DE3240806A1

DE3240806A1 - Galvanishe lithiumzelle

Info

Publication number: DE3240806A1
Application number: DE19823240806
Authority: DE
Inventors: Ulrich von Dipl.-Phys. Dr. 6246 Schloßborn Alpen; Dietrich 6233 Kelkheim Bartke; Wolfgang Becker
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Geraetebatterie GmbH
Priority date: 1982-11-05
Filing date: 1982-11-05
Publication date: 1984-05-10
Also published as: DE3240806C2

Description

Galvanische Lithiumzelle
Die Erfindung betrifft ein galvanisches Element mit negativer Lithium-Elektrode und zylindrischem Gehäuse; derartige Lithiumzellen werden insbesondere in der Mikroelektronik eingesetzt.
Bekannte Elemente nach dem vorstehenden Gattungsbegriff arbeiten mit Rücksicht auf die hohe Reaktivität der Alkalimetallelektrode auf der Grundlage wasserfreier Elektrolytsysteme, vorwiegend jedoch mit organischen Elektrolytlfisungsmitteln.
Der zuweilen beträchtliche Dampfdruck der organischen Flüssig keiten und die Forderung nach einwandfreier Funktion während einer langen Einsatzdauer verlangen einen hermetisch dichten Zellenaufbau. Der Stand der Technik weist viele Vorschläge auf, welche auf die Erfüllung eines Hochstmaßes von Dichtigkeit abzielen und dabei auch noch Maßnahmen zum Schutze der besonders korrosionsanfälliqen Dichtungsanordnungen vorsehen.
Der DE-AS 23 61 223 ist beispielsweise eine miniaturisierte Li/SD2-Zelle mit einem zylindrischen Metallgehäuse und einer zentrisch darin angeordneten Li-Elektrode entnehmbar, deren dornähnlicher Stromableiter durch eine den oberen Raum des Gehäuses ausfüllende Gummidichtung hindurchgeführt ist. Ihre Zuverlässigkeit erhält diese Dichtung durch zwei in die Gehäusewand eingebrachte umlaufende Sicken, die die Gummidichtung radial dicht zusammendrücken, wobei sie von oben her noch dem zusätzlichen Umklammerungsdruck einer Bördelung des Gehäuserandes unterliegt.
Bei anderen bekannten Zellen, z. B. gemäß US-PS 4.317.869, wird das Problem der Polabdichtung und -isolierung gegen das invers gepolte Metallgehäuse mittels einer; zentrisch im Deckel angebrachten Glas-Metall- oder Keramik-Metalldurchführung gelöst, Der Rand des Deckels ist mit dem Rand des Gehäuseb!thers hermetisch dicht verschweißt.
Einen mit dem Becher verschweißten Deckel zeigt auch eine aus der Europäischen Patentanmeldung 35 074 bekannte Zelle. Darüber hinaus weist der schalenförmige Deckel in seiner Mitte eine Abdichtungseinrichtung mit dem Isoliermaterial Glas oder Kunststoff um einen zentrisch die Einrichtung durchdringenden Polstift herum auf. Die dem Zellinnern zugekehrte Oberfläche der Abdichtungseinrichtung ist durch eine Beschichtung aus einem elektrochemisch beständigen, ausgehärteten Silicon-Elastomer besonders geschützt.
Die bisher bekannten Glas- oder Keramikdurchführungen sind beim Potential des Lithiums gegen eine Reduktion der das Glas bzw. die Keramik bildenden Oxide auf die Dauer nicht immun und unterliegen daher einer von Temperatur und Restfeuchtegehalt abhängigen Korrosion. Bei Dichtungskonstruktionen mit Kunststoffen gibt es solche, die zwar gegen die Elektrolytlösungsmittel beständig sind, aber eine bedenklich hohe Permeabilität gegenüber Luftsauerstoff und Feuchte besitzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Lithium-Zelle nach dem vorstehenden Gattungsbegriff eine weniger aufwendige Dichtungskonstruktion anzugeben, die dennoch den erwähnten Anforderungen vollauf genügt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 versehene Anordnung gelöst.
Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden anhand der Figur, welche den Gesamtsufbau der Lithium-Zelle wiedergibt, er- läutert.
In der Rundzelle 1 mit dem Metallbecher 2 und dem Metalideckel 3 bildet die Kathode einen aus ringförmigen Elementen 4 zusammengesetzten Ringzylinder, welcher die zentrisch angeordnete Li-Anode 5 mit der Separation 6 umschließt. Der obere Rand der vorzugsweise aus Chromoxid, CrOx, bestehenden Kathode ist mit einem weiteren Separator 7 und einem Elektrolytquellblatt 8 abgedeckt. Der Anodenableiter 9 aus rostfreiem Stahl besi-tzt aie Form eines Nagels, welcher in seinem oberen Bereich einen Flansch 10 aufweist, auf dem die Unterseite des Deckels 3 unter Zwischenlage einer Kunststoffdichtung 11 mit am Kopf 12 des Ableiters hochstehender Kante aufliegt. Auf der Oberseite des Deckels ist unter Zwischenlage einer weiteren Kunststoffdichtung 13 eine Uerschlußscheibe 14 vom gleichen Umfang des Flansches 10 angeordnet. Indem die Ränder von Flansch 10 und Verschlußscheibe 14 in einwärtaweisender Richtung mit schneidenförmigen Vorsprüngen 15 versehen sind, krallen sie sich fest in die Kunststoffdichtungen ein. Die Kunststoffdichtungen 11, 13, beide vorzugsweise aus Polypropylen bestehend, können erfindungsgemäß auch in-einem Stück ausgeführt sein, oder es kann die Dichtung 13 einen als Getter wirkenden Füllstoff enthalten, wie es in der älteren deutschen Patentanmeldung P 31 36 578.7 als Maßnahme gegen das Eindringen von Luftfeuchtigkeit bereits vorgeschlagen wurde. Beispielsweise kann gefülltes Polypropylen als Material der oberen Dichtung 13 verwendet werden. #Dadurch wird die Diffusion von Luftfeuchtigkeit in der Zelle erheblich behindert.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die gesamte, aus Anodenableiter 9, Deckel 3, Dichtungen 11, 13 und Verschlußscheibe -14 bestehende Anordnung vormontiert, unter einem definierten Druck zusammengepreßt und durch Vernieten fixiert werden kann. Der Preßdruck hängt ab von der Geometrie der in den Dichtungsbereich fallenden Teile und darf weder zu groß sein, weil dann der Kunststoff iegfließt, noch darf er zu klein sein, weil er dann seine komprimierende Wirkung verfehlt.
So werden beispielsweise mit einer Flächenpressung von ca.
ao N/mm2 Flansch 10 und Uerschlußscheibe 14 zusammengepresst und durch Aufweiten des Ableiterkopfes 12 mit dem ringförmigen Nietwerkzeug die VerschluEscheibe 14 am Ableiterkopf 12 fest verkeilt. Zugleich kommt die erfindungsgemäße Wirkung der Schneiden 15 zur Geltung, indem der Dichtungskunststoff in diesem Bereich permanent verdichtet wird, so daß die Permeation zumindest stark gehemmt ist. Außerdem verhindern die Schneiden ein Ausweichen des Kunststoffes unter dem anstehenden Nietdruck.
Das vorgefertigte Paket aus den genannten Teilen wird nunmehr in den mit dem Aktivmaterial bereits gefüllten Gehäusebecher 2 eingeführt und der Deckelrand gegen den Becherrand mittels einer VerschweiBung 16 hermetisch abgedichtet. Die Verschweissung kann bei sehr kleinen Zellen vorzugsweise mit dem Laserstrahl geschehen. Die frei gebliebene Oberseite des Deckels zwischen der Verschlunscheibe 14 und der Verschweißung 16 erhält als Finishing einen selbstklebenden Epoxidharz- oder Bitumenverguß 17, der technisch leicht ausgeführt werden kann.
Diese Füllmasse bewirkt eine gute Isolation und eine zusätzliche Sperre für evtl. zwischen Deckel und Dichtung auftretende Leckagen.
Erfindungsgemäß abgedichtete Zellen wiesen im Lecktest mit Hilfe des He-Massenspektrographen keine merkliche Leckrate auf, d.h. die Leckrste betrug weniger als 10 Torr ~ 1/sec.
Selbst nach einer Tempersturschockbehsndlung der Dichtung, bei der die Temperatur in 1 Min. von -1960C auf +50°C wechselte, trat keine Leckage auf.

Claims

Patentansprüche $ Galvanisches Element mit negativer Lithium-Elektrode und zylindrischem Gehäuse, welches mit einem Verschlußdeckel verschlossen ist, durch welchen der negative Elektrodenableiter dicht hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenableiter (9) die Form eines Nagels besitzt, der in seinem oberen Bereich einen Flansch (10) aufweist, auf welchem die Unterseite des Deckels (3) unter Zwischenlage einer Dichtung (11) aufsitzt, und daß auf der Oberseite des Deckels (3) und unter Zwischenlage einer Dichtung (13) eine Verschlußscheibe (14) aufsitzt, die durch Vernietung des Kopfes (12) .des Ableiternagels fest gegen die Dichtungen gepreßt ist.
2. Galvanisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umfangsgleichen Ränder des Flansches (10) und der Verschlußscheibe (14) mit in die Dichtungen (11, 13) eindringenden schneidenformigen Vorsprüngen t15) versehen sind.
3. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen an der Oberseite und an der Unterseite des Deckels einstückig ausgeführt sind.
4. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen mit einem definierten Druck vorgespannt sind.
5. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Teil der Oberseite des Deckels mit einer VerguBmasse versehen ist.
6. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Nagels rostfreier Stahl und dasjenige der Dichtungen Polypropylen ist.
7. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableiternagel in eine Lithium-Elektrode eingreift, die zentral im Gehäuse angeordnet ist und die von einer aus ringförmigen Elementen zusammengesetzten positiven Elektrode unter Zwischenlage eines Separators zylindrisch umgeben ist.
8. Galvanisches Element nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Material der positiven Elektrode Chromoxid, CrOx, ist.