DE2220561A1 - Verfahren zur Herstellung von primären Metall/Luft-Batterien - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DipUng. WERNER COHAUSZ · Dipl.-Ing. WILHELM FLORACK · Dipl.-Ing. RUDOLF KNAUF

4 Düsseldorf, Schumannstraße 97

Joseph Lucas (Industries )Limitο

Great King street

Birmingham, England · 25. April I972

Verfahren zur Herstellung von primären Ketall/Luft-Batterien

Die ~o?~indung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von primären Metall/Luft-Batterien.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung e-iner primären Hotall/luft-Batterie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mit einer Anzahl eketrisch miteinander verbundener Metall/Luft-Batteriezellen begonnen wird, von denen jede zwei elektrisch miteinander verbundene Luftelektroden aufweist, die jeweils auf gegegnüberliegenden Seiten einer Metallanode angeordnet sind und ihr gegenüber isoliert sind, wobei jede Luftelektrode Katalysiatormaterial aufweist, das von einer Lage porösen Materials getragen wird, wobei jedes Paar Lagen.aus porösem Material an der Peripherie zur Bildung eines Zellenfachs verbunden ist, wobei sich ein entfernbarer Stift in das jeweilige Zellenfach erstreckt und von den Periphereien der Paare Lagen vorsteht, die das betreffende Zellenfach bilden, daß die Zellen in eine Form gesetzt werden, wobei die entfernbaren Stifte in jeweiligen Löchern in der Form aufgenommen werden, daß eine erstarrbare Verbindung in die Form eingeführt wird, daß ein Erstarren der Verbindung ermöglicht wird, derart, daß ein Körper gebildet wird, der sich äzwisehen den nebeneinanderliegenden Zellen erstreckt und sie verbindet, und daß die Stifte aus den jeweiligen Zellen entfernt werden, derart, daß Löcher in dem Körper verbleiben, durch die Elektrolyt in die betreffenden Zellenfächer der Batterie eingeführt werden kann.

ZwGci-:mäßigerweise sind jäeweils zwei Lagen aus dem porösen 'Material, die ein Zellenfach der Batterie bilden, durch die betreffenden

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Teile eines einzigen Streifens des porösen Materials gebildet, wobei der Streifen gefaltet wird, derart, daß ein Verbinden der Lagen-an ihren Peripherien ermöglicht wird.

Vorzugsweise wird als ppröseB Kaierial Polytetrafluorethylen verwendet .

Vorzugsweise wird die Verbindung zwischen jveil3 zwei Lagen aus Polytetrafluorethylen durch Ultraschallverschweißen gebildet.

ZweclcüüMgerweise wird die Ke tall anode jeder Zelle von den Luftelektroden der Zelle durch ein poröses Isoliermaterial isoliert, daas dazwischengssetst wird, wobei das poröse Isoliermaterial zum Schmelzen während des tiltraschallverschweiß ens vorgesehen ist und dadurch in die Poren der Lagen aus l^Dolytetrafluoräthylen fließt, um damit bei Kühlung die erforderliche Verbindung zwischen jeweils zwei Lagen aus Polytetrafluoräthylen zu bilden.

Vorzugsweise ist die Form so eingerichtet, daß der Körper, der bei Erstarren der erstarrbaren Verbindung entsteht, mit einem Kanal gebildet wird, der mit den Löchern in dem Körper in Verbindung steht, derart, daß eine Sammelleitung in dien Kanal eingesetzt werden kann und dadurch die üiinführung von Elektrolyt in die Zellenfächer der Batterie durch die betreffenden Löcher hindurch erleichtert wird.

ZweckmäSigerweise wird die Form aus Siliziumgummi hergestellt, und als erstarrbare Verbindung »wird ein Epoxydharz verwendet.

Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen von vier Stufen eines Verfahrens nach einem Aunführungsbeispiel der Erfindung,

i'ig. 5 ein Schaubild einer Form, mit der in einer weiteren Stufe des in Fig. 1 bis 4 gezeigten Verfahrens gearbeitet wird, und

Fig. 6 ein Schnitt durch einen Körper, der durch die Form hergestellt

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wird, die in Fig. 5 gezeigt ist, und durch eine Sammeleleitung, mit der gearbeitet wird, um das !Füllen der Zellenfächer der Batterie mit Elektrolyt zu erleichtern.

Gemäß den Zeichnungen wird in der Herstellung einer primären Metall/ Luft-Batterie jede Zelle der Batterie dadurch gebildet, daß man mit einem Streifen aus mikroporösem Polytetrafluoräthylen anfängt und eine Fläche des Streifens 11 metallisiert, beispielsweise mit H'ikkel. Sine Lage aus katalytisch aktivem Material 12 wird dann auf die eine Fläche des Streifens 11 aufgegeben. Biese Lage 12 bildet zwei elektrisch miteinander verbundene Luftelektroden in der fertigen Zelle, und das aktive Material 12 wird dann durch einen Streifen 15 aus einem porösen, isolierenden, schweißfähigen Material mit im wesentlichen den gleichen Abmessungen wie der Streifen 11 abgedeckt. Der Streifen I3 hat vorzugsweise die Form eines Polyamids mit wahlloser Faserorientierung, wie es unter dem Warenzeichen Boindina erhältlich ist. Eine Metallanode I4 wird dann auf den Streifen 13 gelegt, und ein entfernbarer Stift 15 wird auf den Streifen I3 an der Anode I4 angeordnet, so daß er sich von den peripheren Kanten der Streifen 11, I3 wegerstreckt. Zwei elektrische Ström»zuführungen 16,17 bilden die elektrischen Verbindungen zur Anode I4 über die Metallisierung bzw. zum aktiven Material 12. Die Strömzuführungen 16,17 erstrecken sich parallel zum Stift 15 und enden an ihren freien Enden jenseits der Kante der Streifen 11, 13· Jede der Stromzuführun gen 16, 17 ist mit einearPYG-Hülse 18 versehen, die sich im. die Partie der betreffenden Stromzuführung 16, I7 erstreckt, während die Stromzuführung sich von den peripheren Bändern der Lagen 11, 1J wegerstreckt.

Bor Streifen 11 wird dann um seine Hittellinie gefaltet, um die Anode 14» den Stift 15 und die Stromzuführungen 16, I7 mit ihren jeweiligen Hülsen 18 zwischen gefalteten Partien dea?s Streifens I3 einzuschließen. Der Zellenverband wird dann versiegelt, um innerhalb der gefalteten Partien des Streifens 11 ein Zellenfach zu bilden, das die Hetallanode I4 wä& die beiden elektrisch miteinander verbundenen · Luftelektroden enthält. Bie Versiegelung sieht das Bilden einer flüs-

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Bigkeitsdichten Verbindung zwischen den gefalteten Partien des Streifens an den Peripherien der gefalteten Partien und zwischen dem Streifen 11 und den Hülsen 18 vor, obgleich deswegen, weil eine periphere Kante des Zellenverbandes durch eine Faltung im Streifen 11 gebildet ist, die Verbindung nur um drei Seiten der Metallanode herumgehen muß, wie das in Pig. 4 gezeigt ist. Eine Versiegelung des Zellenverbandes wird mittels eines Ultrasohallsehweißwerkzeugs 19 erreicht, das aus einem Vibrationswerkzeug 20 und einem Stützamboß 21 besteht, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des gefalteten Streifens 11 sitzen. Das Vibrationswerkzeug 20 und der Stützamboß 21 sind jeweils so geformt, daß sie nur an den Partien des Streifens "11 angreifen, an denen die Versiegelung bewirkt werden soll. Ferner sind das Vibrationsvwerkzeug 20 und der Stützamboß 21 jeweils mit einer Ausnehmung 22 in den Bereichen versehen, die am Stift 15 bzw. an den Stromzuführungen 16, 17 während der Versiegelung angreifen. Das Vorsehen der Ausnehmungen 22 verhindert die Ausübung übermäßigen Drucks auf daeie Stromzuführungen 16, 17 und den Stift 15 durch das Werkzeug 19 und ermöglicht eine Formgebung des Streifens 11 auf die richtige Form um die Stromzuführungen und den Stift herum.

Während des TJltraschallverschweißens werden Partien des sohweißfähigen Streifens 1J und der Hülsen 18 an der Peripherie des Zellenverbands zum Schmelzen gebracht, wobei die geschmolzenen Partien in die Poren des porösen Polytetrafluorähtlyenstreifens 11 fließen, der natürlich durch die tfltrasohallenergie nicht zum schmelzen gebracht wird. Bei Abkühlung entsteht also eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen den gefalteten Partien der Streifens 11 und zwischen den Hülsen 18 und dem Streifen 11, Die Verbindung dient auch zur Formgebung der Hülsen 18 um die jeweiligen Stromzuführungen 16, 17 herum, so daß die Stromzuführungen in der vorgesehenen Lage dem Zellenverband gegenüber gehalten werden. Es versteht sich, daß gegebenenfalls eine Doppelversiegelung zwischen den gefalteten Partien des Streifens 11 bewirkt werden kann. E.ine solche Doppelversiegelung ist in F g. 4 gezeigt. Ferner versteht es sich, daß andere Verfahren zum Verbindung anstelle einer Ultraschallerhitzung verwendet werden kön-

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nen, um die Verbindung zwischen den gefalteten Partien des Streifens 11 zu bilden, beispielsweise die Verwendung eines erhitzten· Messers, und außerdem können andere poröse Materialien anstelle von Polytetrafluoräthylen verwendet werden, um den Streifen 11 zu bilden. Ferner können, obgleich im vorstehenden Beispiel das Substrat jeder Luiftelektrode der Zellen einen !Teil eines einzigen Streifens aus porösem Material bildet, gegebenenfalls zwei Lagen aus porösem Material verwendet werden, um das betreffende Substrat der Luftelektroden zu bilden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren kann dann wiederholt werden, um die erforderliche Zahl von Zellen für die Batterie zu bilden, -wobei jede Zelle die in Pig. 4 gezeigte Form hat. Alternativ lännen, wenn ein langgestreckter Streifen aus Polytetrafluoräthylen in dem vorstehenden Verfahren verwendet wird, eine Anzahl von Zellen hergestellt werden, wobei jede Zelle mit einer danebenliegenden Zelle durch den Streifen verbunden ist. Das Zellenfach jeder Zelle wird dann innerhalb von Partien des langgestreckten Streifens gebildet, die entstehen, indem der Streifen an seiner Längsmittellinie gefaltet wird und dann eine flüssigkeitsdichte Verschweißung um die Anode jeder Zelle herum bewirkt wird. Der Streifen miteinander verbundener Zellen wird dann aufgeteilt, um die Anzahl von Sinzelzellen zu bilden, die in der Batterie erforderlich sind.

Die fertigen Zellen werden dann in einem Gestell angeordnet (nicht dargestellt), wobei die Kante jeder Zelle, von der die Stromzuführungen 16, 17 und der Stift 15 vorstehen, vom Gestell vorstehen. Die elektrischen Verbindungen zwischen nebeneinanderliegenden Zellen werden durch die Stromzuführungen 10, I7 hergestellt, und das Gestell wird zusammen mit den Zellen umgekehrt in eine Form 2J gesetzt, die aus Siliziumgummi gefertigt ist, wie es von I.C.I Limited unter der Bezeichnung Silkoset 105 vertrieben wird. Die Form 23 weist eine Plattform 24 auf, die sich von dem Sockel der Form nach oben erstreckt, und in der Plattform 24 sind eine Anzahl von Löohern 25 vorgesehen. Die Löcher 25 sind so angeordnet, daß dann, wenn die

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Zellen umgekehrt in die Form gesetzt werden, die von den betreffenden Zellen getragenen Stifte 15 in den betreffenden Löchern 25 aufgenommen werden. TJm die Außenverbindungen in der fertigen Eatterie vorzusehen, sind jeweils Leitungsbolzen (nicht dargestellt) · mit der Ctromzuführung 16 in einer Endzelle der Gestellanordnung und mit der Stromzuführung 17 in der anderen Endselle verbunden, wobei die Bolzen in Gegenausnehmungen (nicht dargestellt) im Sockel der Form 2J gepreßt werden, wenn die Zellen sich in der fvorgesehenen Lage in der Form befinden. Bin erstarrbares Epoxjrdharz wird dann in die Form 2 J eingeführt, um die Plattform 24 und die Kanten der Zellen zu bedecken, die auf den Sockel der Form zeigen. Im betreffenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Epoxydharz um Araldite, das mit Kugeis aus einem Phenolmaterial gemischt wird, und das Gemisch wird in die. Form von einem unter Druck gesetzten Verteiler eingeführt. Die erstarrbare Verbindung läßt man dann aushärten, was für den Fall von Araldite dadurch bewirkt wird, daß die Verbindung zwei Stunden lang bei 6O°C gehalten wird. Each dem Erstarren entsteht ein Formling 26, der zwischen nebeinanderliegenden Zdlen angeordnet ist und sie verbindet. Der Körper 26 wird dann zusammen mit den Zellen aus der Form herausgenommen. Die von den betreffenden Zellen getragenen Stifte 15 sind so angeordnet, daß dann, wenn der Körper 26 aus der Form herausgenommen wird, der Körper mit einer Vielzahl von Löchern 27 versehen ist, die jeweils mit einem Zellenfach einer betreffenden Zelle in Verbindung stehen. Da die Löcher 25 in einer Plattform in der Form 25 gebildet werden, erstrecken sich die Löcher 27 vom Sockel eines Kanals 28, der in eine Fläche des Körpers 26 eingeformt ist. Der Körper 26 bilde/t einen Teil des Gehäuses der Batterie, und, da die Löcher 27 mit den betreffenden Zellenfächern der Batterie in Verbindung stehen, in der fertigen Batterie wird eine Aktivierung durch Einführungen von Elektrolyt in die Zellenfächer durch die Löcher 27 bewirkt. Vorzugsweise wird dann, wenn eine Aktivierung der Batteriezellen vorgenommen werden soll, eine Sammelleitung 29 im Kanal 28 im Körper 26 zum Eingriff gebracht, wobei die Sammelleitung 29 einen Gummidichtring 31 trägt, um den Kanal 28 abzudichten, wenn die Sammelleitung 29 in einem Eingriff damit gebracht wird. Der zum Aktivieren der Batteriezellen ver-

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verwendete Elektrolyt ist vorzugsweise eine 45$ige Lösung von Kaliumhydroxid, obgleich Lösungen, die zwischen 15 und 5QFp oder noch besser zwischen 40$ und 50$ Kal-axumhydroxid enthalten, verwendet werden"können. Die Elektrolytlösung wird in die Sammelleittung von einer Ampule eingeführt. Die Sammelleitung 29 ist so angeordnet, daß der Elektrolyt von der Sammelleitung durch die Löcher 27 im Körper 26 und in die betreffenden Zellenfächer fließt.

.Pat entansprüche

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   K) Verfahren zur Herstellung einer primären Metall/Luft-Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Anzahl elektrisch miteinander verbundener Metall/Luft-Batteriezellen begonnen wird, von denen jede zwei elektrisch miteinander verbundene Luftelektroden aufweist, die jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer Metallanorde angeordnet sind und ihr gegenüber isoliert sind, wobei jede Luftelektrode Kalalysatormaterial aufweist, das von einer Lage porösen Materials getragen wird, wobei jedes Paar Lagen aus porösen Material an der Peripherie zur Bildung eines Zellenfachs verbunden ist, wobei sich ein entfernbarer Stift in das jeweilige Zellenfach erstreckt und von den Peripherien der Paare Lagen vorsteht, die das betreffende Zellenfach bilden, daß die Zellen in eine Form gesetzt werden, wobei die entfernbaren Stift in jeweiligen Löchern in der Form aufgenommen werden, daß eine erstarrbare Verbindung in die Form eingeführt wird, daß ein Erstarren der Verbindung ermöglicht wird, derart, daß ein Körper gebildet wird, der sich zwischen den nebeneinanderliegenden Zellen erstreckt und sie verbindet, und daß die Stifte aus den jeweiligen Zellen entfemb werden, derart, daß Löcher in dem Körper verbleiben, durch die Elektrolyt in die betreffenden Zellenfächer der Batterie eingeführt werden kann.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lagen aus dem porösen Material» die ein Zellenfach einer Batterie bilden, jeweils durch die betreffenden Teile eines einzigen Streifens des porösen Materials gebildet, wobei der Streifen gefaltet wird, derart, daß ein Verbinden der Lagen an ihren Peripherien ermöglicht wird.
3. J. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als poröses Material Polytetrafluorähtylen verwendet wird.
4. 4· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallanode jeder Zelle von dem Luftelektroden der Zelle durch ein poröses Isoliermaterial isoliert wird, das dazwischengesetzt wird, wobei das

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   poröse Isoliermaterial zum Schmelzen während des Ultraschallschweißens vorgesehen ist und dadurh in die Poren der Lagen aus Polytetrafluorethylen fließt, derart, daß "bei Abkühlung die erforderliche Ver-Mndung zwischen jeweils zwei Lagen aus Polytetrafluoräthylen gebildet wird.
5. 5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Form so eingerichtet wird, daß der Körper, der bei Erstarren der erstarrbaren, Veferbindung entsteht, mit einem Kanal gebildet wird, der mit den Löchern in dem Körper in Verbindung steht, derart, daß eine Sammelleitung in den Kanal eingesetzt werden kann und dadurch die Einführung von Elektrolyt in die Zellenfächer der Batterie durch die betreffenden Löcher hindurch erleichtert wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Form aus öiliziumgummi hergesiELlt wird und daß als erstarrbare Verbindung ein Epoxydharz verwendet wird.

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