DE3719340A1 - Elektrochemische zelle, sowie verfahren zur erzeugung eines elektrischen kontaktes zu einer folienelektrode - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine versiegelte elektrochemi­ sche Zelle mit spiralförmig gewickelten Elektroden. Insbesondere bezieht sie sich auf ein verbessertes Ver­ fahren und einen Gegenstand, um einen mechanischen und elektrischen Kontakt zu einer Elektrode, welche aus ei­ ner Metallfolie besteht, herzustellen und auf eine elektrochemische Zelle, in der der verbesserte Gegen­ stand eingesetzt wird.

In der Herstellung von Batterien ist es allgemeine Pra­ xis, ein oder mehrleitende Elemente oder Streifen eines elektrisch leitenden Materials an jede der Elektroden anzuheften. Während ein Ende des Streifens mit der Elektrode verbunden ist, ist das andere Ende des Strei­ fens mit dem zuständigen Endteil des Batteriegehäuses verbunden.

Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte verwenden lange, dünne Elektroden, welche spiralförmig, nach einem speziellen Modus ineinandergewickelt sind. Eine dieser Elektroden besteht oft aus einer Metallfolie. Zum Bei­ spiel ist in einer Li/MnO₂-Zelle die Lithium-Elektrode ein einfacher Streifen einer Lithium-Folie, mit einer gebräuchlichen Dicke zwischen 0,13 mm (0,005′′) und 0,51 mm (0,020′′). Da solche Metalle elektrisch leitend sind, ist es unnötig, einen leitfähigen Metallträger vorzuse­ hen, so wie bei der Verwendung von aus Pulver gepreßten oder porös gesinterten Elektroden.

Es ist oft wünschenswert, einen Streifen eines elektrisch leitenden Materials mit diesen Metallfolien-Elektroden zu verbinden, um einen Kontakt mit dem entsprechenden Ende des Gehäuses der elektrochemischen Zelle herzustellen. Eine Anzahl von Maßnahmen kann eingesetzt werden, den Streifen an der Folienelektrode anzubringen. Diese Maß­ nahmen schließen Schweißen, Löten oder Kaltschweißen mit ein. Wenn die Folie aus Metall hergestellt ist wie z.B. aus Lithium, ist Schweißen nicht besonders vorteilhaft. Da Lithium bei 186°C schmilzt, würde es sehr schwierig sein, ein höher schmelzendes Metall wie z.B. rostfreien Stahl oder Nickel anzuschweißen. Löten ist auch nicht besonders vorteilhaft, da die Möglichkeit der Verunrei­ nigung durch Verbundmetall besteht. Kaltschweißen ist vielleicht die beste Wahl der Maßnahme zur Befestigung. Jedoch ist das Problem bei Kaltschweißen besonders mit Metallfolien-Anoden, daß der Streifen von der Anode wäh­ rend einer starken Endladung abgelöst werden kann. Wenn der Streifen mit der Oberfläche nur kaltgeschweißt ist, kann es vorkommen, daß er, wenn das Anodenmaterial um ihn und unter ihm während der Entladung durchströmt wird, abgelöst wird.

Aus der US-PS 40 49 882 ist eine Streifenform für ein Kaltverschweißen dieser Streifen mit Preßstaub-Elektroden und porösen Sinterelektroden bekannt. Dieses Patent beschreibt die Verwendung von kreisförmigen Perforationen im Streifmaterial, wobei jede Perforation von einem Kra­ gen mit gezackten Vorsprüngen umgeben ist. Diese Vor­ sprünge sind so ausgestaltet, daß sie in die Preßstaub­ elektrode gepreßt werden und mit dem Stützgitter in Kon­ takt kommen. Jedoch hat diese Ausführung Nachteile in der Kontaktherstellung mit Folienelektroden. Da die Folien­ elektroden dieser Erfindung kein Stützgitter aufweisen, gibt es nichts, was diese Vorsprünge hindern könnte, sich direkt durch die Folienelektrode zu drücken. Falls dies passiert, würde jeder Satz dieser Vorsprünge einen Kreis aus der Folie ausstanzen und der Streifen könnte leicht abreißen. Weiter könnten sich diese Vorsprünge durch beides, nämlich durch die Folienelektrode und die Trenn­ wand drücken und einen Kurzschluß mit der anderen Elek­ trode verursachen.

Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Aus­ führung eines Streifens zur Verfügung, so daß dieser be­ ständig an der Folienelektrode befestigt werden kann. Allgemeiner ausgedrückt, stellt diese Erfindung ein lei­ tendes Element oder Streifen bereit, das/der in einem vorgegebenen Bereich regelmäßig geformte Zähne aufweist, welche länger sind als der Folienelektrode dick ist. In einer Ausführungsart sind diese Zähne so ausgebildet, daß sie sich durch die Folienelektrode drücken und dann zueinander gebogen werden, wenn sie zwischen Preßplatten auf eine fixe Weite zusammengepreßt werden. Das Endre­ sultat ist, daß die Zähne so gebogen sind, daß sie mit der Elektrodenoberfläche bündig sind und während des Vorganges sich tatsächlich in die Metallfolie von hinten her eingraben. Auf diese Art stellt die Streifenausfüh­ rung den elektrischen Kontakt mit beiden Seiten der Me­ tallfolien-Elektrode her und bleibt deshalb auch in Kon­ takt mit der Anode während der Entladung, so daß das Problem, das mit dem Kaltschweißen von Streifen auf Me­ tallfolien-Anoden zusammenhängt, bewältigt ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Streifens, der eine Anord­ nung von rechteckigen Öffnungen in einem vorgege­ benen Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;

Fig. 2 eine dreidimensionelle Darstellung des unteren Teils des Streifens, der zeigt, wie die Zähne von gegenüberliegenden Enden der Öffnungen vorsprin­ gen;

Fig. 3 eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Me­ tallfolien-Anode, welche zeigt, wie ein Streifen gemäß dieser Ausführungsart auf der Oberfläche einer Anode angeordnet sein würde; und

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 aus Fig. 3. Die Fig. zeigt, wie die Zähne zueinander gebogen sind und wie sie mit der Oberfläche der Anode bündig sind.

Gemäß Fig. 1 hat ein Streifen-Grundmaterial 1 eine Mehr­ zahl von rechteckigen Lochungen 2. Eine Dimension dieser rechteckigen Lochungen ist größer als das Zweifache der Dicke der Metallfolie, auf welche der Streifen befestigt werden soll. Ein gegenwärtig bevorzugtes Verfahren zur Bildung der Lochungen besteht darin, daß ein Druckstempel und Gesenk so verwendet werden, daß zwei Zähne, 2 a und 2 b, rechteckig oder anders aus dem Material von jedem Loch ausgestanzt sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsart entstehen Zähne, welche eine Länge aufweisen, die zusammen ungefähr gleich der Länge der Lochung ist. Jeder Zahn sollte länger als die Dicke der Metallfolie sein und jeder Zahn sollte sich vom Strei­ fenmaterial wegerstrecken und dabei einen Winkel mit dem Streifenmaterial 3 einschließen, der nicht größer als 90° ist. Beide Zähne erstrecken sich von der gleichen Seite des Streifens, wobei jeder an seiner Basis an den entge­ gengesetzten Enden der Lochung befestigt ist. Während die beschriebene Ausführungsart gegenwärtig bevorzugt wird, könnten mehr als ein Zahn an den gegenüberliegenden Sei­ ten der Lochung ausgebildet sein. Die Zähne sind be­ schränkt auf einen ersten vorgegebenen Bereich des Streifens, während ein zweiter vorgegebener Bereich des Streifens ohne Zähne dazu dient, an das Zellengehäuse angeschweißt zu werden.

Der Streifen des Streifenmaterials 1 mit den rechteckigen Lochungen und den Zähnen kann vorteilhafterweise auf der Oberfläche der Metallfolien-Anode 4 nach Fig. 3 positio­ niert sein. Vorzugsweise werden in einem Arbeitsgang die Zähne zuerst durchgedrückt und dann umgeschlagen. Im Ar­ beitsgang wird der Streifen mit nach unten gerichteten Zähnen auf die Folienoberfläche aufgelegt. Diese Anord­ nung wird dann auf eine fixe Weite zwischen zwei Platten zusammengepreßt. Die fixe Weite ist vorzugsweise nicht größer als die Dicke der Folie plus der Dicke des Strei­ fen-Grundmaterials. Wenn die fixe Weite geringer ist, wird das Streifen-Grundmaterial sogar in die Folie ge­ drückt, so daß die Folie ungünstigerweise ausgedünnt wird. Fig. 4 ist ein Querschnitt durch ein Paar von Zäh­ nen im Streifen 1, die zeigt, wie sie die Anode 4 grei­ fen, nachdem sie auf eine fixe Weite zusammengedrückt wurden.

Obwohl Fig. 1 eine Anordnung von Öffnungen darstellt, die in drei Reihen mit je vier angeordnet sind, und diese Anordnung besonders für eine angemessene Sicherung des Streifens auf einer dünnen Lithium-Anodenfolie geeignet ist, kann die Zahl und Anordnung der Vorsprünge abhängig von der spezifischen Natur der Anode, des Streifenmate­ rials und ihrer Dimensionen,variieren. Sie können nach Fig. 1 in einer rechteckigen Anordnung aufgereiht oder in einer Anordnung sein, welche für eine gegebene Anwen­ dungsform passender erscheint. Weiter können die Zähne anders als rechtwinklig geformt und dennoch im Sinne dieser Erfindung anwendbar sein. Zum Beispiel könnten die Zähne dreieckig ausgebildet und damit vorteilhaft sein, um durch ein Metall, das härter als Lithium ist, zu dringen.

Die Effektivität der Verbindung des Streifens auf der Anode kann durch Entladung der Zelle unter Beobachtung des Spannungs-Verlaufs bestimmt werden. Wenn die Verbin­ dung gut ist, verläuft die Entladung gleichmäßig ohne irgendwelche scharfen Unterbrechungen oder Unregelmäßig­ keiten. Falls die Verbindung nicht gut ist, kann der Streifen während der Entladung von der Anode gelöst wer­ den, so daß in diesem Fall eine scharfe Unterbrechung oder Unregelmäßigkeit im Spannungs-Verlauf auftritt. Die Effektivität der Streifenausführung der vorliegenden Erfindung wurde nach dieser Methode geprüft und wird im folgenden Beispiel ausführlich beschrieben.

Beispiel 1

Ein Anodenstreifen wurde hergestellt gemäß den Ausfüh­ rungen der Erfindung aus 3/4 Hartnickel-Streifengrund­ material. Der Streifen ist 33 mm (1,3′′) lang, 6,4 mm (0,25′′) breit und 0,05 mm (0,002′′) dick. Eine 3 × 12 Anordnung der rechteckigen Lochungen ist in den Streifen gestanzt. Die Dimension einer jeden Lochung ist 0,64 mm (0,025′′)×0,64 mm (0,025′′). Die ausgebildeten Zähne sind 0,32 mm (0,012′′) lang, und schließen mit dem Streifenma­ terial einen Winkel von 80° ein. Die Weite zwischen den Enden der Vorsprünge der Zähne ist 0,2 mm (0,008′′). Der Streifen wird in eine Lithium-Folienanode eingedrückt mit einer Dimension von 260 mm (10,25′′) Länge, 22,9 mm (0,9′′) Breite und 0,15 mm (0,006′′) Dicke. Der Streifen wird wie oben beschrieben in die Anode auf eine fixe Weite von 0,2 mm (0,008′′) eingedrückt. Das wird ausgeführt, indem die Lithiumfolie auf eine ebene Stahloberfläche aufgelegt wird. Der Streifen wird dann von oben auf die Lithiumfo­ lie aufgelegt, wobei die zahnähnlichen Vorsprünge zur Lithiumfolie gerichtet sind. Der Streifen wird dann durch eine flache Metallplatte niedergedrückt, bis ein Zwi­ schenraum zwischen der Stahloberfläche und der flachen Metallplatte 0,2 mm (0,008′′) beträgt. Die Weite zwischen den zahnähnlichen Vorsprüngen schließt sich von den ur­ sprünglichen 0,2 mm (0,008′′) vor dem Durchdrücken auf eine letztendliche Weite von ungefährt 0,1 mm (0,004′′).

Die Lithium-Folienanode mit dem oben beschriebenen befe­ stigten Streifen wird mit einer MnO₂-Kathode und eine mikroporösen Polypropylen-Trennwand kombiniert. Die Anode und die Kathode sind spiralförmig zusammengewunden mit der Trennwand dazwischen. Diese spiralförmig gewundene Anordnung wird in ein Metallgehäuse eingesetzt und die überstehenden Enden des Anodenstreifens mit dem Gehäuse verschweißt. Die Zelle ist mit einem nicht wässrigen Elektrolyten gefüllt und eine Abdeckung ist am oberen Ende der Zelle befestigt.

Vier Zellen wurden entsprechend der obigen Beschreibung hergestellt. Jede wurde über einen Widerstand von acht Ohm entladen und ergab eine gleichmäßige und ähnliche Spannungsverlauf-Kurve, welche zeigt, daß der Streifen während der Entladung in einem guten, elektrischen Kon­ takt blieb.

Während dieses Beispiel Zähne beschreibt, die eine Breite aufweisen, welche größer als die Länge ist, können andere Breiten und Längen benützt werden, ohne daß die Wirksam­ keit der Erfindung beeinflußt wird. In einigen Beispielen kann es wünschenswert sein, Zähne zu haben, die länger als breit sind. Zusammenfassend beschreibt dieses Bei­ spiel Zähne, wobei die Summe ihrer Längen gleich der Länge der Öffnung ist. Es kann wünschenswert sein, kür­ zere Zähne zu verwenden, so daß die Summe ihrer Längen geringer als die Länge der Öffnung ist. Während das Bei­ spiel einen Streifen beschreibt, der 36 Öffnungen auf­ weist, könnte eine bedeutend geringere Anzahl von Öff­ nungen verwendet werden. Es ist möglich, daß für einige Anwendungsformen eine einzige Öffnung mit Zähnen zur Ausbildung eines mechanischen und elektrischen Verbunds ausreichend sein würde.

Während dieses Beispiel die Verwendung eines einzelnen Streifens beschreibt, der an die Anode befestigt ist, könnte es möglich sein, eine Mehrzahl von Streifen darauf zu befestigen. Obwohl das Beispiel eine Anode aufweist, welche aus Lithium besteht, könnten andere, passende Fo­ lienelektroden verwendet werden, welche Aluminium, Na­ trium, Kalium, Magnesium, Kalzium, andere Alkali oder Erdalkalimetalle und Verbindungen davon mit einschließen.

Während dieses Beispiel eine Zelle beschreibt, welche eine Kathode verwendet, welche MnO₂ aufweist, könnten auch andere Kathodenmaterialien verwendet werden. Geeig­ nete Kathodenmaterialien schließen CFx, V₂O₅, WO₃, MoO₃, MoS₂, Bleioxide, Kobaltoxide, Kupferoxide, CuS, CuS₂, In₂O₃, Eisensulfide, NiS, Ag₂CrO₄, Ag₃PO₄, TiS₂, Über­ gangsmetall-Polysulfide und Mischungen davon mit ein.

Zusätzlich kann das Streifenmaterial aus Nickel oder geeigneten Materialien, wie Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Titan mit einschließen, hergestellt werden.

Claims (10)

1. Elektrochemische Zelle: mit einem Metallgehäuse, das einen positiven und einen negativen Anschluß aufweist, die geeignet elektrisch voneinander iso­ liert sind, und wobei das Gehäuse ein Paar von Elektroden aufweist; einer Trennwand, die zwischen dem Paar von Elektroden eingelagert ist; einem Elektrolyten; und mit Vorrichtungen zur elektri­ schen Kopplung einer der Elektroden zu einem der Anschlüsse, gekennzeichnet durch wenigstens ein elektrisch leitendes Element (1), das eine Anord­ nung von Öffnungen aufweist, wobei das Element (1) mit einem vorgegebenen Bereich der Elektrode (4) verbunden ist; wobei jede Öffnung wenigstens ein Paar von zwei gegenüberstehenden Zähnen (2 a, 2 b) aufweist, und jeder Zahn an seiner Basis an den gegenüberliegenden Enden der Öffnung befestigt ist und wobei jeder der Zähne von der gleichen Seite des leitenden Elements (1) hervorspringt und eine Länge aufweist, die größer als die Dicke der Elek­ trode ist, wobei die Zähne einer jeden Öffnung sich in die Dicke der Elektrode (4) erstrecken und jeder einen Vorsprungswinkel von dem leitenden Element (1) derart aufweist, daß er nicht über die gegenüber­ liegende Seite der Elektrode hinausreicht, und wobei guter elektrischer Kontakt geschaffen und aufrecht­ erhalten wird.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrode, die mit dem leitenden Element verbunden ist, eine Metallfolie aufweist.

3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, wobei die Zähne rechtwinklig geformt sind.

4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, wobei die Länge eines Zahnes nicht größer als die Hälfte der Länge der Öffnung ist.

5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei die Metall-Folienelektrode aus einer Gruppe ausgewählt wurde, die aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Aluminium und den Legierungen davon besteht.

6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 4, wobei die Metall-Folienelektrode Lithium ist.

7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei die Zähne mit dem leitenden Element einen Winkel von 80° einschließen, und das leitende Element ein Material ist, welches aus einer Gruppe ausgewählt wurde, die aus Nickel, Stahl, rostfreiem Stahl, Aluminium, Kupfer und Titan besteht.

8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kon­ takts zu einer Folienelektrode einer elektrochemi­ schen Zelle, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Einstanzen einer Anordnung von Öffnungen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs eines rechtwinklig ge­ formten leitenden Elements;
Ausbildung wenigstens eines Paares von gegenüber­ stehenden Zähnen aus dem Material, das aus jeder Öffnung ausgestanzt wurde, so daß die Zähne, welche von der gleichen Seite des leitenden Elements vor­ springen, nicht länger als die Dicke der Folien­ elektrode und zueinander gerichtet sind;
Pressen der Zähne des leitenden Elements zuerst auf und dann durch eine erste Oberfläche der Folien­ elektrode und in ihre Dicke, worauf das Material der Folienelektrode gezwungen wird, nachzugeben und hinter die Zähne zu fließen, und das leitende Ele­ ment in einem guten, elektrischen und mechanischen Kontakt mit der Folienelektrode zu halten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei durch Zusammen­ drücken der Kombination des leitenden Elements und der Metall-Folienelektrode zwischen Metallplatten auf eine fixe Weite die Zähne gleichzeitig durch die Folienelektrode gepreßt und umgebogen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die fixe Weite gleich der Summe der Dicke der Folienelektrode und des leitenden Elements ist.