CH663116A5 - Knopfzelle mit einer luftkathodenanordnung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Knopfzelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekanntlich wird der Ausdruck «Knopfzelle» im allgemeinen zur Bezeichnung von elektro-chemischen scheibenförmigen bzw. tablettenförmigen Zellen verwendet. Solche Zellen weisen Durchmesser bis zu 25 mm und Höhen bis zu 15 mm auf. Daher sind ungeachtet der Darstellung in den Zeichnungen von Patenten und wissenschaftlichen Artikeln Knopfzellen sehr kleine Objekte. Zusätzlich müssen diese kleinen Objekte mit grosser Präzision hergestellt werden, um die geometrischen Toleranzen der Produkte, in denen sie eingesetzt werden, zu erfüllen und zu vermeiden, dass die korrosiven Elektrolyten aus den Knopfzellen austreten können.

Wenn die Knopfzelle eine Luftkathodenanordnung enthält, d.h. eine Kombination von konstruktiven und chemischen Merkmalen, welche Anordnung dem Sauberstoff in der Luft gestattet als Kathode zu wirken, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung. Insbesondere ist es durch die Arbeitsweise der Zelle gegeben, dass sie wenigstens eine Öffnung aufweisen muss, durch welche Luft in die Zelle eintreten kann und ungenutzter Stickstoff und auch andere Gase austreten können. Die Öffnung muss gegenüber dem Elektrolyt getrennt sein und die Dichtung, welche diese Aufgabe erfüllt, muss den Zellenver-schluss ausreichend dicht abschliessen, nicht nur um den inneren Kräften, welche den Elektrolyt während der Herstellung durch die Dichtung hindurchpressen wollen, zu widerstehen, sondern auch jenen Kräften, die während dem Gebrauch der Zelle auftreten, entgegenzuwirken. Die das Leckwerden der Zelle begünstigenden inneren Kräfte nehmen zu, nicht nur durch die erhöhte Temperatur und die Feuchtigkeit der Umgebung,

sondern, im Falle einer Zelle mit einer Luftkathode, auch weil die Menge der Masse in der Zelle während dem Gebrauch zunimmt. Der Sauerstoff der Luft reagiert chemisch mit dem Anodenmaterial, z.B. Zink, so dass während dem Betrieb der Zelle verschiedene Oxidformen von Zink gebildet werden. Mit der Zunahme des oxidierten Zink in der Zelle werden erfahrungsge-mäss die Ausdehnungskräfte, die gegen die Zellenabdichtungsmittel wirken, grösser. Dementsprechend ist es von grosser Wichtigkeit die Zellen (d.h. solche mit Luftkathodenanordnungen) mit grosser Genauigkeit und kleinen Toleranzen herzustellen, so dass die Dichtigkeit der Zellen und das Widerstandsvermögen gegen den Druck während der ganzen Lebensdauer der Zellen erhalten bleibt. Ein weiterer wichtiger Faktor bei Luftzellen ist das Unterbringen von möglichst viel anodischer aktiver Masse in der Zelle. Weil Luftzellen klein sind und sich das Fehlen von Zellenraum auf die Lebensdauer der Zelle auswirkt, können möglicherweise diesbezügliche Erwartungen von vernünftigen Benützern nicht erfüllt werden. Ein weiteres zu lösendes Problem ist das schnelle Aktivieren. Während der Lagerung vor dem erstmaligen Gebrauch ist die genannte Öffnung von Luftzellen normalerweise durch einen Dichtungsstreifen verschlossen. Vor dem Gebrauch der Zelle wird der Dichtungsstreifen entfernt und die Zelle in das zu speisende Gerät eingesetzt. Die Zeit zwischen dem Entfernen des Dichtungsstreifens und dem Beginn der Erzeugung von elektrischer Leistung, mit einem zum Speisen des Gerätes notwendigen Wert, sollte so kurz als möglich sein und alle anderen Bedingungen sollten zufriedenstellend erfüllt werden.

Für das Endziel, welches durch die Erfindung erreicht werden soll, ist es wichtig, dass Luftzellen mit niedrigen Kosten und in grossen Mengen hergestellt werden können. Deshalb können exotische, teure oder langsam arbeitende Lösungen der Probleme, die bei der Herstellung von solchen Zellen auftreten, nicht benützt werden.

Die Erfindung geht von der in der Fig. 1 dargestellten bekannten Lösung aus. Die Fig. 1 zeigt den kontruktiven Aufbau eines Kathodenbechers 11 einer Knopfzelle mit einer bekannten Luftkathodenanordnung im Schnitt. Der Kathodenbecher 11 ist aus Metall, wie mit nickelplattiertem Stahl, hergestellt und um-fasst einen hohlzylindrischen Teil 12, an den sich ein kleinerer hohlzylindrischen Teil 13 anschliesst, der an einem Ende durch einen Boden 14 verschlossen ist. Die beiden hohlzylindrischen Teile 11 und 13 sind über einen ringförmigen Teil 15 miteinander verbunden. Öffnungen 16 für den Lufteintritt sind im Boden 14 vorhanden. Der Kathodenbecher 11 hat vorzugsweise die dargestellte Form durch Prägen und/oder Tiefziehen eines einzigen Metallstückes erhalten und ist deshalb einstückig ausgebildet. Auf der Innenseite des Kathodenbechers 11, d.h. auf dem Boden 14, liegt ein Gasverteiler 17 darüber eine wasserabstos-sende Membrane 18 (üblicherweise aus Polytetrafluoräthylen hergestellt) und auf der Membrane 18 eine katalytisch aktive Schicht 19. Zum Verschliessen des in der Fig. 1 dargestellten bekannten Kathodenbechers 11 wird nach dem Einsetzen eines nicht dargestellten Anodenbechers der Randbereich des Kathodenbechers 11 mittels in Richtung der Pfeile 20 gerichteten Kräften umgebördelt, so dass die Membrane 18 durch den nicht dargestellten Anodenbehälter gegen die Innenfläche des ringförmigen Teiles 15 gepresst wird, um eine abdichtende Wirkung zu erreichen.

Es sei daran erinnert, dass die Knopfzellen mit durch die Geräte, in denen sie verwendet werden, diktierten kleinen Toleranzen hergestellt werden und man kann den Pressdruck auf die Membrane 18 zum Erzielen einer guten Abdichtung nicht beliebig wählen. Mit anderen Worten, wenn die Toleranzen des Kathodenbechers 11 nicht eingehalten werden, kann man den nicht dargestellten Anodenbecher während des VerschliessVorganges nicht stärker nach unten pressen, weil dadurch die Dicke der fertigen Zelle für den vorgesehenen Gebrauch zu klein ist.

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Ein ähnliches Resultat, jedoch mit entgegengesetzter Wirkung, wird erhalten, wenn der Anodenbecher während dem Ver-schliessvorgang zum Ausgleichen der Toleranzen zu wenig nach unten gepresst wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Knopfzelle mit einer Luftkathodenanordnung zu schaffen, durch welche die Herstellungsschwierigkeiten auf ein Minimum reduziert werden, die Menge des anodischen Materials in der Zelle optimiert und eine schnelle Aktivierung gestattet, nachdem der Zutritt von Luft in die Zelle ermöglicht worden ist.

Die erfindungsgemässe Knopfzelle ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau eines bekannten Kathodenbechers im Schnitt,

Fig. 2 den Aufbau eines Kathodenbechers für die erfindungsgemässe Zelle im Schnitt,

Fig. 3 bis 7 die Draufsicht auf die Innenfläche von verschiedenartig ausgebildeten Böden des Kathodenbechers gemäss der Fig. 2,

Fig. 8 und 9 Schnitte durch andere Ausführungsformen des Kathodenbechers gemäss der Fig. 2 und

Fig. 10 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Knopfzelle.

Die Fig. 2 zeigt einen Kathodenbecher 21, der einen hohlzylindrischen Teil 22 umfasst, dessen eines Ende durch einen Boden 23 abgeschlossen ist. Der Boden 23 ist an Verbindungsstellen 24 direkt mit dem hohlzylindrischen Teil 22 verbunden, so dass der Querschnitt des Innenraumes nicht- abgesetzt sondern rechteckig ist. Im Zentrum des Bodens 23 ist eine Öffnung für den Lufteintritt vorgesehen, wie dies bei bekannten Kathodenbechern der Fall ist. In einem Waffelmuster angeordnete Nuten sind in der Innenfläche 26 des Bodens in einem durch eine kreisringförmige Dichtungsfläche 27 umgebenen Bereich eingelassen. Obwohl in der Fig. 2 nicht sichtbar, stehen die Nuten 25 mit der Öffnung 16 in Verbindung und bilden Luftkanäle, die Luft zu einem grossen Teil der wasserabweisenden Oberfläche 28 einer Luftkathode 29 zuführen. Die Fig. 3 bis 7 zeigen in einem reduzierten Massstab verschiedene Muster von Anordnungen der Nuten 25 in der Innenfläche des Bodens 23 des Kathodenbechers 21. Jede der Fig. 3 bis 7 zeigt, dass sich die Nuten 25 nur in einem mittleren Bereich des Bodens 23 erstrecken und dass ein ringförmiger Randbereich, welcher den mittleren Bereich umgibt, nutenfrei ist, um die kreisringförmige Dichtungsfläche 27 zu bilden.

Die Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei welcher sich der hohlzylindrische Teil 22 des Kathodenbechers 21 direkt an den Boden 23 anschliesst, in dem die Öffnung 16 für den Luftzutritt angeordnet ist und der eine ebene Innenfläche aufweist, an die die Luftkathodenanordnung 29 anliegt. Die 5 Nuten 25a sind in der wasserabweisenden Schicht 28 so angeordnet, dass sie einen ebenen kreisringförmigen Bereich zum Bilden der Dichtungsfläche 27 freilassen. Eine weitere alternative Ausführungsform ist in der Fig. 9 dargestellt, in welcher die Nuten 25 gemäss der Fig. 2 und die Nuten 25a in der wasserab-lo weisenden Schicht 28 gemäss der Fig. 8 miteinander kombiniert sind. In allen oben beschriebenen alternativen Ausführungsformen ist der nutenfreie Randbereich zum Bilden der Dichtungsfläche 27 vorgesehen.

Eine Ausführungsform der vollständigen erfindungsgemäs-15 sen Knopfzelle ist in der Fig. 10 im Schnitt dargestellt. Der Kathodenbecher 21 besitzt wenigstens eine Öffnung 16 für den Luftzutritt und im Boden 23 desselben angeordnete Nuten 25. In dem Kathodenbecher 21 ist eine Luftkathode 29 zusammen mit einem Anodenbehälter 30 eingesetzt. Der Anodenbehälter 20 30 enthält eine anodisch elektrolytische Masse 31, d.h. pulverisiertes Zink in einem wässerigen KOH-Elektrolyt und ist so in den Kathodenbecher 21 eingesetzt, dass der Rand der Behälteröffnung gegen einen elektrisch isolierenden Ring 32 gepresst wird, damit der Anodenbehälter 30 gegenüber dem Kathoden-25 behälter 21 durch Gummimaterial 33 elektrisch isoliert ist. Das Gummimaterial ist zwischen der zylindrischen Innenfläche des Kathodenbechers 21 und der Mantelfläche des Anodenbehälters 30 durch Deformation des Randes des Kathodenbechers 21 eingeklemmt. Dem Fachmann ist es klar, dass weil der Kathoden-30 becher 21 aus deformierbarem Metall, wie mit nickelplattiertem Stahl, hergestellt ist, sich durch das Deformieren des Kathodenbechers 21 zum teilweisen Umschliessen und Halten des Anodenbehälters 30 eine leicht konvexe Form des Bodens 23 ergibt.

35 Die in der Fig. 10 dargestellte Knopfzelle ist vorteilhaft im Vergleich zu bekannten Zellen mit einer Luftkathodenanordnung und kann in grösseren Mengen mit weniger Schwierigkeiten hergestellt werden, wobei sich weniger Ausschusszellen ergeben. Zusätzlich ergibt das Pressen des Dichtungsringes 32 durch 40 die Trennwand 34 und die Luftkathode 29 auf die ebene kreisringförmige Dichtungsfläche 27 eine wirksame Verhinderung des Austretens des Elektrolyten durch die Öffnung 16. Die erfindungsgemässe Zelle zeichnet sich weiter aus durch eine grössere Menge von Anodenmaterial in einer gegebenen Zellengrös-se verglichen mit bekannten Zellen.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, kann der Fachmann äquivalente Ausführungsformen ausbilden, die sich innerhalb des Schutzbereiches der anschliessenden Patentansprüche befinden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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1. Knopfzelle mit. einer Luftkathodenanordnung, einer Anode, einem Elektrolyt und einer Scheidewand, wobei die Kathodenanordnung, die Anode, der Elektrolyt und die Scheidewand in einem Kathodenbecher (21) angeordnet sind, in den die offene Seite eines Anodenbehälters (30) hineinragt, und wobei im Boden (23) des Kathodenbechers wenigstens eine Öffnung (16) vorhanden ist, über die das Innere des Kathodenbechers mit der Aussenwelt in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nut (25; 25a) zum Bilden eines Gaskanals in der Innenfläche des Bodens (23) des Kathodenbechers (21) und/oder in der an den genannten Boden anliegenden Fläche der Kathodenanordnung (27, 29) vorhanden ist, dass die Nut mit der genannten Öffnung (16) im Boden des Kathodenbechers in Verbindung steht, und dass sich die Nut (25; 25a) zum Bilden eines nutenfreien, abdichtenden und kreisringförmigen Randbereiches nur bis zu dem genannten kreisringförmigen Randbereich erstreckt.

2. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannte Öffnung (16) etwa im Zentrum des Bodens (23) des Kathodenbechers (21) befindet und dass mehrere Nuten (25; 25 a) vorhanden sind, die sich von der genannten Öffnung radial nach aussen erstrecken (Fig. 3).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Knopfzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere zur genannten Öffnung (16) konzentrisch angeordnete Nuten vorhanden sind (Fig. 4).

4. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (25; 25a) spiralförmig angeordnet ist (Fig. 5).

5. Knopfzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Nuten vorhanden ist, und die Nuten waf-felförmig angeordnet sind (Fig. 6 und 7).

6. Knopfzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Boden (23) des Kathodenbechers (21) mehrere Öffnungen (16) innerhalb des vom genannten kreisringförmigen Randbereich umgebenen Bereiches vorhanden sind (Fig. 6 und 7).