DE2620466C3

DE2620466C3 - Entgasungsvorrichtung für Batterien und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE2620466C3
Application number: DE2620466A
Authority: DE
Inventors: Arthur Yonkers N.Y. Fitchman; Terry Doug Cleveland Tenn. Wyatt
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-08
Publication date: 1980-04-03
Also published as: CA1067570A; JPS51140133A; DK142187B; DK142187C; DD127035A5; DE2620466A1; US4008354A; DE2620466B2; SE7605352L; CH600582A5; BR7602905A; ZA762444B; IT1060426B; AR217053A1; ES461443A1; GB1525417A; AU1294776A; IL49281A0; BE841713A; DK207676A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Enigasungsvorrichtung für Batterien, insbesonde.e alkalische Batterien. Kondensatoren oder dei gleichen, die eine Entgasungsöffnung mit einem herauspreßt .ren Verschluß in einem Bauteil aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung einer Entgasungsvorrichtung.

Derartige Enlgasungsvorrichlungen werden vorzugsweise in Batterien benötigt Wenn derartige Batterien unvorschriftsmäßig benut/i werden oder extremen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise dur:h einen elektrischen Kurzschluß der Elektroden, überladen, /u starkes Entladen. Überhitzen und dergleichen, entwickelt sich ein ungewöhnlich hoher innerer Oasdruck, der ein Zerbrechen des Gehäuses der einzelnen Zellen, aus denen die Batterie aufgebaut ist. zur folge haben kann, wenn der Druck genügend hoch ist. Die Zellen sind deshalb mit einer druckempfindlichen Vorrichtung versehen, die derartige ungewöhnlich hohen Drücke ablassen kann.

Es sind zwei unterschiedliche Typen von Entgasungsvorrichtungen bekannt. Zum ersten Typ, bei dem der Verschluß der Entgasungsvorrichtung aus einer Membran mit einer Sollbruchsicllc besieht, wird beispielhaft auf die GB- PS 9 70 571 verwiesen. Beim Auftreten eines inneren Überdruckes im Battcriegehäuse nach dieser Vorveröffentlichung bricht die Membran an der Sollbruchstelle und wird wie ein Klappdeckel nach außen weggeschwenkt. Die Entgasungsvorrichtung ist damit /erstört.

Em zweiter Typ einer Entgasungsvorrichtung ist beispielsweise aus der US-PS 35 64 878 bekännl. Diese Entgasungsvorrichtung weist einen elastisch verformbaren Verschlußkörper auf, der beim Auftreten eines inneren Überdruckes im Batteriegehäuse aus der Entgasungsvorrichtung herausgedrückt und dabei verformt wird, von einer die EnlgäsufigsvofriGhtung überdeckenden Kappe aber als flachgedrückter Ball aufgenommen wird.

Beide bekannten Typen von Entgasungsvorrichtungen besitzen jedoch eine schlecht einstellbare Ansprechgenauigkeit und eine unzulängliche Abdichtung, wenn sie in kleinen, billigen Zellen eingesetzt werden sollen. Bei den Membranen mit Solibruchstelle wird beispielsweise der Ansprechdruck nicht durch die stabilen elastischen Eigenschaften des Membranwerkstoffes bestimmt, sondern durch ihr plastisches Leformationsverhalten, das sich in weiten Grenzen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der mechanischen und thermischen Vorgeschichte des Werkstoffes unterscheidet. Ein derartiger Verschluß eignet sich also dann nicht, wenn ein präzise ve ""gebbarer Zerreißdruck gefordert wird.

Der Nachteil des zweiten Typs von Entgasungsvorrichtungen besteht darin, daß der elastisch deformierbare Körper die Entgasungsöffnung nach dem Atlassen des Überdruckes wieder verschließt. Ein reproduzierbarer Ansprechdruck ist hier überhaupt nicht zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung lieg· deshalb die Aufgabe zugrunde, eine in der Herstellung billige Entgasungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu entwickeln, die Betriebssicherheit. Zuverlässigkeit, d. h. Genauigkeit in der Einstellung des Ansprechdruckes, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität im Einsatz verbindet, öl ne den normalen Betrieb des elektrischen Gerätes zu stören. Bei der zuverlässigen Einstellung und Einhaltung des Ansprechdruckes sollen die Erfordernisse einer Massenproduktion besonders berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Entgasungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verschluß aus einem heißsiegel fähigen Werkstoff besteht, der die Entgasungsöffnung mindestens auf einem Teil ihrer Lange ausfüllt und auch an der nach innen weisenden Oberfläche des Bauteiles haftet. Wenn im Inneren der elektrischen Batterie ein bestimmter, ungewöhnlich hoher Drurk. der Ansprech druck, erreicht ist, fließt der Werkstoff durch die Entgasungsöffniiiig in Jem Uaute'l heraus und der Überdruck im Inneren der Batterie kann durch die· F.ntgasung<-offnung nach außen entweichen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen. d,iß ivh der hcrauspreßbare Werkstoff in einer flachen Vertiefung im Bautei' ticfimlei Das Bauteil besieht vorzugsweise aus Kunststoff, und /w,ir einem thermoplalischen oder einem duroplastischen Kunststoff oder aus euter Kombination dieser beiden. Ls kann aber auch aus Metall, einer Metallegierung oder Keramik hergestellt sein.

Das Verfahren /ur Herstellung der erfindungsgema ßen Entgasungsvorrichtung zeichnet sich nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch aus, daß das Bauteil während und/oder vor dem Auftragen des erhitzten htrauspreßb.iren Werkstoffes auf die Obcrfla ehe des Bauteiles und in die F nigasungsöffnung erwärmt wird. Dadurch winl die Bindung /wischen dem Bauteil und dem Werkstoff wesentlich verbessert. Bisher wurden herauspreßbare. in der Hit/·· schmelzende Klebstoffe ohne Erfolg dazu verwendet, eine sichere Verbindung 'Zwischen dem Klebstoff un'd dem Bauteil herzustellen, da, wenn überhaupt, nur eine geringe Bindung eintraf, die zwar einem erhöhten, nicht aber einem ungewöhnlich hohen Druck zuverlässig standhielt. Unerwarteterweise wurde gefunden, daß eine Erwärmung der Oberfläche des Bauteiles vor Auftragen des herauspreßbaren Werkstoffes zur Bildung einer festklebenden Verbindung führt, die erhöhten Drücken

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standhält und bei vorbestimmten ungewöhnlich hohen Drücken aufbricht, so daß der Werkstoff durch die Entgasungsöffnung herausgepreßt wird. Ein anderes, aber weniger bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer zuverlässigen Bindung besieht darin, daß der Werkstoff als erhitzte Flüssigkeit mit Hilfe einer Spritzdüse aufgetragen wird, die während des Auftragens dicht an die Oberfläche des Bauteiles gehalten wird, so daß durch den erhitzten Klebstoff genügend Wärme auf die Oberfläche des Bauteiles übertragen wird, um diese zu erwärmen.

Es versteht sich von selbst, daß der herauspreßbare Werkstoff bei beiden Verfahren auf diejenige Oberfläche des Bauteiles aufgetragen wird, die im eingebauten Zustand in das Innere des elektrischen Gerätes oder der Zelle zeigt. Dabei wird zuerst die Entgasungsöffnung zumindest teilweise gefüllt und dann die flache Verliefung. Der Werkstoff in der flachen Vertiefung wirkt als Verankerung für den Werkstoff in der Entgasungsöffnung und ermöglicht eine genauere Einstellung desjenigen Druckes, der für die öffp-'ng der Entgasungsöffnung erforderlich ist. Vor der weiteren Verwendung der erfindungsgemäßen Entgasungsvorrichtung muß der aufgetragene Werkstoff abkühlen und aushärten oder trocknen.

Neben anderen Funktionen erleichtert die flache Vertiefung das Auftragen des Werkstoffes auf das Bauteil und in die Emgasungsöffnung.

Der Wert des Ansprechdruckes kann mit einer Toleranz von ca. ± 10% auf mindestens dreierlei Weise eingestellt werden. Er überdeckt dabei einen Bereich von 7 bis 50 kg/cm², der für eine breite Platte von elektrochemischen Zellen benötigt wird.

Der Ansprechdruck kann durch Veränderung des Durchmessers der Emgasungsöffnung eingestellt werden. Ein kleineres Loch würde bei höheren Drücken öffnen als ein größeres Loch, wenn die Menge des verwendeten Werkstoffes die gleiche ist.

Die Hinstet¹':ng kann auch durch Veränderung der Menge des verwendeten Werkstoffes erfolgen: eine größere Menge Werkstoff würde /u einem höheren Ansprechdruck als eine kleinere Menge führen, wenn der Lochdurchmesser konstant gehalten wird.

Der Ansprechdruck kann auch durch Veränderung der Zusammensetzung des Werkstoffen variiert werden, beispielsweise durch Verwendung von herauspreßbaren, in der Hitze schmelzenden Haftmitteln unterschiedlicher Viskositäten. Hochviskose Werkstoffe führen /u einem höheren Anspret>druck als niedrigviskose Werkstoff?, falls der Lochdurchmesser und die Menge des verwendeten Materials konstant gehalten werden.

Die Lange der Emgasungsöffnung kann ebenfalls variiert werden, um eine gewisse Steuerung des Ansprechdruckes /u erreichen; aber dies ist insofern nicht so /weckmäßig wie die vorerwähnten Verfahren, weil eine Variation der Dicke des Bauteiles, das die Entgasungsoffnung enthält,die Folge sein müßte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfühningsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigt ι

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfihdungsgemaße Entgasungsvorrichtung;

Fig.2 einen Querschnitt durch die Entgasungsvorrichtung entlang der I ,inie 2-2 in F i g. I und

Fig.3 die Ansicht einer teilweise geschnittenen ι elektrochemischen Zelle, i^:e eine Entgasungsvorrichtung gem. F i g. 1 und 2 enthält.

Das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung tO mit einer engen Entgasungsöffnung 3 am Umfang einer flachen Vertiefung 4, die in einem Bauteil 5 vorgesehen ist, das als Verschlußdeckel für eine elektrochemische Zelle verwendet wird. Andere Positionen der Entgasungsöffnung 3 in der flachen Vertiefung 4 sind möglich.

F i g. 2 zeigt das Bauteil 5, nachdem ein herauspreßbarer, in der Hitze schmelzender Werkstoff 6 auf die Oberfläche der flachen Vertiefung 4 und in die Emgasungsöffnung 3 aufgetragen worden ist.

Wenn im Inneren einer elektrochemischen Zelle ein ungewöhnlich hoher Druck, wie er durch die Pfeile 8 angedeutet ist, entsteht, die durch das Bauteil 5 verschlossen ist, wird der Werkstoff 6 in der Emgasungsöffnung 3 und in der flachen Vertiefung 4 durch den Druck bei einem ganz bestimmten Wert aus der Emgasungsöffnung 3 herausgedrückt, eo daß die Entgasungsöffnung geöffnet wird und das im Inneren der Zelle gebildete Gas nach außen entweichen kann, so daß sich Innen- und Außendruck ausgleichen. Der Werkstoff 6 sollte die Entgasungsöffimng 3 im wesentlichen vollständig ausfüllen, damit der Ansprechdruck, bei dem der Werkstoff aus der Entgasung:.offnung 3 herausfließt, genau vorherbestimmt und sicher eingestellt werden kann.

F i g. 3 zeigt eine elektrochemische Zelle 20 mit einem Gehäuse 22, dessen offenes Ende 24 durch die Entgasungsvorrichtung 10 gem. Fig. 1 und 2 verschlossen ist Die Entgasungsvorrichtung 10 ist so in das offene Ende 24 des Gehäuses 22 eingesetzt, daß die flache Vertiefung 4 in das Innere der elektrochemischen Zelle 20 zeigt. Wenn der innere Druck in der Zelle 20 einen ungewöhnlich hohen Wert erreicht, wird der Werkstoff 6 durch die Emgasungsöffnung 3 wie bereits beschrieben herausgepreßt, so daß Innen- und Außendruck sich ausgleichen können, ohne daß es zu einer Zerstörung des Gehäuses 22 kommt.

Die Zelle 20 weist eine Anode 26 au?> einem geeigneten Metalloxyd, eine Kathode 25 aus einem geeigneten, im wesentlichen reinen Metall, einen alkalischen Elektrolyten in einem absorbierenden Stoff 27 und eine Isolierfolie 28 auf. Ein Typ einer alkalischen elektrochemischen Zelle enthält eine Nickeldioiydano de. eine Eisenkathode und einen Elektrolyten aus Kaliumhydroxyd und destilliertem Wasser. Andere Typen sind Nickeldioxyd-Kadmium-Zellen. Silberoxyd Zink-Zellen und Mangandioxyd/.ink /eilen. Nachfol gend wird /ur Erläuterung ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung zum Einsat/ in elektrochemischen Zellen gegeben:

Ein Nylonbauteil 5. das als Abschlußdeckel für eine alkalische Zelle geeignet ist. weist eine Entgasungsöffnur.g J von ca. 10 mm Durchmesser auf. Die Emgasungsöffnung 3 erstreckt sich von dpr flachen Vertiefung 4 des Bauteiles zur entgegengesetzten Außenfläche über eine Länge von ungefähr 7,5 mm. Die flache Vertiefung 4 wird auf ca. 70⁰C erwärmt, bevor der herauspreßbarr in der Wärme schmelzende Werkstoff 6 aufgetragen wird. Die Vorwärmtemperalur kann bis zu ungefähr 95⁸C betragen. Der Werkstoff 6, ein thermoplastisches Polyamid — Grundmaterial A 6575 von der Fa. Biwax Corp, Chicago, USA, besitzt eine Viskosität von ungefähr 280 cps bei ungefähr 195°C und ungefähr '.{M cps bei ungefähr 215°C und eine bevorzugte Auftragungstemperatur zwischen ungefähr 195°C und 212°C. Die Menge des aufgetragenen Werkstoffes auf die Innenfläche des Bauteiles 5 beträgt zwischen 0,05 Und 0,75 g. Der Werkstoff 6 und die

Oberfläche der flachen Vertiefung 4 gehen dabei eine physikalische Bindung ein. Eine Zelle, in die eine derartige Entgasungsvorrichtung eingebaut ist, wird bei einem Ansprechdruck von 42 kg/cm² ± 4 kg/cm² geöffnet.

Der herauspreöbare Werkstoff 6, der die Entgasungsöffnung 3 verschließt, muß an der Oberfläche der flachen Vertiefung des Bauteiles 5 haften, d. h. eine physikalische Bindung mit ihr eingehen. Dies ist aus verschiedenen Gründen wichtig. Einer dieser Gründe besteht darin, daß der Werkstoff 6 Drücken widerstehen muß, die geringer sind als der Ansprechdruck; und doch muß er die Eigenschaft behalten, aus der Entgasungsöffnung 3 herauspreßbar zu sein, wenn der Innendruck in der Zelle, der auf dem Werkstoff lastet, den Anspfechdruck erreicht. Ein anderer Grund besteht darin, daß die Hindun? zwischen dem Werkstoff 6 und c\&r b^nschbsrten Oberfläche der flachen Vertiefung 4 dazu beiträgt, daß der Elektrolyt in der Zelle gehalten wird und den Eintritt Von schädlichen Verunreinigungen in die Zelle verhindert. Die geeigneten herauspreßbaren Werkstoffe sind das thermoplastische Polyamid-Grundmaterial gem. Beispiel, Silicone, Siliconkautschuk, andere Gummi und dergleichen. Der herauspreßbare Werkstoff kann Füllstoffe enthalten, die die Fließfähigkeit herabsetzen und/oder die Festigkeit des Werkstoffes erhöhen. Geeignete Füllstoffe sind Asbest, Puder, Talk, Ton, fäsrige Werkstoffe Und dergleichen.

Das Bauteil 5 kann aus einem geeigneten, im wesentlichen steifen Material wie beispielsweise Metall, Metallegierungen, Keramik, thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen bestehen, die durch die Bestandteile der elektrochemischen Zelle nicht angegriffen werden. Wegen der geringen Kosten, des hohen elektrischen Isolationsvermögens, der geringen Gasdurchlässigkeit, der Festigkeit und Beständigkeit werden thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweise Polyamide, Polypropylen, Polyäthylen, Und modifizierte Polystyrole und duropiaslische Harze wie beispielsweise Eⁿox^vdhärzc und die jneisten FLuorcsrbone bevor

Die erfindungsgemäße Entgasungsvorrichtung kann selbstverständlich nicht nur bei alkalischen Zellen eingesetzt werden, sondern auch bei einer Vielzahl anderer elektrischer Geräte, wie beispielsweise Primär- und Sekundär-Zellen, Kondensatoren und dergleichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entgasungsvorrichtung für Batterien, insbesondere alkalische Batterien, Kondensatoren oder dergleichen, die eine Entgasungsöffnung mit einem herauspreßbaren Verschluß in einem Bauteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß aus einem heißsiegelfähigen Werkstoff (6) besteht, der die Entgasungsöffnung (3) mindestens auf einem Teil ihrer Länge ausfüllt und auch an der nach innen weisenden Oberfläche des Bauteiles (5) haftet.

2. Entgasungsvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich der herauspreßbare Werkstoff (6) in einer flachen Vertiefung (4) im Bauteil (5) befindet.

3. Entgasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (5) aus Kunststoff besteht.

4. Verfahren zur Herstellung einer Entgasungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (5) während und oder vor dem Auftragen des erhitzten herauspreßbaren Werkstoffes (6) auf die Oberfläche des Bauteiles und in die Entgasungsöffnung (3) erwärmt wird.