DE3872306T2 - Bipolare zylindrische batterie. - Google Patents

Description

• Die europäische Patentanmeldung Nr. (87-3-245) für ein Batterieteil betrifft die mit Nuten und Kanälen versehene Scheibe, die in der Batterie der vorliegenden Anmeldung verwendet werden kann.
• Diese Erfindung betrifft elektrochemische Zellen und insbesondere betrifft sie Flüssigkathodezellen.
• Primäre, elektrochemische Zellen werden bei einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet und sind allgemein in einer großen Auswahl von Größen und Formen, unter Einschluß von zylindrischen, erhältlich. Eine zylindrische Zelle ist in US-Patent No. 4,376,811 auf den Namen von Franz Goebel geoffenbart und umfaßt eine Lithiumanode, einen Kohlenstoffkathodenstrom-Kollektoraufbau und einen porösen Separator, der zwischen der Lithiumanode und dem Kohlenstoffkathodenstrom-Kollektoraufbau eingefügt angeordnet ist.
• Der Kohlenstoffkathodenstrom-Kollektoraufbau wird körperlisch gegen die Innenwand eines Metallgehäuses gedrückt und ist konzentrisch zu dem Separator und der Lithiumanode in dem Gehäuse angeordnet. Der Zusammenbau aus Lithiumanode, Kohlenstoffkathodenstrom-Kollektoraufbau und Separator wird einer elektrolytischen Lösung ausgesetzt, die ein reduzierbares Flüssigkathodenlösungsmittel und ein in dem reduzierbaren Kathodenlösungsmittel gelöstes elektrolytisches Lösungsprodukt umfaßt. Geeignete Materialien für das reduzierbare Kathodenlösungsmittel und das elektrolytische Lösungsprodukt sind Thionylchlorid bzw. Lithiumtetrachloraluminat.
• Bei der normalen Entladung einer solchen Zelle wird das reduzierbare Kathodenlösungsmittel katalytisch an der Oberfläche des Kohlenstoffkathodenstrom-Kollektoraufbaus reduziert.
• Diese katalytische Reduktion ergibt die Bildung einer Vielzahl von Reaktionsprodukten in der Zelle und verbraucht physikalisch zur Verfügung stehende Kohlenstoffbestandteile, Thionylchlorid und Lithium bis eine dieser Komponenten aufgebraucht ist. Die Lebensdauer der Zelle wird in hohem Maße durch die Menge an Lithium und Thionylchlorid, die anfangs in der Zelle vorhanden sind, und die Rate beherrscht, mit der Thionylchlorid und Lithium durch die elektrochemische Wirkung in der Zelle aufgebraucht werden.
• Eine weitere und unerwünschte Reduktion des Thionylchlorids findet auch an jenen metallischen Bereichen und Oberflächen der Zelle auf demselben elektrischen Potential wie der Kathodenstrom-Kollektor statt. Diese letztgenannte Reduktion des Thionylchlorid, die während des Lagerns der Zelle vor der normalen Entladung der Zelle stattfinden kann, ist eine parasitäre Selbstentladungsreaktion und kann zu einem unerwünschten Kapazitätsverlust und einer vorzeitigen Beendigung der zugeordneten Lebensdauer der Zelle führen.
• Um eine parasitäre Entladung zu verhindern, ist es bekannt, den Elektrolyten von den anderen Zellenkomponenten während des Lagerns und bis zur Aktivierung getrennt zu halten. Zellen, die diese Eigenschaften aufweisen, sind als Reservezellen bekannt. Bei einer Anordnung ist eine Glasampulle, die einen zur Verwendung fertigen Elektrolyten enthält, mittig in der Zelle angeordnet.
• Wie es gut bekannt ist, schließt eine Batterie eine Vielzahl von Zellen ein, die in Reihe angeordnet sind, um eine größere Spannung als diejenige, die von einer einzelnen Zelle allein möglich ist, zu liefern.
• Ferner ist es bekannt, daß der Anoden- und Kathodenstrom- Kollektoraufbau benachbarter Zellen auf gegenüberliegenden Seiten einer leitenden Trägerplatte oder Subtrats sein können. Dieser Aufbau wird bipolare Platte genannt. Es sind Batterien mit einer Vielzahl von flachen, bipolaren Platten hergestellt worden, die in einem linearen Stapel angeordnet sind, wobei die Enden des Stapels durch Platten abgeschlossen sind, die eine Anode an einem Ende und einen Kathodenstrom-Kollektorbau an dem anderen Ende tragen. Ein isolierender Separator, der aus einem dünnem, porösen Material, wie Glaspapier, hergestellt ist, ist zwischen dem zueinanderweisenden Anoden- und Kathodenstrom-Kollektoraufbau eingefügt. Eine Elektrolytlösungsmenge wird zwischen den Platten gehalten. Die Elemente und der Elektrolyt zwischen benachbarten Trägerplatten bilden eine Zelle. Benachbarte Zellen sind in Reihe durch die Trägerplatten verbunden.
• Um Kurzschlüsse zwischen Zellen zu verhindern, ist es wichtig, daß die verschiedenen Platten elektrisch voneinander isoliert sind, und daß es keine Elektrolytlösungsverbindung unmittelbar zwischen Zellen gibt. Gleichzeitig müssen die Platten mechanisch in ihren relativen Lagen während normaler und stoßartiger Bedingungen gehalten sein.
• Kurz gesagt, besitzt eine Batterie kreisförmige Elektroden einer ersten und einer zweiten Polarität in einem kreisförmigen Gehäuse. Mindestens eine bipolare Elektrode ist zwischen den kreisförmigen Elektroden mit erster und zweiter Polarität eingefügt. Poröse Separatoren sind zwischen den Elektroden angeordnet. Die Zelle schließt auch eine Elektrolytlösung ein. Elektrischer Strom wird von den ersten und zweiten zylindrischen Elektroden abgenommen.
• Aus FR-A-10 11 304 ist eine Batterie bekannt, die ein zylindrisches Gehäuse und konzentrisch angeordnete Elektrodenstrukturen innerhalb des benannten Gehäuses aufweist. Die benannte Batterie schließt eine Anoden- und eine Kathodenstruktur sowie eine bipolare Elektrode ein. Eine Elektrolytlösung ist zwischen den benannten Elektrodenstrukturen vorgesehen. Die innerste Elektrode ist als eine Vollstange ausgestaltet.
• Aus EP-A-0 079 226 ist eine elektrochemische Reservezelle bekannt, die eine Vielzahl von zylindrischen Elektroden umfaßt. Eine bipolare Elektrode weist einen leitenden Träger mit gegenüberliegenden Oberflächen auf, die ein Anoden- bzw. Kathodenelektrodenmaterial tragen.
• Eine Art, die Erfindung auszuführen, wird im einzelnen unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die nur eine besondere Ausführungsform darstellen, in denen
• Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Batterie darstellt, die die Erfindung verkörpert.
• Fig. 2 eine Ansicht eines zylindrischen Kathodenstrom-Kollektoraufbaus ist, der in der Batterie verwendet wird;
• Fig. 3 eine Ansicht eines zylindrischen bipolaren Elektrodenaufbaus ist, der in der Batterie verwendet wird;
• Fig. 4 eine mit Nuten versehene Scheibe darstellt, die zum Abdichten der Ränder des Batterieaufbaus verwendet wird; und
• Fig. 5 eine Ansicht der Scheibe ist, bei der ein 3/8 Abschnitt entfernt ist.
• Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Querschnitt einer elektrochemischen Zelle 1 vom Reservetyp dargestellt ist, die die vorliegende Erfindung verkörpert. Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Zelle 1 ein längliches, zylindrisches Metallgehäuse 2 auf, das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, Nickel oder anderem leitenden Material hergestellt ist, das gegenüber einer Elektrolytlösung widerstandsfähig ist. In dem Gehäuse 2 ist eine konzentrische, zylindrische Anordnung aus einem zylindrischen Kathodenstrom-Kollektoraufbau 3, wenigstens einem zylindrischen, bipolaren Elektrodenaufbau 4 und einem zylindrischen Anodenaufbau 5 angeordnet. Ein dünner, poröser separater 6, 7 ist zwischen jedem Elektrodenaufbau eingefügt. Die Anordnung dieser Elektrodenaufbauten 3, 4, 5 und der Separatoren 6, 7 wird zusammen als ein Batteriestapel bezeichnet.
• Der vorher genannte Kathodenstrom-Kollektoraufbau 3 ist in Fig. 2 getrennt zu erkennen und schließt vorzugsweise ein poröses Kohlenstoffelement 8 in der Form einer porösen, länglichen, zylindrischen Lage und einem Stützblatt 9 aus Glaspapier oder einem anderen inerten, porösem Material ein.
• Das poröse Kohlenstoffelement 8 kann durch Zusammenpressen einer Zusammenstellung einzelner, halbdichter, poröser Kohlenstoffkonglomerate auf einer Seite des Stützblattes 9 hergestellt werden. Die Konglomerate des Elementes, wie es vorstehend beschrieben ist, enthalten allgemein eine Kombination aus Ruß, Graphit und einem Binder, wie Polytetrafluorethylen. Aufgrund der porösen Eigenart der obigen Bestandteile, wenn diese zusammengepreßt sind, wird ein Netz aus elektrolytleitenden Kanälen durch das Kohlenstoffelement hindurch erzeugt, wodurch das Kohlenstoffelement von der Elektrolytlösung durchdrungen werden kann. Techniken zur Herstellung der Konglomerate, die bei dem Kohlenstoffelement 8 verwendet werden, sind im einzelnen in US-PS 4,161,063 beschrieben, die wegen besonderer Details einbezogen wird.
• Wie man in Fig. 1 erkennen kann, stößt der Kathodenstrom- Kollektoraufbau 3 körperlich gegen die Innenwand des Gehäuses 2, so daß das poröse Kohlenstoffelement 8 eine elektrische Verbindung damit bildet, wodurch das Gehäuse 2 als die positive Anschlußklemme der Zelle gebildet wird. Der Glaspapierträger 9 weist innen in Richtung zu einem bipolaren Elektrodenaufbau 4. Es wird kurz auf die Fig. 3 Bezug genommen. Jeder bipolarer Elektrodenaufbau 4 schließt einen zylindrischen, leitenden Träger 10 ein, der auf einer Seite eine Anodenschicht 11 und auf der anderen Seite eine Katalysatorschicht 12 trägt. Der Träger 10 kann rostfreier Stahl, Nickel oder ein ähnliches leitendes, inertes Material sein. Die Anodenschicht 11 kann aus Lithiummetall hergestellt sein; und die Katalysatorschicht 12 kann aus porösem Kohlenstoff hergestellt sein. Die Enden des Trägers 10 sind verbunden, um ein Lecken des Elektrolyten zu verhindern.
• Es wird sich wieder der Fig. 1 zugewandt; der poröse Separator 6 ist zwischen dem Kathodenstrom-Kollektoraufbau 3 und der gegenüberliegenden Anodenschicht 11 des zylindrischen, bipolaren Aufbaus 4 angeordnet. Der Separator 6 beabstandet den Kathodenstrom-Kollektoraufbau 3 von dem bipolaren Aufbau 4 und verteilt die Elektrolytlösung. Der Separator 6 besitzt typischerweise die Form eines zylindrischen Blattes aus einem üblichen, elektrisch nicht leitenden Material, wie Glaspapier.
• Der innerste Elektrodenaufbau ist der Anodenaufbau 5, der vorzugsweise ein volles, längliches, zylindrisches Blatt bzw. Plättchen aus einem oxydierbaren, aktiven Alkalimetall ist, wie Lithium. Der poröse Separator 7 ist zwischen den Anodenaufbau 5 und die gegenüberliegende Katalysatorschicht 12 des bipolaren Aufbaus 4 eingefügt.
• Ein isoliertes Durchführungselement 13 ist durch den angeschweißten Leiter 14 mit dem Anodenaufbau 5 gekoppelt und arbeitet als negativer Anschluß der Batterie. Bei der beschriebenen Ausführungsform wirkt das Gehäuse, das mit dem Kathodenstrom-Kollektoraufbau 3 in Berührung steht, als der positive Anschluß der Batterie.
• Es wird offensichtlich für den Fachmann sein, daß die Anordnung umgekehrt werden kann, wobei sich der Anodenaufbau auf der Außenseite befindet, der bipolaren Aufbau umgekehrt ist und sich der Kathodenstrom-Kollektoraufbau innerhalb des Stapels befindet, wobei die Polarität entsprechend umgekehrt ist.
• Ferner kann eine Vielzahl von konzentrischen, bipolaren Aufbauten verwendet werden. Sie sind so ausgerichtet, daß die Anodenschichten in der gleichen Richtung ausgerichtet sind, so daß die Anodenschicht einer Platte zu dem Katalysatorelement des benachbarten, bipolaren Aufbaus oder dem Kathodenstrom-Kollektor 3 zeigt, wie es der Fall sein mag.
• Die Elemente zwischen benachbarten Trägerplatten bilden eine elektrochemische Zelle. Aneinanderstoßende Zellen sind elektrisch in Reihe über die leitenden Trägerplatten verbunden, wobei sie eine Batterie bilden.
• Der Behälter 15 ist von dem innersten Elektrodenaufbau umgeben und enthält eine Menge einer elektrolytischen Lösung 16 oder einer elektrolytischen Komponente. Eine geeignete und bevorzugte elektrolytische Lösung ist eine Kathode-Elektrolytlösung, die ein reduzierbares Flüssigkathode-Lösungsmittel, wie Thionylchlorid, und ein elektrolytisches Lösungsprodukt, wie Lithiumtretachloraluminat, einschließt, das in dem Thionylchlorid aufgelöst ist, um eine Lösung von 1,8 Mol zu bilden.
• Der Behälter 15 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt, das durchbohrt oder aufgebrochen werden kann, um seinen Inhalt freizugeben und die Zelle 1 zu aktivieren. Wie man in der Zeichnung erkennen kann, ist der Behälter 15 vorzugsweise eine Glasampulle, die mittig in dem Gehäuse 2 angeordnet ist.
• Der Behälter 15 kann durch einen Druck auf das Gehäuseende aufgebrochen werden. Die Lösung durchdringt dann die porösen Kohlenstoffstrukturen die porösen Separatoren.
• Es ist wichtig, daß es keine direkte Verbindung der Elektrolytlösung zwischen den Zellen gibt. Ein Lecken von Elektrolyt zwischen den Zellen bewirkt parasitäre Kurzschlüsse, die die Batteriekapazität verringern. Aus diesem Grunde muß eine Maßnahme getroffen sein, daß die Ränder der Trägerplatten abgedichtet sind, wobei sie weiterhin einen Elektrolytdurchgang von dem Behälter 15 erlauben.
• An wenigstens einem Ende der Batterie ist eine Scheibe 17 vorgesehen. Die Scheibe 17 ist getrennt in Fig. 4 dargestellt, während Fig. 5 die Scheibe mit einem 3/8 entfernten Abschnitt darstellt. Die Scheibe 17 besitzt kreisförmige Nuten 18, 19 in einer flachen Seite, die so bemessen sind, daß sie die Ränder der Separatoren 6, 7 aufnehmen, die sich über die Ränder der aktiven Teile der Elektrodenaufbauten 3, 4 und 5 hinaus erstrecken. Das Substrat 10 des bipolaren Aufbaus 4 kann sich auch in eine Nut erstrecken, um zu einer Verhinderung eines Lecken des Elektrolyten zwischen den Zellen beizutragen. Wenn es nur einen bipolaren Aufbau gibt, liegen zwei Nuten vor; wenn es n bipolare Aufbauten gibt, liegen n + 1 Nuten vor, eine für jeden Separator in der Batterie. Wenn jeder der benachbarten bipolaren Aufbauten eine Substratfortsetzung 10 aufweist, gibt es 2n + 1 Nuten. Die Elektrodenaufbauten berühren kreisförmige Stege 20, 21 und 22, die eine Seitenbewegung verhindern. Die Scheibe wird vorzugsweise aus einem inerten Kunststoffmaterial hergestellt.
• Radiale Kanäle 23, 24, 25, 26 sind in der flachen Scheibe den kreisförmigen Nuten gegenüberliegend vorgesehen. Dort, wo sich die Nuten und Kanäle kreuzen, gibt es eine Fluidverbindung. Dies ermöglicht der Elektrolytlösung, von dem Behälter durch die Kanäle 23, 24, 25, 26 zu den Nuten 18, 19 zu fließen, wo sie durch Kapillarwirkung durch die ganzen Separatoren 6, 7 transportiert wird, wodurch die anschließenden Elektrodenaufbauten naßgemacht werden und die Zelle aktiviert wird.

Claims (2)

1. Batterie, mit:

a) einem zylindrischen Gehäuse (2);

b) einem konzentrisch angeordneten zylindrischen Elektrodenaufbau im zylindrischen Gehäuse (2), der aufweist:

i) einen zylindrischen Elektrodenaufbau (3; 5) mit einer ersten Polarität;

ii) einen zylindrischen Elektrodenaufbau (5; 3) mit einer zweiten Polarität; und

iii) zumindest einen bipolaren zylindrischen Elektrodenaufbau (4), der einen leitfähigen Träger (10) aufweist, der eine Elektrodenschicht (12, 11) mit einer ersten Polarität auf der Seite des Trägers (10) aufweist, die dem zylindrischen Elektrodenaufbau (5; 3) mit der zweiten Polarität gegenüberliegt, und der eine Elektrodenschicht (11; 12) mit einer zweiten Polarität aufweist, die auf der Seite des Trägers (10) liegt, die dem zylindrischen Elektrodenaufbau (3; 5) mit der ersten Polarität gegenüberliegt;

c) einem porösen Separator (6, 7) zwischen jedem zylindrischen Elektrodenaufbau (3; 4; 5);

d) einem Behälter (15) zum Speichern einer Menge einer elektrolytischen Lösung (16);

e) einer Einrichtung zum Koppeln des elektrischen Stroms von dem zylindrischen Elektrodenaufbau mit der ersten Polarität (3; 5) und der zweiten Polarität (5; 3); und

f) einer Scheibe (17), die kreisförmige Nuten (18, 19) hat, die Kanten des Separators (6; 7) aufnehmen,

wobei die Scheibe (17) kreisförmige Stege (20, 21, 22) zum Kontaktieren der Elektrodenaufbauten (3, 4, 5) aufweist,

wobei die Scheibe (17) außerdem zumindest eine radiale Auskehlung (23; 24; 25; 26) aufweist, die den kreisförmigen Nuten (18, 19) gegenüberliegt, um dem Elektrolyt zu ermöglichen, von dem elektrolytischen Behälter (15) zum Separator (6, 7) über die Nuten (18, 19) zu strömen,

wobei die Scheibe (17) vorgesehen ist, die Kanten der Trägerplatten abzudichten, währenddessen noch ein Durchlaß des Elektrolyts gestattet wird.

2. Batterie nach Anspruch 1, wobei die Scheibe (17) eine weitere Nut zum Aufnehmen des Trägers (10) aufweist zum weiteren Unterstützen des Verhinderns eines Austritts des Elektrolyts zwischen den Zellen.