107; 203) streifen- oder bandförmig ausgebildet sind.
  3. Knopfzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie den Elektroden-Separator-Verbund als Wickel (200) enthält, insbesondere als spiralförmigen Wickel.
  4. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund eine der folgenden Schichtabfolgen aufweist: – negative Elektrode/Separator/positive Elektrode/Separator – positive Elektrode/Separator/negative Elektrode/Separator
  5. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Elektrode (106; 202) und die positive Elektrode (105; 201) innerhalb des Verbundes versetzt zueinander angeordnet sind, so dass für die Elektroden eine jeweils unterschiedliche Beabstandung zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen (103, 104) resultiert.
  6. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Elektrode (105; 201), insbesondere ein Rand der positiven Elektrode (105; 201), unmittelbar am Becherteil (101), insbesondere im ebenen Bodenbereich (103), und die negative Elektrode (106; 202), insbesondere ein Rand der negativen Elektrode (106; 202), unmittelbar am Deckelteil (102), insbesondere im ebenen Deckelbereich (104), anliegt.
  7. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wiederaufladbar ist.
  8. Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verhältnis Höhe: Durchmesser < 1, vorzugsweise zwischen 0.1 und 0.9, insbesondere zwischen 0.15 und 0.7, aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung einer Knopfzelle, insbesondere einer Knopfzelle (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einem metallischen Becherteil (101) und einem metallischen Deckelteil (102) ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich (103) und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich (104) gebildet wird und wobei ein Elektroden-Separator-Verbund mit als flache Schicht ausgebildeten Elektroden (105, 106; 201, 202) derart in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Elektroden (105, 106; 201, 202) orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich (103, 104) ausgerichtet sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektroden-Separator-Verbund als Wickel (200) eingesetzt wird, insbesondere als spiralförmiger Wickel.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend die Schritte – Einsetzen des Wickels (200) in das metallische Deckelteil (102), – Einsetzen des metallischen Deckelteils (102) mit dem Wickel (200) in ein metallisches Becherteil (101), – Umbördeln des Randes (110) des Becherteils (101).
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel (200) vor dem Verbauen an seinen Stirnseiten wärmebehandelt wird, wobei er zumindest kurzfristig einer Temperatur ausgesetzt wird, bei der der Separator (203) thermoplastisch verformbar ist.
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