DE4115267A1 - Knopfzelle mit ueberdruckschalter - Google Patents
Knopfzelle mit ueberdruckschalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine gasdicht verschlossene
galvanische Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Akkumulatoren in Knopfzellenbauweise,
beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren oder auch
Nickelhydrid-Akkumulatoren, treten bei einer Überladung oder
Aufladung mit zu hohen Strömen sowie auch nach einer Umpolung
hohe innere Gasdrücke auf, die schließlich zu einem Bersten
solcher Zellen führen können. Zur Beherrschung der Überdrücke
und der damit verbundenen Sicherheitsrisiken benutzt man bei
größeren Akkumulatoren Überdruckventile, die bei zu hohen
Drücken ansprechen. Bei Knopfzellen lassen sich wegen der
beengten Raumverhältnisse und aus Kostengründen Überdruckventile
kaum anbringen. Man bringt daher in bekannter Weise bei solchen
Zellen Schwachstellen an, beispielsweise in Form eines
eingeprägten +-Zeichens, die bei einem zu hohen Überdruck
aufreißen und das Platzen der Zelle insgesamt vermeiden. Die
Zellen sind danach unbrauchbar. Probleme mit inneren Überdrücken
treten nicht nur bei Akkumulatoren, sondern auch bei
Primärzellen in Knopfbauweise auf, beispielsweise bei
Kurzschlüssen oder auch nach einer Umpolung.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
gasdicht verschlossene, galvanische Knopfzellen oder
Knopfzellenbatterien zu schaffen, bei denen zu hohe innere
Gasdrücke ohne Anbringung von Schwachstellen oder
Überdruckventilen sicher vermieden werden. Gleichzeitig soll das
Volumen der Zellen nicht wesentlich zunehmen, so daß die
Kapazitäten nicht beeinträchtigt werden.
Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1
angegeben.
Durch das Abschalten des den Überdruck verursachenden
Lade- oder Entladestroms wird dafür gesorgt, daß der Druck
jeweils nicht weiter ansteigt. Zusätzlich zum Berstschutz kann
dadurch auch eine verläßlicher Umpolschutz sowie eine
Schnelladefähigkeit für Knopfzellen-Akkumulatoren verwirklicht
werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche. So kann vorgesehen sein, daß der Gehäuseboden
und/oder der Deckel doppelwandig mit abgedichtetem Zwischenraum
ausgebildet sind, wobei der Kontakt zwischen der als Membran
wirkenden Innenwand und der benachbarten Elektrode angeordnet
ist. Die Membran kann verhältnismäßig dünn sein und schon bei
geringerem Überdruck ansprechen. Außerdem ist die
Reproduzierbarkeit besser sicherzustellen. Die dem Kontakt
zugewandte Elektrodenfläche wird mit Vorteil durch eine die
Aussparung der Isolierschicht überdeckende Metallscheibe
verstärkt, um einen besseren Kontakt und einen niedrigeren
Durchgangswiderstand sicherzustellen. Die Metallscheibe kann
dabei etwa den Durchmesser der Elektrode besitzen und ist im
Bereich außerhalb der Aussparung gelocht.
Die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der
Kontaktgabe läßt sich dann verbessern, wenn in Weiterbildung der
Erfindung zwischen der Metallscheibe und dem Gehäuseboden bzw.
Deckel ein elastischer, den Druckkontakt umgebender
Dichtungsring angeordnet ist, wobei die Höhe des entspannten
Dichtungsrings größer als die Höhe des entspannten
Druckkontaktes sein muß. Der Kontakt wird dann in einem gegen
die Zelle hermetisch abgeschlossenen Raum hergestellt, in den
insbesondere auch kein Elektrolyt eindringen kann. Zur
Verbesserung der Abdichtung kann vorgesehen sein, daß der
Dichtungsring in der Aussparung der Isolierscheibe angeordnet
und mit der Metallscheibe und dem Gehäuseboden bzw. dem Deckel
verklebt ist.
Der Druckkontakt selbst läßt sich auf unterschiedliche
Weise verwirklichen. Auf einfache Weise kann der Gehäuseboden
und/oder der Deckel mit einer vorzugsweise im Zentrum
angeordneten, zum Zelleninneren weisenden Eindrückung versehen
sein, die dann den Druckkontakt bildet. Der Druckkontakt kann
aber auch durch eine Teller-, Well- oder Schraubenfeder gebildet
sein, die vorzugsweise mit der Elektrode oder mit dem
Gehäuseboden bzw. dem Deckel durch Schweißung verbunden ist. Zur
Sicherstellung eines guten und dauerhaften Kontaktes besitzt der
Druckkontakt zweckmäßig auf einer oder beiden Kontaktflächen
eine elektrolytbeständige Kontaktmetallauflage.
Bei einer Doppelzelle wird mit Vorteil jede Zelle mit
einem Druckkontakt ausgestattet, die für die eine Zelle am Boden
und für die andere Zelle am Deckel des gemeinsamen Gehäuses
angeordnet sind. Auch wenn die beiden Zellen sich dann etwas
unterschiedlich verhalten, ist sichergestellt, daß eine
Abschaltung des Stromes erfolgt, wenn der Überdruck in einer der
Zellen den vorgegebenen Wert übersteigt. Bei Mehrfachzellen
besitzt zum gleichen Zweck jede Zelle einen Druckkontakt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht außerdem vor,
daß bei einer Knopfzelle oder einer Knopfzellenbatterie mit
einem an der Gehäuseinnenwand anliegenden, über die Höhe der
Zelle bzw. Batterie durchlaufenden Stützring aus Kunststoff die
Isolierscheibe und der Stützring einstückig ausgebildet sind.
Zum einen läßt sich dadurch ein gesondertes Bauteil einsparen,
was insbesondere für die Montage der Zelle bzw. Batterie wichtig
ist, zum anderen wird aber der Reststromfluß nach dem
Ausschalten des Kontaktes verringert, der über Elektrolytreste
zum Zellenboden fließen kann, wenn zwischen der Isolierscheibe
und dem Stützring ein Spalt vorhanden ist. Dieser Spalt läßt
sich auch dadurch vermeiden, daß die Isolierscheibe bis unter
den Stützring reicht.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, daß der
Druckkontakt als Thermoschalter ausgebildet ist, der bei einer
Übertemperatur der Zelle ausschaltet. Eine solche Ausbildung ist
auch von selbständiger Bedeutung, kann also auch ohne auf einen
bei innerem Überdruck ansprechenden Druckschalter vorgesehen
sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen beschrieben, die in der Zeichnung
dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Akkumulator in
Knopfzellenbauweise mit einem Druckkontakt am
Gehäuseboden;
Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 1,
Fig. 3 eine Abwandlung der Ausführungsbeispiele nach Fig.
1 und 2 mit einem Druckkontakt am Zellendeckel,
Fig. 4 eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach
Fig. 1,
Fig. 5 zwei Ansichten eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung, bei dem der Druckkontakt in einem
abgedichteten Trockenraum angeordnet ist,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem
Thermokontakt und
Fig. 7 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Die Knopfzelle nach Fig. 1 besitzt in üblicher Weise
ein gemeinsames druckfestes Gehäuse 1, in dem eine negative und
eine positive Elektrode 2, 3 mit einem zwischenliegenden
Separator 4 angeordnet sind. Ein aus Isolierstoff bestehender
Stützring 5 isoliert die Elektroden gegen die Außenwand des
Gehäuses 1 und bildet gleichzeitig am Oberrand eine Abdichtung
und Isolation für den Deckel 6, der durch Umbördeln des
Gehäuseoberrandes in üblicher Weise festgelegt ist.
Im Inneren liegt eine Isolierscheibe 8 auf dem
Gehäuseboden 7. Zur Verdeutlichung ist die Isolierscheibe 8
übertrieben dick dargestellt. Sie hat in einem praktischen
Ausführungsbeispiel eine Dicke von etwa 0,2 mm. Im Zentrum
besitzt die Isolierscheibe 8 eine Aussparung 9, in die eine
Eindrückung 10 des Bodens 7 hineinragt. Die Tiefe der
Eindrückung 10 ist so gewählt, daß beim Verschließen der Zelle
die Spitze der Eindrückung 10 unter Druck an einer Metallscheibe
11 anliegt, die zwischen der negativen Elektrode 2 und der
Isolierscheibe 8 angeordnet ist. Dadurch wird ein Kontakt mit
niedrigem Übergangswiderstand zwischen der Eindrückung 10 und
der negativen Elektrode 2 hergestellt. Der Deckel 6 stellt in
üblicher Weise die Verbindung zur positiven Elektrode 3 her.
Wenn beim Aufladen oder Überladen der Zelle oder auch
beim Umpolen ein bestimmter Gasüberdruck in der Zelle entsteht,
beult sich der Gehäuseboden 7 (und auch der Deckel 6) nach außen
auf, so daß sich die Einprägung 10 von der Metallplatte 11
abhebt und der Stromdurchgang unterbrochen wird. Bei richtiger
Wahl der Wandstärke für den Gehäuseboden 7 und die Vorspannung
des Druckkontaktes 10-11 bleibt dabei die Verformung des Bodens
7 im elastischen Bereich, so daß nach Abbau des Überdrucks der
Kontakt zwischen der Eindrückung 10 und der Metallplatte 11
wieder hergestellt wird und die Zelle dann wieder betriebsbereit
ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist nur im
Bereich des Druckkontaktes abgewandelt, so daß für die übrigen
Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 benutzt werden.
In der etwas größer gehaltenen Aussparung 9 der Isolierscheibe 8
ist eine Feder 20 angeordnet, die auf der in der Zeichnung
linken Seite mit dem Gehäuseboden 7 verschweißt ist. Die Spitze
der Feder 20 stellt ähnlich wie in Fig. 1 die Eindrückung 10 den
Kontakt zur Metallscheibe 11 her. Im übrigen ist die Funktion
die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die
Vorspannung zwischen der Feder 20 und der Metallscheibe 11 läßt
sich aber genauer einstellen und damit auch der gewünschte
Überdruck, bei dem der Kontakt öffnet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 entspricht in
wesentlichen Teilen den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2,
so daß auch hier für diese Teile wieder die gleichen
Bezugsziffern verwendet werden. Abweichend von den
Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 ist eine Isolierscheibe
18 mit einer Aussparung 19 zwischen dem Deckel 6 und einer auf
der positiven Elektrode 3 liegenden Metallscheibe 21 angeordnet.
Der Deckel 6 besitzt eine Eindrückung 10, die beim Verschließen
der Zelle in Kontakt mit der Metallscheibe 21 und damit der
positiven Elektrode 3 herstellt. Wie bei den
Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 wölbt sich der Deckel 6
(und der Boden 7) bei einem in der Zelle auftretenden Überdruck
aus, und bei Erreichen eines bestimmten, vorgegebenen Wertes
öffnet der Kontakt zwischen der Auswölbung 10 und der
Metallscheibe 21. Auch hier kann nach Abbau des Überdrucks der
Kontakt wieder schließen, so daß die Zelle funktionstüchtig
bleibt.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Knopfzelle, die sich von
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß
die Isolierscheibe 4 und der Stützring 5 einstückig aus
Kunststoff hergestellt sind. Das Bauteil 4, 5 kann dann in einem
Arbeitsgang in das Gehäuse 1 eingelegt werden. Wenn der
Druckkontakt 10 bei Auftreten eines hohen inneren Überdrucks
öffnet, also von der Metallscheibe 11 durch Ausbeulen des Bodens
7 abhebt, so kann nur ein sehr kleiner Leckstrom von der
negativen Elektrode 2 über die Metallscheibe 11 im Bereich der
Aussparung 9 zum Boden 7 fließen. Der bei den
Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 vorhandene Spalt
zwischen dem Stützring 5 und der Isolierscheibe 4 ist vermieden.
Fig. 5 zeigt zwei Betriebszustände eines
Ausführungsbeispiels für eine Knopfzelle, das dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht. Abweichend ist aber
der Druckkontakt 20 in einem hermetisch abgedichteten Raum 21
angeordnet, der innerhalb der Aussparung 9 des Isolierrings 4
liegt und durch einen Dichtungsring 22 zwischen dem Boden 7 und
der Metallscheibe 11 begrenzt wird. Fig. 5a zeigt den Zustand
vor dem Verschluß der Zelle. Der Dichtring 22 in Form eines
O-Rings hat dabei seine entspannte Höhe. Die entspannte Höhe des
Druckkontaktes 20 ist kleiner als die des Dichtrings 22, so daß
der Kontakt geöffnet ist. Zur Verbesserung der
Abdichtungswirkung ist der Dichtungsring 22 sowohl mit der
Metallscheibe 11 als auch mit dem Gehäuseboden 7 verklebt. Der
Druckkontakt 20 ist einseitig bei 23 mit dem Gehäuseboden 7
verschweißt. Dadurch wird neben einer Lagesicherung ein
niedriger Kontaktwiderstand erzielt.
Beim Verschluß der Zelle wird der Dichtungsring 22
zusammengepreßt, bis die Metallscheibe 11 auf dem Isolierring 4
aufliegt. In diesem Zustand, der in Fig. 5b dargestellt ist,
liegt auch der Druckkontakt 20 unter Vorspannung an der
Metallscheibe 11 an, so daß die negative Elektrode 2 über die
Metallscheibe 11 und den Druckkontakt 20 mit dem Gehäuseboden 7
verbunden ist. Wenn dann ein hoher innerer Überdruck in der
Zelle auftritt, beult sich der Gehäuseboden 7 nach außen aus.
Dabei wirkt der Überdruck auf die Gesamtfläche des Gehäusebodens
7 mit Ausnahme des kleinen Bereiches innerhalb des Raumes 21.
Auf die Metallscheibe 11 wirkt dagegen der Überdruck nur
innerhalb dieses kleinen Bereiches und führt daher höchstens zu
einer vernachlässigbaren Einwölbung in den Raum 21. Der
Überdruck löst demgemäß den Druckkontakt 20 von der Platte 11,
so daß der Strom abgeschaltet wird.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein
Thermoschalter 24 vorgesehen ist. Der Thermoschalter 24 besteht
in bekannter Weise aus einem Bimetall, das sich aufgrund
unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von zwei miteinander
verbundenen Metallschichten bei Temperaturänderungen krümmt. Der
Thermoschalter 24 ist dabei an einer Blechscheibe 25 angebracht,
die zwischen zwei Isolierscheiben 4a, 4b angeordnet ist, die je
eine Aussparung 9 für den Thermoschalter 24 besitzen. Die
Blechscheibe 2 ist auf der in der Darstellung linken Seite über
eine nicht im einzelnen dargestellte Lasche mit dem Gehäuseboden
7 verbunden, so daß der Thermoschalter 24 einen Kontakt zwischen
dem Gehäuseboden 7 und der Metallscheibe 11 unterhalb der
negativen Elektrode 2 herstellen kann. Der Thermoschalter 24
krümmt sich bei zu hoher, vorgegebener Temperatur in Richtung
zum Gehäuseboden 7, so daß der Kontakt geöffnet wird. Die Zelle
ist dadurch sicher vor zu hohen Temperaturen geschützt, die beim
überladen oder auch bei zu hohen Entladestromstärken auftreten
können. Der Thermoschalter 24 wirkt zusätzlich in der in
Verbindung mit den weiteren Figuren beschriebenen Weise als
Überdruckschalter, öffnet also, wenn der Boden bei zu hohem
Innendruck ausgebeult wird.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem der Kontakt nicht direkt zwischen dem Gehäuseboden 7 und
der benachbarten Elektrode 2 bzw. der Metallscheibe 11
hergestellt wird. Es ist vielmehr eine aus Metall bestehende
Membran 27 vorgesehen, die durch einen Metallring 26 im Abstand
vom Gehäuseboden gehalten ist. Die Membran 27 weist mittig einen
Druckkontakt 10 auf, der im normalen Betriebszustand an der
Metallscheibe 11 anliegt und die Elektrode 12 über die
Metallscheibe 26 mit dem Gehäuse 1 verbindet. Der Raum 29
zwischen der Membran 27 und dem Gehäuseboden 7 ist gegen das
Zelleninnere abgedichtet, so daß bei einer Druckzunahme im
Zelleninneren die Membran 27 sich in Richtung zum Gehäuseboden
durchbiegt und der Kontakt öffnet. Eine umlaufende Sicke 27
verbessert die elastischen Eigenschaften der Membran 27, die
vorzugsweise aus gehärtetem Stahlblech besteht, das
gegebenenfalls vernickelt sein kann. Die übrigen Bauteile des
Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 entsprechen denen der
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und tragen daher
die gleichen Bezugszeichen.
Claims (14)
1. Gasdicht verschlossene galvanische Knopfzelle oder
Knopfzellenbatterie mit Elektroden, Separatoren und einem
Elektrolyten, die in einem Gehäuse mit isoliertem und
abdichtendem Deckel angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (1) und/oder der Deckel (6) wenigstens teilweise aus elastisch verformbarem, elektrisch leitendem Material bestehen,
daß zwischen mindestens einer Elektrode (2, 3) und dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) eine elektrolytbeständige, mit einer Aussparung (9, 19) versehene Isolierscheibe (8, 18) angeordnet ist und
daß in der Aussparung (9) ein elektrisch leitender, federnder Druckkontakt (10, 20) angebracht ist, der beim Verschluß der Zelle die Elektrode (2, 3) mit dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) verbindet und so ausgebildet ist, daß er bei Überschreiten einer durch inneren Gasdruck bewirkten, vorgegebenen Verformung des Gehäusebodens (7) bzw. Deckels (6) öffnet.
daß das Gehäuse (1) und/oder der Deckel (6) wenigstens teilweise aus elastisch verformbarem, elektrisch leitendem Material bestehen,
daß zwischen mindestens einer Elektrode (2, 3) und dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) eine elektrolytbeständige, mit einer Aussparung (9, 19) versehene Isolierscheibe (8, 18) angeordnet ist und
daß in der Aussparung (9) ein elektrisch leitender, federnder Druckkontakt (10, 20) angebracht ist, der beim Verschluß der Zelle die Elektrode (2, 3) mit dem benachbarten Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) verbindet und so ausgebildet ist, daß er bei Überschreiten einer durch inneren Gasdruck bewirkten, vorgegebenen Verformung des Gehäusebodens (7) bzw. Deckels (6) öffnet.
2. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseboden (7) und/oder der
Deckel doppelwandig mit gedichtetem Zwischenraum (29)
ausgebildet sind und
daß der Kontakt zwischen der als Membran wirkenden Innenwand
(27) und der benachbarten Elektrode (2) angeordnet ist (Fig. 7).
3. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kontakt (10, 20)
zugewandte Elektrodenfläche durch eine die Aussparung (9, 19)
der Isolierscheibe (8, 18) überdeckende Metallscheibe (11, 21)
verstärkt ist.
4. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (11, 21) im
Bereich außerhalb der Aussparung (9, 19) gelocht ist.
5. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch 3
oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Metallscheibe
(11) und dem Gehäuseboden (7) bzw. Deckel (6) ein elastischer,
den Druckkontakt (20) umgebender Dichtungsring (22) angeordnet
ist, und daß die Höhe des entspannten Dichtungsrings (22) größer
als die Höhe des entspannten Druckkontaktes (20) ist (Fig. 5).
6. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch
5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (22) in der
Aussparung (9) der Isolierscheibe (4) angeordnet und mit der
Metallscheibe (11) und dem Gehäuseboden (7) bzw. dem Deckel (6)
verklebt ist.
7. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseboden
(7) und/oder der Deckel (6) mit einer vorzugsweise im Zentrum
angeordneten, zum Zelleninneren weisenden Eindrückung (10)
versehen ist, die den Druckkontakt bildet (Fig. 1, 3, 4).
8. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt
durch eine Teller-, WeIl- oder Schraubenfeder (20) gebildet ist
(Fig. 2, 5).
9. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) mit der Elektrode
oder mit dem Gehäuseboden (7) bzw. dem Deckel durch Schweißung
verbunden ist.
10. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt
auf einer oder beiden Kontaktflächen eine elektrolytbeständige
Kontaktmetallauflage aufweist.
11. Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Doppelzelle jede Zelle
einen Druckkontakt besitzt, die für die eine Zelle am Boden und
für die andere Zelle am Deckel des gemeinsamen Gehäuses
angeordnet sind.
12. Knopfzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrfachzellen jede Zelle
mit einem Druckkontakt ausgestattet ist.
13. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie mit einem an
der Gehäuseinnenwand anliegenden, über die Höhe der Zelle bzw.
Batterie durchlaufenden Stützring (5) aus Kunststoff nach einem
der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierscheibe (4) und der
Stützring (5) einstückig ausgebildet sind (Fig. 6).
14. Knopfzelle oder Knopfzellenbatterie nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkontakt
zusätzlich als Thermoschalter ausgebildet ist, der bei
Übertemperatur ausschaltet (Fig. 6).
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