DE102009060788A1

DE102009060788A1 - Knopfzelle mit Elektrodenwickel

Info

Publication number: DE102009060788A1
Application number: DE102009060788A
Authority: DE
Inventors: Winfried 73479 Gaugler
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Beschrieben wird eine Knopfzelle mit zwei metallischen Gehäusehalbteilen, die durch eine elektrisch isolierende Dichtung voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbilden. In dem Gehäuse befinden sich ein Elektroden-Separator-Verbund, der in Form eines vorzugsweise spiralförmigen Wickels vorliegt, in dessen Zentrum sich ein axialer Hohlraum befindet, und ein Wickelkern, der den axialen Hohlraum mindestens teilweise ausfüllt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Knopfzellen mit einem Gehäuse aus zwei metallischen Gehäusehalbteilen, das einen gewickelten Elektroden-Separator-Verbund enthält.
Knopfzellen weisen üblicherweise ein Gehäuse aus zwei Gehäusehalbteilen, einem Zellenbecher und einem Zellendeckel, auf. Diese können beispielsweise aus vernickeltem Tiefziehblech als Stanzziehteile hergestellt werden. Gewöhnlich ist der Zellenbecher positiv und der Gehäusedeckel negativ gepolt. In dem Gehäuse können die verschiedensten elektrochemischen Systeme enthalten sein, beispielsweise Zink/MnO₂, primäre und sekundäre Lithium-Systeme oder sekundäre Systeme wie Nickel/Cadmium oder Nickel/Metallhydrid.
Der flüssigkeitsdichte Verschluss von Knopfzellen erfolgt klassisch durch Umbördeln des Randes des Zellenbechers über den Rand des Zellendeckels in Verbindung mit einem Kunststoffring, der zwischen Zellenbecher und Zellendeckel angeordnet ist und der gleichzeitig als Dichtungselement sowie zur elektrischen Isolierung des Zellenbechers und des Zellendeckels dient. Derartige Knopfzellen sind beispielsweise in der DE 31 13 309 beschrieben.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, Knopfzellen zu fertigen, bei denen Zellenbecher und Zellendeckel in axialer Richtung ausschließlich durch eine kraftschlüssige Verbindung zusammengehalten werden und die keinen umgebördelten Becherrand aufweisen. Derartige Knopfzellen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der bislang noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 017 514.8 beschrieben. Ungeachtet der diversen Vorteile, die solche Knopfzellen ohne Bördelung aufweisen können, sind sie in axialer Richtung jedoch weniger belastbar als vergleichbare Knopfzellen mit umgebördeltem Becherrand, insbesondere was axiale mechanische Belastungen angeht, die ihre Ursache im Inneren der Knopfzelle haben. So sind zum Beispiel die Elektroden von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Systemen bei Lade- und Entladevorgängen stets Volumenänderungen ausgesetzt. Die dabei auftretenden axialen Kräfte können bei Knopfzellen ohne Bördelung natürlich vergleichsweise leichter zu Undichtigkeiten führen als bei Knopfzellen mit Bördelung.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Knopfzelle bereitzustellen, bei der die oben angesprochenen Probleme nicht oder nur in stark verringertem Maß auftreten. Die Knopfzelle soll insbesondere gegenüber in axialer Richtung auftretenden mechanischen Belastungen widerstandsfähiger sein als herkömmliche Knopfzellen, insbesondere auch dann, wenn sie als Knopfzelle ohne umgebördelten Becherrand gefertigt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Knopfzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Knopfzelle sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Eine erfindungsgemäße Knopfzelle umfasst stets zwei metallische Gehäusehalbteile, die durch eine elektrisch isolierende Dichtung voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbilden. Bei den beiden Gehäusehalbteilen handelt es sich, wie eingangs bereits erwähnt, in der Regel um einen sogenannten Gehäusebecher und einen Gehäusedeckel. Als Gehäusehalbteile 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 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. Letztere sind beispielsweise in der DE 196 47 593 beschrieben.
Innerhalb des Gehäuses sind mindestens eine positive und mindestens eine negative Elektrode angeordnet und zwar jeweils in Form von flachen Elektrodenschichten. Die Elektroden sind vorzugsweise über einen flächigen Separator miteinander verbunden. Bevorzugt 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. Als Separator dient in der Regel eine poröse Kunststofffolie.
Im Gehäuse einer erfindungsgemäßen Knopfzelle liegt dieser Verbund in Form eines Wickels, insbesondere in Form eines spiralförmigen Wickels, vor. Derartige Wickel lassen sich nach bekannten Verfahren (s. z. B. DE 36 38 793 ) recht einfach herstellen, indem auf einen als Endlosband vorliegenden Separator die Elektroden flächig, insbesondere in Form von Streifen, aufgebracht, insbesondere auflaminiert, werden. Aufgewickelt wird der Verbund aus Elektroden und Separatoren auf einen sogenannten Wickeldorn. Nach Abstreifen des Wickels vom Wickeldorn bleibt im Zentrum des Wickels ein axialer Hohlraum zurück, was zur Folge hat, dass sich der Wickel gegebenenfalls in diesen Hohlraum hinein entspannen kann. Dies kann jedoch unter Umständen zu Problemen bei der elektrischen Kontaktierung der Elektroden mit den metallischen Gehäusehalbteilen führen, was im Folgenden noch genauer beschrieben wird.
Der Elektrodenwickel ist innerhalb einer erfindungsgemäßen Knopfzelle nämlich derart angeordnet, dass die Stirnseiten des Wickels in Richtung des ebenen Bodenbereichs und des ebenen Deckelbereichs weisen. Die Elektrodenschichten des Wickels sind also im Wesentlichen orthogonal zu dem ebenen Boden- und Deckelbereich des Gehäuses ausgerichtet. Dadurch können radiale Kräfte, wie sie bei den erwähnten Lade- und Entladevorgängen von Lithium-Ionen-Systemen auftreten, grundsätzlich besser aufgefangen werden als bei klassischen Lithium-Ionen-Knopfzellen, in denen die Elektrodenschichten gestapelt in paralleler Ausrichtung zu den ebenen Boden- und Deckelbereichen angeordnet sind.
Dies ist detailliert in den bislang noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10 2009 030 359.6 und 10 2009 008 859.8 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldungen wird vollumfänglich durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Dies gilt insbesondere auch für die darin beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen betreffend den Verbund aus Elektroden und Separator in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle sowie die beschriebenen Ausführungsformen betreffend die elektrische Kontaktierung der positiven und negativen Elektroden des Verbundes mit den Gehäusehalbteilen (Becher und Deckel).
Demgemäß weist auch der Verbund aus Elektroden und Separator in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle bevorzugt eine der folgenden Schichtabfolgen auf:

• negative Elektrode/Separator/positive Elektrode/Separator oder
• positive Elektrode/Separator/negative Elektrode/Separator.

Weiterhin weist entsprechend der DE 10 2009 030 359.6 auch die vorliegend beschriebene erfindungsgemäße Knopfzelle besonders bevorzugt einen oder mehrere separate Ableiter auf, die die Elektroden mit den Gehäusehalbteilen verbinden.
Dabei ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teilabschnitt des oder der Ableiter im Boden- bzw. im Deckelbereich des Gehäuses flach an der Innenseite der Gehäusehalbteile anliegt. Idealist die elektrische Kontaktierung der Ableiter mit den Innenseiten des Gehäuses natürlich dann, wenn sie zumindest leicht an das Gehäuse angepresst werden. Überraschend effizient kann dies durch geeignete Anordnung eines Wickelkerns in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass eine erfindungsgemäße Knopfzelle einen festen Wickelkern im Zentrum des Wickels aufweist, der den axialen Hohlraum im Zentrum des Wickels mindestens teilweise ausfüllt. Ein solcher Wickelkern fixiert den Elektrodenwickel in radialer Richtung und verhindert eine mögliche Implosion des Wickels in den axialen Hohlraum. Bei einer derartigen Entspannung des Wickels lässt auch der Druck nach, den die Stirnseiten des Wickels in axialer Richtung und damit in Richtung dort gegebenenfalls angeordneten Ableiter ausüben. Wird dies unterbunden, so resultieren auch keine Probleme mit der elektrischen Kontaktierung der Elektroden und den metallischen Gehäusehalbteilen.
Daneben verbessert ein solcher Wickelkern auch die Stabilität der erfindungsgemäßen Knopfzelle gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen. Eine Beschädigung des Elektrodenwickels in der Knopfzelle durch einen äußeren mechanischen Druck in axialer Richtung ist in der Regel nicht mehr möglich.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform des Elektrodenwickels als spiralförmiger Elektrodenwickel ist der erwähnte axiale Hohlraum im Zentrum des Wickels vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch (insbesondere kreiszylindrisch) ausgebildet. Mantelseitig wird er durch den Wickel begrenzt, stirnseitig durch entsprechende Flächen des Boden- bzw. des Deckelbereichs des Knopfzellengehäuses.
Entsprechend ist auch der in einer erfindungsgemäßen Knopfzelle enthaltene Wickelkern bevorzugt als Zylinder, insbesondere als Hohlzylinder, ausgebildet. Die Höhe eines solchen Zylinders entspricht bevorzugt dem jeweiligen Abstand des ebenen Bodenbereichs von dem dazu parallelen ebenen Deckelbereich.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann der Wickelkern radial selbstexpandierende Eigenschaften aufweisen. Es ist zum Beispiel möglich, den Wickelkern in einer radial komprimierten Konfiguration in den axialen Hohlraum des Wickels einer erfindungsgemäßen Knopfzelle einzuführen. Bei Entspannung des radial komprimierten Wickelkerns übt dieser einen radialen Druck auf den ihn umgebenden Elektrodenwickel aus und gewährleistet so einen Anpressdruck auch in axialer Richtung.
Als radial selbstexpandierender Wickelkern kann beispielsweise ein axial geschlitzter Hohlzylinder zum Einsatz kommen. Alternativ sind jedoch auch andere radial selbstexpandierende Materialien, beispielsweise auf Kunststoffbasis, denkbar.
Besonders bevorzugt besteht der Wickelkern aus einem Metall wie Edelstahl oder aus Kunststoff.
Bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle handelt es sich entsprechend den obigen Ausführungen insbesondere um eine wiederaufladbare Knopfzelle. Besonders bevorzugt weist eine erfindungsgemäße Knopfzelle mindestens eine Lithium-interkalierende Elektrode auf.
Das Verhältnis von Höhe zu Durchmesser liegt bei Knopfzellen definitionsgemäß unterhalb von 1. Besonders bevorzugt liegt dieses Verhältnis bei einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 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.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Knopfzelle um eine Knopfzelle ohne Bördelung, wie sie in der eingangs bereits erwähnten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2009 017 514.8 beschrieben ist. Entsprechend besteht zwischen den Gehäusehalbteilen bevorzugt eine ausschließlich kraftschlüssige Verbindung. Die erfindungsgemäße Knopfzelle weist also keinen umgebördelten Becherrand auf, wie dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Knopfzellen stets der Fall ist. Die Knopfzelle ist bördelfrei verschlossen. Auch der Inhalt der DE 10 2009 017 514.8 wird vollumfänglich durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Die genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung der Zeichnung 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 bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100.
Diese weist ein metallisches Becherteil 101 und ein metallisches Deckelteil 102 auf. Über eine Dichtung 110 sind die beiden Teile dichtend miteinander verbunden. Zusammen bilden sie 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 Zellendeckel 102 ist in den Zellenbecher 101 eingeschoben, so dass die Mantelbereiche des Zellendeckels und des Zellenbechers überlappen, wobei der Innenradius des Zellenbechers 101 im überlappenden Bereich in Richtung der Schnittkante im wesentlichen konstant ist. Der Rand des Zellenbechers 101 ist also nicht über den Rand 111 des Zellendeckels 102 gebördelt, bei der vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Knopfzelle 100 handelt es sich somit um eine bördelfreie Knopfzelle.
Im Inneren der Elektrode ist ein Verbund aus einer streifenförmigen Elektrode 108, einer streifenförmigen Elektrode 109 und den streifenförmigen Separatoren 107 angeordnet. Der Verbund aus den Elektroden 108 und 109 sowie den Separatoren 107 liegt dabei in Form eines Wickels vor, dessen Stirnseiten in Richtung des ebenen Bodenbereichs 103 und des dazu parallelen ebenen Deckelbereichs 104 weisen. Aufgewickelt ist der Verbund auf dem Wickelkern 112 im Zentrum der Knopfzelle 100. Sowohl der Kern 112 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 verlieren, wirken die dabei resultierenden mechanischen Kräfte überwiegend radial und können vom Mantelbereich der Knopfzelle 100 aufgefangen werden.
Kontaktiert sind die positiven und die negativen Elektroden mit den Gehäusehalbteilen Becher und Deckel über den Ableiter 105 und den Ableiter 106. Der Ableiter 105 besteht aus Aluminium, der Ableiter 106 aus Nickel (oder alternativ aus Kupfer). Bei beiden Ableitern handelt es sich um dünne Folien, die flach zwischen den Stirnseiten des Wickels und den ebenen Deckel- bzw. Bodenbereichen 103 und 104 zum Liegen kommen. Bedingt durch den Wickelkern 112 wird ein steter leichter Anpressdruck auf die Ableiter aufrechterhalten. Von den Stirnseiten des Wickels sind die Ableiter bevorzugt durch ein separates Isolatorelement (in der Zeichnung nicht dargestellt) getrennt, beispielsweise durch eine dünne Folie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3113309 [0003]
DE 102009017514 [0004, 0025]
DE 19647593 [0008]
DE 3638793 [0010]
DE 102009030359 [0012, 0014]
DE 102009008859 [0012]

Claims

Knopfzelle, umfassend – zwei metallische Gehäusehalbteile, die durch eine elektrisch isolierende Dichtung voneinander getrennt sind und die ein Gehäuse mit einem ebenen Bodenbereich und einem dazu parallelen ebenen Deckelbereich ausbilden, – einen Elektroden-Separator-Verbund innerhalb des Gehäuses, wobei der Verbund in Form eines vorzugsweise spiralförmigen Wickels vorliegt, in dessen Zentrum sich ein axialer Hohlraum befindet und dessen Stirnseiten in Richtung des ebenen Bodenbereichs und des ebenen Deckelbereichs weisen und – einen Wickelkern im Zentrum des Wickels, der den axialen Hohlraum mindestens teilweise ausfüllt.
Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Knopfzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern radial selbstexpandierend ausgebildet ist.
Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wickelkern um einen axial geschlitzten Hohlzylinder handelt.
Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkern aus Metall oder aus Kunststoff besteht.
Knopfzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Verhältnis von Hülle zu Durchmesser zwischen 0.1 und 0.9 aufweist.