NO872420L - Elektrokjemisk cellesammensetning. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen gjelder forseglede elektrokjemiske

celler som har spiralviklede elektroder. Mere spesielt gjelder den en forbedret metode og utstyr for å lage mekanisk og elektrisk kontakt med en elektrode som består av en metallfolie, og en elektrokjemisk celle som utnytter den forbedrede artikkel.

Det er vanlig praksis ved fremstilling av batterier å

feste en eller flere ledende deler eller festeanordninger av elektrisk ledende materialer til hver av elektrodene. Mens den ene enden av festeanordningen forbindes med en elektrode, forbindes den andre enden av festeanordningen med den passende pol på batteriets hylse.

Elektrokjemiske celler med høy energitetthet benytter lange tynne elektroder som er spiralsnodd i form av en rulade. En av disse elektroder består ofte av en metallfolie. For eksempel, i en Li/Mn02celle er litiumelektroden simpelthen en strimmel litiumfolie med en typisk tykkelse på mellom 0.13 mm (0,005")

og 0,51 mm (0,020"). Ettersom slike metaller er elektrisk ledende, er det vanligvis unødvendig å ha en ledende metallholder så som benyttes med pressede pulver eller porøse sintrede elektroder.

Det er ofteønskelig å forbinde en festeanordning av elektrisk ledende materiale med disse metallfolieelektrodene for å gi kontakt med den passende pol på den elektrokjemiske celles hylse. En rekke forkjellige fremgangsmåter kan benyttes for å forbinde festeanordningen med folieelektroden. Disse fremgangsmåter vil omfatte sveising, lodding eller kaldsveising. Når folien er et metall sånn som litium, er sveising ikke megetønskelig. Ettersom litium smelter ved 186°C, ville det være vanskelig å sveise et høyere smeltende metall så som rustfritt stål eller nikkel. Lodding er heller ikke særlig ønskelig på grunn av risikoen for forurensing ved loddemetallet. Kaldsveising er kanskje det beste valg av festemetode. Imidlertid, problemet med kaldsveising, særlig med metallfolieanoder, er at festeanordningen kan bli skilt fra anoden ved høy utladning.

Hvis en festeanordning bare blir kaldsveiset på overflaten, har den tendens til å bli skilt fra når anodematerialet rundt den og under den blir forbrukt ved utladning.

U.S. Patent 4.049.882 omtaler en utforming av festeanordning for kaldsveising av festeanordninger til pressede pulver-elektroder eller porøse sintrede elektroder. Dette patentet omtaler bruken av runde perforeringer i festeanordningsmaterialet hvor hver perforering er omgitt av en krans av taggede utstikkere. Disse utstikkerne er utformet for å presses inn i en presset pulverelektrode og i kontakt med bæregitteret. Imidlertid, har denne utformingen ulemper når det gjelder å

lage kontakt med en folieelektrode. Ettersom folieelektrodene ifølge denne oppfinnelsen ikke har et bæregitter, er det ingenting som kan stoppe disse utstikkerne fra å stikke tvers igjennom folieelektroden. Hvis dette skjedde, ville hvert sett av slike utstikkere stikke ut en sirkel av folien, og festeanordningen ville lett bli dratt bort. Videre, kunne utstikkerne stikke igjennom både folieelektroden og skilleveggen og kortslutte til den andre elektroden.

Denne oppfinnelsen fremlegger en forbedret utforming av en festeanordning som kan forbindes fast med en folieelektrode. Generelt fremlegger denne oppfinnelsen en ledende del eller festeanordning som har regulært utformede tenner i en på

forhånd bestemt del som er lengre enn tykkelsen av folieelektroden. I en utforming er disse tennene slik utformet at de stikker igjennom folieelektroden og deretter bøyes mot hverandre når de presses mellom plater til en fastsatt avstand. Slutt-resultatet er at tennene bøyes slik at de blir jevne med elektrodeoverflaten og i prosessen faktisk griper metallfolie bakfra. På denne måten gir denne utformingen av festeanordningen elektrisk kontakt med begge sider av metallfolieanoden og forblir derfor i kontakt med anoden under utladningen, og overvinner således problemet forbundet med kaldsveisede festeanordninger til metallfolieanoder.

Karakteristiske trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse forklares med referanse til tegningene hvori : Figur 1 viser ovenfra en festeanordning som har en plassering av rektangulære åpninger i et på forhånd bestemt avsnitt utformet i samsvar med denne oppfinnelsen.

Figur 2 er en tredimensjonalt tegning av endel av bunnen av festeanordningen som viser hvordan tennene stikker ut fra de motsatte ender av hver av åpningene.

Figur 3 er et grunnriss av en utforming av en metallfolieanode som viser hvordan en festeanordning laget i samsvar med denne utformingen festes på overflaten av en anode. Figur 4 er et tverrsnitt tatt langs linjen 4-4 i Figur 3. Figuren viser hvordan tennene bøyes sammen, samt hvordan de er jevne med baksiden av overflaten av anoden.

På Figur 1 har en strimmel av materiale for festeanordning

1 en rekke rektangulære hull 2 i seg. En side av disse rektangulære hull er gjort større enn to ganger tykkelsen av metallfolien hvortil festeanordningen skal festes. En for tiden foretrukket fremgangsmåte for å lage åpningene, er å

bruke stansemeisel- og matriseanordning for utstansing slik at to tenner, 2a og 2b, rektangulære eller av annen form, dannes av materiale stanset ut fra hvert hull som vist i Figur 2.

Denne utformingen resulterer i tenner som har slik lengde at

summen av disse er tilnærmet lik lengden av åpningen. Hver tann bør være lenger enn tykkelsen av metallfolien, og hver tann bør stikke ut fra festeanordningens overflate i en vinkel som ikke er større enn 90°med festeanordningens overflate 3.

Begge tenner stikker ut fra samme side av strimmelen, og begge

er ved roten forbundet med motsatte sider av åpningen. Skjønt den beskrevne utforming foreløpig er foretrukket, kan det dannes mere enn en tann ved de motsatte sider av åpningen.

Tennene er plassert på et første på forhånd bestemt avsnitt av festeanordningen, mens et annet på forhånd bestemt avsnitt av festeanordningen uten tenner brukes til å sveises til ytteresiden av cellen.

Strimmelen av materiale 1 for festeanordningen som har rektangulære hull og tenner kan med fordel plasseres på

overflaten av metallfolieanode 4 på den måten som er vist i

Figur 3. Det er foretrukket at tennene først presses igjennom og så bøyes over i en enkelt operasjon. Ved utførelsen plasseres festeanordningen få folieoverflaten med tannsiden ned. Denne sammensetningen presses deretter til fastsatt avstand mellom to plater. Den fastsatte avstand er fortrinnsvis ikke større enn tykkelsen av folien pluss tykkelsen av materiale i festeanordningen. Hvis den fastsatte avstand er mindre enn denne, presses materialet i festeanordningen faktisk inn i folien og fortynner på uheldig måte folien. Figur 4 er et tverrsnitt gjennom et par tenner i festeanordning 1 som viser hvordan de griper anode 4 etter å ha blitt presset til fastsatt avstand.

Selv om figurene viser en anordning av åpninger arrangert i tre rader, hver på fire, og denne plasseringen er særlig egnet for å feste en festeanordning skikkelig til en tynn lithium anodefolie, kan antall og anordning av utstikkere varieres avhengig av anodens spesielle egenskaper og materiale i festeanordningen og deres dimensjoner. De kan plasseres rektangulært som vist i Figur 1 eller i ethvert mønster som kan være mer egnet til en gitt anvendelse. Videre, kan tennene ha annet enn rektangulær utforming og fremdeles være innenfor rammen av denne oppfinnelse. For eksempel kan det dannes trekantede tenner, og de kan til og med være å foretrekke for å stikke igjennom metaller som er hardere enn litium.

Virkningen av forbindelsen av festeanordningen til anoden kan bestemmes ved å lade ut cellen og observere dens spennings-profil. Hvis forbindelsen er god, er utladningen glatt uten noen skarpe knekker eller avbrudd. Hvis forbindelsen ikke er god, kan festeanordningen løsne fra anoden i løpet av utladningen, og i det tilfelle vil det bli en skarp knekk eller avbrudd i spenningsprofilen. Virkningen av utformingen av festeanordningen ifølge denne oppfinnelsen ble utprøvet på denne måten og er fullstendig beskrevet i det følgende eksempel.

EKSEMPEL 1

En festeanordning for anode lages ifølge beskrivelsen i denne oppfinnelsen fra 3/4 hardt nikkelmateriale til festeanordning. Festeanordningen er 33 mm (1,3") lang, 6,4 mm (0,25") bred og 0,05 mm (0,002") tykk. En anordning på 3 x 12 rektangulære hull stanses i festeanordningen. Dimensjonene på hvert hull er 0,64 mm (0,025") x 0,64 mm (0,025"). Tennene som dannes, er 0,32 mm (0,012") lange, og i en vinkel på 80° med overflaten på festeanordningen. Mellomrommet mellom de utstikkende ender av tennene er 0,20 mm (0,008"). Festean ordningen presses inn i en litiumfolieanode med dimensjoner 260 mm (10,25") lang, 22,9 mm (0,90") bred og 0,15 mm (0,006") tykk. Festeanordningen beskrevet ovenfor presses på anoden til en fastsatt avstand på 0,20 mm (0,008"). Dette utføres ved å plassere litiumfolien på en glatt ståloverflate. Festeanordningen plasseres deretter på toppen av litiumfolien med de tannlignende fremspring ned mot litiumfolien. Festeanordningen presses deretter nedover med en flat metallplate inntil avstanden mellom ståloverflaten og den flate metallplaten er 0,20 mm. Avstanden mellom de tannlignede fremspring avtar fra opprinnelige 0,20 mm (0,008") før pressing til et endelig mellomrom på ca. 0,10 mm (0,004").

Litiumfolieanoden med den ovenfor beskrevne festeanordning festet på, forenes med en Mn02kathode og en skillevegg av mikroporøst polypropylene. Anoden og kathoden vikles i spiralform sammen med skilleveggen plassert mellom dem. Den spiralviklede sammenstilling puttes deretter i en metallhylse, og den utstikkende ende av anodefesteanordningen sveises til hylsen. Cellen fylles med en ikke- vandig elektrolytt, og et lokk festes til toppen av cellen.

Fire celler lages i samsvar med beskrivelsen ovenfor. De utlades alle over en motstand på 8 ohm som gir jevne og ensartede spenningsprofilkurver som viser at festeanordningen forble i god elektrisk kontakt gjennom hele utladningen.

Mens disse eksemplene beskriver tenner som har større bredde enn lengde, kan andre lengder og bredder benyttes uten å påvirke virkningen av oppfinnelsen. I noen tilfeller kan det væreønskelig å ha tenner som er lengre enn de er brede. I tillegg, beskriver dette eksemplet tenner hvor summen av lengden av disse er lik lengden av åpningen. Det kan væreønskelig å ha kortere tenner slik at summen av deres lengder er mindre enn lengden av åpningen. Mens eksemplet beskriver en festeanordning som har 36 åpninger, kan et betraktelig mindre antall åpninger benyttes. Det er mulig at til noen anvendelser ville en enkelt åpning med tenner være tilstrekkelig til å danne en mekanisk og elektrisk forbindelse.

Mens disse eksempler beskriver bruken av en enkelt festeanordning festet til anoden, ville det være mulig å feste flere festeanordninger til denne. Selv om eksemplet hadde en anode som besto av litium, vil andre brukbare folieelektroder omfatte aluminium, natrium, calium, magnesium, kalsium, andre alkali- eller jordalkaliemetaller og legeringer av disse.

Mens dette eksemplet beskriver en celle hvor det benyttes en katode som består av MnCh , kan annet katodematerial benyttes. Egnede katodematerialer omfatter CFx, V2O3 , WO3, M0O3 , M0S2 , blyoksyder, koboltoksyder, kobberoksyder, CuS, CUS2 , In2 03 , jernsulf ider , nikkelsulf id , Ag2 CrCM , Ag3 PCm , TiS2 , polysulfider av overgangsmetaller og blandinger derav.

I tillegg til at flikmaterialet i festeanordningen er laget av nikkel, kan andre egnede materialer omfatte stål, rustfritt stål, aluminium, kobber eller titan.

Claims (10)

1. Elektrokjemisk celle som består av en metallhylse som har en positiv pol og en negativ pol på passende måte elektrisk isolert fra hverandre, og som i nevnte hylse har et par elektroder; en skillevegg satt mellom nevnte par elektroder; en elektrolytt; og anordning for å koble elektrisk en av elektrodene til en av polene, som består av minst ett elektrisk ledende element som har en anordning av åpninger, nevnte element kobles til en på forhånd bestemt del av elektroden; hver åpning har minst et par av av to motstående tenner, og begge tenner er ved roten festet til motsatte ender av åpningen, og hver av nevnte tenner stikker ut fra samme side av det ledende element, og hver har en lengde som er større enn tykkelsen av elektroden, hvor tennene i hver åpning går inn i elektrodematerialet og hver har en slik projeksjonsvinkel fra det nevnte lendende element at det ikke stikker ut forbi det motsatte overflate av elektroden, hvorved god elektrisk kontakt dannes og beholdes.

2. Elektrokjemisk celle i henhold til krav 1, karakterisert ved at elektroden som det ledende element er koblet til, består av en metallfolie.

3. Elektrokjkemisk celle i henhold til krav 2, karakterisert ved at tennene er av rektangulær form.

4. Elektrokjemisk celle i henhold til krav 3, karakterisert ved at lengden på en tann ikke er større enn halve lengden av åpningen.

5. Elektrokjemisk celle i henhold til krav 4, karakterisert ved at metallfolie-elektroden velges fra gruppen som består av alkalimetaller, jordalkalimetaller, aluminium og legeringer derav.

6. Elektrokjemisk celle i henhold til krav 4, karakterisert ved at metallfolie-elektroden er litium.

7. Elektrokjemisk celle i henhold til krav 6, karakterisert ved at tennene danner en vinkel på 80o med det ledende element, og det ledende element er et materiale valgt fra gruppen som består av nikkel, stål, rustfritt stål, aluminium, kobber og titan.

8. Fremgangsmåte for å lage elektrisk kontakt med en folieelektrode i en elektrokjemisk celle, karakterisert ved trinnene: å stanse ut en rekke åpninger i en på forhånd bestemt del av et rektangulært formet ledende element; danne minst et par motstående tenner fra materiale som er stanset ut fra hver åpning slik at tennene stikker ut fra samme side av det ledende element, er lengre enn tykkelsen på folieelektroden og rettes mot hverandre; presse tennene i det ledende element først mot og igjennom den første overflate på folieelektroden og inn i dens legeme, hvorved materiale i folieelektroden tvinges til å flyte forbi og bak tennene for å holde det ledende element i god elektrisk og mekanisk kontakt med folieelektroden.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at tennene samtidig presses igjennom folieelektroden og bøyes over ved å presse det ledende element og metallfolieelektrode-sammensetningen mellom metallplater til en fastsatt avstand.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at den fastsatte avstand er lik summen av tykkelsen av folieelektroden og det ledende element.