NO853224L - Forbedret forsegling for primaere alkalibatterier. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører primære alkalibatterier og, nærmere bestemt, en forbedret forsegling som reduserer lekkasjen av elektrolyt og forlenger levetiden av batteriet.

Primære alkalibatterier og, nærmere bestemt, alkaliske mangan-dioksyd/zink tørrceller (MnC^/Zn), har med godt resultat vært utviklet kommersielt. Når de fremstilles i en sylinderisk konfigurasjon utføres batteriforseglingen typisk ved å komprimere en plastdel inne i en metallbeholder ved å krympe den åpne enden av beholderen som beskrevet i U.S. patent nr. 3,663,301. Nærmere bestemt anvendes ved den typiske kommersielle anvendelsen av denne typen forsegling en nikkelbelagt stålbeholder som positiv strøm-samler, en plastforseglingsdel, typisk av nylon eller polypropylen, og et forseglingsmiddel, som f.eks. bitumen, mellom metallbeholderen og plastforseglingsdelen. Selv om slike forseglinger fungerer tilfredsstillende når stålbeholderen er belagt med nikkel er slike forseglinger meget dårlige dersom stålbeholderen er ubelagt. De dårlige forseglingene skyldes trolig forskjeller i bindings-styrke for bitumen og stål og bitumen og nikkelbelagt stål.

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe

en sterkere forsegling for sylinderiske alkaliceller. Et annet formål for foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe sterke forseglinger i sylinderiske alkaliceller hvor metallbeholderne, d.v.s. de positive strømsamlerne, er ubelagt stål. det ovenfor nevnte formål og andre formål vil fremgå av den følgende beskrivel-sen .

En polymerharpiks som ved tørking blir en tynn vedhengende plastfilm når den påføres på overflaten av metallbeholderen i en alkalisk tørr celle i området for forseglingen forbedrer i stor grad styrken av forseglingen og reduserer derved lekkasjeproblemene som er forbundet med forseglingene.

Formålene ved foreliggende oppfinnelse oppnås ved å påføre en polymer harpiks på overflaten av metallbeholderen (den positive strømsamleren) i området for batteriforseglingen. Den resulterende tynne plastfilmen danner en binding mellom metallbeholderen og den forseglingsmiddeldekkede forseglingsdelen som normalt benyttes i batteriforseglinger. Ved utøvelse av foreliggende oppfinnelse kan den positive strømsamleren være av ubelagt stål hvilket reduserer fremstillingskostnadene for sylinderiske alkaliceller.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er den indre overflaten av metallbeholderen i en alkalisk tørr celle belagt med en polymer primer. Denne primeren, som kan påføres ved forskjellige teknikker, innbefattet maling, spraying eller dypping, inneholder et alkali-resistent organisk bindemiddel oppløst i et kompatibelt oppløs-ningsmiddel. Spraying er den foretrukne påføringsfremgangsmåten for den organiske primeren.

Etter at den er påført på metallbeholderen tørkes primeren ved forhøyde temperaturer, dette tillater fordampning av oppløsnings-midlet og adhesjon av et tynt harpiksbelegg på metallbeholderen. Det resulterende belegget har typisk en tykkelse på fra 0,0015 cm til 0,0020 cm, men kan variere fra 0,00025 cm til 0,0051 cm.i tykkelse.

I foreliggende oppfinnelse er bindemidlet en filmdannende polymer som er kompatible med komponentene i alkalibatterier. Filmdannende bindemidler som hydrolyseres eller oksyderes i nærvær av elektrolyten kan ikke benyttes ved utførelsen av foreliggende oppfinnelse. Foreliggende oppfinnelse kan med fordel utøves med en lang rekke polymere bindemidler innbefattet ABS (acrylonitrilbutadienstyren), PVC (polyvinylklorid), epoksyder, fluorkarboner, nylon, polypropylen, polybutylen, polystyrener og neoprener. Foreliggende oppfinnelse' kan også utøves med bindemidler som gummier og/eller elastomerer, som f.eks. isobutylen, isopren, kloropren, polysulfid, etylenpropylen, klorinert og klorosulfonert polyetylen, fluor-silikon og propylenoksyd. Materialer som oppløslige i KOH, den elektrolyten som vanligvis finnes i alkaliske batterisystemer,

som f.eks. CMC, bør imidlertid ikke benyttes ved utførelsen av

foreliggende oppfinnelse.

Oppløsningsmiddeldelen av harpiksen må fukte overflaten av metallbeholderen. Den må også være kompatibel med komponentene i alkalibatteriet og med bindemidlet. Foreliggende oppfinnelse kan med fordel utøves med oppløsningsmidler som f.eks. etyl-acetat, butanol, metyletylketon, metylisobutylketon og paraffiniske hydrokarbonvæsker.

Den polymere harpiksen, som selv kan være ledende, kan inneholde andre bestanddeler som f.eks. fyllstoffer. Spesielt kan en ikke-ledende polymerharpiks inneholde små mengder av ledende fyllmaterialer som f.eks. karbon eller metallpulver.

Når karbon tilsettes som ledende fyllstoff bør vektprosenten av karbon i filmen etter inndamping av oppløsningsmidlet være lavere enn 40%. Dersom mengden av karbon økes reduseres mengden av bindemiddel i plastfilmen, dette reduserer den mekaniske styrken av plastfilmen og øker sansynligheten for at den ledende filmen ikke forblir festet til overflaten av metallbeholderen.

For å tilveiebringe de fordelene som her er beskrevet må plastfilmen være ugjennomtrengelig for den alkaliske elektrolyten. Derfor må plastfilmen være kontinuerlig i området ved grense-flaten mellom forseglingen/forseglingsmidlet og metallbeholderen. Fig. 1 er en skisse av et sylinderisk alkalibatteri som inkorpo-rerer foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 er en tegning av et sylinderisk alkalibatteri som er konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse. Den positive strømsamleren, en valset stålbeholder 2, åpen i den ene enden og ca. 0,0254 cm tykk, har et belegg 14 påført på den indre overflaten. To katode-ringer 5, tildannes slik at den ytre diameteren er større enn den indre diamteren av den positive strømsamleren, er presset inn i den positive strømsamleren, slik at det dannes en press-kontakt mellom disse. En perle 10 er rullet inn i beholderen nær den åpne enden for å bære forseglingsskiven. En separator 4 og en anode 3 er plassert innenfor katoderingene. En forseg-lingsskive 6 som inneholder en negativ strømsamler 1 er plassert i den åpne enden av beholderen og i kontakt med perlen. Den åpne enden av beholderen er krympet over forseglingsskiven slik at den komprimeres mellom krympningen og perlen slik at cellen for-segles. Et isolasjonsbelegg 7 med en sentral åpning er plassert over den krympede enden av cellen slik at enden av den negative strømsamleren 1 stikker igjennom åpningen. En kontaktfjær 8 er festet til enden av den negative strømsamleren 1. Tilkoblings-kapsler 9 og 13 er plassert i kontakt med hhv. kontaktfjæren 8 og den positive strømsamleren 2, og et isolasjonsrør 12 og stålskall 11 er plassert rundt cellen og krympet på endene slik at tilkoblingskapslene holdes på plass.

Eksempler på anvendeligheten av foreliggende oppfinnelse er anført nedenfor.

Eksempel 1

Tre serier adhesjonsprøver ble fremstilt. I den første serien ble det benyttet et substrat av nikkelbelagt stål, i den andre serien et substrat av ubelagt stål, og i den tredje serien ble det benyttet et substrat av ubelagt stål belagt med "P-70" primer, (en ledende harpiks av PVC og kjønrøk oppløst i oppløsningsmiddel fremstilt av Pervel Industries). På hvert substrat ble det plassert et metallbelegg med en åpning med diameter 1,27 cm,

og en smeltet bitumen, "Pioneer 135" (Witco Chemical Corp.), ble helt inn i belegget. Hodet av en bolt med diameter 1,59 cm ble så plassert på den smeltede bitumenen. Disse prøvene ble så anbragt i en strekk-testingsmaskin slik at kraften som var på-krevet for å separere bitumenen fra substratet kunne måles. Resultatene i tabell I viser at bindingsstyrken ble forbedret ved anvendelse av "P-70" primeren. I tabell I angir bruddmekanismen den posisjonen hvor separeringen fant sted. Kohesjonsbrudd er ønsket fordi dette indikerer at det svakeste punktet av bindingen ligger i bitumenforseglingsmidlet selv, ikke ved substratover-flaten.

Eksempel 2

To serier alkaliske manganceller av D-størrelse ble konstruert ved å benytte ubelagte stålbeholdere som den positive strøm-samleren. Beholderne for den første serien av batterier var ubehandlede, mens metallbeholderne som ble benyttet i den andre serien av batterier var på den indre overflatens sprayet med "P-70" primer. Batteriene ble deretter fremstilt på samme måte fra de to seriene beholdere ifølge fig. 1. Cellene ble deretter lekkasjeundersøkt ved at de ble underkastet en termisk sjokk-syklus som besto av 8 timer ved 54,4°C etterfulgt av 16 timer ved -17,8°C i totalt 3 sykler. Den ytre omhyllingen på hver celle, bestående av de to tilkoblingspunktene, papirisolasjons-røret, det isolerende belegget, kontaktfjæren og stålskallet ble deretter fjernet, og antallet celler med lekkasje mellom for-seglingsskivene og metallbeholderne ble talt. Resultatene gjen-gitt i tabell II viser at foreliggende oppfinnelse i stor grad forbedrer forseglingen i sylinderiske alkaliceller.

Fra resultatene i de foregående eksemplene og den vedlagte tegningen fremgår det at de primære alkalicellene ifølge oppfinnelsen er overlegne sammenlignet med konvensjonelle primære alkalibatterier. Selv om de foregående eksemplene tar utgangspunkt i det alkaliske MnC^/Zn elektrokjemiske systemet i en kommersiell sylinderisk konfigurasjon innbefatter foreliggende oppfinnelse andre alkaliske elektrokjemiske systemer hvor det anvendes en elektrolyt som ikke er korroderende overfor den positive strøm-samleren .

Claims (27)

1. Alkalisk elektrokjemisk celle som har en forseglingsinn-retning, karakterisert ved at den innbefatter et forseglingsmiddel plassert mellom en metallisk beholder, som virker som en positiv strømsamler, og en plastforseglingsdel, hvor metallbeholderen er utstyrt med et alkali-resistent plastbelegg.

2. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at forseglingsmidlet er bitumen .

3. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at forseglingsdelen er av polypropylen eller nylon.

4. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at metallbeholderen er av ubelagt stål.

5. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at plastbelegget er ledende.

6. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at plastbelegget inneholder ledende fyllstoffer.

7. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 6, karakterisert ved at det ledende fyllstoffet er karbon.

8. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 7, karakterisert ved at vekt-% av karbon i plastbelegget varierer opp til 40.

9. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at plastbelegget er 0,00025 cm til 0,0051 cm tykt.

10. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 9, karakterisert ved at plastbelegget er 0,0015 cm til 0,0020 cm tykt.

11. Alkalisk elektrokjemisk celle ifølge krav 1, karakterisert ved at plastbelegget er tilveie-bragt bare i området hvor forseglingsdelen/forseglingsmidlet og metallbeholderen kommer i kontakt.

12. Fremgangsmåte til fremstilling av en alkalisk elektrokjemisk celle, karakterisert ved at den innbefatter : (a) belegging av den indre overflaten av metallbeholder som tjener som den positive strømsamleren med en alkali-resistent, polymer harpiks; (b) tørking av belegget av polymerharpiks slik at det dannes en alkali-resistent plastfilm på overflaten av metallbeholderen; (c) plassering av komponentene i alkalibatteriet i metallbeholderen; og (d) forsegling av alkalicellen ved at det plasseres et forseglingsmiddel mellom en plastforseglingsdel og metallbeholderen etter krymping av den tidligere åpne enden av metallbeholderen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den alkali-resistente polymerharpiksen innbefatter et polymert bindemiddel oppløst i et oppløsningsmiddel.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at oppløsningsmidlet avdampes fra en polymerharpiks ved forhøyede temperaturer.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert , ved at det polymere bindemidlet ikke oppløses i alkalisk elektrolyt.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at det polymere bindemidlet ikke hydrolyseres eller oksyderes av alkalisk elektrolyt.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at oppløsningsmidlet fukter overflaten av metallbeholderen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at forseglingsmidlet er bitumen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at forseglingsdelen er av propylen eller nylon.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at metallbeholderen er av stål.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at det polymere bindemidlet er ledende.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at ledende fyllstoffer tilsettes til bindemidlet.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at det ledende fyllstoffet er ledende karbonpartikler valgt fra gruppen bestående av acetylen svart, kjønrøk og grafitt.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, karakterisert ved at ledende karbonpartikler tilsettes til det polymere bindemidlet i en slik mengde at vekt-% av karbon i plastfilmen varierer opp til 40.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at den polymere harpiksen påføres på metallbeholderen bare i det området hvor forseglingsdelen/forseglingsmidlet og-metallbeholderen kommer i kontakt.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at plastfilmen er 0,00025 cm til 0,0051 cm tykk.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 26, karakterisert ved at plastfilmen er 0,0015 cm til 0,0020 cm tykk.