DE69105398T2

DE69105398T2 - Separatoren für elektrochemische Zellen.

Info

Publication number: DE69105398T2
Application number: DE69105398T
Authority: DE
Inventors: Craig A Cooper; Harry R Huhndorff; Marc P Kelemen
Original assignee: Eveready Battery Co Inc
Current assignee: Edgewell Personal Care Brands LLC
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1991-07-23
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JP3273324B2; EP0469776B2; EP0469776B1; HK124795A; KR920003571A; DK140191D0; EP0469776A3; DK140191A; CA2043116A1; DE69105398T3; US5075958A; DE69105398D1; EP0469776A2; JPH056768A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Zellen, bei welchen die Elektroden so angeordnet sind, daß sich eine innerhalb der anderen befindet, wobei eine Trennanordnung zwischen den Elektroden angeordnet ist, um einen elektrischen Kurzschluß zu verhindern.
Diese Art der Anordnung ist hauptsächlich zur Verwendung mit Alkalizellen geeignet. Standard-Alkalizellen werden konventionellerweise mit einer Kathode hergestellt, welche im allgemeinen hauptsächlich ein Oxid-Depolarisationsmittel aufweist, beispielsweise Mangandioxid, gewöhnlich gemischt mit einem Bindemittel und einem leitfähigen Material wie beispielsweise Graphit. Die Kathode wird im allgemeinen fest gegen die Innenwand eines Zellenbehälters gedrückt, wobei der innere Abschnitt der Kathode hohl bleibt, so daß die Kathode einen zylindrischen Aufbau mit einem im Zentrum ausgebildeten Hohlraum aufweist, der an einem Ende geschlossen ist.
Trennmaterial, welches gewöhnlich die Form dünner Platten aus papierartigem Material aufweist, ist in den zentralen Hohlraum der Kathode auf solche Weise eingeführt, daß es dem Hohlraum der Kathode entspricht. Eine Anode, die gewöhnlich ein verbrauchbares Anodenmaterial aufweist, beispielsweise pulverförmiges Zink, gemischt mit einem Geliermittel, beispielsweise Polyacrylsäure oder Carboxymethylcellulose, sowie einen geeigneten alkalischen Elektrolyten, beispielsweise eine wäßrige Kaliumhydroxidlösung, wird dann in den Hohlraum der Trennvorrichtung extrudiert.
Auf diese Weise isolieren die Platten des Trennmaterials elektrisch die Anode von der Kathode, während sie gleichzeitig zulassen, daß Ionen zwischen den Elektroden fließen.
Im allgemeinen werden die Trennstreifen nach unten und durch den zentralen Hohlraum der Kathode gezwungen, so daß der Zentralbereich der Trennvorrichtung parallel zum Boden des Behälters verläuft und in dessen Nähe liegt. Manchmal ist die Einführung der Trennvorrichtung unter Verwendung einer Stangenantriebseinrichtung so gewählt, daß der Zentralbereich der Trennvorrichtung in das Kathodenmaterial am Boden des Behälters hineingetrieben wird. In solchen Fällen können kleine Stücke der Kathode in die Trennvorrichtung hineingetrieben werden, teilweise durch diese hindurch, was potentiell zu einem Kurzschluß der Anode und der Kathode führt, wodurch die Zelle nutzlos wird.
Zusätzlich können sich während der Entladung der Zelle Zinkdendriten ausbilden, die sich durch die Trennvorrichtung im Bodenbereich des Behälters hindurch erstrecken, wodurch sie die Zelle kurzschließen.
Diese beiden Probleme sind schwierig festzustellen, da eine Feststellung nur durch Zerlegung der Zellen möglich ist, um so den unteren, zentralen Abschnitt der Trennvorrichtung nach Anzeichen für eine Kathodenmischungs-Durchdringung oder eine Dendrit-Durchdringung zu untersuchen.
Die GB-A-2 181 584 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Trennkorbes für Standard-Alkalibatterien. Dieser Vorgang verwendet einen Dorn zur Ausbildung und zum Haltern eines Rohrs aus Trennmaterial, auf welchem das Trennmaterial über ein Ende des Rohrs gefaltet wird, und dann eine kleine Menge eines Dichtungsmittels auf die Außenoberfläche des hinübergefalteten Bodens der Trennvorrichtung aufgebracht wird, um einen Korb auszubilden. Das Dichtungsmittel dichtet das Ende des Trennkorbes ab, und kann bei einigen Anwendungen die Trennvorrichtung an anderen Zellenbestandteilen befestigen, beispielsweise der Kathode. Als Schlußschritt kann eine vom Dorn gehalterte Trennvorrichtung in einen Becher eingeführt werden, welcher eine ausgeformte Kathode enthält.
Die CA-A-993 934 zeigt, daß Kohlenstoff/Zink-Zellen üblicherweise dadurch hergestellt werden, daß eine Kohlenstoffstange in einen Zinkbecher eingeführt wird, der eine Kathodenmischung enthält. Bei diesem Herstellungsvorgang ist bekannt, daß er an einer Mischungsdurchdringung durch die Trennvorrichtung unterhalb der Kohlenstoffstange leidet. Um dies zu überwinden sind Bodenschalen beschrieben, die eine für die Mischung undurchdringliche Substanz aufweisen, die auf den zentralen Abschnitt der Innenoberfläche der Schale aufgebracht sind. Eine Beschichtung nur des zentralen Abschnitts der Bodenschale verhindert wirksam eine Mischungsdurchdringung direkt unterhalb der Kohlenstoffstange, während sowohl die Oberfläche der Schale, die zum Aufsaugen des Elektrolyten verfügbar ist, als auch die Anoden/Kathoden-Oberfläche maximiert wird.
Die US-A-3 748 181 beschreibt die Anbringung eines Kunststoffstreifens an der Oberkante einer Trennvorrichtung, welche die Form eines gefalteten, gewickelten Trennvorrichtungskorbes für zylindrische Batterien aufweist. Der Film schaltet innere Kurzschlüsse aus, die durch eine Mischungsverschmierung nahe dem offenen Ende des Bechers während des Vorgangs des Einbringens der Mischung hervorgerufen werden.
Die US-A-4 220 693 beschreibt eine Trennvorrichtung für Alkalizellen, bei welcher eine der Ausführungsformen Polypropylen aufweist, welches an der gesamten Oberfläche des Basis-Trennfilms befestigt ist.
Die US-A-3 097 975 versucht innere Kurzschlüsse zu überwinden, die hervorgerufen werden, wenn eine Elektrode durch die Zwischenräume der Trennvorrichtung "wächst". Ein pulveriges Material wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid wird dazu verwendet, die Abmessungen der Zwischenräume zu verringern.
Es wurde nunmehr herausgefunden, daß es möglich ist, die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten dadurch zu überwinden, daß eine elektrisch isolierende Sperre des Schachtes zur Verfügung gestellt wird, der in der Außenelektrode ausgebildet ist, in Kombination mit gekreuzten Streifen aus Isoliermaterial zur Ausbildung eines Trennkorbes.
Gemäß einer ersten Zielrichtung stellt daher die vorliegende Erfindung eine elektrochemische Zelle zur Verfügung, bei welcher die Elektroden so angeordnet sind, daß sich eine innerhalb eines Hohlraums in der anderen befindet, wobei sich eine für ionendurchlässige, elektrisch isolierende Trennanordnung in den Hohlraum und um die innere Elektrode herum erstreckt, um einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhindern, und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anordnung mehrere Trennstreifen aufweist, deren zentrale Abschnitte in der Extremalposition der Anordnung innerhalb des Hohlraums angeordnet und einander überlagert sind, wobei sich die Radialabschnitte der Streifen entlang der Innenwände des Hohlraums erstrecken, um eine körperliche Berührung zwischen den Elektroden zu verhindern, und die Anordnung weiterhin in ihrer Extremalposition eine elektrisch isolierende Sperre aufweist.
Die Zellen gemäß der Erfindung sind geeignete Alkalizellen, die gewöhnlich mit einer Kathode versehen sind, die in Berührung mit den Innenwänden des Behälters angeordnet ist. Eine derartige Kathode kann bequem so hergestellt werden, daß ein geeignetes Präparat wie beispielsweise ein Granulat in dem Behälter angeordnet wird, und dann ein Stößel hineingezwungen wird. Dies dient dem Zweck der Verdichtung des Kathodenmaterials und sichert gleichzeitig eine enge Passung mit den Wänden des Behälters, und läßt ebenso eine geeignete Bohrung für die Anode übrig.
Daraus wird deutlich, daß die Kathode im allgemeinen die Form eines geschlossenen Rohrs innerhalb des Behälters annimmt, und mit einer zentralen Bohrung versehen ist. Zwar weisen die Zellen der Erfindung vorzugsweise eine derartige Form auf, jedoch ist dies nicht wesentlich. Beispielsweise muß die Bohrung nicht im Zentrum liegen, und es muß noch nicht einmal eine einzige Bohrung sein. Mehrere Bohrungen können für eine Hochleistungszelle vorgesehen sein, jedoch kann eine derartige Anordnung schwierig herzustellen sein. Wenn mehrere Bohrungen vorhanden sind, kann die Trennanordnung gemäß der Erfindung in einer Bohrung oder in mehreren vorgesehen sein, vorzugsweise in allen.
Die Bohrung in der externen Elektrode, die vorzugsweise die Kathode ist, jedoch auch die Anode sein kann, vorausgesetzt daß geeignetes Material verwendet wird, wird im allgemeinen regelmäßig ausgebildet sein, insbesondere wenn sie durch einen Stößel hergestellt wird. Allerdings ist es nicht absolut erforderlich, daß sie eine regelmäßige Ausbildung aufweist, da das Trennmaterial im allgemeinen ausreichend flexibel ist, so daß dann, wenn das zweite Elektrodenmaterial, im allgemeinen die Anode, hineingezwungen wird, dieses die Form der Bohrung annimmt.
Die Außenelektrode muß nicht notwendigerweise in situ hergestellt werden, und kann vorgefertigt sein. Daraus wird deutlich, daß die Bohrung ein offenes Ende aufweisen kann, so daß der Boden des Behälters das Ende der Bohrung in situ bildet.
Die Trennanordnung steht idealerweise in enger Berührung mit beiden Elektroden, da beispielsweise Luftblasen die Leistung der Zelle ernsthaft beeinträchtigen können. Eine derartige, enge Passung wird im allgemeinen dadurch sichergestellt, daß die Anordnung in die Bohrung in der Außenelektrode hineingerammt wird, gefolgt vom Hineinzwängen des Materials der inneren Elektrode.
Es wird darauf hingewiesen, daß die häufigste Konfiguration der Trennanordnungen gemäß der Erfindung so ist, daß die Anordnung ein Rohr mit einem offenen Ende innerhalb der Bohrung der äußeren Elektrode bildet, typischerweise der Kathode. Es ist allerdings möglich, daß beispielsweise das Material für die innere Elektrode in ein Rohr eingebracht wird, welches durch die Trennstreifen gebildet wird, worauf dann die Streifen über der Innenelektrode abdichtend angebracht werden könnten, wodurch die Innenelektrode vollständig umschlossen wird. Bei einer derartigen Anordnung kann der Stromsammler durch die Streifen eingeführt werden.
Als Trennstreifen kann jedes geeignete Material verwendet werden, unter der Voraussetzung, daß in situ der Trennkorb für Ionen durchlässig ist, jedoch elektrisch isolierend. Geeignete Materialien umfassen gewebtes oder unverwebtes Papier aus Cellulosefasern, die auf eine entsprechende Matte aus Vinylfasern, Kraftpapier, α-Cellulosepapier, Methylcellulosefilm, Polyvinylalkohol, Copolymere von Polyvinylacetat und Polyvinylchlorid, Rayon, Nylon, und deren Mischungen auflaminiert sind.
Es kann jede Anzahl an Streifen verwendet werden, obwohl bevorzugt zwei oder drei, insbesondere zwei Streifen, verwendet werden. Die Streifen sind im allgemeinen so angeordnet, daß sich die mittleren Abschnitte überlappen, so daß vor der Verwendung der Effekt eines regelmäßigen Kreuzes oder Sterns entsteht. Es wird darauf hingewiesen, daß auch unregelmäßige Formen verwendet werden können, jedoch Nachteile auftreten können, wenn sich irgendwelche Materialarme nicht ausreichend entlang den Wänden der Bohrung der äußeren Elektrode erstrekken. Weiterhin wird nicht vorgezogen, daß sich die Arme nach außerhalb des Behälters erstrecken, da dies normalerweise deren Entfernung erfordert, bevor der Zusammenbau weitergehen kann. Eine derartige Entfernung ist nicht notwendigerweise schwierig, verschwendet jedoch Zeit und erfordert zusätzliche Werkzeuge.
Eine regelmäßige Form ist auch aus dem Grund bevorzugt um sicherzustellen, daß die innere Elektrode vollständig umschlossen ist. Ein unregelmäßiges Kreuz oder ein unregelmäßiger Stern kann Material auf einer Seite der Bohrung konzentrieren, wogegen wenig oder keine Isolierung auf einer anderen Seite verbleibt.
Es wird daher vorgezogen, daß die Arme des Kreuzes oder des Sterns beide radial gleichmäßig beabstandet sind und eine gleichmäßige Länge aufweisen, obwohl sich unregelmäßige Längen denken lassen. Der Begriff "zentraler Abschnitt" wird hier dazu verwendet, um eine Unterscheidung von den Enden der Streifen zu treffen, und bedeutet nicht notwendigerweise das mathematische Zentrum irgendeines Streifens.
Die Extremalposition der Trennanordnung ist jener Abschnitt, der sich am weitesten in die Bohrung der äußeren Elektrode in Richtung auf die Basis des Behälters erstreckt. Die elektrisch isolierende Sperre ist an diesem Punkt angeordnet, um zu verhindern, daß sich Dendrite durch die Trennvorrichtung erstrecken, und um zu verhindern, daß die Mischung das Material durchdringt.
Die Sperre kann jedes geeignete Material sein, welches dem Zweck dient. Es ist nicht erforderlich, daß sie für Ionen durchlässig ist, und unter der Voraussetzung, daß es gewünscht wird, daß die Sperre dauerhaft und elastisch ist, ist es im allgemeinen nicht praktisch, wenn die Sperre für Ionen durchlässig ist.
Geeignete Sperrenmaterialien umfassen im allgemeinen Kunststoffe, Wachse, Klebstoffe und andere Substanzen, die nicht elektrisch leitend sind. Bevorzugte Materialien umfassen Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Asphalt, Wachs, Polyvinylidenchlorid, Cellophan und Nylon, insbesondere Polypropylen und Polyethylen.
Die Barriere kann auf jede geeignete Weise angebracht werden. Sie kann sich beispielsweise am Boden der Bohrung in der äußeren Elektrode vor der Einführung der Trennanordnung befinden. Allerdings wird sie im allgemeinen zusammen mit der Trennvorrichtung eingeführt. Wird sie mit der Trennvorrichtung eingeführt, so kann sie an jedem geeigneten Ort angeordnet werden. Beispiele umfassen Situationen, in welchen sie an einer Oberfläche eines der Streifen befestigt wird, insbesondere Zwischenstreifen. Alternativ hierzu kann die Sperre einen Klebestreifen aus Kunststoffband aufweisen.
Es wird deutlich, daß mehr als eine Sperre vorgesehen werden kann. Dies kann entweder ein Artefakt der Herstellung sein, oder ein gewünschter Effekt, beispielsweise weil es die Sperre verstärkt. Die Streifen können sämtlich quer von einer Länge von Material abgeschnitten werden, mit einem Streifen aus Sperrenmaterial entlang dessen Zentrum. Dies führt dazu, daß eine Reihe von Streifen vorgesehen ist mit einem zentralen Sperrenelement. Wenn keine weiteren Streifen ohne Sperre vorgesehen sind, dann entspricht die Anzahl an Sperrenelementen in der Trennanordnung der Anzahl an Streifen.
In einem Fall wie dem voranstehend beschriebenen können die Sperrenelemente nützlicherweise selbstklebend sein. Die Streifen können dann Fläche an Fläche angeordnet werden, so daß ein geeigneter, stabiler Stern bzw. ein entsprechendes Kreuz gebildet wird. Dies kann bei der Produktion vorteilhaft sein.
Es wird deutlich, daß sowohl die Sperre als auch die Trennanordnung die Fläche abdecken sollte, welche durch den Boden der Bohrung in der äußeren Elektrode festgelegt ist. Eine von beiden oder beide kann bzw. können größer sein, jedoch kann dies zusätzliche Kraft oder Unbequemlichkeiten beim Positionieren der Anordnung erfordern. Wenn die abgedeckte Fläche kleiner ist, dann erhöht sich das Risiko, daß Dendriten oder eine Mischung den Korb durchdringen.
Bei einer alternativen Zielrichtung stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zusammenbau einer elektrochemischen Zelle zur Verfügung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß nach Bereitstellung eines Zellenbehälters, der in sich eine eine Bohrung aufweisende erste Elektrode aufweist, zwangsweise ein Streifen aus Trennmaterial eingeführt wird, so daß ein zentraler Abschnitt dieses Materials in Berührung mit dem Boden der Bohrung gebracht wird, und die Radialelemente entlang den Seiten der Bohrung verlaufen, gefolgt von einem zwangsweisen Einbringen eines zweiten Trennstreifens in die Bohrung wie beim ersten Streifen, wobei der zweite Streifen gegenüber dem ersten verdreht ist, vorzugsweise um 90º, insbesondere wenn keine weiteren Streifen verwendet werden, und wahlweise weitere Streifen eingeführt werden, zumindest bis die Wände der Bohrung so abgedeckt sind, daß ein elektrischer, nicht jedoch ein ionischer Kontakt zwischen den Elektroden im Gebrauch verhindert wird, und eine elektrisch isolierende Sperre am Boden der Bohrung vorgesehen ist, vorzugsweise zwischen Streifen, und dann der Rest der Zelle auf bekannte Weise zusammengebaut wird.
Das voranstehende Verfahren kann auf irgendwelche Weise abgeändert werden, insbesondere so, daß erfindungsgemäße Zellen wie nachstehend beschrieben hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere elektrochemische Zellen wie beispielsweise Alkalizellen zur Verfügung, welche eine rohrförmige Trennvorrichtung verwenden, die an einem Ende geschlossen ist, und aus zumindest zwei Trennstreifen besteht, von denen jeder einen Bodenabschnitt aufweist und sich entlang Seitenwänden erstreckt, wobei der Bodenabschnitt eines Streifens dem Bodenabschnitt des anderen Streifens überlagert ist, und wobei eine elektrisch isolierende Sperre wie beispielsweise ein Kunststoffilm auf der Oberfläche zumindest eines der Bodenabschnitte der Streifen angeordnet ist, um einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden der Zelle in der Nähe des Bodens der Zellenanordnung zu verhindern.
Bei einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine elektrochemische Zelle zur Verfügung, die in einem Gehäuse zusammengebaut ist, welcher einen Behälter aufweist, der ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende aufweist, das durch einen Deckel abgeschlossen ist; wobei ein erstes aktives Elektrodenmaterial innerhalb der Innenwand des Behälters angeordnet ist und diese berührt und einen zentral angeordneten Hohlraum ausbildet; eine Trennanordnung, die zumindest zwei Trennstreifen aufweist, wobei jeder Streifen einen Bodenabschnitt mit verlängerten Wänden aufweist, und jede Wand durch zwei Kanten festgelegt ist, aufweist; der Bodenabschnitt eines Streifens dem Bodenabschnitt des anderen Streifens überlagert ist, wobei die verlängerten Wände jedes Streifens so angeordnet sind, daß sie den Kanten der Wände des anderen Streifens gegenüberliegen, so daß die Wände einen Hohlraum in der Trennvorrichtung ausbilden; die Trennvorrichtung innerhalb des ersten aktiven Elektrodenmaterials angeordnet ist und dieses berührt; ein zweites aktives Elektrodenmaterial innerhalb des Hohlraums der Trennvorrichtung angeordnet ist; eine erste Klemme auf dem Gehäuse elektrisch mit dem ersten aktiven Elektrodenmaterial verbunden ist; eine zweite Klemme auf dem Gehäuse elektrisch gegenüber der ersten Klemme isoliert ist, und elektrisch mit dem zweiten aktiven Elektrodenmaterial verbunden ist; und eine elektrisch isolierende Sperrschicht auf der Oberfläche zumindest eines der Bodenabschnitte der Trennstreifen angeordnet ist, um einen inneren Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhindern.
Eine bevorzugte Anordnung besteht darin, daß jeder Trennstreifen eine obere Oberfläche und eine Bodenoberfläche aufweist, und die elektrisch isolierende Sperrschicht auf der oberen Oberfläche des untersten Trennstreifens angeordnet ist.
Alternativ ist die elektrisch isolierende Sperrschicht auf der Bodenoberfläche des obersten Trennstreifens angeordnet.
Im allgemeinen wird vorgezogen, daß die Trennvorrichtung zwei Streifen aufweist; daß das erste aktive Elektrodenmaterial die Kathode ist und das zweite aktive Elektrodenmaterial die Anode ist; und daß die Kathode Mangandioxid aufweist, und die Anode Zink.
Unter Schicht wird eine Beschichtung, ein Film oder irgendein anderes diskretes Material verstanden, das sich auf oder in der Oberfläche eines Bodenabschnitts des Trennstreifens befindet. Geeignete, elektrisch isolierende Sperrschichtmaterialien umfassen Polypropoylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Asphalt, Wachs, Polyvinylidenchlorid, Cellophan und Nylon.
Die elektrisch isolierende Sperrschicht kann auch einen Film oder Streifen aufweisen, der ein Klebemittel auf einer seiner Oberflächen aufweist, so daß er an einer ausgewählten Fläche (Bodenabschnitt) eines Trennstreifens befestigt werden kann. Falls das elektrisch isolierende Sperrmaterial ein doppelseitiges Klebeband ist, dann kann es zwischen den Bodenabschnitten der Trennstreifen angeordnet werden, wodurch diese während des Zusammenbauvorgangs befestigt gehalten werden.
Ist das elektrisch isolierende Sperrmaterial Kunststoff, so kann es an der Bodenoberfläche eines Trennstreifens unter Verwendung von Wärme befestigt werden, um den Kunststoff mit der Trennvorrichtung zusammenzulaminieren, oder der Kunststoff kann direkt auf die Trennvorrichtung extrudiert werden.
Bei sämtlichen Ausführungsformen sollte das elektrisch isolierende Sperrmaterial einen wirksamen Schutz gegen eine Durchdringung des Bodenabschnitts der Trennvorrichtung durch kleine Stücke aktiven Elektrodenmaterials zur Verfügung stellen, um die Ausbildung eines inneren, elektrischen Kurzschlusses zu verhindern.
Vorzugsweise ist das erste aktive Elektrodenmaterial das Kathodenmaterial, welches ein oxidisches Depolarisationsmittel wie beispielsweise Mangandioxid aufweist, gewöhnlich gemischt mit einem Bindemittel und einem leitfähigen Material wie beispielsweise Graphit, Acetylenruß oder Mischungen dieser Stoffe. Vorzugsweise ist das zweite aktive Elektrodenmaterial eine Anode, welche Zink gemischt mit einem Geliermittel und einem geeigneten alkalischen Elektrolyten aufweist, beispielsweise wäßriger Kaliumhydroxidlösung.
Geeignete Anodenmaterialien und deren Herstellung sind in der US-A-2 930 064, der US-A-2 935 547 und der US-A-2 993 947 beschrieben.
Obwohl die Kanten der Wände der Trennstreifen idealerweise aneinander anstoßen, um hierdurch eine kreisförmig-zylindrische Konfiguration zur Verfügung zu stellen, können sich in der Praxis die Kanten überlappen, um eine unregelmäßige zylindrische Konfiguration zu bilden. Bei einigen Einsatzzwecken können die Kanten getrennt sein und immer noch eine insgesamt irreguläre Konfiguration zur Verfügung stellen, die bei einigen Zellenanwendungen verwendet werden kann. Die einzige Anforderung besteht darin, daß die Trennstreifen einen zylinderförmigen Korb zur Verfügung stellen, der eine insgesamt aufstehende Wand aufweist, die vollständig geschlossen ist, so daß die Kathode nicht in irgendeinem Bereich der Trennvorrichtung in direkter Berührung mit der Anode steht.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Zelle unter Verwendung der Trennvorrichtung gemäß der Erfindung kann folgende Schritte umfassen:
(a) Positionieren eines ersten aktiven Elektrodenmaterials wie beispielsweise einer Kathode innerhalb eines Behälters, der unten geschlossen und oben offen ist, so daß das erste aktive Elektrodenmaterial einen im Zentrum angeordneten Hohlraum ausbildet, wobei der Behälter als Klemme für das erste aktive Elektrodenmaterial ausgebildet ist
(b) Zwingen eines ersten Streifens aus Trennmaterial und eines zweiten Streifens aus Trennmaterial in den Hohlraum des ersten aktiven Elektrodenmaterials, und Zwingen der Streifen dazu, daß sie die Kontur des Hohlraums des ersten Elektrodenmaterials annehmen, wobei der erste Streifen um 90º versetzt in bezug auf den zweiten Streifen angeordnet ist, so daß ein ausgewählter Bereich im mittleren Abschnitt der Streifen überlappt, und eine elektrisch isolierende Sperrschicht auf der Oberfläche zumindest eines der Streifen an dem ausgewählten Bereich in dem mittleren Abschnitt der Streifen angeordnet ist, welcher überlappt;
(c) Hinzufügen eines zweiten aktiven Elektrodenmaterials in den Hohlraum des Trennmaterials; und
(d) Verschließen des offenen Endes des Behälters mit einem Deckel, wobei zumindest ein Abschnitt des Deckels elektrisch gegenüber dem Behälter isoliert ist, und elektrisch das zweite aktive Elektrodenmaterial berührt, wodurch dieser Abschnitt als die Klemme für das zweite aktive Elektrodenmaterial ausgebildet ist.
Daher wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren zum Zusammenbau einer elektrochemischen Zelle mit folgenden Schritten zur Verfügung gestellt:
(a) Positionieren eines ersten aktiven Elektrodenmaterials innerhalb eines Behälters, der unten geschlossen und oben offen ist, so daß das erste aktive Kathodenmaterial einen im Zentrum angeordneten Hohlraum ausbildet, wobei der Behälter als die Klemme für das erste aktive Elektrodenmaterial ausgebildet ist;
(b) Zwingen eines ersten Streifens von Trennmaterial und eines zweiten Streifens von Trennmaterial in den Hohlraum des ersten aktiven Elektrodenmaterials, und Zwingen der Streifen dazu, daß sie die Kontur des Hohlraums des ersten Elektrodenmaterials annehmen, wobei der erste Streifen in bezug auf den zweiten Streifen so angeordnet ist, so daß ein ausgewählter Bereich im mittleren Abschnitt der Streifen überlappt, und eine elektrisch isolierende Sperrschicht auf der Oberfläche zumindest eines der Streifen an dem ausgewählten Bereich im mittleren Abschnitt der Streifen angeordnet ist, welcher überlappt;
(c) Hinzufügen eines zweiten aktiven Elektrodenmaterials in den Hohlraum des Trennmaterials; und
(d) Verschließen des offenen Endes des Behälters mit einem Deckel, wobei zumindest ein Abschnitt des Deckels elektrisch gegenüber dem Behälter isoliert ist, und elektrisch das zweite aktive Elektrodenmaterial berührt, wodurch dieser Abschnitt als die Klemme für das zweite aktive Elektrodenmaterial ausgebildet ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren auf geeignete Weise abgeändert werden kann, um eine Zelle mit irgendeiner Trennanordnung gemäß der Erfindung wie hier beschrieben auszubilden.
Insbesondere wird vorzugsweise im Schritt (b) der erste Streifen in den Hohlraum des ersten aktiven Elektrodenmaterials hineingezwungen, und dann der zweite Streifen um 90º gegenüber der ursprünglichen Orientierung des ersten Streifens gedreht, und dann in und auf den ersten Streifen gezwungen.
Insbesondere kann eine Standard-Alkalizelle dadurch hergestellt werden, daß eine Menge an pulverförmigen Kathodenmaterial vorbereitet und in das offene Ende eines zylindrischen Behälters eingebracht wird. Ein Formstößel kann dann in die pulverförmige Mischung innerhalb des Behälters hineingedrückt werden, und da der Außendurchmesser des Stößels wesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser des Bechers, wird ein längliches Rohr aus Kathodenmischung fest gegen den Innenumfang des Behälters ausgeformt. Nachdem der Stößel zurückgezogen wurde, verbleibt ein rohrförmiger Hohlraum in dem zentralen Abschnitt der Kathode. Zwei Streifen aus einem Trennmaterial können in den zentral angeordneten Hohlraum der Kathode eingeführt werden, um einen Trennkorb zu bilden. Ein Elektrolyt und eine gelartige Anode können dann in den Trennkorb eingebracht werden, und eine Dichtungsanordnung in das offene Ende des Behälters eingeführt werden. Diese Anordnung weist im allgemeinen einen länglichen Stromkollektor auf, der in die Anode hinein vorspringt, und eine scheibenförmige Kunststoffdichtung, die fest in die Öffnung des Behälters paßt, und geringfügig unterhalb der Oberseite des Behälters einsitzt. Die Oberseite des Behälters wird zurückgezogen, bis die Dichtung radial zusammengedrückt ist, woraufhin die Kante des Behälters nach innen gebördelt werden kann.
Ein bevorzugter Trenneinführungsvorgang für Standard-Alkalizellen verwendet zwei streifenförmige Stücke aus Trennmaterial. Der erste Schritt bei dem Trenneinführungsvorgang umfaßt das Abschneiden eines ersten Streifens aus Trennmaterial auf eine geeignete Länge und Breite. Die Länge sollte zumindest doppelt so groß wie die Höhe der Kathode plus der Innendurchmesser der Kathode sein. Die Breite des Streifens sollte geringfügig größer sein als die Hälfte des Innenumfangs der Kathode. Daraufhin wird der erste Streifen über dem offenen Ende eines Behälters angebracht, der eine geformte Kathode enthält. Die Breitenoberflächen des Streifens sollten senkrecht zur größten Längserstreckung der Kathode verlaufen, und der Zentrumspunkt der Trennvorrichtung sollte mit der Längsachse der Kathode ausgerichtet sein. Ein stangenförmiger Trennvorrichtungs-Einführungsstößel wird dann oberhalb des offenen Endes des Behälters angebracht. Der Außendurchmesser der Stange sollte geringfügig kleiner sein als der Innendurchmesser des Hohlraums der Kathode, und der Umfang des Stößels sollte konzentrisch zum Umfang des Hohlraums der Kathode verlaufen.
Wenn der Stößel heruntergeht, bringt er den mittleren Abschnitt der Trennvorrichtung nach unten in den zentralen Hohlraum der Kathode, bis die Trennvorrichtung den Innenboden der Kathode berührt. Die beiden Wände des Trennstreifens, die sich über den zentralen Abschnitt der Trennvorrichtung hinaus erstrecken, erstrecken sich vom Boden der Kathode aus nach oben und kleiden die Seitenwände der Kathode aus. Die Oberfläche des ersten Streifens, welche die Kathode berührt, wird als Außenoberfläche des ersten Streifens bezeichnet, wogegen die entgegengesetzte Seite der Trennvorrichtung als Innenoberfläche des ersten Streifens bezeichnet wird.
Ein zweiter Streifen aus Trennmaterial wird in die korrekte Länge und Breite geschnitten. Der zentrale Abschnitt des zweiten Streifens wird über dem offenen Ende der Kathode angebracht, welche bereits den ersten Trennstreifen enthält. Wenn der zweite Streifen oberhalb des Behälters angeordnet ist, wird er so gedreht, daß nach Einführung des zweiten Streifens in den Behälter die Säume des zweiten Streifens um 90º in bezug auf die Säume in dem eingeführten ersten Trennstreifen gedreht sind. Diese in Drehrichtung versetzte Saumanordnung unterstützt eine Sperrung von Zinkteilchen in der Anodenmischung, die andernfalls sich durch die Säume beider Trennvorrichtungen arbeiten und so einen inneren Kurzschluß hervorrufen könnten.
Nachdem der zweite Streifen ordnungsgemäß angeordnet wurde, wird ein weiterer stangenförmiger Einführungsstößel oberhalb der Kathode angeordnet und konzentrisch mit dem Innendurchmesser des Hohlraums der Kathode ausgerichtet. Der zweite Trennvorrichtungs-Einführungsstößel geht herunter und führt den zweiten Trennstreifen innerhalb des vorher eingeführten ersten Trennstreifens ein. Die Wände der zweiten Trennvorrichtung erstrecken sich vom Boden der Kathode aus nach oben und kleiden die Innenoberfläche der ersten Trennvorrichtung aus. Die Oberfläche der zweiten Trennvorrichtung, welche die innere Oberfläche der ersten Trennvorrichtung berührt, wird als die Außenoberfläche der zweiten Trennvorrichtung bezeichnet. Die zweite Oberfläche der zweiten Trennvorrichtung liegt der Längsachse des Hohlraums der Kathode gegenüber und wird als die Innenoberfläche der zweiten Trennvorrichtung bezeichnet.
Ein wirksames und verläßliches Trennvorrichtungs-Einführungsverfahren ist wesentlich für die Herstellung von Standard- Alkalibatterien auf kontinuierliche Weise. Die Trennvorrichtung sollte ordnungsgemäß bis zum Boden des Hohlraums der Kathode mit der hohen Geschwindigkeit eingeführt werden, die durch Massenherstellungsverfahren erforderlich ist, und dies sollte ohne Beschädigung der Trennvorrichtung erfolgen. Die Erfindung löst spezifisch das Problem, Teilchen der Kathodenmischung daran zu hindern, daß sie in die Trennvorrichtung hineingetrieben werden, da die Trennvorrichtungs-Einführungsstößel gegen die Innenseite des Bodens der Kathode anstoßen.
Ein Schutz gegen eine Durchdringung der Kathodenmischung durch den Boden der Trennvorrichtung wird vorzugsweise dadurch erzielt, daß ein Streifen aus Kunststoff auf die Außenoberfläche der zweiten Trennvorrichtung aufgebracht wird.
Um verläßlich eine Durchdringung der Mischung durch den Boden der Trennvorrichtung zu verhindern, sollte die Breite des Kunststoffstreifens den gesamten Boden des Trennkorbes oder den Durchmesser des Hohlraums der Kathode abdecken.
Die Auswahl der Breiten der Plastikstreifen, die Anordnung des Streifens auf der Trennvorrichtung, und die Einführung des Streifens in die Kathode sollten koordiniert und gesteuert werden, um sicherzustellen, daß der Kunststoffstreifen eine Durchdringung der Mischung verhindert und nicht den Betrieb der Zelle in nicht akzeptablem Ausmaß einschränkt.
Zusätzliche Vorteile umfassen das Verhindern des Ansetzens von Material in dem Anodenabteil, welches zur Ausbildung von Zink-Dendriten in der Anode führen kann, die sich durch die Trennvorrichtung in die Kathode hinein erstrecken.
Die Zellen gemäß der vorliegenden Erfindung überwinden daher die beim Stand der Technik bestehenden Schwierigkeiten, und es werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, um wirksam einen inneren Kurzschluß im Bodenbereich des Behälters der Zelle zu verhindern. Die Trennvorrichtung ist einfach und kostengünstig herzustellen, und kann wirksam verhindern, daß das Kathodenmaterial der Zelle durch die Trennvorrichtung im Bodenbereich des Behälters der Zelle durchdringt.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend weiter in bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Aufsicht auf zwei Trennstreifen gemäß der Erfindung, wobei der erste Streifen einem zweiten Streifen mit 90º Versetzung überlagert ist, so daß nur die zentralen Bereiche überlappen;
Figur 2 eine isometrische Ansicht zweier Trennstreifen, nachdem die nicht überlappenden Segmente (Wände) der Streifen senkrecht zur Ebene des Überlappungsbereiches der Streifen gefaltet und nach innen gekrümmt wurden, um eine zylindrische Konfiguration mit einem geschlossenen Ende auszubilden;
Figur 3 eine Querschnittsansicht von Figur 2 entlang der Linie 3-3;
Figur 4 eine Schnittansicht der Trennvorrichtung von Figur 2, die innerhalb des Hohlraums einer zylindrisch aufgebauten Kathode angeordnet ist; und
Figur 5 eine Aufsicht auf eine Platte aus Trennmaterial, bei welcher eine elektrisch isolierende Sperrschicht am mittleren Bereich der Platte befestigt ist.
Figur 1 zeigt einen ersten Streifen aus Trennmaterial 2, der über einem zweiten Streifen aus Trennmaterial 4 angeordnet und um 90º gedreht ist, so daß eine Überlappung nur in einem Bereich 6 auftritt. Zwischen der Trennvorrichtung 2 und der Trennvorrichtung 4 befindet sich im Bereich 6 eine elektrisch isolierende Sperrschicht 8.
Wenn die Trennstreifen in einen kreisförmigen Hohlraum eines mit einer Kathode ausgekleideten Behälters vorspringen, so sind, wie aus Figur 2 hervorgeht, die Wände 10 und 12 des Streifens 2 senkrecht zum Bereich 6 so gebogen, daß eine kreisförmige Anordnung gebildet wird. Wände 14 und 16 sind ebenfalls senkrecht zum Bereich 6 abgebogen, und umschließen die Wände 10 und 12, um eine insgesamt zylinderförmige Anordnung zur Verfügung zu stellen, wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht. Diese zylindrische Anordnung paßt sich an das Innere der Kathode an, die fest gegen die Innenwand des Behälters angedrückt ist.
Wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, liegt die Wand 14 den Kanten 17 und 18 des Streifens 2 gegenüber; die Wand 16 liegt den Kanten 20 und 22 des Streifens 2 gegenüber; die Wand 12 liegt den Kanten 24 und 26 des Streifens 4 gegenüber; und die Wand 10 liegt den Kanten 28 und 30 des Streifens 4 gegenüber. Daher werden die Trennstreifen 2 und 4 während des Einführens in einen zylindrischen Hohlraum der Kathode gefaltet, und passen sich an die Form des zylindrischen Hohlraums an.
Gemäß Figur 4 ist der Überlappungsbereich 6, der die elektrisch isolierende Sperre 8 enthält, am Boden des zylindrischen Hohlraums der Kathode 32 in Berührung mit der unteren Innenoberfläche 34 der Kathode 32 angeordnet. Daher verhindert die elektrisch isolierende Sperre 8 wirksam, daß kleine Stücke von Kathodenmaterial am Boden 34 der Kathode 32 in die Trennvorrichtung im Bereich 6 hineingelangen und diese durchdringen, wenn die Trennstreifen 2 und 4 in den Hohlraum der Kathode und gegen den Boden 34 der Kathode 32 hineingezwungen werden.
Figur 5 zeigt eine Tafel aus Trennmaterial 40, bei welcher ein Streifen aus einer elektrisch isolierenden Sperrschicht 42 an dessen mittleren Abschnitt befestigt ist. Die Tafel 40 kann in Streifen geschnitten werden, wie durch 44 und 46 (gestrichelte Linien) angedeutet ist, um Trennstreifen zur Verfügung zu stellen, die als einer der Trennstreifen von Figur 1 verwendet werden können. Falls gewünscht können zwei derartige Streifen 44, 46 verwendet werden, wenn eine Doppelschicht aus elektrisch isolierendem Sperrmaterial für einen bestimmten Einsatzzweck gewünscht ist. In Figur 1 kann die elektrisch isolierende Sperre 8 auf der oberen Seite und/oder unteren Seite des Streifens 2 angeordnet werden, und/oder auf der oberen Seite und/oder unteren Seite des Streifens 4, abhängig von der speziellen Anordnung der Trennvorrichtung in der Zelle.

BEISPIEL

600 Standard-Alkalizellen, Größe 4A, wurden unter Verwendung einer Trennvorrichtung mit zwei Streifen, wie voranstehend beschrieben, hergestellt. 400 identische Zellen wurden hergestellt, mit der Ausnahme, daß ein Polypropylenfilm zwischen den überlappenden Trennstreifen im Bodenabschnitt der Trennvorrichtung angeordnet wurde, die gegen die Bodenoberfläche der Kathodenmischung gezwungen wurde. Die Zellen wurden in einem Lager bei 45 ºC sechs Monate lang aufbewahrt und dann untersucht. Bei den Zellen mit dem Polypropylenfilm stellt sich heraus, daß sie keine Kurzschlüsse aufwiesen, wogegen die Standardzellen, ohne den Polypropylenfilm, eine Ausfallrate von 3,2 % aufwiesen, infolge einer Durchdringung des Kathodenmaterials durch den Bodenabschnitt der Trennvorrichtung.

Claims

1. Elektrochemische Zelle, bei welcher die Elektroden so angeordnet sind, daß die eine innerhalb eines Hohlraums in der anderen liegt, und eine für Ionen permeable, elektrisch isolierende Trennanordnung sich in den Hohlraum und um die innere Elektode herum erstreckt, um einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mehrere Trennstreifen aufweist, deren zentrale Abschnitte sich an Extremalpositionen der Anordnung innerhalb des Hohlraums befinden und einander überlagert sind, wobei die Radialabschnitte der Streifen sich entlang der Innenwände des Hohlraums erstrecken, um eine körperliche Berührung zwischen den Elektroden zu verhindern, und die Anordnung weiterhin an ihrer Extremalposition eine elktrisch isolierende Sperre aufweist.

2. Zelle nach Anspruch 1, bei welcher die elektrisch isolierende Sperre ein Kunststoff ist.

3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Sperre Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Asphalt, Wachs, Polyvinilydenchlorid, Cellophan oder Nylon ist, insbesondere Polypropylen oder Polyethylen.

4. Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die Sperre zwischen zwei Streifen dort angeordnet ist, wo die Streifen überlagert sind.

5. Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die Sperre ein Klebestreifen aus Kunststoffband ist.

6. Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die Trennanordnung zwei Streifen aufweist.

7. Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die äußere Elektrode die Kathode und die innere Elektrode die Anode ist, die Kathode vorzugsweise Mangandioxid aufweist, und die Anode vorzugsweise Zink aufweist.

8. Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die Trennstreifen ein gewebtes oder unverwebtes Papier aus Zellulosefasern sind, das mit einer entsprechenden Matte aus Vinylfasern, Kraft-Papier, α-Zellulosepapier, Methylzellulosefilm, Polyvinylalkohol, einem Copolymer aus Polyvinylazetat und Polyvinylchlorid, Rayon, Nylon, oder einer Mischung irgendwelcher dieser Bestandteile, zusammenlaminiert ist

9. Elektrochemische Zelle, die in einem Gehäuse zusammengebaut ist, welches einen Behälter aufweist, der ein geschlossenes Ende und ein von einem Deckel verschlossenes, offenes Ende hat; wobei ein erstes aktives Elektrodenmaterial innerhalb des Behälters angeordnet ist, dessen Innenwand berührt, und einen im Zentrum angeordneten Hohlraum ausbildet; eine Trennvorrichtung zumindest zwei Trennstreifen aufweist, jeder Streifen ein Bodensegment mit von da aus verlaufenden Wänden hat, und jede Wand durch zwei Kanten festgelegt wird; das Bodensegment eines Streifens dem Bodensegment des anderen Streifens so überlagert ist, daß die sich erstreckenden Wände jedes Streifens so angeordnet sind, daß sie den Kanten der Wände des anderen Streifens gegenüberliegen, so daß die Wände einen Hohlraum in der Trennvorrichtung ausbilden; ein zweites aktives Elektrodenmaterial innerhalb des Hohlraums der Trennvorrichtung angeordnet ist; eine erste Klemme auf dem Gehäuse elektrisch mit dem aktiven Elektrodenmaterial verbunden ist; eine zweite Klemme auf dem Gehäuse elektrisch von der ersten Klemme isoliert und elektrisch mit dem zweiten aktiven Elektrodenmaterial verbunden ist; und eine elektrisch isolierende Sperrschicht auf der Oberfläche zumindest eines der Bodensegmente der Trennstreifen angeordnet ist, um einen inneren Kurzschluß zwischen den Elektroden zu verhindern; und die Zelle wahlweise ein geeignetes Merkmal oder mehrere geeignete Merkmale gemäß irgend einem der voranstehenden Ansprüche aufweist, in jeder geeigneten Kombination.

10. Verfahren zum Zusammenbauen einer elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bereitstellung eines Zellenbehälters, der in sich eine eine Bohrung aufweisende erste Elektrode aufweist, zwangsweise ein Streifen aus Trennmaterial eingeführt wird, so daß ein zentraler Abschnitt dieses Materials in Berührung mit dem Boden der Bohrung gebracht wird, und die Radialelemente entlang den Seiten der Bohrung verlaufen, gefolgt von einem zwangsweisen Einbringen eines zweiten Trennstreifens in die Bohrung wie beim ersten Streifen, wobei der zweite Streifen gegenüber dem ersten verdreht ist, vorzugsweise um 90º, insbesondere wenn keine weiteren Streifen verwendet werden, und wahlweise weitere Streifen eingeführt werden, zumindest bis die Wände der Bohrung so abgedeckt sind, daß ein elektrischer, nicht jedoch ein ionischer Kontakt zwischen den Elektroden im Gebrauch verhindert wird, und eine elektrisch isolierende Sperre am Boden der Bohrung vorgesehen ist, vorzugsweise zwischen Streifen, und darauf der Rest der Zelle auf bekannte Weise zusammengebaut wird, und der Vorgang wahlweise so abgeändert wird, daß eine Zelle nach einem der voranstehenden Ansprüche erzeugt wird.