DE3200745C2 - Batterie mit mehreren Lithium-Halogen-Zellen - Google Patents

Abstract

Eine Batterie mit mehreren Zellen wird durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet: a) ein Gehäuse mit einem Bodenteil, b) an diesem Bodenteil über dessen gesamte Fläche anliegende Isolatoren, c) eine Reihe von druckintegrierten Zellen mit einer zentralen Säule, wobei jede der Zellen eine Lithium-Anode und einen Depolarisator mit einer zentralen Öffnung umfaßt und wobei die zentrale Säule aus Lithium besteht und durch Zusammendrücken der Zellen durch die zentralen Öffnungen hindurch extrudiert ist, d) oberhalb der Reihe von Zellen flächig an diesen anliegende zweite Isolatoren mit einer zentralen Durchgangsöffnung und e) einen Deckel mit einem daran gehaltenen Anschlußstift, der isoliert durch den Deckel und durch die zweiten Isolatoren hindurchtritt, wobei der Deckel gegenüber dem Gehäuse hermetisch abgedichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren Lithium-Halogen-Zellen.

Obwohl elektrochemische Systeme bekannt sind, in bo welchen die Depolarisatoren Ladungsübertragungskomplexe enthalten und die Anoden aus Metall bestehen, beispielsweise aus Lithium (beispielsweise US-PS 53 966, 36 60 163. 37 23 183, 3817791. 3874929, 37 635, 39 57 533, 40 49 890, 40 72 803 oder DE-AS _b5 26 055), wurden solche Systeme nicht in Batterien des Typs »C« und »D« benutzt. Obwohl Batterien vom Lithium-Halogenid-Typ eine große Lebensdauer und Kapazität aufweisen und günstig in Herzschrittmachern und Uhren eingesetzt werden können (US-PS 36 60 163, 36 74 562 und 41 48 975), hat sich herausgestellt, daß solche Batterien nicht vorteilhaft verwendet werden können, wenn hohe Stromstärken verlangt werden, beispielsweise bei der Versorgung von Eiektronenblitzen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Batterie zu schaffen, welche einerseits eine größere Menge aktiven Materials enthält und bei welcher andererseits die aktiven Materialien besonders wirkungsvoll in Kontakt miteinander stehen. Darüber hinaus soll die Verbindung der Zellen in der Batterie durch spezielle Verbindungsmittel eliminiert und eine Integration erreicht werden, so daß die Verläßlichkeit und die Gleichmäßigkeit der Leistungsdaten der Batterie erhöht werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Batterie der eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Diese Batterie weist also ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einem Bodenteil auf, dessen Größe z. B. den konventionellen Trockenzellen-Batterien des Typs »C« oder »D« entspricht. Auf dem Bodenteil des Gehäuses ist ein Isolator angeordnet, der einen Kurzschluß zwischen den Zellen und dem Gehäuse verhindert.

Die Zellreihe besteht aus einer Vielzahl individueller Zellen, die in dem Gehäuse unter Druck übereinander gestapelt sind. Vor dem Zusammenbau umfaßt jede dieser individuellen Zellen eine Lithium-Anode mit einer zentralen Öffnung und einem diese Öffnung umgebenden Ringflansch. Auf dieser Anode ist ein pelletesierter Depolarisator mit einer zentralen öffnung so aufgebracht, daß der Umfangsbereich der zentralen Öffnung des Depolarisators den Anoden-Ringflansch berührt. Die Ausdehnung des Depolarisators entspricht im wesentlichen den Innenabmessungen des Gehäuses. Der Außendurchmesser des Depolarisators ist größer als der Außendurchmesser der Anode, so daß die Anode nicht an der Innenwand des Gehäuses anliegt. Vorzugsweise enthält der Depolarisator einen Metallschirm oder ein Metallgitter, welches als Kathodenstromsammler dient und ein wenig über den Außendurchmesser des Depolarisators übersteht. Im Falle einer Hochtemperatur-Ausführung der Zelle wird jedoch ein solcher Schirm nicht verwendet.

Die Zellreihe wird dadurch hergestellt, daß man individuelle Zellen in das Gehäuse einlegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden immer nach dem Einlegen von fünf Zellen die Zellen im Gehäuse mittels einer Presse zusammengedrückt, die eine zentrale Öffnung aufweist, die kleiner ist als die öffnung der Anodenflansche. Die Presse kompaktiert die Zellreihe derart, daß das Lithium der Anode extrudiert wird und eine feste zentrale Lithium-Säule ausbildet, die durch KaItverschweißung der extrudierten Bereiche entsteht. Nach der Endkompression werden die individuellen Zellen eine integrierte Einheit, in welcher die Anode eine feste, zentrale Säule ausbilden, die durch die zentralen öffnungen der Depolarisator-Pellets hindurchtritt.

Auf die derart kompaktierte Zellreihe wird eine Kombination verschiedener Isolatoren aufgebracht. Ein Deckel ist mit dem Gehäuse verlötet oder verschweißt, so daß sich eine hermetisch abgedichtete Einheit ergibt. Der Deckel trägt einen elektrisch vom Deckel isoliert angeordneten Anschlußstift, der durch die Isolatoren in die zenirale Lithium-Säule hindurchtritt und als elektrischer Kontakt dient.

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Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Depolarisator ist vorzugsweise ein Ladungsübertragungskomplex, der mit dem Überschuß eines Halogens vermischt ist, wie dies beispielsweise in dem US-Patent 41 48 975 beschrieben ist; auf diese Beschreibung wird ausdrücklich Bezug genommen. Wenn ein solches Depolarisatormaterial verwendet wird, bildet das Lithium schnell eine Lithium-Halogenid-Schicht, welche die zentrale Säule gegenüber Kurzschlüssen absehrmt. Man erhält auf diese Weise einen guten elektrischen Kontakt uiid gleichzeitig werden Korrosion und Kurzschlüsse weitgehend herabgesetzt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Batterie;

F i g. 2 eine Schnittansicht durch ein Element der Zellreihe in der in F i g. 1 dargestellten Batterie;

F i g. 3 eine Schnittansicht ähnlich F i g. 1 eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Batterie und

F i g. 4 eine Schnittansicht einer Zelle der Zellreihe in der Batterie der F i g. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte Batterie 10 umfaßt ein Gehäuse 11. Dieses besteht aus einem Blech aus rostfreiem Stahl, welches zylindrisch geformt ist und eine Größe aufweist, die üblichen Trockenzellenbatterien des Typs »C« oder »D« entspricht. Am Bodenteil des Gehäuses 11 anliegend sind isolierende Scheiben 13 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestehen diese Scheiben 13 aus einem Film aus einem Copolymerisat aus Ethylen und Chlortrifluorethylen (CTFE) und haben eine Dicke von etwa 0,04 cm.

In das Gehäuse 11 sind oberhalb der isolierenden Scheiben 13 mehrere Zellen in Form einer Reihe 15 eingedrückt. Die Reihe 15 umfaßt auch eine zentrale Säule 16. Oioen auf der Reihe 15 befinden sich mehrere Isolierscheiben 17 und 18. Die Isolierscheibe 17 besteht vorzugsweise aus einer Lage aus einem aromatischen Polyamid mit einer Dicke von etwa 0.05 cm. Die Isolatorscheiben 18 sind vorzugsweise aus einem Copolymerisat aus Ethylen und CTFE ausgeschnitten und haben eine Dicke von etwa 0,04 cm.

Auf die Isolierscheiben 18 aufgedrückt ist ein Deckel 21 mit einer zentralen öffnung 22. Der Deckel 21 ist längs seines Umfanges 23 mit dem Gehäuse 11 verlötet oder verschweißt und bildet so eine hermetische Dichtung. Ein Anschlußstift 24 ist durch die Öffi.ung 22 hindurchgesteckt und mittels einer Dichtung 26 gegenüber dem Deckel elektrisch isoliert. Der Anschlußstift 24 ist in die zentrale Säule 16 eingedrückt. Vorzugsweise wird der Anschlußstift 24 mit dem Deckel 21 verbunden, bevor der Deckel auf das Gehäuse aufgesetzt wird. Der Anschlußstift 24 wird beim Aufsetzen des Deckels 21 auf das Gehäuse in die Säule 16 eingedrückt.

Die Reihe 15 enthält eine Vielzahl individueller Zellen 25 (F i g. 2). Vor dem Einsetzen in das Gehäuse 11 umfaßt jede Zelle eine Lithium-Anode 26a mit einer zentralen, durchgehenden Öffnung 27. Angrenzend an diese Öffnung befindet sich ein Ringflansch 28. Für konventionelle Anwendungsfälle wird die Verwendung eines Depolarisalor-Pellets 29 bevorzugt, welches einen schirm- oder gitterförmigen Kaihodensiromkollektor 31 enthält. Dieser Kollektor 3) besteht vorzugsweise aus einem Drahtgewebe aus rostfreiem Stahl, welches in die Depolarisator-Pellets 29 dadurch integriert ist. daß der kathoüenstromkollektor 31 /wischen zwei Pellets 29;i und 29h eingebettet ist. Wie sich aus Ii g. 2 cry ibt.

weist das Pellet 29 eine zentrale Öifnung 33 auf, welche am Ringflansch 28 der Anode 26a anliegt und mit dieser einen elektrischen Kontakt bildet

Die Depolarisator-Pellets 29 stehen über die Anode 26 vor. und der KathodenstromkoUektor 31 steht seinerseits über den Außenumfang des Depolarisator-Pellets 29 vor. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abmessungen des Kathodenstromkollektors 31 derart gewählt, daß der Kollektor unter Druck

to an der Innenwand des Gehäuses 11 anliegt und mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Der Kollektor kann jedoch auch so dimensioniert sein, wie dies im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 dargestellt ist. Dabei liegt auch hier der Depolarisator an der Innenwand des Gehäuses 11 an. Der Kollektor 31 ist jedoch in diesem Falle zwischen dem äußeren Umfang des Depolarisator-Pellets 29a und der Innenwand eingeklemmt. Man erkennt,daß der KathodenstromkoUektor 31 eine zentrale Öffnung aufweist, die größer ist als die des Depolarisatcr-Pellets

2ü 29, so daß kein Kontakt mit dem Ringflansch 28 entsteh). Dadurch wird ein Kurzschluß in der Zelle vermieden.

Beim Zusammenbau der in Fi g. 1 dargestellten Batterie werden die isolierenden Scheiben 13 auf den Boden 12 des Gehäuses 11 aufgelegt. Eine Anzahl von Zellen der in Fig. 2 dargestellten Art werden auf die isolierten Scheiben 13 aufgelegt. Vorzugsweise nach dem Einlegen einer Gruppe von 5 Zellen 25 in das Gehäuse wird der Stapel mittels einer Presse mit einer Kraft von etwa 17.8 KN komprimiert. Die Presse hat eine zentrale Öffnung, die etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des Ringflansches 28. Bei der Beaufschlagung des Stapels der Zellen 25 mit der Druckkraft wird Lithium aus der Anode 26 durch die zentrale Öffnung 33 des Kathodenpellets 29 extrudiert. Das extrudierte Material fließt von den jeweiligen Anoden und bildet durch Kaltverschweißung die zentrale Säule 16. Wenn der letzte Zellsatz kompaktiert worden ist, hat sich eine Reihe 15 mit einer Vielzahl von Zeilen und mit

4« einer zentralen Säule 16 gebildet. Es werden dann oben auf die Zellreihe 15 Isolierscheiben 17 und 18 aufgelegt. Ferner wird der Anschlußstift 24 in die feste Lithium-Säule 16 eingedrückt, wenn der Deckel 21 auf das Gehäuse 11 aufgelegt und mit diesem dichtend verbunden ist. Vorzugsweise werden auf cien Anschlußstift 24 vor dem Zusammenbau mehrere Lithium-Ringe aufgelegt, die bei der Positionierung des Deckels 21 zusammengepreßt werden, so daß beim Aufsetzen des Deckels auf das Gehäuse eine Lithium-Hülse um den Anschlußstift herum ausgebildet wird. Diese Lithium-Hülse schützt den Anschlußstift gegenüber Korrosion und Kurzschluß gegenüber Jod, da sich in situ eine Lithiumhalogenid-Schicht ausbildet.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Kompressionsschritt immer nach 5 Zellen auszuführen. Man erhält dann die gewünschte Anoden-Kathoden-Kontaktfläche und den gewünschten Lithium-Fluß, der zur Ausbildung der zentralen Säule 16 notwendig ist. Die Kompaktierung kann aber auch bei anderen Zellzahlen erfol-

W) gen. Bei dem in F i g. 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel werden 30 individuelle Zellen verwendet, so daß beim Zusammenbau der Batterie 6 Kompaklierungen nutu endig werden. Kompnklicrt man bereits bei weniger Zellen, werden die Herstellungskosten der

hi Halleric erhöht, ohne daß man deutliche Vorteile erzielt. Kompaktiert man dagegen größere Zahlen von Zellen. erhält man bei Drücken, die kommerziell verwertbare Gehäuse Il aushalten, nicht die gewünschten Material-

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flußeigenschaften und auch nicht die gewünschten Kontaktflächen und -verbindungen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel tragen Teile, die denen des Ausführungsbeispicls der F i g. I und 2 entsprechen, dieselben Bezugszeichen, denen eine I vorangesetzl ist. Die in F i g. 3 dargestellte Batterie 110 ist für Verwendung bei höherer Temperatur bestimmt. Sie unterscheidet sich von der Batterie 10 der Fig. 1 nur dadurch, daß kein dem Kathodenstromkollektor 31 vergleichbares Teil im Depolarisator verwendet wird. Der Depolarisator 129 ist so ausgebildet, daß er unmittelbar an der Innenwand des Gehäuses 111 anliegt und so den notwendigen elektrischen Kontakt bildet. Der Anschlußstift 124 hat eine etwas abweichende Form von der des Anschlußstiftes 24 in F i g. I; beide .Stiftformen können jedoch in beiden Ausführungsbeispielen Verwendung finden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

32 OO Patentansprüche:

1. Batterie mit mehreren Lithium-Halogen-Zellen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein Gehäuse (11, 111) mit einem Bodenteil (12, 112).

b) an diesem Bodenteil (12, 112) über dessen gesamte Fläche anliegende Isolatoren (Scheiben 13,113),

c) eine Reihe von druckintegrierten Zellen (25, 125) mit einer zentralen Säule (16,116) aus Lithium, wobei jede der Zellen (25,125) eine Lithium-Anode (26a, \26a) und einen Halogen-Depolarisator (29,129) umfaßt und wobei die zentrale Säule (16,116) aus Lithium durch Zusammendrücken der Zellen (25,125) in die zentralen öffnungen (27,127) extrudiert ist,

d) oberhalb der Reihe (15,115) von Zellen (25,125) flächig an diesen anliegende zweite Isolatoren (17, 18, 117, 118) mit einer zentralen Durchgangsöffnung und

e) einen Deckel (21,121) mit einem daran gehaltenen Anschlußstift (24, 124), der isoliert durch den Deckel (21,121) und durch die zweiten Isolatoren (17, 18, 117, 118) hindurchtritt, wobei der Deckel (21, 121) gegenüber dem Gehäuse (11,111) hermetisch abgedichtet ist.

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2. Batterie nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Zellen (25) einen Metallschirm oder ein Metallgitter (Kathodenstromkollektor 31) umfaßt, welche innerhalb des Depolarisators (29) angeordnet sind und über dessen äußeren Umfang hervorstehen und in elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium Anode (26a, \2f>a) jeder Zelle (25, 125) vor dem Zusammendrücken der Zellen einen Ringflansch (28, 128) mit einer zentralen, durchgehenden Öffnung (27, 127) aufweist und daß der Depolarisator (29, 129) an der Anode (26a, \26a) und an deren Ringflansch (28, 128) anliegt, während er über den äußeren Durchmesser der Anode (26a, 126a^ übersteht.

4. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator (129) an der Innenwand des Gehäuses (111) anliegt.

5. Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Depolarisator (29, 129) ein Ladungsübertragungskomplex ist, der mit einem Halogenüberschuß vermischt ist.