PL191768B1 - Bateria i sposób wytwarzania baterii - Google Patents

Abstract

1. Bateria, w której elementy wytwarzaj ace sile elektromotoryczn a s a umieszczone w me- talowej puszce posiadaj acej denko i maj acej kszta lt cylindryczny, graniasty lub podobny, a materia l metalowej puszki sk lada si e g lównie z zelaza i warstwy niklu na lo zonej co najmniej na wewn etrzn a powierzchni e metalowej pusz- ki, znamienna tym, ze metalowa puszka (1, 10) posiada warto sc wspó lczynnika grubo sci den- ka (1a) do grubo sci scianki bocznej (1b, 10b) 1,5 - 7,0 oraz w warstwie niklu (8) prostopadle do spodniej powierzchni ma liczne p lytkie rowki (7). PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest bateria i sposób wytwarzania baterii, na przykład baterii galwanicznej lub akumulatorowej, a zwłaszcza udoskonaleń metalowej puszki baterii o kształcie cylindrycznym lub prostopadłościennym.

W ostatnich latach przy wzroście popularności przenoś nych urządzeń wzrosło zapotrzebowanie na miniaturowe baterie galwaniczne i baterie akumulatorowe. Jako baterie galwaniczne głównie stosowane są suche baterie manganowe, suche baterie alkaliczne lub baterie litowe, w zależności od przeznaczenia. Również jako baterie akumulatorowe dość często stosowano dotychczas akumulatory niklowo-kadmowe będące akumulatorami alkalicznymi, w których zastosowano wodny roztwór środka alkalicznego jako elektrolitu oraz niklowo-wodorkowe baterie akumulatorowe, w których jako elektrodę zastosowano stop absorbujący wodór. Natomiast w ostatnim czasie pojawiły się na rynku litowojonowe baterie akumulatorowe z organicznym elektrolitem, o korzystnie zmniejszonym ciężarze.

Oprócz baterii mających typowy kształt cylindryczny i pastylkowy, w ostatnich latach wzrosło zastosowanie baterii o kształcie prostopadłościennym, a ponadto cienkich baterii o kształcie papierowym.

Wzrosło także zapotrzebowanie na baterie mające zwiększoną gęstość energii baterii. Gęstość energii baterii oznacza się w dwa sposoby. Jednym z nich jest objętościowa gęstość energii (Wh/l). Jest to traktowane jako wskaźnik miniaturyzacji baterii. Drugim jest wagowa gęstość energii baterii (Wh/kg). Jest to wskaźnik zmniejszenia ciężaru baterii.

Takie baterie o wysokiej objętościowej gęstości energii (Wh/l) lub wagowej gęstości energii (Wh/kg) są wysoko cenione.

Poziom gęstości energii baterii jest uzależniony od aktywnych materiałów dodatniej i ujemnej elektrody, które są elementami wytwarzającymi siłę elektromotoryczną; oprócz tego istotny jest również elektrolit i separator.

Ważna jest również obudowa baterii, tzn. metalowa puszka baterii, w którym mieszczą się elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną.

Przy zmniejszeniu grubości metalowej puszki baterii możliwe jest umieszczenie w niej większej ilości aktywnego materiału baterii co równocześnie powoduje zwiększenie objętości gęstości energii baterii jako całości. Również jeśli metalowa puszka baterii mogłaby być wykonana z lżejszego materiału o mniejszym ciężarze właściwym, uzyskałoby się wzrost wagowej gęstości baterii jako całości.

Podstawowym tradycyjnym sposobem wytwarzania puszki baterii było wytwarzanie naczynia o zadanym kształcie poprzez powtarzalne zabiegi głębokiego cią gnienia wykonywane na prasie (nosi tu tutaj nazwę „przetłoczny proces ciągnienia”). Możliwe jest także wykonywanie obudowy z zastosowaniem połączonych zabiegów wytłaczania i wycią gania, co umoż liwia uzyskanie dalszego zmniejszenia grubości metalowej puszki czyli zwiększenie objętościowej gęstości energii, a także ułatwia produkcję. Połączone zabiegi wytłaczania i wyciągania są później skrótowo nazwane „wytłaczanie z wyciąganiem”.

Wytłaczanie z wyciąganiem jest sposobem, w którym wytwarzany jest półfabrykat wyrobu w drodze głębokiego wyciągania za pomocą prasy i z takiej wytłoczki wytwarza się następnie puszkę o kształ cie cylindrycznym w sposób cią g ł y w jednej operacji, z zastosowaniem urzą dzenia do wycią gania. W porównaniu z przetłoczonym procesem ciągnienia uzyskuje się poprawę wydajności produkcyjnej w wyniku zmniejszenia liczby operacji, zmniejszenie ciężaru i wzrost pojemności w wyniku zmniejszenia grubości ścianki oraz zmniejszenie korozji naprężeniowej. W tradycyjnym sposobie wytwarzania do wykonywania wytłoczek półfabrykatów puszki baterii stosowano galwanicznie niklowaną blachę stalową o stosunkowo dużej twardości, w celu zapewnienia wystarczającej wytrzymałości przy wzroście ciśnienia oraz wystarczającej wytrzymałości zamykanego otworu. Sposób wytłaczania z wyciąganiem umoż liwia zmniejszenie grubości puszki baterii i umożliwia uzyskanie poprawy w zakresie objętościowej gęstości baterii o 2-5%.

Choć występuje tu pewna zmienność w zależności od wielkości baterii, zastosowanych materiałów, sposobów wytwarzania baterii itd., stosunek ciężarów metalowej puszki w odniesieniu do ciężaru całej baterii dotychczas wynosił około 10-20% w przypadku cylindrycznej baterii akumulatorowej niklowo-wodorkowej lub litowo-jonowej baterii akumulatorowej, w przypadku prostopadłościennych baterii akumulatorowych niklowo-wodorkowych lub litowo-jonowych baterii akumulatorowych około 30-40%, była to wartość około dwukrotnie większa niż w przypadku baterii typu cylindrycznego. WarPL 191 768 B1 tość ta była zwłaszcza wysoka dla typu prostopadłościennego, co wynikało z trudności zapewnienia wytrzymałości przy wzroście ciśnienia w naczyniu baterii.

Zdążanie do miniaturyzacji i zmniejszenia ciężaru baterii, tzn. metalowej puszki, prowadzi do zwiększenia gęstości energii baterii jak opisano powyżej, lecz dla eksploatacji baterii obejmującej ładowanie, rozładowanie, pozostawienie w stanie nieużywanym itd. istotna jest również gęstość energii, niezawodność jakości i bezpieczeństwo, które nie mogą tu być ignorowane. W przypadku baterii galwanicznych, które są przeznaczone tylko do rozładowywania, nieodzowna jest gwarantowana pojemność i zapobieżenie wyciekaniu płynu, nawet podczas długotrwałego przechowywania, a także niezawodność jakości, jak na przykład charakterystyka stabilnego rozładowania. W przypadku baterii akumulatorowych, które są powtarzalnie ładowane i rozładowywane, oprócz charakterystyki wymaganej dla baterii galwanicznych nawet bardziej istotne są takie właściwości, jak na przykład okres trwania i bezpieczeń stwo.

Dotychczas niezmiernie trudno było spełniać wymagania dotyczące wyższej gęstości energii, jakości wyrobu i bezpieczeństwa w odniesieniu do metalowej puszki baterii. Mianowicie, przy próbie zwiększenia gęstości energii poprzez zmiany wymiarów metalowej puszki baterii okazywało się, że baterie odkształcały się lub pękały w warunkach odbiegających od normy, prowadząc do częstych wycieków elektrolitu. Natomiast wykonanie mocnej metalowej puszki często niweczyło poprawę w zakresie zwię kszenia gę stoś ci energii.

W opisanym powyż ej sposobie wytwarzania puszki baterii, metoda wytłaczania z wyciąganiem zasadniczo spełnia wymagania w zakresie wzrostu gęstości energii baterii poprzez zmniejszenie grubości i ciężaru, a także w zakresie niezawodności jakości i bezpieczeństwa baterii; jednakże w dalszym ciągu poszukuje się tu dalszego wzrostu, niezawodności jakości i stabilności.

Występuje silny popyt rynkowy w zakresie zwiększenia dogodności takich baterii galwanicznych i akumulatorowych, tzn. w zakresie miniaturyzacji i zmniejszenia ciężaru. Niezawodność jakości i bezpieczeństwo baterii są tu niezbędne; niezawodność, bezpieczeństwo i poprawa gęstości energii, które umożliwiają miniaturyzację i zmniejszenie ciężaru baterii, dotychczas były niewystarczająco spełnione.

W procesie wytwarzania metalowej puszki nawet przy zastosowaniu sposobu opartego na procesie wytłaczania z wyciąganiem dla baterii cylindrycznych występowały defekty w postaci korozji lub pęknięć. Ponadto, w przypadku baterii prostopadłościennych, które tradycyjnie wytwarzano poprzez ciągnienie puszki, występowały problemy w zakresie miniaturyzacji i zmniejszenia ciężaru zewnętrznego naczynia metalowego.

Celem obecnego wynalazku jest złagodzenie problemów opisanych powyżej i poprzez dążenie do miniaturyzacji oraz zmniejszenia ciężaru metalowej puszki o kształcie cylindrycznym, prostopadłościennym lub podobnym stosowanym w bateriach galwanicznych lub akumulatorowych, dostarczenie baterii o większej gęstości energii oraz zadowalającej niezawodności jakości i bezpieczeństwie.

Bateria, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną są umieszczone w metalowej puszce posiadającej denko i mającej kształt cylindryczny, graniasty lub podobny, a materiał metalowej puszki składa się głównie z żelaza i warstwy niklu nałożonej co najmniej na wewnętrzną powierzchnię metalowej puszki według wynalazku charakteryzuje się tym, że metalowa puszka posiada wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej prostopadle do spodniej powierzchni ma liczne płytkie rowki.

Korzystnie wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej metalowej puszki wynosi 2,5 - 5,0.

Korzystnie głębokość licznych płytkich rowków prostopadłych do spodniej powierzchni, w warstwie niklu o grubości nie większej niż 20 μm, wynosi co najmniej 0,5 μm, lecz jest mniejsza od grubości tej warstwy niklu.

Korzystnie materiał metalowej puszki, którego głównym składnikiem jest żelazo, jest stalą węglową do walcowania na zimno zawierającą węgiel w ilości 0,1% wagowego lub poniżej.

Korzystnie materiał metalowej puszki jest stalą węglową zawierającą przynajmniej tytan lub niob w ilości 0,1% wagowego lub poniżej.

Korzystnie twardość HV ścianek bocznych metalowej puszki po formowaniu puszki, odniesiona do twardości HV materiału wyjściowego, którego głównym składnikiem jest żelazo zastosowanego w metalowej puszce, wynosi 1,5 krotności lub powyżej.

Korzystnie grubość ścianki bocznej metalowej puszki w sąsiedztwie otworu zamykania baterii, jest co najmniej o 10% większa niż grubość ścianki bocznej w innych częściach.

PL 191 768 B1

Korzystnie metalowa puszka ma kształt cylindryczny o zewnętrznej średnicy poniżej 35 mm, a grubość ś cianki bocznej metalowej puszki w są siedztwie otworu zamykania baterii jest co najmniej 30% większa niż grubość w innych częściach.

Korzystnie grubość ścianki bocznej metalowej puszki leży w zakresie 0,05 - 0,15 mm.

Bateria, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną są umieszczone w metalowej puszce posiadającej denko i mającej kształt graniasty lub podobny, a materiał metalowej puszki składa się głównie z żelaza i warstwy niklu nałożonej co najmniej na wewnętrzną powierzchnię metalowej puszki według wynalazku charakteryzuje się tym, że metalowa puszka posiada wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej równą 1,5 - 7,0 oraz prostopadle do spodniej powierzchni ma liczne płytkie rowki, a co najmniej część narożna na wewnętrznej powierzchni, w przekroju płaszczyzną podłużną i poprzeczną tej metalowej puszki ma kształt zaokrąglony promieniem poniżej 05, mm.

Sposób wytwarzania baterii, w którym blachę na bazie żelaza z utworzoną warstwą niklu co najmniej na jednej jej powierzchni poddaje się ciągnieniu kształtując blachę na kształt kubka z denkiem ciągłe ciągnienie wykonuje się w jednej operacji, uzyskując metalową puszkę posiadającą cylindryczny, graniasty lub podobny kształt, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w wyniku operacji ciągłego ciągnienia wytwarza się metalową puszkę o współczynniku wyciągania leżącym w zakresie 20 - 90%, o współczynniku grubości denka do grubości ścianki o wartości 1.5 - 7.0, i licznymi płytkimi rowkami uformowanymi na warstwie niklu nałożonej na wewnętrzną powierzchnię baterii.

Korzystnie ciągnienie wykonuje się w sposób ciągły, a współczynnik wyciągania jest zawarty w zakresie 50 do 90%.

Obecny wynalazek dotyczy baterii, której głównym składnikiem materiału metalowej puszki jest żelazo, a co najmniej na wewnętrzną powierzchnię baterii nałożona jest warstwa niklu, i sposobu wytwarzania baterii. Wynalazek dotyczy baterii, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną są umieszczone w metalowej puszce, jest to puszka z dnem posiadająca kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub podobny, a współczynnik grubości denka do grubości ścianki bocznej wynosi 1,5 - 7,0, metalowa puszka jest wykonana głównie z żelaza, co najmniej na wewnętrznej powierzchni nałożona jest warstwa niklu, w której wykonano płytkie liczne rowki prostopadłe do spodniej powierzchni.

Ponadto wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania baterii, w którym blacha na bazie żelaza posiadająca warstwę niklu przynajmniej na jednej powierzchni jest poddawana ciągnieniu do postaci rurkowej kształtki z dnem oraz wytłaczaniu z wyciąganiem prowadzonym w sposób ciągły w jednej operacji i w taki sposób, że współczynnik wyciągania bocznej części formowanej puszki w rurkowej wytłoczce z dnem leży w zakresie 20-90% (gdzie współczynnik wyciągania [%] jest określony następująco: współczynnik wyciągania [%]=(grubość początkowa - grubość po wyciąganiu)x100/grubość początkowa); dla metalowej puszki wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki wynosi 1,5-7,0, puszka ta posiada kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub podobny, z licznymi płytkimi podłużnymi rowkami w warstwie niklu, a bateria jest utworzona przy jej wykorzystaniu.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia metalową puszkę o kształcie cylindrycznym, posiadającą denko, zastosowaną w przykładzie wykonania obecnego wynalazku, w przekroju, fig. 2 - schemat sposobu wytwarzania metalowej puszki po wytłaczaniu z wyciąganiem z materiału wyjściowego zastosowanego w przykładzie wykonania według obecnego wynalazku, fig. 3 - strukturę metalu bocznej ścianki puszki zgodnie z wynalazkiem, na wewnętrznej stronie baterii, w powiększeniu 300x i 3000x, sfotografowaną za pomocą mikroskopu skaningowego, fig. 4 - strukturę metalu w przekroju powierzchni ścianki bocznej puszki zgodnie z obecnym wynalazkiem, w powiększeniu 200x i 10000x, sfotografowaną za pomocą mikroskopu skaningowego, fig. 5 - porównanie charakterystyki intensywnego rozładowania (1 CmA, 3 CmA) ogniwa A według obecnego wynalazku w 20°C oraz ogniwa C według dotychczasowego stanu techniki, fig. 6 - metalową puszkę w kształcie prostopadłościennym z denkiem, zastosowaną w przykładzie wykonania obecnego wynalazku oraz szczegół ukazujący jego naroże w powiększeniu, w przekroju.

Bateria akumulatorowa według wynalazku, ma elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną umieszczone w metalowej puszce posiadającej denko i mającej kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub podobny, gdzie stosunek grubości denka do grubości ścianki bocznej wynosi 1,5 do 7,0. Metalowa puszka jest wykonywana głównie z blachy zawierającej żelazo, przynajmniej wewnętrzna powierzchnia tej baterii jest pokryta warstwą niklu, w której wykonano liczne rowki prostopadłe do spodniej powierzchni denka.

W tym przypadku szczególnie pożądane jest, aby wartość współczynnika gruboś ci denka do grubości ścianki bocznej metalowej puszki wynosiła 2,5 do 5,0. Ponadto korzystne jest, aby głębokość

PL 191 768 B1 płytkich rowków prostopadłych do spodniej powierzchni i utworzonych w warstwie niklu o grubości nie większej niż 20 μm wynosiła co najmniej 0,5 μm, lecz była mniejsza od grubości warstwy niklu oraz by metal, którego głównym składnikiem jest żelazo, był stalą węglową do walcowania na zimno, zawierającą maksimum 0,1% wagowych węgla i korzystnie stalą węglową zawierającą do przynajmniej 0,1% wagowych tytanu Ti lub niobu Nb.

Ponieważ warstwę niklu nałożono na wewnętrzną powierzchnię metalu, którego głównym składnikiem jest żelazo, które jest porównywalnie tanie i ma dużą wytrzymałość, a prostopadle do spodniej powierzchni warstwy niklu wykonano liczne płytkie rowki, to uzyskano następujące zalety.

Dzięki utworzeniu licznych płytkich rowków prostopadle do spodniej powierzchni zmniejszono rezystancję styku warstwy niklu z elementami wytwarzającymi siłę elektromotoryczną umieszczonymi wewnątrz baterii, i ponadto dzięki utworzeniu licznych płytkich rowków prostopadle do spodniej powierzchni warstwy niklu, warstwa zawierająca głównie żelazo nie styka się bezpośrednio z elementami wytwarzającymi siłę elektromotoryczną, w wyniku czego uzyskuje się bardzo dobrą odporność na korozję. Należy zauważyć, że oprócz tego dodatkową korzyścią jest uzyskanie dużego współczynnika wyciągania w operacji wytłaczania z wyciąganiem.

Dzięki temu dla baterii o kształcie cylindrycznym, prostopadłościennym lub podobnym może być zastosowana puszka, w której współczynnik grubości denka do grubości ścianki bocznej wynosi

1,5 do 7,0. Choć znane są baterie cylindryczne, w których wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej jest podobna do powyższej, to zgodnie z obecnym wynalazkiem uzyskano ponadto wydatne zwiększenie niezawodność jakości i bezpieczeństwa baterii, przy zachowaniu takiej wartości współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej.

Również, według wynalazku możliwe jest uzyskanie metalowej puszki posiadającej wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej 1,5 do 7,0 nawet w przypadku baterii o kształcie prostopadłościennym lub podobnym, co nie było do tej pory możliwe.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano twardość HV ścianki bocznej metalowej puszki po formowaniu 1,5 lub więcej razy większa od twardości HV materiału wyjściowego, tj. metalu, którego głównym składnikiem jest żelazo.

Również grubość ścianki bocznej metalowej puszki według wynalazku w pobliżu zamykanego otworu baterii jest przynajmniej o 10% większa niż grubość w innych częściach. Wynika to z tego, że podczas eksploatacji baterii największe osłabienie w odniesieniu do wytrzymałości przy wzroście ciśnienia wewnątrz baterii występuje w sąsiedztwie zamykanego otworu baterii. Możliwe jest zatem utrzymanie wytrzymałości zamknięcia poprzez wytworzenie pogrubionej ścianki bocznej w sąsiedztwie zamykanego otworu baterii o większej odporności na występujące ciśnienie, która jest przynajmniej o 10% grubsza od grubości ścianki bocznej w innych częściach. Zaleta wynalazku może być ponadto uwydatniona poprzez wykonanie ścianki bocznej w sąsiedztwie zamykanego otworu grubszej o przynajmniej 30% więcej niż grubość w innych częściach, w przypadku gdy metalowa puszka ma kształt cylindryczny o średnicy zewnętrznej mniejszej niż 35 mm.

Ponadto, zgodnie z wynalazkiem w wyniku zastosowania obecnego wynalazku można uzyskać dalszą poprawę w zakresie gęstości energii baterii poprzez zmniejszenie grubości ścianki bocznej metalowej puszki do zakresu 0,05 do 0,15 mm, co było niemożliwe do uzyskania w tradycyjny sposób.

Wynalazek przedstawia baterię, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną umieszczono w metalowej puszce z denkiem, o kształcie prostopadłościennym lub podobnym, gdzie wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej wynosi 1,5 do 7,0. Metalowa puszka zawiera głównie żelazo i posiada warstwę niklu przynajmniej na wewnętrznej stronie baterii, prostopadle do spodniej powierzchni tej warstwy niklu wykonano liczne płytkie rowki, przynajmniej część narożna wewnętrznej powierzchni baterii w przekroju płaszczyzną podłużną i poprzeczną tego naczynia posiada promień krzywizny poniżej 0,5 mm. Dzięki temu nawet przy wzroście wartości współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej tzn. nawet jeśli grubość ścianki bocznej będzie mniejsza, będzie zachowana wytrzymałość przy wzroście ciśnienia.

Wynalazek przedstawia sposób wytwarzania baterii, w którym blacha na bazie żelaza pokryta przynajmniej z jednej strony warstwą niklu jest formowana w drodze ciągnienia do rurkowego kształtu wytłoczki z denkiem, po czym następuje wyciąganie, współczynnik wyciągania wytłoczki wynosi 20 do 90% i uzyskana w ten sposób metalowa puszka o wartości współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej 1,5 do 7,0 ma kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub podobny i posiada liczne płytkie podłużne rowki zaformowane w warstwie niklu na wewnętrznej powierzchni baterii, wykorzystywane do utworzenia baterii. Bardziej korzystnie, operacja wyciągania jest wykonywana w sposób

PL 191 768 B1 ciągły w jednym zabiegu, w wyniku czego współczynnik wyciągania wynosi 50% do 90%. Dzięki tak dużemu współczynnikowi wyciągania w wynalazku uzyskuje się tę zaletę, że metalową puszkę można wytwarzać z wartością współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej 1,5 do 7,0. Poniżej opisano przykłady wykonania wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Na wstępie, jako baterię według obecnego wynalazku opisano cylindryczny akumulator niklowo-wodorkowy jako jeden przykład baterii, w którym metalowa puszka zawiera zasadniczo żelazo, i w którym przynajmniej na wewnętrzną powierzchnię baterii nałożono warstwę niklu.

Na wstępie opisana zostanie metalowa puszka 1 zastosowana w tej baterii. Jak pokazano na fig. 2, jako materiał wyjściowy zastosowano tu galwanicznie niklowaną blachę stalową 2 uzyskaną w drodze dwustronnego niklowania galwanicznego odtlenionej, czyli uspokojonej glinem blachy stalowej 2 SPCE (zawartość węgla 0,04% wagowych) przy grubości warstwy niklu około 3,5 μm i poddaną obróbce cieplnej, gdzie uzyskana grubość blachy 2 wyniosła 0,4 mm. Niklowana blacha 2 stalowa posłużyła do wycięcia okrągłego kształtu, który następnie poddano ciągnieniu na prasie, do wytworzenia metalowej wytłoczki 3 posiadającej denko 1a, której średnica zewnętrzna wyniosła 21,5 mm a wysokość 15,5 niewielka zmiana grubości denka bądź grubości ścianki w wytłoczce 3 w porównaniu z materiałem wyjściowym.

Z kolei metalowa wytłoczka 3 zaopatrzona w denko 1a została umieszczona w metalowej formie do wytłaczania z wyciąganiem, w wyniku czego w operacji ciągłego wyciągania wytworzono półwyrób metalowej puszki 4 z denkiem, którego zewnętrzna średnica wynosiła 13,8 mm a wysokość 54 mm. W tym stanie ponieważ górna część boczna, odpad 6 metalowej puszki nie była płaska lecz nieco odkształcona w wyniku procesu, odcięto odpad 6, wytwarzając metalową puszkę o średnicy zewnętrznej 13,8 mm i wysokości 49 mm. Na fig. 1 przedstawiono metalową puszkę w przekroju.

Grubość TA denka 1a metalowej puszki 1 pokazanej na fig. 1 wynosi 0,4 mm, natomiast grubość TB ścianki bocznej 1b wynosi 0,18 mm, a współczynnik wyciągania wynosi 55%. Wartość współczynnika grubości TA denka 1a do grubości TB ścianki bocznej 1b wynosi 2,22. Należy tu zauważyć, że grubość TB ścianki bocznej 1b jak pokazano, dotyczy grubości w środkowym położeniu wysokości metalowej puszki 1 i oznacza średnią wartość grubości ścianki bocznej 1b.

Metalowa puszka 1 jest wykonana w taki sposób, że grubość ścianki bocznej w położeniu 5 mm poniżej otworu części górnej 1c w sąsiedztwie zamykanego otworu (dalej zwaną grubością bocznej ścianki TC w sąsiedztwie zamykanego otworu) wynosi 0,2 mm, tzn. jest około 11% grubsza niż grubość ścianki bocznej TB w części środkowej, co ma na celu zwiększenie wytrzymałości zamykanego otworu.

Twardość Vickersa niklowanej galwanicznie blachy stalowej 2 przed wykonaniem metalowej puszki wynosiła 108HV; twardość ścianki bocznej 1b w części środkowej po zaformowaniu metalowej puszki wynosiła 202 HV; w wyniku wytłaczania z wyciąganiem nastąpił 1,87-krotny wzrost twardości.

Zgodnie z obecnym wynalazkiem podczas ciągłego wyciągania zostały również ukształtowane liczne płytkie rowki 7 prostopadłe do spodniej powierzchni. Liczne płytkie rowki 7 prostopadłe do powierzchni spodniej na zewnętrznej powierzchni baterii są rysami wytwarzanymi w operacji ciągłego wyciągania. Rysy takie mogą być utworzone poprzez wprowadzenie stosunkowo twardych cząstek na przykład tlenku glinowego podczas operacji wytłaczania z wyciąganiem. Mianowicie, w wyniku wprowadzenia cząstek tlenku glinowego przez na przykład zmieszanie tych cząstek z kąpielą galwaniczną przy nakładaniu galwanicznej powłoki niklu, cząstki tlenku glinowego wystąpią w powłoce w małych ilościach i z łatwością będą kształtować liczne płytkie rowki 7 prostopadłe do spodniej powierzchni.

Stan ten przedstawiono na fotografiach uzyskanych za pomocą mikroskopu skaningowego (fig. 3 i 4). Na fig. 3 pokazano wewnętrzną powierzchnię metalowej puszki baterii w powiększeniu 300x, i następnie w powiększeniu 3000x. Białe podłużne pasy na fotografiach przedstawiają części licznych płytkich rowków 7 prostopadłych do powierzchni spodniej. Na fig. 4 pokazano fotografię wykonaną za pomocą mikroskopu skaningowego na powierzchni przekroju poprzecznego metalowej puszki w powiększeniu 200x i następnie tę część otworu w powiększeniu 10.000x; w powiększeniu 10.000x galwanicznej warstwy niklu 8 na materiale 9 blachy stalowej SPCE występują liczne płytkie rowki 7 o głębokości około 1 μm, utworzone w wewnętrznej powierzchni baterii. W ten sposób wykonywana jest metalowa puszka baterii według obecnego wynalazku.

Następnie wykonano zamknięty cylindryczny akumulator niklowo-wodorkowy z wykorzystaniem metalowej puszki wytworzonej jak opisano powyżej. Najpierw przygotowano elektrodę dodatnią, separator i elektrodę ujemną, tworzące trzy elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną. Do utworzenia

PL 191 768 B1 elektrody dodatniej zastosowano sferyczny proszek wodorotlenku niklu z dodatkiem tlenku cynku, tlenku kobaltu, lub wodorotlenku kobaltu, zmieszanych do postaci pasty, którą użyto do wypełnienia korpusu przewodzącego w postaci gąbczastego niklu, elektroda jest formowana aby uzyskać żądane wymiary (42 mm x 75 mm x 0,72 mm), suszenia, następnie wywierane jest na nią ciśnienie i cięta. Do elektrody dodatniej dołączane są niklowe przewody umożliwiające połączenie z dodatnim zaciskiem baterii. Jako separator zastosowano poddaną sulfonowaniu polipropylenową włókninę o grubości 0,12 mm. Warstwę elektrody ujemnej utworzono poprzez dodanie środka przewodzącego oraz środka wiążącego do proszku stopowego typu AB5 zawierającego 3,6 Mm Ni, 0,4 Mn, 0,3 Al i 0,7 Co jako stopu absorbującego wodór; który nałożono na wytłaczany człon metalowego rdzenia wykonanego z galwanicznie niklowanego żelaza, i ukształtowano zgodnie z wymaganymi wymiarami (42 mm x 101 mm x 0,44 mm) poprzez suszenie, wywieranie ciśnienia i cięcie, dla utworzenia elektrody.

Następnie elektrodę dodatnią i ujemną zwinięto w układzie spiralnym z umieszczonym między nimi separatorem i włożono do wspomnianej powyżej metalowej puszki. W tym przypadku zewnętrzne obrzeże elektrody ujemnej stykało się z metalową puszką. Następnie zacisk elektrody dodatniej w postaci pokrywki zamkniętej baterii połączono z płytką dodatniej elektrody w drodze punktowego zgrzewania. Baterię zalano 2,0 cm³ wodnego roztworu wodorotlenku potasowego (KOH) o gęstości właściwej 1,30, w którym rozpuszczono 40 g/l wodorotlenku litowego (LiOH^H₂O) tworzącego elektrolit i uszczelniono metalową puszką, uzyskując gotową baterię. Była to bateria rozmiaru AA, o średnicy

14,5 mm, wysokości 50,0 mm i ciężarze baterii około 26 g. Pojemność baterii wynosiła 1350 mAh. Dla celów obecnego wynalazku bateria ta będzie nazywana ogniwem A.

W celach porównania osiągów ogniwa A według obecnego wynalazku wykonano ogniwa B-E według dotychczasowego stanu techniki i przeprowadzono ocenę. Różnice ogniw B-E w stosunku do ogniwa A według obecnego wynalazku polegały w każdym z przypadków na odmiennej budowie metalowej puszki, co opisano poniżej.

Ogniwo B zbudowano z utlenionej, czyli uspokojonej glinem blachy stalowej bez powłoki niklowej, lecz na jej powierzchni wykonano liczne prostopadłe do spodniej powierzchni rowki. W ogniwie C występowała powłoka niklowa, lecz na powierzchni nie występowały płytkie rowki, prostopadłe do spodniej powierzchni. Ogniwo D było przykładem, w którym współczynnik grubości denka do grubości ścianki wynosił poniżej 1,5 to jest wynosił 1,14, gdzie grubość denka zmalała w wyniku zastosowanych operacji do 0,4 mm, natomiast grubość ścianki zmalała do 0,35 mm, a współczynnik ciągnienia dla tego zewnętrznego naczynia metalowego wynosił 12,5% i był niższy niż w przypadku obecnego wynalazku, w wyniku czego twardość ścianki bocznej po zaformowaniu zewnętrznego naczynia metalowego wynosiła tylko 124 HV i mogła być zwiększona jedynie 1,15 razy w wyniku procesu. A zatem ogniwo D różniło się od obecnego wynalazku nie tylko wielkością współczynnika grubości denka do grubości ścianki leżącą pozą zakresem obecnego wynalazku, lecz również zmianą twardości uzyskaną w wyniku procesu, która była mniejsza niż 1,5, a współczynnik wyciągnięcia był mniejszy niż 20%.

W ogniwie E zastosowano stal węglową zawierającą 0,11% węgla.

Odkrycia dokonano poprzez ocenę działania ogniw A-E z metalowymi puszkami wytworzonymi jak podano powyżej.

Ogniwo A według obecnego wynalazku było akumulatorem niklowo-wodorkowym o bardzo dobrej charakterystyce ładowania, rozładowania, okresu trwania i akumulacji; oprócz tego dla tej baterii uzyskano równocześnie dodatkową wysoką gęstość energii oraz dużą niezawodność. Dalsze szczegóły dotyczące działania baterii A podano w opisie baterii według dotychczasowego stanu techniki B-E.

W ogniwie B zastosowano utlenioną, czyli uspokojoną glinę blachę stalową bezpośrednio bez galwanicznej powłoki niklowej, lecz w której metalowa puszka posiadała liczne płytkie rowki prostopadłe do powierzchni spodniej. Jednakże w tym przypadku wytłaczanie i wyciąganie w procesie wytwarzania metalowej puszki występowało z pewnymi utrudnieniami i defekty formowania mogły powstawać łatwiej niż w procesie według obecnego wynalazku. Charakterystyka tej baterii wykazała występowanie problemów w zakresie ładowania, rozładowania, okresu trwania oraz akumulacji i w rezultacie warunki te uniemożliwiły jej praktyczne wykorzystanie. Było to spowodowane postępowaniem korozji metalowej puszki wywołanej przez alkaliczny elektrolit i wynikającej z braku warstwy niklu na blasze stalowej.

Natomiast w ogniwie C występowała warstwa niklu lecz na powierzchni nie wykonano licznych płytkich rowków prostopadłych do warstwy spodniej. W tym przypadku, choć w procesie wytwarzania

PL 191 768 B1 metalowej puszki nie wystąpiły szczególne utrudnienia i charakterystyka tej baterii była równoważna jak w dla ogniwa A odnośnie ładowania, okresu trwania i akumulacji, wykazano tu różnicę w porównaniu z ogniwem A w zakresie charakterystyki rozładowania, a zwłaszcza napięcia rozładowania w warunkach intensywnego obciążenia. Na fig. 5 przedstawiono porównanie charakterystyk w warunkach intensywnego obciążenia (1 CmA, 3 CmA) w temperaturze 20°C, przy czym CmA stanowi jednostkę charakteryzującą wydajność (pojemność baterii) i oznacza wielkość przepływającego prądu elektrycznego w mA na godzinę, przykładowo prąd 1 CmA rozładowuje całkowicie baterię w ciągu godziny, przy czym 1C oznacza prąd podany w amperach rozładowujących baterię w ciągu godziny. Według fig. 5 przy średnim napięciu rozładowania dla 1 CmA napięcie ogniwa C było o około 30 mV niższe niż w przypadku ogniwa A, a przy 3 CmA ró ż nica ta wzrosł a do oko ł o 50 mV. Wskazuje to na spadek pojemności około 2,5% w zakresie Wh, co nawet dla warunków intensywnego rozładowania jest stosunkowo łagodne i wynosi około 1 CmA. W ostatnich latach akumulatory niklowo-wodorkowe stały się typem, w którym charakterystyka intensywnego rozładowania jest szczególnie cenna i ich zastosowania stopniowo rozszerzyły się w kierunku intensywnego rozładowania od 5 CmA, 10 CmA do 20 CmA, przy czym wymaganie, aby bateria wykazywała niższą charakterystykę dla intensywnego rozładowania przy poziomie 1 CmA stanowi dość poważny problem.

W przypadku ogniwa D, ponieważ grubość ścianki metalowej puszki wynosiła 0,35 mm pomimo porównywalnie mniejszej twardości HV ścianki bocznej nie wystąpiły problemy związane z wytrzymałością przy wzroście ciśnienia. Jednak w przypadku ogniwa D, ponieważ grubość ścianki bocznej wynosiła 0,35 mm, co dawało około dwukrotną wartość grubości według obecnego wynalazku gdzie grubość wynosiła 0,18 mm, skuteczna objętość tej baterii zmniejszyła się o 5% i wystąpił również 5% spadek gęstości energii baterii.

W ogniwie E zastosowano metalową puszkę wykonaną z blachy stalowej o zawartoś ci 0,11% wagowych węgla. W tym przypadku utrudnione były operacje wytłaczania i wyciągania, co utrudniało proces wykonywania metalowej puszki. W rezultacie trudno było uzyskać metalową puszkę, w którym współczynnik grubości dna do grubości ścianki bocznej wynosił 2,22 jak w obecnym przykładzie wykonania.

Zważywszy że ogniwa według dotychczasowego stanu techniki B-E wykazywały problemy w zakresie trudności wytwarzania metalowe] puszki oraz charakterystyk baterii, jedynie ogniwo A według obecnego wynalazku wykazywało bardzo dobrą charakterystykę w zakresie wszystkich charakterystyk ładowania, rozładowania, okresu trwania i akumulacji, a zatem stanowi baterię, w której może być równocześnie uzyskana docelowa wysoka gęstość energii baterii oraz duża niezawodność.

P r z y k ł a d 2

Obecnie opisany będzie przykład baterii według obecnego wynalazku, w której metalowa puszka jest wykonana głównie z żelaza, i które zaopatrzono w warstwę niklu przynajmniej na wewnętrznej powierzchni baterii, a opis odniesiono do prostopadłościennego akumulatora litowego.

Na wstępie będzie opisane metalowa puszka zastosowana w tej baterii. Jako materiał wyjściowy zastosowano tu galwanicznie niklowaną blachę stalową o grubości 0,4 mm, którą uzyskano poprzez dwustronne pokrycie galwaniczne warstwą niklu o grubości około 3,5 μm na utlenioną (uspokojoną) glinem blachę stalową SPCE, po czym przeprowadzono obróbkę cieplną. Następnie z niklowanej blachy wycięto prostokątny kształt i wykonano metalową wytłoczkę z denkiem w wyniku wytłaczania na prasie. Wystąpiła mała zmiana grubości denka i grubości ścian bocznych wytłoczki w porównaniu z grubością materiału wyjściowego.

Następnie wytłoczkę w postaci metalowej puszki umieszczono w formie do wytłaczania z wyciąganiem i wykonano metalową puszkę z denkiem o wymiarach zewnętrznych: szerokość 22 mm, wysokość 52 mm i grubość 0,8 mm, w wyniku zastosowania ciągłego wyciągania. Ponieważ w tym stanie górne części (odpad) wokół metalowej puszki z denkiem nie były płaskie lecz miały nieco zniekształconą postać w wyniku procesu, górne części poddano okrawaniu, dla uzyskania metalowej puszki 10 o wysokości 48 mm, pokazanej na fig. 6. Grubość denka (TA) metalowej puszki wynosiła 0,4 mm, natomiast grubość ścianki bocznej (TB) wynosiła 0,2 mm, co dawało 50% współczynnik wyciągania. Wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej wynosiła 2,0. Grubość ścianki bocznej (TB) oznacza tu grubość w środkowej części wysokości metalowej puszki 10 i stanowi średnią grubość ścianki.

Metalowa puszka była wykonana w taki sposób, że grubość (TC) ścianki bocznej w sąsiedztwie zamykanego otworu 5 mm poniżej otworu górnej części 10c, czyli w obszarze sąsiadującym z zamykanym otworem puszki 10, jest około 25% większa, przy 0,25 mm, niż grubość (TB) ścianki w części środkowej, i ma to na celu zwiększenie wytrzymałości zamknięcia.

PL 191 768 B1

Twardość Vickersa niklowanej blachy stalowej przed wytłaczaniem metalowej puszki wynosiła 186 HV; a zatem w wyniku wytłaczania z wyciąganiem wystąpił 1,72-krotny wzrost twardości.

Zgodnie z obecnym wynalazkiem w operacji wytłaczania z wyciąganiem wykonano na wewnętrznej powierzchni baterii płytkie rowki prostopadłe do spodniej powierzchni baterii. Rowki te powstały jako rysy w operacji wytłaczania z wyciąganiem w formie. Tak jak w przypadku pierwszego przykładu wykonania powyżej rysy te mogą być łatwo wykonane za pomocą wprowadzanych cząstek tlenku glinowego. Promień R części narożnych na wewnętrznej powierzchni baterii wytworzony przez metalową formę w głębokim wyciąganiu metalowej puszki, tzn. naroża pomiędzy denkiem i ścianką boczną i naroża pomiędzy sąsiednimi ścianami, wynosi 0,4 mm (fig. 6).

Zwykle w przypadku prostopadłościennej baterii zwiększenie wartości R zwiększa wytrzymałość przy wzroście ciśnienia; jednakże dla utrzymania tej wytrzymałości przy ograniczeniu wynikającym z wymagań dotyczących objętości, oraz dla umieszczenia elementów wytwarzających siłę elektromotoryczną istotnym jest, aby promień R nie przekraczał 0,5 mm. W obecnym wynalazku, jak pokazano na fig. 6, promień R w tych narożach wynosi 0,4 mm. A zatem wytrzymałość może być zachowana nawet przy zmniejszeniu grubości metalowej puszki. Operacje podane powyżej kończą proces wytwarzania metalowej puszki 10 zastosowanej w baterii według obecnego wynalazku.

Następnie wykonano litowo-jonową baterię akumulatorową o kształcie prostopadłościennym, z wykorzystaniem metalowej puszki wytworzonego jak opisano powyżej. Najpierw, przygotowano elektrodę dodatnią, separator i elektrodę ujemną, jako elementy wytwarzające siłę elektro-motoryczną. W celu uzyskania elektrody dodatniej zmieszano LiCoO2, ś rodek przewodzą cy zawierają cy sadzę acetylenową oraz materiał wiążący w postaci żywicy fluorowej, wytwarzając pastę, którą nałożono na folię aluminiową i zaformowano do potrzebnych wymiarów w drodze suszenia, prasowania i cięcia, dla wytworzenia elektrody. Elektrodę dodatnią zaopatrzono w przewód, umożliwiający połączenie jej z zaciskiem dodatnim elektrody. Jako separator zastosowano porowatą folię polietylenową o grubości 0,027 mm. W celu utworzenia elektrody ujemnej zmieszano kauczuk butadienowo-styrenowy (SBR) jako klej i karboksymetylocelulozę (CMC) jako zagę szczacz, które dodano do sferoidalnego grafitu i nał o ż ono na podłoże w postaci miedzianej folii oraz zaformowano do zadanych wymiarów w drodze suszenia, prasowania i cięcia dla utworzenia tej elektrody.

Następnie elektrodę dodatnią i ujemną zwinięto spiralnie z umieszczonym między nimi separatorem i umieszczono we wspomnianej powyżej metalowej puszce. Następnie połączono przewodem aluminiowym pokrywkę tworzącą zacisk elektrody dodatniej w zamkniętej baterii oraz płytkę elektrody dodatniej, a przewodem niklowym zacisk elektrody ujemnej w postaci zewnętrznego naczynia metalowego i płytkę elektrody ujemnej.

Jako elektrolit, zmieszano węglan etylenu (EC) i węglan etylu (DEC) w stosunku molowym 1:3 i zastosowano do rozcieńczenia sześciofluorofosforanu litowego (LiPF6) ze stężeniem 1 mol/l. Po napełnieniu baterii tym elektrolitem metalowa puszka i pokrywka zostały zamknięte przy pomocy spajania laserowego, tworząc zamkniętą baterię. Była to bateria o kształcie prostopadłościennym, o szerokości 22 mm, wysokoś ci 48 mm i grubości 8 mm oraz ciężarze około 18 g. Pojemność baterii wynosiła 610 mAh. Bateria ta będzie oznaczona literą F według obecnego wynalazku.

W celu porównania działania baterii F według obecnego wynalazku wykonano i oceniono przykładową baterię G według dotychczasowego stanu techniki. Bateria G różniła się od baterii F według obecnego wynalazku odmienną budową metalowej puszki.

Mianowicie w przypadku baterii G zastosowano blachę ze stopu glinowego (3003) z manganem w roztworze stał ym. Baterie G, jako litowo-jonowe baterie akumulatorowe, w których puszka jest wykonana ze stopu glinowego, są obecnie przedmiotem zainteresowania jako baterie lekkie, lecz dla zapewnienia takiej wytrzymałości jak dla baterii F, grubość ścianki metalowej puszki z denkiem dla baterii G musi wynosić co najmniej 0,5 mm, a zatem taką grubość ścianki dobrano. Gdy zewnętrzne wymiary tej baterii były takie same jak w przypadku baterii F, i elektroda dodatnia, elektroda ujemna, separator oraz elektrolit były takie same jak w przypadku baterii F, ciężar tej baterii wynosił około 18 g, a jej pojemność wynosił a 550 mAh.

Przy porównaniu charakterystyki elektrycznej obu tych baterii nie zauważono żadnych różnic między nimi. W obu przypadkach występowała dobra charakterystyka w zakresie osiągów. Porównując gęstości energii baterii, bateria F według obecnego wynalazku miała objętościową gęstość energii 260 Wh/l i wagową gęstość energii 122 Wh/kg; co w odniesieniu do 234 Wh/l i 110 Wh/kg dla baterii G wykazuje, że bateria F była znacznie lepsza od tradycyjnej baterii G, tzn. o 11% w odniesieniu do objętościowej gęstości energii i również o 11% w odniesieniu do wagowej gęstości energii.

PL 191 768 B1

W konsekwencji, choć mogłoby wydawać się, że zastosowanie lekkiego materiału w obudowie baterii będzie umożliwiać zmniejszenie ciężaru baterii, to jednak pomimo zastosowania cięższego materiału zgodnie w wynalazkiem można uzyskać większą gęstość energii baterii dzięki wprowadzeniu w procesie dużego współczynnika wyciągania dla uzyskania wysokiego współczynnika grubości denka do grubości ścianki.

Powyżej opisano przykłady wykonania wynalazku, a poniżej podano dodatkowy opis tych aspektów, jakie mogą wymagać objaśnienia.

Współczynnik grubości denka do grubości ścianki metalowej puszki, której głównym składnikiem jest żelazo, zgodnie z obecnym wynalazkiem wynosi 1,5 do 7,0. Może tu być pożądane występowanie wyższej wartości w celu zmniejszenia wymiaru i ciężaru, jeśli wartość ta jest duża, występują problemy dotyczące niezawodności jakości oraz bezpieczeństwa, i po licznych badaniach ustalono, że zadowalający będzie zakres do 7,0. Również jeśli ta wartość jest mniejsza od 1,5 korzyść wynikająca ze zwiększenia gęstości energii baterii nie jest wystarczająca. Mianowicie ustalono, że wynalazek ten może być korzystnie zastosowany w praktyce w zakresie wartości od 2,5 do 5,0 dla współczynnika grubości denka do grubości ścianki.

Następnie, dla obecnego wynalazku istotne jest, aby w powierzchni warstwy niklu na wewnętrznej powierzchni metalowej puszki były wykonane liczne rowki prostopadłe do spodniej powierzchni. Głębokość tych rowków musi być zawsze mniejsza od grubości warstwy niklu. Rowki głębsze lub równe grubości warstwy niklu nie powinny być stosowane. Znane było dotychczas wykonywanie płaskich podłużnych pasm na powierzchni wewnątrz metalowej puszki w procesie wytłaczania z wyciąganiem (patrz przykładowo opublikowany patent japoński 2615529), lecz w obecnym wynalazku liczne płytkie rowki prostopadłe do spodniej powierzchni są wytworzone wyłącznie w powierzchni warstwy niklu, wewnątrz metalowej puszki baterii, co jest korzystniejsze w porównaniu ze znanymi bateriami gdzie podłużne pasma w niektórych przypadkach sięgały aż podstawowego materiału na bazie żelaza. W rozwiązaniu według wynalazku rowki są wytwarzane wyłącznie w warstwie niklu, w związku z czym nie występują problemy związane z korozją materiału.

Ponadto w wyniku przeprowadzonych badań dotyczących materiału, którego głównym składnikiem jest żelazo ustalono, że w celu praktycznego zastosowania obecnego wynalazku materiał wyjściowy na bazie żelaza powinien być stalą węglową do zimnego walcowania, zawierającą 0,1% wagowych węgla (C) lub poniżej, korzystnie stalą węglową zawierającą 0,1% wagowych lub poniżej przynajmniej tytanu (Ti) bądź niobu (Nb). Ustalono, że w odniesieniu do zawartości węgla i ułatwienia operacji wyciągania obniżenie zawartości węgla poprawia wykonywanie tej operacji, a ponadto jest to stal węglowa zawierająca do 0,1% wagowych tytanu (Ti) lub niobu (Nb), wzrasta jej podatność w zakresie przetwarzania.

Oprócz tego jeśli metalowa puszka ma kształt cylindryczny, zwłaszcza o średnicy zewnętrznej mniejszej od 35 mm, grubość (TC) bocznej ścianki w sąsiedztwie zamykanego otworu baterii ma wymiar przynajmniej 30% większy niż grubość (TB) bocznej ścianki w pozostałych częściach, można uzyskać dalsze wyraźne korzyści związane z obecnym wynalazkiem. Wynika to z tego, że wytrzymałość przy wzroście ciśnienia może być utrzymana w bateriach o kształcie cylindrycznym o średnicy zewnętrznej poniżej 35 mm, lub kształcie podobnym, nawet gdy niewielka jest grubość bocznej ścianki metalowej puszki.

Natomiast miejscem występowania problemów w takich bateriach w zakresie wytrzymałości przy wzroście ciśnienia jest sąsiedztwo zamykanego otworu baterii. Dla poprawy wytrzymałości przy wzroście ciśnienia w sąsiedztwie otworu baterii skuteczne jest zwiększenie w tym miejscu grubości ścianki bocznej w stosunku do grubości pozostałych części. Poprzez zwiększenie grubości o co najmniej 30% umożliwia się poprawę zrównoważenia całości poprzez redukcję grubości całej metalowej puszki, przy jednoczesnym zapewnieniu niezbędnej grubości w sąsiedztwie otworu zamykania baterii, co jest istotne dla wytrzymałości przy wzroście ciśnienia.

Ponadto, przy przyszłym wzroście gęstości baterii wymiary baterii będą ulegać ciągłej miniaturyzacji. W tych warunkach pożądane jest wytwarzanie możliwie najmniejszej grubości ścianki bocznej metalowej puszki. Przy zastosowaniu procesu wytłaczania z wyciąganiem według obecnego wynalazku możliwe jest spełnienie takich wymagań technicznych i uzyskanie zmniejszenia grubości ścianek o 0,05-0,15 mm poniżej grubości 0,2 mm, tj. tradycyjnie przyjętej wartości granicznej w procesie ciągnienia przetłocznego. Dzięki temu grubość bocznej ścianki zewnętrznego naczynia metalowego może być zmniejszona do poziomu dotychczas niedostępnego, co umożliwia wykonywanie baterii o jeszcze większej gęstości energii.

PL 191 768 B1

Choć w przypadkach opisanych powyżej zastosowano przykłady cylindrycznego akumulatora niklowo-wodorkowego i prostopadłościennego akumulatora litowo-jonowego, obecny wynalazek może być zastosowany również do baterii galwanicznych, na przykład suchych baterii alkaliczno-magnezowych, galwanicznych baterii litowych, bądź też polimerowych baterii litowych; zasadniczo może być zastosowany do baterii alka-licznych lub akumulatorowych, w których metalowa puszka ma kształt cylindryczny, prostopadłościenny lub podobny, dopóki są one bateriami, w których zastosowano elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną umieszczone w metalowej puszce.

Dzięki utworzeniu licznych płytkich rowków prostopadłych do spodniej powierzchni w warstwie niklu wewnątrz metalowej puszki można wydatnie zmniejszyć rezystancję zestyku metalowej puszki i elementów wytwarzających siłę elektromotoryczną, które są w niej umieszczone. Stanowi to również ogromną zaletę w zakresie odporności na korozję, dzięki utworzeniu licznych płytkich rowków prostopadłych do powierzchni wyłącznie w warstwie niklu. Tak więc dzięki wprowadzeniu takich sposobów można uzyskać metalową puszkę z uzyskaniem dużego współczynnika wyciągania, co umożliwia także zmniejszenie ciężaru baterii oraz jej grubości, i w rezultacie zapewnienie większej gęstości energii baterii. Obecny wynalazek jest zatem użyteczny równocześnie w zakresie uzyskania wyższej gęstości energii baterii, większej niezawodności i bezpieczeństwa.

Claims (12)

1. Bateria, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną są umieszczone w metalowej puszce posiadającej denko i mającej kształt cylindryczny, graniasty lub podobny, a materiał metalowej puszki składa się głównie z żelaza i warstwy niklu nałożonej co najmniej na wewnętrzną powierzchnię metalowej puszki, znamienna tym, że metalowa puszka (1, 10) posiada wartość współczynnika grubości denka (1a) do grubości ścianki bocznej (1b, 10b) 1,5 - 7,0 oraz w warstwie niklu (8) prostopadle do spodniej powierzchni ma liczne płytkie rowki (7).

2. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że wartość współczynnika grubości denka (1a) do grubości ścianki bocznej (1b, 10b) metalowej puszki (1, 10) wynosi 2,5 - 5,0.

3. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że głębokość licznych płytkich rowków (7) prostopadłych do spodniej powierzchni, w warstwie niklu (8) o grubości nie większej niż 20 μm, wynosi co najmniej 0,5 μm, lecz jest mniejsza od grubości tej warstwy niklu (8).

4. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że materiał metalowej puszki (1, 10), którego głównym składnikiem jest żelazo, jest stalą węglową do walcowania na zimno zawierającą węgiel w ilości 0,1% wagowego lub poniżej.

5. Bateria według zastrz. 4, znamienna tym, że materiał metalowej puszki (1, 10) jest stalą węglową zawierającą przynajmniej tytan (Ti) lub niob (Nb) w ilości 0,1% wagowego lub poniżej.

6. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że twardość HV ścianek bocznych (1b, 10b) metalowej puszki (1, 10) po formowaniu puszki (1, 10), odniesiona do twardości HV materiału wyjściowego (2), którego głównym składnikiem jest żelazo zastosowanego w metalowej puszce (1, 10), wynosi 1,5 krotności lub powyżej.

7. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że grubość ścianki bocznej (1b, 10b) metalowej puszki (1, 10) w sąsiedztwie otworu zamykania baterii, jest co najmniej o 10% większa niż grubość ścianki bocznej (1b, 10b) w innych częściach.

8. Bateria według zastrz. 7, znamienna tym, że metalowa puszka (1) ma kształt cylindryczny o zewnętrznej średnicy poniżej 35 mm, a grubość ścianki bocznej (1b) metalowej puszki (1) w sąsiedztwie otworu zamykania baterii jest o co najmniej 30% większa niż grubość w innych częściach.

9. Bateria według zastrz. 1, znamienna tym, że grubość ścianki bocznej (1b, 10b) metalowej puszki (1, 10) leży w zakresie 0,05 - 0,15 mm.

10. Bateria, w której elementy wytwarzające siłę elektromotoryczną są umieszczone w metalowej puszce posiadającej denko i mającej kształt graniasty lub podobny, a materiał metalowej puszki składa się głównie z żelaza i warstwy niklu nałożonej co najmniej na wewnętrzną powierzchnię metalowej puszki, znamienna tym, że metalowa puszka (10) posiada wartość współczynnika grubości denka do grubości ścianki bocznej równą 1,5 - 7,0 oraz prostopadle do spodniej powierzchni ma liczne płytkie rowki (7), a co najmniej część narożna na wewnętrznej powierzchni, w przekroju płaszczyzną podłużną i poprzeczną tej metalowej puszki (10) ma kształt zaokrąglony promieniem poniżej 0,05 mm.

PL 191 768 B1

11. Sposób wytwarzania baterii, w którym blachę na bazie żelaza z utworzoną warstwą niklu co najmniej na jednej jej powierzchni poddaje się ciągnieniu kształtując blachę na kształt kubka z denkiem ciągłe ciągnienie wykonuje się w jednej operacji, uzyskując metalową puszkę posiadającą cylindryczny, graniasty lub podobny kształt, znamienny tym, że w wyniku operacji ciągłego ciągnienia wytwarza się metalową puszkę o współczynniku wyciągania leżącym w zakresie 20 - 90%, o współczynniku grubości denka do grubości ścianki o wartości 1,5 - 7,0, i licznymi płytkimi rowkami (7) uformowanymi na warstwie niklu nałożonej na wewnętrzną powierzchnię baterii.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że ciągnienie wykonuje się w sposób ciągły, a współczynnik wyciągania jest zawarty w zakresie 50 do 90%.