DE4037365A1

DE4037365A1 - Waessrige elektrochemische zelle

Info

Publication number: DE4037365A1
Application number: DE4037365A
Authority: DE
Inventors: Vance Rogers Shepard; Michelle Wolfe
Original assignee: Duracell Inc USA
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1991-06-13
Also published as: US4999264A; JPH03210761A; IT9067895A0; GB9022222D0; FR2655198A1; GB2238421A; BR9005932A; BE1005392A3; AU6693690A; IT9067895A1; CA2027616A1; IT1241011B

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle gemäß An spruch 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft wäßrige, elektrochemische Zellen und im besonderen eine Vorrichtung, die sich außer halb des abgedichteten Zelleninnenraums befindet, um damit Elektrolyt abzufangen, der dem abgedichteten Innenraum ent weichen könnte.

Unter normalen Einsatzbedingungen lecken im Handel erhältli che, alkalische Zellen nicht. Wenn Zellen jedoch extremen Umweltbelastungen (wie wiederholten, extremen Temperatur wechseln in kurzen Zeitabständen) ausgesetzt werden, ist es möglich, daß die Dichtungen beschädigt werden, was zum Durchsickern des Elektrolyten führt. Falls solche Lecks auf treten, kann der Elektrolyt mit den Zellen betriebene Geräte beschädigen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung außerhalb der Dichtung und innerhalb einer äußeren Metall hülle vorgesehen, um einen Elektrolyten zurückzuhalten, der durch die Dichtung sickern könnte. Bevorzugterweise ist die Elektrolyt-Rückhalte-Vorrichtung für den Benutzer oder für damit betriebene Geräte oder Teilen hiervon nicht von außen zugänglich. Im Ergebnis wird der Elektrolyt, der bei einigen Materialien Korrosion hervorruft, vom Kontakt mit äußeren Oberflächen der Zelle abgehalten.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Abdichtungsscheibe zur Verfügung, die einen Gelbildner enthält, der sich im Zellen kopf außerhalb der Dichtung befindet. Ein typischer Kopf einer zylindrischen, alkalischen Zelle besteht im wesentli chen aus einer Kunststoffdichtung, einem Metallträgerteil und aus einer äußeren, metallischen Endkappe. Die Kunst stoffdichtung sitzt eng eingepaßt im offenen Ende eines Zellengehäuses. Das Metallträgerteil ist auf der oberen Oberfläche der Dichtung angeordnet und stellt die mechani sche Stütze für die Dichtung beim Bördeln dar. Die äußere, metallische Endkappe ist mit einem Anodenstromabnehmer elek trisch verbunden, womit die Endkappe den negativen Pol der Zelle darstellt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Abdichtungsscheibe auf der Oberseite des Metallträgerteils angeordnet. Die äußere, metallische End kappe befindet sich über der Kunststoffdichtung, womit die Abdichtungsscheibe zwischen Trägerteil und Endkappe angeord net ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ab dichtungsscheibe so angepaßt, daß sie den Raum zwischen Trä gerteil und Endkappe im wesentlichen ausfüllt.

Eine übliche Konstruktion alkalischer Zellen weist auch einen anodischen Leiter auf, der durch das Zentrum der Dich tung geführt ist. Deshalb sind zwei Durchsickerwege möglich; ein Weg ist zwischen der Dichtung und dem Zellengehäuse und der zweite Weg ist zwischen dem anodischen Leiter und der Dichtung. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Durchsickern an beiden Wegen zu verhindern. Wenn daher ein Elektrolyt aus dem inneren Behälter über einen der Wege aus läuft, absorbiert der Gelbildner den Elektrolyten sofort und verhindert, daß der Elektrolyt auf die äußere Oberfläche der äußeren Metallhülle austritt.

Der hier verwendete Begriff "Gelbildner" beinhaltet sowohl gewöhnliche Gelbildner als auch Superabsorbentia. Gewöhnli che Gelbildner sind Polyacrylsäure, Polyacrylat, Carboxy methylzellulose und dergleichen. Beispiele für Superabsor bentia, die tatsächlich Flüssigkeit absorbieren und bis zum tausendfachen ihres Gewichts Wasser absorbieren können, sind Stärke-Pfropfcopolymere. Die US-PSen 44 35 488; 44 55 358 und 45 63 404 offenbaren Gelbildner des Typs, der hier ver wendet werden kann; auf diese Druckschriften wird hier inso weit vollinhaltlich Bezug genommen.

Vor kurzem wurden Anstrengungen unternommen, eine Substanz einzusetzen, die außerhalb der Dichtung mit dem Elektrolyten chemisch reagiert. Ein solcher Ansatz ist in der US-PS 42 58 108 offenbart. Ein Problem bei der Verwendung von Sub stanzen, die chemisch reagieren, ist, daß das Reaktionspro dukt häufig nur geringfügig weniger korrodierend wirkt als der Elektrolyt selbst. Die weniger korrodierend wirkenden Reaktionsprodukte können nach wie vor zur Außenhülle der Zelle austreten, da es keine Zurückhalte- oder Fangvorrich tung für diese Substanzen gibt. Deshalb ist es notwendig, zusammen mit den chemisch reagierenden Hilfsmitteln einen Lack oder andere geeignete Abdichtungen zu verwenden, um die Chemikalien zurückzuhalten. Lacke oder Beschichtungen sind jedoch auch anfällig gegenüber Lecks und können abgeschabt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wäß rige elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, bei der auslaufende Elektrolyten absorbiert werden, ohne daß schädigende Folgeprozesse auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und anhand der Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer elektrochemischen Zelle, die eine Abdichtungsscheibe aufweist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gel enthält;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer elektrochemischen Zelle, bei der zwei Abdichtungs scheiben im Zellenkopf angeordnet sind;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des oberen Teils einer elektrochemischen Zelle, die eine andere Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung aufweist, und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Laminarstruktur, die zur Herstellung von Abdichtungsscheiben verwendet werden kann, um diese gemäß der vorliegenden Erfin dung einzusetzen.

Gemäß Fig. 1 ist eine elektrochemische Zelle 10 gezeigt, die eine Kunststoffdichtung 12 aufweist. Die Dichtung 12 weist ein Kunststoffteil 14 und einen Metallträger 16 auf, die einstückig miteinander verbunden sind. Ein oberes Ende 20 eines Zellengehäuses 18 ist nach innen gebördelt, um eine dichte Anlage mit der Dichtung 12 zu erreichen. Ein nagel artiger, anodischer Leiter 22 durchdringt ein zentral ange ordnetes Ausbuchtungsteil 26 der Dichtung 12, und eine äußere Metallhülle 30 in Schalenform ist mit dem Kopf des anodischen Leiterdrahts verbunden, womit die Hülle den ex ternen, anodischen Kontakt der Zelle darstellt. Ein Zylinder aus aufschrumpfbarem Material 32 ist um das Zellengehäuse 18 herum angeordnet. Nach dem Aufschrumpfen überlappt ein Teil 34 des Materials 32 die äußere Metallhülle 30 wie darge stellt. Der Teil 34 dient dazu, einen umfangsseitigen Flansch 36 der äußeren Metallhülle 30 eng gegen eine Abdich tungsscheibe 28 zu drücken.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Abdichtungsscheibe 28, die einen Gelbildner enthält, auf dem Metallträgerteil 16 angeordnet. Die Abdichtungsscheibe 28 liegt dem Ausbuch tungsteil 26 eng an und weist einen äußeren Durchmesser auf, der ausreichend groß ist, um den gebördelten Rand 20 des Zellengehäuses 18 zu überlappen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die äußere Metallhülle 30 vor zugsweise einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als der Durchmesser der Abdichtungsscheibe 28 ist. Falls der Elektrolyt zwischen der Dichtung 12 und dem Zellengehäuse 20 durchsickert, würde er dementsprechend mit der Scheibe 28 in Kontakt kommen und dadurch absorbiert werden. Falls der Elektrolyt über den alternativ möglichen Weg zwischen dem Nagel 22 und dem Kunststoffteil 14 durchsickern sollte, würde er auch noch in Kontakt mit der Scheibe 28 kommen und dadurch absorbiert werden.

Die Abdichtungsscheibe 28 besteht im wesentlichen aus dem Gelbildnermaterial, das genügend gepreßt ist, so daß ein einheitlicher Gegenstand geformt werden kann. Zusätzlich können kleine Mengen an Bindemittel oder an Kleber, die ge gen Alkalien resistent sind, hinzugefügt werden, um die Kohäsionskräfte der Gelbildnerpartikel zu verstärken. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Abdichtungs scheibe 28 aus wenigstens einer Substratschicht und aus we nigstens einer Gelbildnerschicht. Die Substratschicht kann aus jedem nicht-leitenden Material hergestellt sein, das in Anwesenheit des alkalischen Elektrolyten nicht abgebaut wird. Geeignete Materialien sind nicht-gewebte Folien aus Polypropylen, Polyvinylalkohol, Polyethylen, Kunstseide, Ge webe und dergleichen. Die Foliendicke sollte zwischen unge fähr 51 µm (2 mils) und 381 µm (15 mils) und bevorzugt zwi schen 76,2 µm (3 mils) und 177,8 µm (7 mils) liegen.

In einer Ausführungsform besteht die Abdichtungsscheibe aus einer Substratmaterialschicht und einer Gelbildnerschicht. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Ausführungsform beinhaltet, daß auf eine Seite des Substratmaterials eine einheitliche Schicht aus Gelbildnerpulver aufgebracht wird. Diese durchlaufen dann Preßrollen, um die Schichten ausrei chend zusammenzudrücken, so daß das Gelbildnerpulver auf der Substratoberfläche fixiert wird. Die Abdichtungsscheiben können dann aus der Folie herausgestanzt werden, indem ein Gesenk oder andere passende Schneidewerkzeuge verwendet wer den.

Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung der Abdichtungs scheiben, das dem oben beschriebenen ähnlich ist, wird eine zweite Substratmaterialschicht zusätzlich auf die Schicht aus Gelbildnerpulver aufgetragen. Obwohl der Gelbildner sich in der Mitte dieses "Sandwiches" befindet, kann er überraschenderweise dennoch jedes Durchsickern verhindern. Gemäß Fig. 4 ist eine Drei-Schicht-Laminare 43 gezeigt. Die Laminare besteht aus einer ersten Schicht aus Substrat 44, einer zweiten Schicht aus Substrat 46 und einer Gelbildner schicht 48, die sich dazwischen befindet. Die drei Schichten durchlaufen Preßrollen, um eine einheitliche, zusammenge setzte Folie zu erzeugen. Die Abdichtungsscheiben können dann aus der gebildeten Folie herausgeschnitten werden. Auf ähnliche Weise kann eine Viel-Schicht-Struktur hergestellt werden, die viele Schichten aus Gelbildner und viele Schich ten aus Substratmaterial aufweist.

Alternativ kann die Abdichtungsscheibe aus einem hochporösen Material hergestellt werden, wie zum Beispiel aus einer nicht-gewebten, faserigen Matte, die aus Fasern der Sub stratmaterialien hergestellt ist, die oben aufgelistet sind. Das Gelbildnerpulver kann über der Matte verteilt werden, so daß eine homogene Verteilung des Gelbildnerpulvers erreicht wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine zweite Abdichtungsscheibe 40 verwen det wird, die den Gelbildner enthält. Der innere Durchmesser der Abdichtungsscheibe 40 ist derselbe wie der innere Durch messer der Abdichtungsscheibe 28, so daß mit der Ausbuchtung 26 ein Paßsitz erreicht wird. Der äußere Durchmesser der Abdichtungsscheibe 40 ist kleiner als derjenige der Abdich tungsscheibe 28, so daß die Abdichtungsscheibe 40 eine Dicke haben kann, die den Schalenteil 38 der äußeren Metallhülle 30 im wesentlichen ausfüllt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Hauptfunktion der Abdichtungsscheibe 40 ist die Aufnahme von möglichen Leckagen zwischen dem Nagel 22 und der Kunst stoffdichtung 12.

Wie oben diskutiert, kann die Abdichtungsscheibe 40 eine Multi-Laminar-Struktur sein, die sich abwechselnde Schichten aus Gelbildner und Substratmaterial aufweist. Alternativ können die Abdichtungsscheiben aus einer porösen, nicht ge webten, faserigen Matte hergestellt werden, die auf ihr ver teilt den Gelbildner aufweist. Während Fig. 2 die Abdich tungsscheiben 28 und 40 als getrennte Elemente zeigt, können sie auch als ein einheitlicher Gegenstand hergestellt wer den, der die Zahl der Teile verringert und die Herstellung vereinfacht.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Abdichtungsscheibe 42, die den Gelbildner enthält, ist so geformt, daß sie sich an die innere Oberfläche der äußeren Metallhülle 30 anpaßt. Eine Abdichtungsscheibe, die wie oben beschrieben hergestellt wird, kann in der Wärme so geformt werden, daß sie sich an die Konturen der inneren Oberfläche der Hülle 30 anpaßt. In dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, eine Abdichtungs scheibe 42 zu verwenden, die eine einzige Schicht aus Sub strat und eine einzige Schicht aus Gelbildner aufweist. Die Abdichtungsscheibe 42 ist mit der Kunststoffsubstratschicht gegen die innere Oberfläche der äußeren Metallhülle 30 ange ordnet. Da viele der oben aufgelisteten Substratmaterialien in der Wärme formbar sind, haftet sich die Substratschicht an die innere Oberfläche, wenn mäßige Wärme angewendet wird.

Es ist offensichtlich, daß eine Vielzahl von Kombinationen bezüglich Substratdicke und Gelbildnerdicke möglich ist. Die einzige, wirkliche Begrenzung stellt die Größe der Bauhöhe dar, die im Kopfteil der Zelle verfügbar ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, trägt die Dicke der Abdichtungsscheibe zur Höhe der Zelle bei. Die Druckkraft, die notwendig ist, um die zusammengesetzte Abdichtungsscheibe zu bilden, hängt vom gewählten Substratmaterial und dessen Dicke, wie auch von der Dicke der Gelbildnerschicht ab.

Vergleichende Testergebnisse für Zellen (Zink-Mangandioxid, AA-Größe, alkalische Zellen) gemäß der vorliegenden Erfin dung, die absichtlich mit defekten Dichtungen an der Börde lung hergestellt wurden, zeigen, daß die Zahl der Zellen, die sichtbare Leckanzeichen auf der äußeren Metallhülle auf weisen, um 58% - im Vergleich zu Zellen mit einer Abdich tungsscheibe ohne Gelbildner - reduziert ist, wenn die Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut werden.

Claims

1. Elektrochemische Zelle (10), die eine Anode, eine Ka thode, einen Separator und einen wäßrigen Elektrolyten aufweist, wobei diese Bestandteile in funktionsfähiger Verbindung miteinander stehen und sich in einem zylin drischen Zellengehäuse (18) befinden, das ein offenes Ende aufweist, wobei die Zelle (10) weiterhin aufweist:

a) eine Kunststoffdichtung (12), die am offenen Ende des Zellengehäuses angeordnet ist und das offene Ende abdichtet;
b) einen anodischen Leiter (22), der durch eine in der Mitte liegende Öffnung in der Dichtung geführt ist und bis zur Anode reicht;
c) eine äußere metallische Endkappe (30), die mit dem anodischen Leiter elektrisch verbunden ist und über der Dichtung angeordnet ist, und
d) einen ringförmig angeordneten Gelbildner, der sich außerhalb der Dichtung (12) und innerhalb der metal lischen Endkappe (30) befindet.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gelbildner in Form einer Abdichtungs scheibe (28) vorliegt.

3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Metallträgerteil (16) gegenüber der oberen Oberfläche der Dichtung (12) angeordnet ist und der Gelbildner sich zwischen dem Metallträgerteil (16) und der metallischen Endkappe (30) befindet.

4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine am offenen Ende der Zelle nach innen gerich tete Bördelung, die zusammen mit der Dichtung (12) eine Abdichtung bildet, wobei die Abdichtungsscheibe (28) einen äußeren Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der nach innen gerichteten Bördelung ist.

5. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die äußere metallische Endkappe (30) einen Durchmesser aufweist, der größer als der äußere Durchmesser der Abdichtungsscheibe (28) ist und die Ab dichtungsscheibe (28) so angepaßt ist, daß sie den Raum zwischen der Endkappe (30) und dem Metallträgerteil (16) im wesentlichen ausfüllt.

6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abdichtungsscheibe (28) aus einer Gelbildnerschicht und aus wenigstens einer Schicht ei nes nicht-gewebten, polymerischen Materials zusammen gesetzt ist.

7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abdichtungsscheibe (28) aus zwei Schichten eines nicht-gewebten, polymerischen Materials und einer dazwischenliegenden Gelbildnerschicht be steht.

8. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Polyacrylsäure, Polyacrylnitril, Stärke- Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und Mischun gen davon aufweist.

9. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das nicht-gewebte, polymerische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die nicht-gewebtes Poly propylen, Polyethylen, Polyvinylalkohol, Kunstseide, Gewebe und Mischungen davon aufweist.

10. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine entlang dem oberen Ende des Zellengehäuses gebildete, nach innen gerichtete Bördelung, wobei die metallische Endkappe (30) eine schalenartige Metall hülle aufweist, die über der Dichtung (12) angeordnet ist, und der ringförmig angeordnete Gelbildner wenig stens ein Abdichtungsscheibenteil (28) aufweist, das den Gelbildner enthält und sich zwischen der Dichtung (12) und der äußeren Metallhülle (30) befindet.

11. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

a) eine erste Abdichtungsscheibe (28), die einen äuße ren Durchmesser aufweist, der größer als der Durch messer der nach innen gerichteten Bördelung und ge ringfügig kleiner als der Durchmesser der Metall hülle (30) ist, so daß der äußere Rand des ringför migen Bauteils (28) zwischen der Bördelung und dem äußeren Rand der Metallhülle (30) liegt, und
b) eine zweite Abdichtungsscheibe (40), die einen äuße ren Durchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Durchmesser des Schalenteils der Metallhülle (30) ist, so daß das zweite, ringförmige Bauteil (40) den inneren Hohlraum des Schalenteils im we sentlichen ausfüllt.

12. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste (28) und das zweite (40) ringförmige Bauteil einstückig sind.

13. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß

a) die Abdichtungsscheibe (42) einen äußeren Durchmes ser aufweist, der größer als der Durchmesser der nach innen gerichteten Bördelung und geringfügig kleiner als der Durchmesser der Metallhülle (30) ist, so daß der äußere Rand des ringförmigen Bau teils (42) zwischen der Bördelung und dem äußeren Rand der Metallhülle (30) liegt, und
b) die Abdichtungsscheibe (42) an die innere Oberfläche der äußeren, schalenartigen Metallhülle (30) ange paßt ist und gegenüber dieser Oberfläche angeordnet ist.

14. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe aus gewählt ist, die Polyacrylsäure, Polyacrylnitril, Stärke-Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und Mischungen davon aufweist.

15. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der Gelbildner aus der Gruppe aus gewählt ist, die Polyacrylsäure, Polyacrylnitril, Stärke-Pfropfcopolymeren, Carboxymethylzellulose und Mischungen davon aufweist.