DE69309651T2

DE69309651T2 - Unterstützungserweiterung in aufladbaren Flachzellenbatterien

Info

Publication number: DE69309651T2
Application number: DE69309651T
Authority: DE
Inventors: Robert G Gruenstern
Original assignee: Globe Union Inc
Current assignee: C&D Charter Holdings Inc
Priority date: 1993-02-08
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2013-12-08
Also published as: EP0612116B1; KR940020612A; EP0612116A1; CA2110770A1; US5288565A; AU5256493A; AU674034B2; JPH06283193A; DE69309651D1; MX9307976A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Technik wiederaufladbarer Batterien und insbesondere die Halterung von Batterieelementen in einem Batteriezellen-Gehäuse. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die bei dickeren Batteriezellen den konstruktiven Zusammenhalt gewährleistet, wobei für die Elektrolyt-Strömung ein gemeinsamer Weg erhalten bleibt.

Beschreibung des Standes der Technik

Kleine wiederaufladbare Batterien erlangen aufgrund der fortschreitenden Entwicklung tragbarer elektronischer Geräte, wie zum Beispiel unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (UPS), eine zunehmende Bedeutung. Die bei solchen Geräten verwendeten Batterien werden oft als Flachzellenbatterien bezeichnet. Es ist wünschenswert, daß derartige Batterien kompakt sind, ein geringes Gewicht und dennoch eine hohe Speicherkapazität haben.
In den letzten Jahren wurden in dieser Technologie, und sogar bei der herkömmlichen Technologie der Bleibatterien, Fortschritte erzielt. Bleibatterien haben normalerweise den Nachteil eines zu hohen Gewichts, und zwar wegen des Gewichts der Plattenmaterialien (Bleiplatten und Blei enthaltende aktive Materialien) und des Gewichtes der Behälter, die erforderlich sind, um die Platten und den Elektrolyt aufzunehmen. Gleichwohl haben Bleibatterien sehr gute Stromabgabe-Eigenschaften und können wiederholt neu aufgeladen und sogar überladen werden, wobei die Batteriezellen nur minimalen Schaden nehmen. Außerdem ist die Leistungskurve bei Bleibatterien ungefähr vorhersagbar. Solche Eigenschaften können bei anderen Batterien, wie zum Beispiel Nickel-Cadmium-Batterien, nicht so leicht erreicht werden.
Eine Art von Bleibatterie ist die Rekombinations-Batterie, die insoweit von herkömmlichen Bleibatterien (beispielsweise von Autobatterien) abweicht, als daß in dem System kein Elektrolyt strömt. Fast der gesamte Elektrolyt ist in dem zwischen den Platten befindlichen Separatormaterial enthalten, das normalerweise aus Glasfasermatten besteht. Die Gase, die während der in den Bleibatterien stattfindenden elektrochemischen Reaktionen entstehen, werden absorbiert und in der Batterie rekombiniert, anstatt wie normalerweise abgelassen zu werden. Bei derartigen Systemen kann die Batterie versiegelt werden und ist wartungsfrei. Andere Rekombinations-Systeme verwenden Ventile, um den unerwünschten Aufbau von Druck in den Batteriezellen abzubauen.
Eine neuerliche Entwicklung auf dem Gebiet der Rekombinations-Bleibatterien ist im U.S.-Patent Nr. 4,996,128 beschrieben (nachfolgend das "'128-Patent"), das am 26. Dezember 1991 für Aldecoa und Miller unter der Bezeichnung "Wiederaufladbare Batterie" veröffentlicht wurde. Die in diesem Patent beschriebene Batterie hat ein dünnes Kunststoffgehäuse mit allgemein rechteckigen oberen und unteren Abschnitten, wobei das Gehäuse als positive und negative Platten Bleifolien enthält und wobei jede Folie mit einem geeigneten aktiven Material beschichtet ist. Zwischen dem aktiven Material sind Separator-Schichten angeordnet. Es wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem in der Mitte des Gehäuses eine einzelne positive Platte angeordnet ist, wobei sich an jeder Seite jeweils eine negative Platte befindet, wobei letztere durch Schichten aus Separatormaterial von der positiven Platte getrennt sind. Es werden noch weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, einschließlich Mehr schichten-Batterien bipolarer Bauart.
Die Gemeinsamkeiten der in diesem Patent beschriebenen Batterien sind eine Vielzahl von Haltebauteilen, die sich durch die Platten erstrecken. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Haltebauteile Kunststoffstifte, die sich von dem einen oder anderen Gehäuseteil erstrecken können, durch die Platten hindurch führen und am gegenüberliegenden Gehäuseteil befestigt sind (wie beispielsweise durch Vibrationsschweißen). Alternativ können die von jedem Gehäuseteil ausgehenden Stiftsegmente teilweise durch die Zelle verlaufen und an ihren Spitzen durch ein geeignetes Verfahren, wie zum Beispiel Vibrationsschweißen, miteinander verbunden werden. Die Haltebauteile sind in einem Muster angeordnet, das eine gleichmäßige Halterung gewährleistet und ein gleichmäßiges Zusammendrücken der Batteriekomponenten ermöglicht, wenn die Ränder der Gehäuseteile versiegelt sind. Andere Rekombinations-Bleibatterien sind zum Stand der Technik des obengenannten '128-Patents beschrieben. Durch diese Bezugnahme wird dieses Patent hier eingeführt.
Obwohl die in dem '128-Patent beschriebenen Batteriesysteme gegenüber den Systemen gemäß Stand der Technik Vorteile haben, gibt es einen Nachteil bei der Herstellung von in einer einzelnen Batteriezelle angeordneten dickerer Elementen-Stapel aus mehreren Platten. Bei zunehmender Dicke der Batteriezelle vermindern sich die Halteeigenschaften der Stifte oder ähnlichen Haltebauteilen. Eine überwindung dieses Nachteils würde bei dieser Technologie einen großen Vorteil darstellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halte-Erweiterung für wiederaufladbare Flachbatterien. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Erweiterung, die bei einer Vielzahl verschiedener Formen von Haltebauteilen und bei einer Vielzahl von Batterie- Anordnungen verwendet werden kann, und zwar bei solchen mit einigen wenigen bis hin zu vielen Platten in einer einzigen Zelle. Die Erfindung betrifft auch eine Erweiterung, durch die ein gemeinsamer weg für die Elektrolyt-Strömung erhalten bleibt.
Wie die Eigenschaften der Erfindung erreicht werden, wird zusammen mit den Figuren detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Im allgemeinen werden sie jedoch durch eine Batteriezellen-Erweiterung erreicht, die in der bevorzugten Ausgestaltung eine ebene Platte mit einer Vielzahl von Haltebauteilen aufweist, die sich von dieser senkrecht erstrecken. Vorzugsweise haben die Haltebauteile die gleiche Form wie jene, die an dem einen oder dem anderen Teil des Zellenaußengehäuses angebracht sind. In der Platte ist eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen, so daß für den Elektrolyt ein gemeinsamer Strömungsweg erhalten bleibt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Erweiterung an ihrer einen Seite, die der Seite gegenüberliegt, von der sich die Haltebauteile erstrecken, Fassungen auf, die so angeordnet sind, um die Haltebauteile aufzunehmen, die sich von den Gehäuseteilen oder von einer anderen in der Zelle befindlichen Batteriezellen-Erweiterung erstrecken.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

FIGUR 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Teile des Batteriegehäuses und der Halte-Erweiterung gemäß der bevorzugtesten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
FIGUR 2 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Batteriezelle mit den Teilen aus Figur 1 sowie mit Elektroden und Separatormaterial.
In den verschiedenen Figuren werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Bevor mit der detaillierten Beschreibung der Zeichnungen fortgefahren wird, erfolgen einige allgemeine Bemerkungen in Bezug auf den Schutzbereich und der Anwendbarkeit der vorhegenden Erfindung. Erstens, obwohl nur eine einzige Erweiterung für eine Batteriezelle gezeigt ist, kann eine Vielzahl von Erweiterungen verwendet werden, wenn in einer bestimmten Batteriezellen-Anordnung eine große Anzahl positiver und negativer Platten verwendet wird. Je mehr Erweiterungen verwendet werden, desto kürzer müssen die Haltebauteile bei einer vorgegebenen Höhe sein und desto größer kann die konstruktive Stabilität sein. Obwohl für die Haltebauteile Fassungen dargestellt sind, sind diese nicht erforderlich, und die Enden der Haltebauteile können direkt an der Batterief läche angebracht sein.
Zweitens, die Plattenmaterialien (vorzugsweise Bleifohe), aktive Materialien, Separatormaterialien und der Elektrolyt sind nicht detailliert beschrieben, sie können aber leicht von einem Fachmann ausgewählt werden, einschließlich derjenigen, die in dem '128-Patent beschrieben und gezeigt sind.
Drittens, es sei angemerkt, daß die einzelnen Zellen selbst, die Gegenstand dieser Erfindung sind, mit anderen Zellen kombiniert werden können, um eine gestapelte Batterie mit höherer Spannung aufzubauen. Und schließlich ist das für die Teile aus Figur 1 bevorzugte Kunstharzmaterial ABS (Acrylnitril-Butadien- Styrol), statt dessen können aber auch andere formbare thermoplastische Kunstharze (beispielsweise Polycarbonate oder Polyethylene mit hoher Dichte) verwendet werden.
Figur 1 ist eine Explosionsdarstellung, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und drei Hauptteile umfaßt, nämlich ein oberes Batteriegehäuseteil 10, ein unteres Batteriegehäuseteil 20 und eine zwischenliegende Halte-Erweiterung 400 Das obere Gehäuseteil 10 hat eine im wesentlichen ebene Oberseite 11 mit einer nach unten verlaufenden Wand 12, die eine nach unten offene, im allgemeinen rechteckige Gehäusehälfte bilden. Ein Abschnitt der Oberseite 11 und die Wand 12 stehen in dem mit 13 bezeichneten Bereich vor, um Batterieanschlüsse und Entlüftungen aufzunehmen, die ihrerseits nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Am Ende des Gehäuseteus 10, gegenüber vom Bereich 13 befindet sich eine halbkreisförmige Aussparung 14, die eine Hälfte einer Einfüllöffnung bildet, um Elektrolyt in die Batterie einzufüllen, wenn diese vollständig zusammengebaut ist.
Die innenliegende Fläche des Oberteus 11 hat eine Vielzahl ringförmiger Fassungen 15, deren Anzahl und Lage aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird. Die Fassungen 11 sind angeordnet, um die Enden bestimmter Haltebauteile aufzunehmen, die in den nachfolgenden Absätzen beschrieben sind.
Nachfolgend wird auf das untere Batteriegehäuseteil 20 Bezug genommen, das einen im wesentlichen ebenen Boden 21 und eine Umf angswand 22 hat. Die Wand 22 enthält eine halbkreisförmige Einfüllaussparung 23, die angeordnet und dazu ausgestaltet ist, um mit der Aussparung 14 zusammenzupassen, wenn das obere und das untere Gehäuseteil zusammengebaut sind. Die Wand 22 enthält außerdem für die Anschlußstifte ein Paar Kanäle 24 und 25, die durch eine Anzahl von Vorsprüngen 26 gebildet sind, die senkrecht zur Wand 22 an deren der Einfüllaussparung 23 gegenüberliegenden Ende angeordnet sind. Zwischen den Kanälen 24 und 25 ist eine Entlüftungsöf fnung 27 vorgesehen, und an der Außenseite der Wand 22 ist eine halbkreisförmige Halterung 28 vorgesehen, um ein Auslaßventil aus Elastomer aufzunehmen, das bei Batterien als ein Bunsen Cap bekannt ist.
Das untere Gehäuseteil 20 hat ebenfalls eine Vielzahl von Haltestiften 29, die jeweils einen im wesentlichen zylindrischen Körper 30 und eine konische Spitze 31 haben. Vorzugsweise sind die Stifte 29 integriert mit dem Gehäuseteil 20 und zusammen mit diesem ausgebildet. Die Haltebauteile können ebenfalls konisch zulaufende Haltebauteile sein, oder sie können in anderen Formen ausgebildet sein, wie beispielsweise mit einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Wenn andere Formen ausgewählt werden, müssen die hier beschriebenen Fassungen zu deren Aufnahme entsprechend ausgebildet sein. Die Anzahl der Stifte 29 ist von der ausgewählten Konstruktion abhängig, sie sollte aber bezüglich ihrer Höhe ausreichend und in einem Muster angeordnet sein, um für die beim Zusammenbau der Batteriezelle darüberhe genden Batterieelemente eine im wesentlichen gleichmäßige Halterung zu bilden. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise erreicht, indem die untere Kante 17 des Oberteus 20 mit der oberen Kante 33 der Wand 22 durch Vibrationsschweißen verbunden wird, wodurch eine kastenförmige Umhüllung gebildet wird.
Es sei angemerkt, daß sich bei der vorliegenden Erfindung die Stifte 29 nicht in die Fassungen 15 erstrecken. Statt dessen ist zwischen den Gehäuseteilen 10 und 20 eine zwischenliegende Halte-Erweiterung 40 vorgesehen. Die Erweiterung 40 ist eine im wesentlichen rechteckige Platte 42 mit einer Anzahl von sich durch diese hindurch erstreckenden Löchern 43. Die Anzahl der Löcher ist für die Erfindung nicht von Bedeutung, es ist aber eine ausreichende Anzahl von Löchern erforderlich, um für den Elektrolyt einen freien Strömungsweg von einer Seite der Platte 42 zur anderen zu gewährleisten. Die untere Seite der Platte 42 ist mit einer Vielzahl von Fassungen 45 versehen, die im wesentlichen die gleiche Form haben wie die Fassungen 15 und bezüglich ihrer Zahl und ihres Abstandes so angeordnet sind, daß sie auf die oberen Enden der Stifte 29 passen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwölf Fassungen 45 vorgesehen. Die Erweiterung 40 weist außerdem eine Vielzahl von Stiften 47 auf, die vorzugsweise die gleiche Form haben wie die Stifte 29. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwölf Stifte 47 in dem gleichen Muster angeordnet wie die Stifte 29. Weiterhin sind an der unteren Fläche des vorstehend beschrieben Oberteils 11 zwölf Fassungen 15 vorgesehen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß das Batteriegehäuse zusammengebaut wird, indem das Element 40, nachdem die Batterieelemente hinzugefügt wurden, auf die Stifte 29 gesetzt wird, so daß deren Spitzen 31 in die Fassungen 45 eingreifen. Nachdem weitere Batterieelemente hinzugefügt wurden, greifen die Stifte 47 wiederum in die Fassungen 15 ein, wenn das obere Gehäuseteil 10 abgesenkt wird, um das Eingreifen der Kanten 17 und 33 zu ermöglichen. Durch Vibrationsschweißen wird dann die gewünschte konstruktive Stabilität erreicht, was die primäre Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ist. Alternativ kann die Erweiterung 40 durch Vibrationsschweißen mit dem Gehäuseteil 20 verbunden werden, bevor das Gehäuseteil 10 hinzugefügt und verschweißt wird.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung eine beispielhafte Batteriezellen- Anordnung darstellt. Sowohl über als auch unter der Erweiterung sind Elektrodengruppen angeordnet, die jeweils äußere Bleifolien 50 umfassen, die mit einem negativen aktiven Material 51 beschichtet sind. Eine positive Elektrode 53 mit einer Folie 54, die an beiden Seiten mit positivem aktiven Material 55 beschichtet ist, befindet sich in der Mitte von dieser Anordnung. Ein Separator, wie beispielsweise ein Glasfasermatten-Separator 58 ist zwischen der positiven Elektrode 53 und jeder der negativen Elektroden angeordnet. Die Anzahl der Platten kann in großem Umfang variiert werden, wie bereits in dem obengenannten '128- Patent erläutert wurde. Durch die Einfüllöf fnung wird Elektrolyt zugeführt, wie bereits oben erwähnt, und die Öffnung wird auf herkömmliche Art und Weise abgedichtet.
Es ist offensichtlich, daß Flachzellenbatterien eine größere Dicke haben und daß bei Verwendung von einer oder von mehreren zwischenliegenden Batterieplatten-Erweiterungen 40 eine wirksame Halterung geschaffen wird.

Claims

Wiederaufladbare Bleibatterie mit einem oberen und einem unteren Gehäuseteil (10, 20) sowie mit einer Anzahl von Haltebauteilen (29), die an einem der Gehäuseteile angebracht sind und sich in Richtung auf das andere Gehäuseteil erstrecken, wobei die Haltebauteile ein oberes Ende (31) haben, gekennzeichnet durch eine nicht leitfähige Platte (40), die zwischen den Gehäuseteilen (10, 20) angeordnet ist, durch in der Platte vorgesehene Löcher (43) und durch Haltebauteile (47), die an der zwischenliegenden Platte (40) angeordnet sind, sich senkrecht davon erstrecken und obere Enden haben, wobei die Haltebauteile (29) des Gehäuses das Gehäusebauteil und die Platte (40) überbrücken und mit der Platte verbunden sind und wobei die sich von der Platte erstreckenden Haltebauteile (47) die Platte und das andere Gehäuseteil (10) überbrücken und mit diesem verbunden sind, wobei die Batterie weiterhin gekennzeichnet ist durch Elektrodenelemente, die an jeder Seite der Platte vorgesehen sind.
2. Batterie nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Bleibatterie eine Rekombinations-Batterie ist.
3. Batterie nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (10, 20) und die zwischenliegende Platte (40) aus einem thermoplastischen, verformbaren Kunstharz geformt sind und daß die Haltebauteile (29, 47) integriert damit ausgebildet sind.
4. Batterie nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in dem anderen Gehäuseteil Fassungen (15) vorgesehen und dazu ausgestaltet sind, die oberen Enden der sich von der Platte erstreckenden Haltebauteile (47) aufzunehmen.
5. Batterie nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Fassungen (45) auf der Platte (40) auf der Seite angeordnet sind, die derjenigen Seite gegenüberliegt, von der sich die Haltebauteile erstrecken, wobei die Fassungen (45) dazu ausgestaltet sind, die oberen Enden (31) der sich von einem Gehäuseteil (20) erstreckenden Haltebauteile (29) auf zunehmen.
6. Batterie nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseteil eine Anzahl von zwischenliegenden Platten (40) vorgesehen ist, wobei die zwischenliegenden Platten parallel zueinander angeordnet sind.
7. Rekombinations-Bleibatterie mit einem oberen und einem unteren Gehäuseteil (10, 20), wobei die Gehäuseteile eine ebene Fläche und eine umgebende Wand (12, 22) haben, wobei die Wände dazu ausgestaltet sind, eine Umschließung zu bilden, wenn deren sich gegenüberstehende Kanten (17, 33) miteinander verbunden sind, mit einer Anzahl von Elektrodenelementen, die zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseteil (10, 20) angeordnet sind, wobei die Elektroden leitfähige Träger (50), die mit einem negativen aktiven Material (51) beschichtet sind, und leitfähige Träger (53) aufweisen, die mit einem positiven aktiven Material (55) beschichtet sind, mit Separatoren (58), die zwischen benachbarten Elektroden angeordnet sind, und mit Elektrolyt, der in den Separatoren absorbiert ist, wobei die Batterie gekennzeichnet ist durch eine Anzahl von Haltebauteilen (29), die sich senkrecht von einem der Gehäuseteile (20) in Richtung auf das andere Gehäuseteil (10) erstrecken, wobei die Länge der Haltebauteile kleiner ist als der Abstand zwischen den ebenen Flächen;

eine Platte (40), die zwischen und parallel zu den ebenen Flächen der Gehäuseteile (10, 20) und zwischen zumindest einigen der Elektroden angeordnet ist, wobei die Platte Löcher (43), die einen gemeinsamen Elektrolyt-Fluß ermöglichen, und eine Anzahl von Haltebauteilen (47) hat, die sich von der Platte erstrecken und mit dem Gehäuseteil (10) verbunden sind, von dem sich keine Haltebauteile (29) erstrecken; und

wobei die Fläche der Platte, die derjenigen gegenüberliegt, von der sich deren Haltebauteile erstrecken, mit den oberen Enden der Haltebauteile verbunden ist, die sich von dem Gehäuseteil erstrecken.
8. Batterie nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch Fassungen (45), die die oberen Enden der Haltebauteile (29) aufnehmen und in der Fläche der Platte (40) ausgebildet sind, die derjenigen gegenüberliegt&sub1; von der sich deren Haltebauteile (47) erstrecken, und durch Fassungen (15) in dem Gehäuseteil (10), die dazu ausgestaltet sind, die oberen Enden der Haltebauteile (47) aufzunehmen, die sich von der Platte erstrecken.