DE19645836B4

DE19645836B4 - Zelle mit spiralförmig gewickelten Elektroden

Info

Publication number: DE19645836B4
Application number: DE19645836A
Authority: DE
Inventors: Ryo Hirakata Nagai; Shoichiro Ibaraki Tateishi; Hiroshi Settsu Fukunaga
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2016-11-08
Also published as: DE19645836A1; JP2001023681A; US6051333A; JP2001023680A

Abstract

Zelle mit einem Elektrodenkörper (4) mit Anoden (1) und Kathoden (2), die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Trennelement (3) zwischen ihnen angeordnet ist, und einem Zellgehäuse (5), in das der Elektrodenkörper (4) eingesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zelle eine Sekundärzelle ist,
daß zwei Kathoden (2), von denen jede eine Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial (2b) aufweist, über das Trennelement (3) jeweils Flächen der Anode (1) zugewandt sind, dass die Kathoden (2) in allen Windungen ausgenommen der äußersten und innersten Windung in Kontakt miteinander sind, und daß ein Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathoden zu der der Anode an gegenüberliegenden Flächen zwischen der Anode (1) und den Kathoden (2) mindestens 1,2 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper, beispielsweise eine Alkalisekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungszelle (Nickel-Hydrid-Zelle) und eine Nickel-Kadmium-Zelle nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung der Spiralstruktur des Elektrodenkörpers zur Steigerung der Kapazität, Zuverlässigkeit und Produktion der Zellen und zur Senkung der Herstellungskosten.

Aus der DE 38 29 419 C1 ist eine stromliefernde elektrochemische Zelle in Wickelbauweise bekannt, die eine Lithiumanode aufweist, die aus zwei aufeinanderliegenden Anodenstreifen besteht. Um das Lithium-Angebot in der äußersten Anodenlage zu verringern, derart, dass in einer leeren Zelle kein freies Lithium mehr zur Verfügung steht, ist der eine Anodenstreifen relativ zu dem anderen Anodenstreifen derart verkürzt, dass die äußerste Anodenlage der Zelle nur aus einem einzigen Anodenstreifen besteht.

Bei dem Gegenstand der DE 38 29 419 handelt es sich um eine Primärzelle, die nicht wieder aufladbar ist.

Die in den Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungszellen oder Nickel-Kadmium-Zellen verwendete Elektrodenspiralstruktur ist in 11 gezeigt, wobei eine Anode 1 und eine Kathode 2 spiralförmig gewickelt sind, wobei sich ein Trennelement 3 zwischen ihnen befindet. Das heißt, die Anode 1 und die Kathode 2 haben eine bestimmte Dicke und sind so aufgewickelt, daß sie einen Elektrodenkörper 4 mit der Spiralstruktur gemäß 11 bilden.

Bei Alkalisekundärzellen wie Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungszellen oder Nickel-Kadmium-Zellen besteht die Notwendigkeit, ein Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu der der Anode von mindestens 1,2, beizubehalten. Dieses Verhältnis ist kein Gesamtverhältnis in der Zelle, sondern sollte an einander zugewandten Flächen zwischen den spiralig gewickelten Anoden und Kathoden beibehalten werden. Daher sind die Zellen mit dem herkömmlichen spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper auf der Basis des Verhältnisses der elektrischen Kapazität der Kathode zu der der Anode in dem Teil, in dem beiden Flächen der Kathode der Anode zugewandt sind, d.h. in der zweiten Windung der Kathode, konzipiert. Aus diesem Grunde ist die elektrische Kapazität der innersten und äußersten Windungen der Kathode größer als notwendig.

Die innersten und äußersten Windungen der Kathode des herkömmlichen spiralförmig gewickelten Elektrodenkörpers tragen die Schichten der aktiven Materialien der Elektrode auf beiden Seiten des Substrates, obwohl in diesen Windungen nur eine Seite der Anode zugewandt ist. Daher wird das aktive Elektrodenmaterial auf der anderen Seite nicht wirksam genutzt, und infolgedessen wird auch das Innenvolumen der Zelle nicht vollständig genutzt.

Kleine Zellen sind derart strukturiert, daß die äußerste Windung des spiralförmig gewickelten Elektrodenkörpers die Kathode ist, die zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit der Innenwand eines Zellgehäuses in Kontakt ist. Daher neigen die erhabenen Teile der aktiven Elektrodenmaterialschicht dazu, die Innenwand des Zellgehäuses zu beschädigen, und diese Beschädigungen können zu schwerwiegenden Defekten der Alkalizellen, beispielsweise dem Austreten einer elektrolytischen Lösung, führen.

Die herkömmliche Kathode weist ein Nickelsintersubstrat, das durch Aufbringen einer Nickelpulverpaste auf eine mit Nickel plattierte perforierte Eisenplatte und deren Sintern erzeugt wird, oder ein poröses Substrat wie eine Schaumstoff- oder Faser-Metallplatte auf, die durch Plattieren von Nickel auf einen Urethanschaum oder ein Urethanvlies und dessen Sintern erzeugt wird, um die Elektrodenreaktionen auf beiden Flächen voranzutreiben. Auf diese Weise erhöhen sich die Kosten für die Geräte zur Herstellung der Elektrodenkörper oder der Substrate, und für die stabile Herstellung von Elektrodenkörpern oder Substraten mit konstanten Eigenschaften ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper zu schaffen, der die elektrische Kapazität durch wirksame Nutzung des Innenvolumens der Zelle steigern kann, die Produktivität der Kathoden zu erhöhen und die Zellenherstellungskosten zu reduzieren.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Zelle mit einem spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper vorzusehen, der die Innenwand des Zellgehäuses nicht beschädigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Vorzugsweise weist jede Kathode ein Metallsubstrat und ein aktives Elektrodenmaterial auf, das auf eine Fläche des Substrates aufgebracht, wobei die Schicht des aktiven Elektrodenmaterials über das Trennelement der Anode zugewandt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen spiralförmig gewickelten, in Beispiel 1 verwendeten Elektrodenkörper gemäß einem erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel,

2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Elektrodenkörpers in dem Kreis Y von 1,

3 einen Schnitt durch eine Zelle mit dem in Beispiel 1 zusammengesetzten Elektrodenkörper,

4A und 4B eine Seiten- bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 2 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

5 einen Schnitt durch den in Beispiel 2 zusammengesetzten Elektrodenkörper,

6A und 6B eine Seiten- bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 3 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem dritten Ausführungsbeispiel,

7 einen Schnitt durch den in Beispiel 3 zusammengesetzten Elektrodenkörper,

8A,8B und 8C eine Seitenansicht, eine Ansicht der anderen Seite bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 4 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem vierten Ausführungsbeispiel,

9 einen Schnitt durch den in Beispiel 4 zusammengesetzten Elektrodenkörper,

10A,10B und 10C eine Seitenansicht, eine Ansicht der anderen Seite bzw. eine Schnittansicht eines in Beispiel 5 verwendeten Elektrodenkörpers nach einem fünften Ausführungsbeispiel,

11 einen Schnitt durch einen in dem Vergleichsbeispiel zusammengesetzten herkömmlichen Elektrodenkörper, und

12 eine graphische Darstellung zu den Entladungscharakteristiken der in den Beispielen 1-5 und dem Vergleichsbeispiel zusammengesetzten Zellen.

Der Begriff der "innersten" und "äußersten" Windungen beschränkt sich hier nicht nur exakt auf die innersten und äußersten Windungen. Sie können beispielsweise auch einige Teile der an die innersten und äußersten Windungen angrenzenden Windungen umfassen oder geringfügig kürzer als die exakten Längen der innersten und äußersten Windungen sein.

Die Menge an aktivem Elektrodenmaterial pro Flächeneinheit der Innenschicht (in bezug auf die Anode) des aktiven Kathodenmaterials ist gleich der und vorzugsweise größer als diejenige der Außenschicht des aktiven Kathodenmaterials in derselben Windung, um das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode überall konstant zu halten. Das Gewichtsverhältnis des aktiven Kathodenmaterials pro Flächeneinheit der Innenschicht des aktiven Elektrodenmaterials zu demjenigen der Außenschicht des aktiven Kathodenmaterials liegt vorzugsweise zwischen 1:1 und 1,6:1 und höchst bevorzugt zwischen 1,2:1 und 1,6:1.

Wenn die Zusammensetzungen des Elektrodenmaterials in der Innen- und der Außenschicht dieselben sind, kann dieses Verhältnis durch Kontrollieren der Dicke der Innen- und Außenschicht eingestellt werden.

Die Schicht des aktiven Elektrodenmaterials kann ausschließlich aus dem aktiven Elektrodenmaterial bestehen. Alternativ kann sie in vielen Fällen zusätzlich zu dem aktiven Elektrodenmaterial ein Bindemittel oder andere Komponenten enthalten.

Wenn die Kathode und der Elektrodenkörper den oben beschriebenen Aufbau haben, liegt die Fläche des Metallsubstrates der Kathode in der äußersten Windung des Elektrodenkörpers frei. Das Metallsubstrat ist mit der Innenwand des Zellgehäuses in Kontakt, und daher wird die Innenwand nicht durch hartes Pulver wie die Wasserstoffeinschlußlegierung beschädigt. Selbst die durch Metallplattierung erzeugten harten Substrate, wie beispielsweise das Schaum-Metall-Substrat, beschädigen die Innenwand des Zellgehäuses nicht.

Wichtiger ist, daß die Kapazität der Zelle um etwa 30% erhöht werden kann, indem die überflüssigen Mengen an aktivem Elektrodenmaterial, das nicht zur Elektrodenreaktion beiträgt, in den äußersten und innersten Windungen der Kathode entfernt werden und indem ferner eine sehr dünne Metallplatte mit einer Dicke zwischen 10 und 50 μm oder eine Lochmetallplatte mit einer Dicke zwischen 40 und 70 μm als Substrat für die Kathode verwendet wird, welche als Elektrodensammler wirkt.

Die aktiven Elektrodenmaterialien für die Kathode und die Anode können herkömmlich verwendete Materialien sein.

Die Dicke der Kathode und der Anode kann im üblichen Bereich liegen.

Andere Elemente oder Komponenten der Zellen können dieselben wie die in den herkömmlichen Zellen verwendeten sein.

Ferner können der Elektrodenkörper und die Zelle der vorliegenden Erfindung mittels der herkömmlichen Verfahren zusammengesetzt werden, mit Ausnahme der oben beschriebenen Strukturen der Kathode und des Elektrodenkörpers.

Im folgenden wird die Erfindung mittels der folgenden Beispiele, die den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken, im Detail erläutert. In den Beispielen steht das %-Zeichen bei Konzentrationen für Gewichtsprozente.
Beispiel 1
Achtundzwanzig Gewichtsteile einer Bindemittellösung, die 12% in N-Methylpyrrolidon aufgelöstes Polyvinylidenfluorid enthält, werden in 100 Gewichtsteilen des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) aufweisenden Wasserstoffeinschlußlegierungspulvers verrührt und gründlich gerührt, um eine homogene Paste zu erhalten.
Die Paste wird mittels des Rakelverfahrens in einer Gesamtdicke von 500 μm auf eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 μm als Metallsubstrat aufgetragen und auf einer heißen Platte getrocknet, woran sich ein Walzenanpreßvorgang anschließt, um eine Kathodenbahn mit einer Gesamtdicke von 200 μm zu erhalten.
Die Kathodenbahn wird auf eine Größe von 35 mm × 38 mm zurechtgeschnitten (im folgenden als Kathodenbahn A bezeichnet).
Getrennt davon wird eine Kathodenbahn mit einer Gesamtdicke von 145 μm wie oben vorbereitet, außer daß die Dicke der aufgetragenen Paste verändert wird, und auf eine Größe von 35 mm × 55,5 mm zurechtgeschnitten (im folgenden als Kathodenbahn B bezeichnet).
Als Anode wird eine Nickelelektrode mit einer Dicke von 660 μm und einer Größe von 35 mm × 46 mm verwendet. Die Anode wird durch Einfüllen einer Nickelhydroxid als aktives Elektrodenmaterial enthaltenden Paste gemäß dem herkömmlichen Verfahren in eine Schaumstoff-Nickel-Platte eingefüllt, um eine Anodenbahn zu erhalten, und auf die obige Größe zurechtgeschnitten. An ein Ende der Anode wird ein Nickelband als Anodenkollektor (Kontaktfahne) punktgeschweißt.
Das Trennelement ist ein Polypropylenvlies mit einer Dicke von 0,15 mm und einer Größe von 102 mm × 38 mm, das so behandelt ist, daß es hydrophil ist.
Die Kathodenbahnen A und B werden auf die jeweiligen Flächen der Anode laminiert, wobei man das Trennelement zwischen ihnen anordnet, und dann spiralförmig gewickelt, um einen Elektrodenkörper gemäß 1 zu bilden.
Im folgenden wird der Elektrodenkörper von 1 im einzelnen erläutert.
Die Kathoden 2 werden über das Trennelement 3 auf die betreffenden Flächen der Anode 1 laminiert. Die Kathoden sind in der zweiten und den folgenden Windungen, außer in den äußersten Windungen, in Kontakt miteinander.
2 ist eine vergrößerte Ansicht der Laminatstruktur der Kathoden und Anoden und der Trennelemente in dem Kreis Y von 1.
Jede Elektrode 2 besteht aus dem Metallsubstrat 2a und der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial 2b. Die Metallsubstrate 2a sind in dem spiralig gewickelten Zustand in Kontakt miteinander. Der mittlere Teil des Trennelementes 3 bildet den Kern, um den, wie in 1 gezeigt, das Laminat aus Elektroden und Trennelement spiralförmig gewickelt ist. Die Anode 1 weist einen Kollektor (Kontaktfahne) 20 auf, der an das äußere Ende punktgeschweißt ist. Das heißt, das Schaumstoff-Nickel-Substrat der Anode wird gepreßt, um die Hohlräume zusammenzudrücken, so daß die Nickelhydroxid enthaltende Paste nicht in diese eindringt. Der gepreßte Teil des Substrats besteht nur aus Metall. Dann wird ein Ende des Nickelbandes als Kollektor 20 für die Anode durch Punktschweißen an dem gepreßten Teil angebracht. Der Aufbau des Kollektors 20 ist in den 5, 7, 9 und 11 derselbe.
Zuerst besteht die innerste Windung der Spirale aus der Kathodenbahn A und der Anode. Von der zweiten Windung an wird die Kathodenbahn B auf der Innenseite der Kathodenbahn A hinzugefügt, wobei sich die Metallsubstrate 2a in direktem Kontakt miteinander befinden, und die beiden Flächen der Anode sind über das Trennelement 3 den Kathodenbahnen A und B zugewandt. Die äußerste Windung der Kathode besteht nur aus der Kathodenbahn B.
Am Außenumfang der Kathode 2 liegt das Metallsubstrat frei (nicht dargestellt) und befindet sich im Kontakt mit der Innenwand eines Zellgehäuses 5, dessen Innenfläche in 1 durch eine dünne Linie angedeutet ist. Dementsprechend arbeitet das Zellgehäuse 5 als Kathodenanschluß.
1 zeigt schematisch den Aufbau des Elektrodenkörpers, und zwischen dem Elektrodenkörper 4 und dem Zellgehäuse 5 verbleibt ein großer Raum, da die Elektroden und das Trennelement, die die oben beschriebenen sehr geringen Dicken aufweisen, so dargestellt sind, als wiesen sie eine gewisse Dicke auf. In der eigentlichen Zelle jedoch ist dieser Raum sehr gering. Diese Erläuterung gilt auch für die 5, 7, 9 und 11.
In Beispiel 1 wird als elektrolytische Lösung eine 30% wässrige Kaliumhydroxidlösung verwendet.
Mittels des herkömmlichen Verfahrens mit der Ausnahme, daß in das Zellgehäuse 5 der Elektrodenkörper 4 mit obigem Aufbau eingesetzt wird, wird eine U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp zusammengesetzt und 0,85 ml der elektrolytischen Lösung in das Zellgehäuse 5 gegossen. Die fertig zusammengesetzte Zelle hat den Aufbau von 3.
Die Zelle von 3 weist den Elektrodenkörper 4 mit der Anode 1, den Kathoden 2 und dem Trennelement 3, das Zellgehäuse 5, einen Dichtring 6, einen Zellendeckel 7 mit einer Anschlußplatte 8 und einer Dichtplatte 9, eine Metallfeder 10, ein Ventil 11, ein Leitungsteil 12 für die Anode und Isolatoren 13 und 14 auf.
Die Anode 1 und die Kathoden 2 sind die oben beschriebenen, wobei darauf hingewiesen sei, daß die Kathoden 2 der Einfachheit halber als einzelne Schicht dargestellt sind. Der Elektrodenkörper 4 ist wie oben erläutert zusammengesetzt und in das Zellgehäuse 5 eingesetzt. Auf dem Elektrodenkörper 4 befindet sich der Isolator 14.
Der Dichtring 6 besteht aus Nylon 66, und der Zellendeckel 7 weist die Anschlußplatte 8 und die Dichtplatte 9 auf. Der Dichtring 6 und der Zellendeckel dichten gemeinsam die Öffnung des Zellgehäuses 5 ab.
Das heißt, der Elektrodenkörper 4, der Isolator 14 u. dgl. werden in das Zellgehäuse 5 eingeführt, und dann wird in der Nähe der Öffnung des Gehäuses um den Umfang eine Nut 5a so ausgebildet, daß ihr Boden nach innen ragt. Der Dichtring 6 und der Zellendeckel 7 werden in der Öffnung des Zellgehäuses 5 angeordnet, wobei die Unterseite der Dichtung durch den vorstehenden Teil gestützt ist. Der obere Rand des Zellgehäuses 5 ist nach innen gedrückt, um mit dem Zellendeckel 7 und dem Dichtring 6 die Öffnung des Zellgehäuses abzudichten.
Die Anschlußplatte 8 weist ein Loch 8a für den Austritt von Gasen auf, und die Dichtplatte 9 weist ein Gasdetektionsloch 9a auf. Die Metallfeder 10 und das Ventil 11 sind zwischen der Anschlußplatte 8 und der Dichtplatte 9 angeordnet. Der Umfangsrand der Dichtplatte 9 ist nach innen gebogen und hält den Umfang der Anschlußplatte 8, um diese und die Dichtplatte 9 zu fixieren.
Durch die von der Feder 10 ausgeübte Kraft schließt das Ventil 11 das Gasdetektionsloch 9a, und unter normalen Umständen ist der Innenraum der Zelle in einem abgedichteten Zustand gehalten. Sobald in der Zelle Gas erzeugt wird und der Innendruck abnorm ansteigt, übt der Druck Schub auf das Ventil aus und dann kontrahiert sich die Feder, so daß zwischen dem Ventil 11 und dem Gasdetektionsloch 9a ein Spalt entsteht. Dann ist ein Entweichen des Gases durch das Gasdetektionsloch 9 und das Gasaustrittsloch 9a in die Atmosphäre möglich, und auf diese Weise wird das Bersten der Zelle verhindert.
Ein Ende des Leitungsteils 12 ist, wie im Zusammenhang mit Fig. erläutert, an den (in 3 allerdings nicht gezeigten) Kollektor (Kontaktfahne) 20 punktgeschweißt, und das andere Ende des Leitungsteils 12 ist an die Unterseite der Dichtplatte 9 punktgeschweißt. Die Anschlußplatte 8 ist mit der Dichtplatte 9 in Kontakt und wirkt daher als Anodenanschluß.
Das Metallsubstrat der Kathode 2 liegt, wie oben erläutert, an der Umfangsfläche des Elektrodenkörpers 4 frei und ist mit der Innenwand des Zellgehäuses 5 in Kontakt. Somit wirkt das Zellgehäuse 5 als Kathodenanschluß. Die Schnittansicht von 3 ist eine schematische Darstellung. Daher zeigt 3 nicht die Einzelheiten der Anode 1, der Kathoden 2 und des Trennelementes 3, und ihre Positionierung unterscheidet sich geringfügig von 1. Ferner ist das positive Leitungsteil 12 so dargestellt, als wäre es mit der Schnittebene verschweißt, und der Querschnitt der Kathode 2 unterscheidet sich von demjenigen in den 1 und 2.
Die nach Beispiel 1 zusammengesetzte Zelle hat bei Messung der Anode eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh. Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 977 mAh. Daher beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63:1.
Beispiel 2
Eine Kathode, die einen Abschnitt ohne die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial aufweist, wird gemäß 4 vorbereitet. 4A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial, und 4B ist ein Schnitt entlang der Linie X-X in 4A. Der Deutlichkeit halber ist die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial in 4A kreuzweise schraffiert.
Als Metallsubstrat 2a wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20μm verwendet, und auf einer Fläche des Substrates 2a wird die Schicht des aktiven Elektrodenmaterials mit einer Dicke von 180μm ausgebildet. Auf einem Teil des Substrates jedoch fehlt die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial. Das Substrat 2a hat eine Länge von 100 mm und eine Breite von 35 mm. Von einer Kante ausgehend ist die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial 2b mit einer Länge von 38 mm ausgebildet. Dann fehlt die aktive Elektrodenmaterialschicht über eine Länge von 6,5 mm, und über die verbleibende Länge von 55,5 mm ist sie wieder ausgebildet. 4 ist jedoch eine schematische Darstellung und zeigt die oben angeführten Längen und die Größe des Substrates nicht exakt.
Um den in 5 gezeigten spiralförmig gewickelten Elektrodenkörper 4 zu bilden, werden von dem Teil des Kathodensubstrates, der keine aktive Elektrodenmaterialschicht aufweist, ausgehend die Kathode 2 und die Anode 1 spiralförmig gewickelt, wobei zwischen ihnen das Trennelement 3 angeordnet ist. Die Schichten des aktiven Elektrodenmaterials der Kathode 2 sind über die Trennelemente in direktem Kontakt mit beiden Flächen der Anode 1, und das Metallsubstrat 2a der Kathode ist in einer Windung (außer der äußersten) in direktem Kontakt mit demjenigen in der folgenden Windung, wie in 2.
Die innerste und die äußerste Windung weisen die Einzelkathode 2 auf, und an der Umfangsfläche des Elektrodenkörpers 4 liegt das Metallsubstrat 2a frei und kontaktiert die Innenwand des Zellgehäuses 5.
Die in Beispiel 2 verwendete Anode 1 ist eine auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und weist eine Dicke von 660μm und eine Größe von 35 mm × 46 mm auf. Das Trennelement ist das gleiche Polypropylenvlies wie das in Beispiel 1 verwendete.
Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise zusammengesetzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet ist.
Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 2 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh. Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63:1.
Beispiel 3
Es wird eine Kathode mit dem Aufbau von 6 verwendet. Diese Kathode ist die gleiche wie die von 4, außer daß diese Kathode über ihre gesamte Fläche mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial versehen ist. 6A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial, und 6B ist ein Schnitt entlang der Linie W-W in 6A. Der Deutlichkeit halber ist die Schicht 2b des aktiven Elektrodenmaterials in 6A kreuzweise schraffiert.
Als Metallsubstrat 2a wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20 μm verwendet, und auf einer Fläche des Substrates 2a ist die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial mit einer Dicke von 180 μm ausgebildet. Somit hat die Kathode 2 eine Gesamtdicke von 200 μm.
Zur Bildung des in 7 gezeigten Elektrodenkörpers 4 werden die Kathode 2 und die Anode 1 mit zwischen ihnen angeordnetem Trennelement spiralförmig gewickelt. Zwar geht dies aus 7 nicht hervor, aber der Kerndurch messer ist in diesem Beispiel um 0,2 mm kleiner als in Beispiel 2, was der Dicke der Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial entspricht. Die Kathode 2 ist über das Trennelement mit beiden Flächen der Anode 1 in Kontakt, und das Metallsubstrat 2a der Kathode in einer Windung (außer der äußersten Windung) ist in direktem Kontakt mit demjenigen der nächsten Windung, wie in 2.
Die innerste und die äußerste Windung weisen die Einzelkathode 2 auf, und an der Umfangsfläche des Elektrodenkörpers 4 liegt das Metallsubstrat 2a frei und kontaktiert die Innenwand des Zellgehäuses 5.
Die in Beispiel 3 verwendete Anode 1 ist eine auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und hat eine Dicke von 660μm und eine Größe von 35 mm × 46 mm. Das Trennelement 3 ist das gleiche Polypropylenvlies wie das in Beispiel 1 verwendete.
Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp ist auf dieselbe Weise zusammengesetzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet ist.
Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 3 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.
Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt. Das Ergebnis ist im wesentlichen dasselbe wie in Beispiel 3.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 1041 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,74:1, während es in den einander zugewandten Bereichen 1,63 beträgt.
Beispiel 4
Eine Kathode mit Abschnitten, auf denen sich keine Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial befindet, wird gemäß 8 vorbereitet. 8A ist eine Seitenansicht einer Fläche der Kathode mit der Schicht 2b aus aktivem Elektrodenmaterial, 8B ist eine Seitenansicht der anderen Fläche der Kathode mit der Schicht 2c aus aktivem Elektrodenmaterial, und 8C ist ein Schnitt entlang der Linie V-V in 8A. Der Deutlichkeit halber sind die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials in den 8A und 8B kreuzweise schraffiert.
Als Metallsubstrat wird eine Nickelplatte mit einer Dicke von 20μm verwendet, und die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials mit einer Dicke von 200μm bzw. 145μm sind auf den betreffenden Flächen des Suhstrates 2a ausgebildet. An einigen Abschnitten des Substrates jedoch fehlt die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial. Das heißt, das Substrat 2a hat eine Länge von 67 mm und eine Breite von 35 mm, doch von der Kante E an weist der Kantenbereich keine aktive Elektrodenmaterialschicht auf und der übrige Flächenabschnitt ist mit der aktiven Elektrodenmaterialschicht 2b gemäß 8A versehen, während der von der anderen Kante F ausgehende Kantenbereich mit einer Länge von 3,8 mm ohne und der übrige Flächenabschnitt gemäß 8B mit der aktiven Elektrodenmaterialschicht 2c ausgebildet ist.
Zur Bildung des in 9 gezeigten Elektrodenkörpers 4 sind die Kathode 2 und die Anode 1 mit dazwischen angeordnetem Trennelement von der Kante F aus spiralförmig gewickelt. In diesem Beispiel ist das Trennelement 3 in der Mitte geknickt und über der Kathode 2 angeordnet, so daß das Trennelement beide Flächen der Kathode bedeckt.
8 und 9 sind schematische Darstellungen und geben die oben angegebenen Längen und die Größe des Substrates nicht exakt wieder.
Im folgenden werden die in 9 nicht deutlich gezeigten Strukturen erläutert. In der innersten Windung der Kathode ist der Anode 1 über das Trennelement 3 nur die Schicht 2b des aktiven Elektrodenmaterials zugewandt, während in der äußersten Windung der Kathode der Anode 1 über das Trennelement 3 nur die Schicht 2c des aktiven Elektrodenmaterials zugewandt ist. In allen anderen Windungen sind über das Trennelement die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials der Anode zugewandt.
Am Umfangsrand des Elektrodenkörpers 4 liegt das Metallsubstrat 2a frei und kontaktiert die Innenwand des Zellgehäuses 5.
Die in Beispiel 4 verwendete Anode 1 ist eine auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Nickelelektrode und hat eine Dicke von 660 μm und eine Größe von 35 mm × 46 mm. Das Trennelement 3 ist das gleiche Polypropylenvlies wie das in Beispiel 1 verwendete.
Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise zusammengesetzt wie in Beispiel 1, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.
Unter der Steuerung der Anode hat die nach Beispiel 4 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.
Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63:1.
Beispiel 5
Der Elektrodenkörper 4 wird auf die gleiche Weise zusammengesetzt wie in Beispiel 4, außer daß die in 10 gezeigte und mittels des nachfolgend beschriebenen Verfahrens hergestellte Kathode verwendet wird. Der Aufbau des Elektrodenkörpers ist der gleiche wie in dem in 9 gezeigten Beispiel 4.
10A ist eine Seitenansicht der Kathode mit der Schicht 2b aus aktivem Elektrodenmaterial, 10B eine Seitenansicht der anderen Fläche der Kathode mit der Schicht 2c aus aktivem Elektrodenmaterial, und 10C ein Schnitt entlang der Linie U-U in 10A. Die Schichten 2b und 2c des aktiven Elektrodenmaterials sind der Deutlichkeit halber in den 10A und 10B kreuzweise schraffiert.
Die Kathode 2 wird durch Einrühren von 23 Gewichtsteilen einer Bindemittellösung, die 8,0% in Wasser aufgelöstes Polyethylenoxid enthielt, in 100 Gewichtsteile des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) enthaltenden Wasserstoffeinschlußlegierungspulvers erzeugt, woran sich, um eine homogene Paste zu erhalten, ein gründliches Rühren und das Aufbringen der Paste auf beide Flächen der Lochmetallplatte mit einer Dicke von 50 μm anschließt, gefolgt von einem Trocken- und Walzenanpreßvorgang. Die Dicke und Länge der Schichten 2b und 2c der aktiven Elektrodenmaterialien ist die gleiche wie in Beispiel 4.
Die verwendete Lochmetallplatte ist eine Eisenplatte mit einer Dicke von 50μm, die perforiert und mit Nickel plattiert wird.
Die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp ist auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.
Unter der Steuerung der Anode hat die in Beispiel 5 zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 600 mAh.
Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt. Das Ergebnis ist das gleiche wie in Beispiel 4.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 977 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,63:1.
Vergleichsbeispiel
In 100 g des MmNi₅ (wobei Mm das Mischmetall ist) enthaltenden Wasserstoffeinschlußlegierungspulvers werden dreiundzwanzig Gramm einer 2,6 % Polyvinylalkohol in Wasser enthaltenden Bindemittellösung eingerührt und gründlich verrührt, um eine homogene Paste zu erhalten.
Die Paste wird in eine Schaumstoff-Nickel-Platte mit einer Dicke von 600 μm eingefüllt, getrocknet und walzengepreßt, um eine Kathode zu erhalten. Die Gesamtdicke der Kathode beträgt 250μm, um das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode auf dasjenige der Anode bei 1,3 einzustellen. Die Kathode hat eine Größe von 35 mm × 67 mm.
Die in dem Vergleichsbeispiel verwendete Anode ist die gleiche Nickelpastenelektrode wie die in Beispiel 1 verwendete, außer daß die Dicke 430 μm beträgt, um das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode auf dasjenige der Anode bei 1,3 einzustellen. Die Anode hat eine Größe von 35 mm × 51 mm.
Zur Bildung des Elektrodenkörpers gemäß 11 sind die oben beschriebenen Kathoden und Anoden mit zwischen ihnen angeordnetem Trennelement, welches das gleiche ist wie in Beispiel 1, spiralförmig gewickelt.
Dann wird die U-4-Alkalisekundärzelle vom Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungstyp auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zusammengesetzt, außer daß der oben beschriebene spiralförmig gewickelte Elektrodenkörper verwendet wird.
Unter der Steuerung der Anode hat die in dem Vergleichsbeispiel zusammengesetzte Zelle eine theoretische elektrische Kapazität von 410 mAh.
Die Entladungscharakteristik dieser Zelle, die bei 20°C und 0,1 A entladen wird, ist in 12 gezeigt.
Die Kathoden haben eine theoretische elektrische Kapazität von 530 mAh. Somit beträgt das Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu derjenigen der Anode 1,3.1.
Wie aus 12 ersichtlich, haben die Zellen der Beispiele 1-5 um etwa 30% größere Entladungskapazitäten als diejenige des Vergleichsbeispiels.
Zwar werden in den obigen Beispielen Nickel-Wasserstoffeinschlußlegierungszellen verwendet, aber die vorliegende Erfindung kann bei jeder einen spiralig gewickelten Elektrodenkörper aufweisenden Zelle wie Alkalizellen (z.B. Nickel-Kadmium-Zellen, Nickel-Eisen-Zellen, Nic kel-Zink-Zellen etc.), Lithium-Mangan-Zellen, Lithium-Ionen-Zellen u. dgl. angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung kann die Kapazität der Zellen erhöhen.
Erfindungsgemäß kann die Kathode mittels eines einfachen Beschichtungsverfahrens hergestellt werden und daher kann die Produktion der Zellen erhöht werden. Ferner kann die Erfindung die Kosten für die Zellen senken, da die Verwendung der kostenintensiven Schaum-Metall- oder Sintermetallplatte als Elektrodensubstrat nicht notwendig ist. Außerdem wird die Innenwand des Zellgehäuses nicht beschädigt, da das Metallsubstrat mit der Innenwand des Zellgehäuses in Kontakt ist.

Claims

Zelle mit einem Elektrodenkörper (4) mit Anoden (1) und Kathoden (2), die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Trennelement (3) zwischen ihnen angeordnet ist, und einem Zellgehäuse (5), in das der Elektrodenkörper (4) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine Sekundärzelle ist, daß zwei Kathoden (2), von denen jede eine Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial (2b) aufweist, über das Trennelement (3) jeweils Flächen der Anode (1) zugewandt sind, dass die Kathoden (2) in allen Windungen ausgenommen der äußersten und innersten Windung in Kontakt miteinander sind, und daß ein Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathoden zu der der Anode an gegenüberliegenden Flächen zwischen der Anode (1) und den Kathoden (2) mindestens 1,2 beträgt.
Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kathode (2) ein Metallsubstrat (2a) und ein aktives Elektrodenmaterial (2b) aufweist, das auf eine Fläche des Substrates (2a) aufgebracht ist, und daß die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial (2b) über das Trennelement (3) der Anode (1) zugewandt ist.
Zelle mit einem Elektrodenkörper (4) mit Anoden (1) und Kathoden (2b), die spiralförmig gewickelt sind, wobei ein Trennelement (3) zwischen ihnen angeordnet ist, und einem Zellgehäuse (5), in das der Elektrodenkörper (4) eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine Sekundärzelle ist, daß die Kathode (2) ein Metallsubstrat (2a) und zwei auf beiden Flächen des Substrates (2a) ausgebildete Schichten aus aktivem Elektrodenmaterial (2b,2c) aufweist, wobei die Kathode (2), im Bereich der innersten und äußersten Windung des Elektrodenkörpers (4) die Schicht aus aktivem Elektrodenmaterial (2b) nur auf einer Seite des Substrates (2a) trägt, daß jede Schicht des aktiven Elektrodenmaterials (2b,2c) der Kathode (2) der Anode (1) über das Trennelement (3) zugewandt ist, und dass ein Verhältnis der elektrischen Kapazität der Kathode zu der der Anode an gegenüberliegenden Flächen zwischen der Anode (1) und der Kathode (2) mindestens 1,2 beträgt.
Zelle nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Windung des Elektrodenkörpers (4) aus der Kathode (2) besteht, und daß das Metallsubstrat (2a) in der äußersten Windung freiliegt und mit der Innenwand des Zellgehäuses (5) in Kontakt ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsubstrat (2a) eine Metallplatte mit einer Dicke zwischen 10 und 50 μm ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (2a) eine Lochmetallplatte mit einer Dicke zwischen 40 und 70 μm ist, und dass das aktive Elektrodenmaterial in den Poren der Lochmetallplatte vorhanden ist.
Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit der äußersten Windung der Anode (1) ein Kollektor (20) verbondet ist.