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Diese Erfindung ist auf elektrochemische Zellen gerichtet
und betrifft genauer Flüssigkathode-Reservezellen.
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Um eine parasitäre Entladung zu vermeiden, ist es bekannt,
den Elektrolyten von den anderen Zellenkomponeten wärend der
Aufbewahrung bis zur Aktivierung getrennt zu halten. Zellen,
die dieses Merkmal aufweisen, sind als Reservezellen
bekannt.
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Eine zylindrische Reservezelle ist in US-Patent No. 4,517,
736 von Franz Goebel geoffenbart und an GTE Communications
Products Corporation übertragen. Die Zelle enthält eine
Lithiumanode, eine Kohlenstoffkathoden-Stromkollektor-Struktur
und einen porösen Separator, der zwischen der Lithiumanode
und der Kohlenstoffkathoden-Stromkollektor-Struktur
eingefügt ist. Die Kohlenstoffkathoden-Stromkollektor-Struktur
ist gegen die Innenwand eines Metallgehäuses gedrückt und
konzentrisch innerhalb des Gehäuses mit dem Separator und
der Lithiumanode angeordnet. Dieser Zusammenbau aus
Lithiumanode, Kohlenstoffkathoden-Stromkollektor-Struktur und
Separator wird dann einer elektrolytischen Lösung ausgesetzt,
die ein reduzierbares flüssiges Kathodenlösungsmittel und
eine Elektrolytlösung aufweist, die in dem reduzierbaren
Kathodenlösungsmittel aufgelöst ist. Geeignete Materialien für
das reduzierbare Kathodenlösungsmittel und die
elektrolytische Lösung sind Thionylchlorid bzw.
Lithiumtetrachloraluminat.
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Eine Ampulle, die eine Flüssigzellenkomponente, d.h. eine
zur Verwendung fertige oder konzentrierte Elektrolytlösung
enthält, ist mittig in der Zelle angeordnet und von der
Anode umgeben. Die Zelle kann unbegrenzt aufbewahrt werden, bis
die Zelle dadurch aktiviert wird, daß die Ampulle
aufgebrochen
wird, um ihren Inhalt freizugeben.
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Beim Brechen der Ampulle ist es für den Elektrolyten
erforderlich, an der Anode entlang zu fließen, um den porösen
Separator und die Kohlenstoffkathoden-Stromkollektor-Struktur
zu erreichen. Das Anodenmatereial ist nicht porös, so daß
ein Durchlaß für die Flüssigzellenkomponente vorgesehen
werden muß.
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Die Elektroden bei dieser Art von Zelle sind dünn und von
daher großen Kräften ausgesetzt, wie der beim Abfeuern durch
ein Gewehr auftretenden Beschleunigung oder bei der
Aktivierung. Ein solches Zusammenbrechen würde wahrscheinlich zu
einem Kurzschluß führen.
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Eine andere zylindrische Reservezelle ist von Babai u.a. in
dem US-Patent No. 4,499,160 beschrieben. Bei der Zelle nach
Babai u. a. umgibt ein zylindrischer Metalleiter eine mittig
angeordnete Ampulle. Bei einer Ausführungsform steht eine
Anode in Berührung mit dem zylindrischen Metalleiter. Die
Anode ist mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen versehen,
von denen bekannt ist, daß sie die Durchdringung des
Elektrolyten bei seiner Freigabe erhöhen. Solche Öffnungen
verringern natürlich die aktive Fläche der Anode und führen zu
zusätzlichen Herstellungskosten.
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Aus US-A-31 69 084 ist eine Reservezelle bekannt, die ein
Gehäuse, eine Vielzahl von Zelleneinheiten und einen
Glasbehälter aufweist, der eine Elektrolytlösung enthält. Eine
Bruchplatte ist vorgesehen, um den elektrolytischen Behälter
beim Abschießen eines die genannte Reservezelle umfassenden
Geschosses zu zerstören, um den Elektrolyt freizugeben,
wodurch die Reservezelle aktiviert wird.
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Es wird auf die anhängige europäische Patentanmeldung EP-A-
269 866 hingewiesen, die eine erfinderische Anordnung eines
Anodenelementes und Anodentragzylinders beansprucht.
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Eine Zielsetzung der Erfindung besteht darin, eine Zelle zu
schaffen, die eine Anodenanordnung aufweist, welche großen
Beschleunigungskräften widerstehen kann.
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Eine Reservezelle besitzt ein zylindrisches Gehäuse mit
einem geschlossenen Ende. Ein zylindrischer
Batterieschichtaufbau ist innerhalb des Gehäuses angeordnet, das einen
Zellenbauteilbehälter umgibt und durch einen mit Nuten versehen
Ring von dem gesclossenen Ende getrennt ist. Eine Scheibe
ist innerhalb des Ringes angeordnet, um Druck von dem
geschlossenen Ende des Behälters zu übertragen.
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In den Zeichnungen:
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Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Zelle, die die
Erfindung verkörpert;
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Fig. 2 ist eine Ansicht des in der Zelle verwendeten
Anodentragzusammenbaus;
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Fig. 3 ist ein Einzelteil, das einen mit Nuten
versehenen Ring und eine in der Zelle verwendete
Aktivierungsscheibe zeigt; und
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Fig. 4 stellt ein in der Zelle verwendetes
Behältertragabstandsstück dar.
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Es wird nun auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der eine
elektrochemische Zelle 1 vom Reservetyp gezeigt ist, die die
Erfindung verkörpert.
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Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Zelle 1
ein längliches, zylindrisches Metallgehäuse 2, welches ein
rostfreies Stahlrohr mit einem geschlossenen Ende 14 und
einem offenen Ende sein kann. Innerhalb des Gehäuses 2 ist
eine konzentrische, zylindrische Anordnung eines
Kathodenstrom-Kollektor-Elektrodenteils 3, eines dünnen, porösen
Separators 4, eines Anodenelektrodenteils 5, eines
Anodentragzylinders 15 und eines mittig angeordneten Behälters 9 für
eine flüssige Zellenkomponente angeordnet. Die Anordnung
dieser vier Teile 3, 4, 5, 15 wird allgemein als ein
Batterieschichtaufbau bezeichnet.
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Die vorstehend genannte Kathodenstrom-Kollektor-Struktur 3
ist vorzugsweise ein poröses kohlenstofftragendes Element,
das ein längliches, zylindrisches Metallgitter einschließt.
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Das poröse Kohlenstoffelement kann durch Zusammendrücken
einer Zusammensetzung aus einzelnen halbdichten, porösen
Kohlenstoffgemischen auf beiden Seiten des Metalltraggitters
hergestellt werden, welches aus Nickel oder rostfreiem Stahl
sein kann. Die Gemische des Elementes, wie es vorstehend
beschrieben worden ist, enthalten im allgemeinen eine
Kombination aus Ruß, Graphit und einem Bindemittel, wie
Polytetrafluorethylen. Aufgrund der porösen Natur der obigen
Bestandteile wird beim Zusammenpressen ein Netzwerk
elektrolytleitender Kanäle durch das Kohlenstoffelement hindurch
hervorgebracht, wodurch das Kohlenstoffelement von der
Elektrolytlösung durchdrungen werden kann. Techniken zur Herstellung
der bei dem Kohlenstoffelement verwendeten Gemische sind im
einzelnen in dem US-Patent No. 4,161,063 beschrieben, auf
das für besondere Einzelheiten Bezug genommen wird.
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Der Kathodenstrom-Kollektor 3 stößt körperlich an die
Innenwand des Gehäuses 2 an, und bildet mit diesem eine
elektrische Verbindung, wobei das Gehäuse 2 als die positive Klemme
der Zelle erzeugt wird.
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Der vorgenannte, poröse Separator 4 ist zwischen der
Kathodenstrom-Kollektor-Struktur 3 und der Anode 5 angeordnet und
wird verwendet, elektrisch die Kathodenstrom-Kollektor-
Struktur 3 von der Anode 5 zu trennen. Der Separator 4 weist
typischerweise die Form eines zylindrischen Blattes aus
einem üblichen, elektrisch nicht leitenden Material, wie
Glaspapier, auf.
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Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Anode 5 vorzugsweise
ein längliches, zylindrisches Blatt aus einem oxidierbaren,
aktiven Alkalimetall, wie Lithium, das als ein offenendiger
Hohlzylinder mit einer spiralförmigen Lücke 19 von einer
einzigen Umdrehung ausgebildet ist, die zwischen den
Zylinderenden verläuft. Die Anode ist ursprünglich ein festes
Metallblech (z. B. Lithium), das als ein Parallelogramm ohne
rechte Winkel geformt ist. Das Blech ist zu einem Zylinder
um den Anodenhaltezylinder 15 gewickelt, wobei die
spiralförmige Lücke 19 oder der Schlitz zwischen benachbarten
Kanten gelassen wird.
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Der Anodenhaltezylinder 15 ist aus einem flachen Blech aus
gelochtem Metall, wie 0,178 mm (7 mil) rostfreiem Stahl,
gebildet. Benachbarte Kanten sind zusammengeschweißt, um eine
durchgehende, durchlochte Zylinderwand ohne Lücken oder
Überlappung herzustellen. Die Anode 5 wird an die
Anodentragstruktur gedrückt, bis etwas von dem Elektrodenmaterial
in die Perforationen fließt. Ein zylindrischer Stempel und
eine Presse können für diesen Vorgang benutzt werden. Dies
liefert eine mechanische Verriegelung, so daß die Anode
selbst während einer Beschleunigung gehalten ist. Der
Anodentragzylinder 15 besitzt die zusätzliche Aufgabe eines
Anodenstrom-Kollektors.
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Zurückkehrend zur Fig. 1 sieht man dort, daß ein dünnes,
flexibles elektrisch leitendes Metallüberbrückungselement 6
physikalisch und elektrisch zwischen dem Anodentragzylinder
15 und einem Metalldurchführungselement 18 verbunden ist.
Das Durchführungselement 18 verläuft duch einen
herkömmlichen Glas- oder Keramikisolator zu einer Metalldichtung 8,
die innerhalb einer vollständig abgedichteten Kappe oder
Abdeckung 7 der Zelle 1 vorgesehen ist. Das freie Ende des
Durchführungselementes dient als negative Klemme der Zelle.
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Das Überbrückungselement 6 kann aus Nickel in der Form eines
Drahtes oder flachen Bandes sein, und an dem
Anodentragzylinder 15 in irgendeiner geeigneten Weise, wie durch
Schweißen, befestigt sein. Das andere Ende des
Überbrückungselementes ist an dem Durchführungselement 18 befestigt.
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Das Überbrückungselement 6 dient aufgrund seiner
nichtsteifen, flexiblen Eigenart und geringen Dicke, beispielsweise
0,127 - 0,381 mm (0,005 - 0,015 inch) dazu, irgendwelchen
Stoß oder Erschütterung zu absorbieren, der die Zelle
ausgesetzt sein mag, wodurch ein Brechen der physikalischen und
elektrischen Verbindung zwischen dem Anodentragzylinder 15
und dem Durchführungselement 18 verhindert wird, und auch
die Möglichkeit der physikalischen Beschädigung der Glas
oder Keramik-Metalldichung 8 aufgrund solcher Größen, wie
Stoß und Erschütterung, minimiert wird.
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Der Behälter 9 ist ein Behälter, der eine Menge einer
flüssigen Zellenkomponente enthält, wie konzentrierte oder zur
Verwendung fertige Elektrolytlösung. Eine geeignete und
bevorzugte Elketrolytlösung, ist eine
Kathodenelektrolytlösung, die ein reduzierbares, flüssiges Kthodenlösungsmittel,
wie Thionylchlorid, und eine Elektrolytlösung einschließt,
wie Lithiumtetrachloraluminat, die in dem Thionylchlorid
gelöst ist (beispielsweise 0,9 Mol
Lithiumtetrachloraluminatlösung).
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Der Behälter 9 ist aus einem elektrisch nichtleitendem
Material gemacht, welches durch Stoßen aufgebrochen werden
kann, um seine Inhalte freizugeben und die Zelle 1 zu
aktivieren. Vorzugsweise wird die Ampulle durch Abfeuern eines
pyrotechnischen Materials nahe dem Ende 14 aufgebrochen. Der
Behälter 9 ist vorzugsweise eine Glasampulle, die mittig in
einem Mittelschacht 16 angeordnet ist, der von dem
Anodenhaltezylinder 15 begrenzt wird. Ein Ende des Behälters 9
wird von einem kreisförmigen Abstandsstück 11 gehalten,
welches den Behälter 9 von der Kappe 7 beabstandet.
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Wie man am besten in Fig. 4 sehen kann, weist das
Abstandstück 11 eine Kreisnut, die über ein Ende der Anode 5 und
des Anodenhaltezylinders paßt, und einen mittigen Sockel 25
auf, der ein Ende der Ampulle 9 innerhalb der Anode und des
Anodehaltezylinders 15 hält und zentriert. Das Abstandsstück
11 besitzt einen Außenrand 26, der gegen die Gehäusewand
anliegt und eine Bewegung der Anode 5 und des
Anodenhaltezylinders 15 innerhalb des Gehäuses 2 verhindert. Elastische
Kissen 12, 13 zwischen dem Abstandsstück 11 und dem Behälter
9 drücken den Behälter 9 in Richtung zu dem Isolierring 20
an dem geschlossenen Ende 14 des Gehäuses 2. Wie man an
besten Fig. 3 sieht, weist der Isolierring radiale Kanäle auf,
um eine Fluidverbindung zwischen dem Behälter 9 und dem
Batterieschichtaufbau zu ergeben.
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Ein Abbrennen des pyrotechnischen Materials bewirkt, daß
sich die Mitte des Endes 14 nach innen wölbt. Der Ring 20
besitzt die zusätzliche Aufgabe, den Batterieschichtaufbau
gegenüber einer Verformung zu schützen, da er zwischen dem
Batterieschichtaufbau und dem geschlossenen Ende angeordnet
ist.
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Als ein Merkmal der Erfindung ist eine feste, isolierende
Aktivierungsscheibe in der Mitte des Isolierringes 20
angeordnet, um Druck von dem Gehäuseende 14 auf den Behälter 9
zu übertragen, während eine Verformung des Ringes 20
verhindert wird. Poröse Isolierscheiben 22 und 23 an den Enden der
Zelle 1 enthalten Teile des Behälters 9.
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Den Vorteil der Erfindung erkennt man am besten während der
Aktivierung. Der Behälter 9 wird durch Druck auf das
Gehäuseende 14 aufgebrochen, der durch die Scheibe 21 auf den
Behälter übertragen wird. Die anderen Zellenteile, wie die
Anode 5 und der Anodentragzylinder 15 sind von dem Ende 14
durch den Ring 20 getrennt und werden nicht verformt.
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Die beste Ausführungsform der Erfindung wurde beschrieben.
Man kann erkennen, daß viele Abänderungen bei einer Zelle
durchgeführt werden können, man jedoch dabei innerhalb des
Umfanges der Ansprüche bleibt.