DE3711648C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausformung von thermoplastischen Batterietrennwänden in galvanischen Elementen - Google Patents

Description

Obwohl Hersteller von galvanischen Elementen seit vielen Jahren versucht haben, bessere Elemente, die eine län­ gere Lebensdauer, höhere Stromabgabe und größere Lei­ stung haben durch Verbesserung einer oder mehr Bestand­ teile des Elements herzustellen, verbleibt ein nicht ganz zufriedenstellender Sachverhalt, nämlich die Aus­ bildung von Trennwänden in galvanischen Elementen.

In herkömmlichen alkalischen MnO₂-Trockenzellen enthält die Zellkonstruktion im wesentlichen einen Metallbehäl­ ter, geeignet ist Stahl, eine Masse oder ein Gemisch aus MnO₂ und Graphit, das in die Stahlummantelung eingegos­ sen ist, eine Trennwand, die an die MnO₂-Masse anliegt und einen Elektrolyten und ein Anodenmaterial im Zentrum der Trennwand. Die Trennwand dient als beides: als Schranke gegen Migration der Depolarisationsmischung und gegenüber der Anode. In der Vergangenheit wurde es als zweckdienlich und praktisch empfunden, eine Trennwand auf Zellulosebasis zu verwenden; so wurden Trennwände aus Papier, einlagiger Zellstoffpappe, Alpha-Zellulose, Zel­ luloseacetat, verleimter Hartpappe, einem Film aus Methylzellulose und einem Faserfließ aus Zellulosefasern, welche auf eine ähnlich aufgebaute Vinylfasermatte auf­ laminiert wurden, hergestellt. Jüngst wurde eine Poly­ vinylacetat-Verkleidung wegen seiner Fähigkeit, Migra­ tion des Depolarisators zu verhindern und wegen seiner räumlichen Stabilität als Trennwandmaterial eingesetzt. Herkömmlicherweise wurden Trennwände dadurch hergestellt, daß das Trennwandmaterial um die Seitenflächen einer Rolle gewickelt und die Trennwand über die Bodenfläche der Rolle gefaltet wurde, bevor sie in das Element ein­ gesetzt wurde. Gewöhnlich wurden eine oder mehr Beilag­ scheiben an der Bodenfläche der Rolle verwendet, um die gefalteten Kanten der Trennwand gegenüber der Bodenfläche des Elements festzuhalten. Jedoch weisen Trennwände die­ ser Konstruktion viele Nachteile auf. Diese Trennwände neigen dazu, sich zu lösen, da sie um eine Rolle gewickelt wurden, bevor sie in das Element eingesetzt wurden. Da die Trennwand undurchlässig sein muß, um Teilchen der Depolarisationsmischung zurückzuhalten, ist es wahr­ scheinlich, daß Migration dieser Teilchen vorkommt. Ein weiterer Nachteil ist, daß die gefaltete Bodenfläche der Trennwand, selbst wenn die Unterlegscheiben verwendet werden, die gefalteten Ecken festzuhalten, verhältnismä­ ßig massiv ausfällt und Platz in der Zelle verbraucht.

Aus der CH-PS 593 564 ist eine Zwischenlage für ein elektrochemisches Element und ein Verfahren zu seiner Her­ stellung bekannt. Dabei wird ein poröser Kunststoffteil um eine obere Hohlform gewickelt, wonach der untere Endteil des Kunststoffteils gegen eine erwärmte, konkav gewölbte Oberfläche einer unteren Hohlform gepreßt wird. So wird die Trennwand mittels zwei verschiedener Formwerkzeuge hergestellt und anschließend in das elektrochemische Ele­ ment eingebaut. Hierdurch werden zusätzliche Werkzeuge und Verfahrensschritte notwendig, die die Herstellung von galvanischen Elementen technisch aufwendig und teuer machen. Die US-PS 3,338,142 beschreibt ein Verfahren und eine Maschine zur Bildung eines rohrförmigen Behälters aus einem blattförmigen Rohmaterial. Die bekannte Maschine stellt solche Behälter, die zwei offene Enden besitzen, mit hoher Geschwindigkeit her. Jedoch eignen sich die bekannten Behälter nicht als Trennwände in galvanischen Elementen noch können die bekannten Maschinen solche Batterietrennwände in einem teilweise zusammengebauten galvanischen Element fertigstellen und einpassen.

Um mehr Platz innerhalb der Zelle zu bekommen wurde ein Verfahren entwickelt, das dem Stand der Technik ent­ spricht und bei dem die Trennwand durch Prägung eines Streifen des Trennwandmaterials durch ein Formwerkzeug hergestellt wird, und die geformte Trennwand in den Ele­ mentbehälter eingesetzt wird, welcher an dem Prägewerk­ zeug angeordnet ist. Ein solches Verfahren wird in der US-PS 3,089,914 beschrieben.

Obgleich solche bekannten Verfahren bei Papier-Trennwän­ den befriedigende Ergebnisse bringen, hat sich heraus­ gestellt, daß bei Verwendung von relativ steifen, ela­ stischen Materialien für die Trennwände diese Trennwände aufgrund der Elastizität des verwendeten Materials dazu neigen, sich zusammenzuziehen oder sich einwärts Richtung Mitte des Elements einzurollen, wodurch die Größe der Öffnung, durch welche das Anodenmaterial während des Einfüllvorgangs eingegossen wird, reduziert wird. Dies führt zu ernsthaften Problemen bei der Hochgeschwindig­ keits-Fertigung von alkalischen Elementen, da die ver­ engte Öffnung den verfügbaren Freiraum für Anodenmaterial reduziert, wodurch das Element eine verkürzte Lebensdauer erhält und es häufig vorkommt, daß das Anodenmaterial überläuft und zur Kathode gelangt, mit dem Ergebnis eines Kurzschlusses und Unbrauchbarkeit des Elements.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ausformung von thermoplastischen Batterietrennwänden von alkalischen Elementen zur Verfügung zu stellen, das die genannten, im Stand der Technik auftretenden Nachteile nach Möglichkeit vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 5.

Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung zum Inhalt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jetzt ein verbes­ sertes Verfahren zur Gestaltung einer Trennwand für ein galvanisches Element vorgesehen, das wenigstens zwei be­ cherförmige Trennwand-Auskleidungen aufweist, wobei jede aus einer kreisförmigen Bodenfläche und zylindrischen Seitenwänden, die aus zwei überlappenden, halbzylindri­ schen Wandsegmenten zusammengesetzt sind, bestehen, und welche die Verwendung eines thermoplastischen Trennwand­ materials miteinschließt, welches bei Ausformung in eine Trennwand innerhalb des Elements mit einem Prägestempel bei einer Temperatur und bei einer Zeitdauer, die aus­ reicht, das thermoplastische Material an das Kathodenma­ terial anzulegen, ausgeformt wird, und seine Ränder ver­ bunden werden, ohne die mechanische Integrität und den Migrationswiderstand bzw. Isolationseigenschaften der Trennwand zu verschlechtern.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie­ genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung den erfindungsgemäßen Trennwandauf­ bau vor der Schichtung;

Fig. 2 eine in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung den erfindungsgemäßen Trennwandauf­ bau nach der Schichtung;

Fig. 3 einen Längsschnitt eines typischen, erfindungs­ gemäßen Elements;

Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt der Prägevorrichtung vor der Einführung in die Trennwand; und

Fig. 5 einen Vertikalschnitt der Prägevorrichtung, die den Stempel in der Position innerhalb der Trennwand des Elements zeigt.

Gemäß der Zeichnungen zeigt Fig. 1 entsprechend der Er­ findung eine auseinandergezogene perspektivische Dar­ stellung eines Trennwandaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher eine äußere und eine innere kappen­ förmige Trennwand-Auskleidung 12, 12′ aufweist, vor­ zugsweise aus thermoplastischem Material wie z.B. Poly­ vinylacetat gefertigt. Die Trennwand-Auskleidungen 12, 12′ sind ineinander geformt und werden dann in die Um­ mantelung eines galvanischen Elements, wie dem Element gemäß Fig. 3 angeordnet.

Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält ein alkalisches Element 20 von der Gestalt, für welche die Erfindung zutreffend ist, eine Stahlummantelung 22, welche als Behälter für das Element dient, eine Kathode 24, aus MnO₂, eine Trennwand 26, eine Anode 28, die KOH und amalgamiertes Zink enthält und einen anodischen Leiter 29.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein alkalisches Element, gemäß Fig. 3 mit einem Trennwand-Aufbau 10 aus­ gestattet sein, der eine äußere und eine innere kap­ penförmige Trennwand-Auskleidung 12, 12′ enthält, vor­ zugsweise aus Polyvinylacetat gefertigt, welche an Ort und Stelle innerhalb der Metallummantelung geformt werden und das vorgeformte Kathodenmaterial enthalten.

Die Trennwand-Auskleidungen 12, 12′ gemäß Fig. 1 sind jeweils aus einem Stück Trennwandmaterial geformt und weisen eine kreisförmige Bodenkante 30 und zylindrische Seitenwände auf, die aus zwei halbzylindrischen Wandseg­ menten 31, 32 und 31′, 32′ zusammengesetzt sind und überlappende Kanten 34, 35 und 34′, 35′ aufweisen. Das überschüssige Trennwandmaterial an der Bodenkante einer jeden Trennwand-Auskleidung 12, 12′ wird Stoß an Stoß zu gefalteten Streifen 36 zusammengerollt, welche gegen die zylindrischen Seitenwände gefaltet werden. Die Streifen 36 der Trennwand-Auskleidungen 12, 12′ haben den Zweck, zu verhindern, daß sich die überlappenden Kanten 34, 35 und 34′, 35′ aufgrund der Steifheit des thermoplastischen Trennwandmaterials trennen und nicht glatt an die Sei­ tenwände anlegen. Die Verschmelzung des thermoplastischen Trennwandmaterials gestattet die Ausbildung einer halb­ kugelförmigen Bodenfläche, wobei die Streifen dicht mit den zylindrischen Seitenwänden der Trennwandauskleidungen verbunden werden (vgl. Fig. 2). Die seitlich überlappen­ den Kanten 34, 35 und 34′, 35′ jeder Trennwand-Ausklei­ dung 12, 12′ kommen hierbei in voneinander getrennte Ra­ diallagen entlang des Umfangs der zylindrischen Seiten­ wände des Trennwandaufbaus zu liegen. Die überlappenden Kanten werden mit Hilfe eines erhitzten Stempels 40 heiß versiegelt, so daß ein vergrößertes Anodenvolumen zur Verfügung gestellt wird und die Migration von Teilchen der Depolarisationsmischung und des Anodenmaterials durch die überlappenden seitlichen Kanten 34′, 35′ der inneren Trennwand-Auskleidung 10′ verhindert wird. Eine Vorrich­ tung zur Durchführung eines Verfahrens weist gemäß Fig. 4 und 5 einen zylindrischen beheizten Formprägestempel 40 und einen Heizkörper 42 auf. Der Formprägestempel wird in dem Heizkörper aufgeheizt, wobei die Temperatur durch ein Thermoelement 44 überwacht wird.

Gemäß Fig. 4 wird der beheizte Formprägestempel axial durch eine axiale Bohrung im Heizkörper 42 in Stellung gehalten, welcher aus einem Messingkörper 46 besteht, der durch ein Heizband herkömmlicher Ausführung (nicht abge­ bildet) umgeben ist, das an eine Stromquelle angeschlos­ sen ist. Der beheizte Stempel 40 bewegt sich entlang seiner Achse mit Hilfe eines hubüberwachten Luftzylinders (nicht abgebildet), der den Stempel hebt und senkt. Da die Zusammenstellung von Trennwand und Kathodenelement durch Einwirkung des beheizten Stempels 40 positioniert werden, signalisiert eine Überwachungseinheit (nicht ab­ gebildet) einem pneumatischen System, den Stempel im Rahmen eines zyklusartigen Ablaufes bezüglich der Ele­ mentzusammenstellung ein- oder auszufahren. Der beheizte Stempel kann abhängig von der Konstruktion der Ferti­ gungslinie mehrfach angeordnet werden, vorzugsweise ent­ hält eine Mehrfach-Einrichtung vier beheizte Stempel pro Station.

Es wurde festgestellt, daß wenn der beheizte Stempel 40 mit einer halbkugeligen Bodenfläche ausgestattet ist, sich die Bodenfläche der Trennwand eng an die vorgeformte Kathodenkammer 48 anschmiegt und die Erhöhungen an den Nahtstößen, die Platz verschwenden, minimiert.

Bei einer Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Er­ findung wird die Trennwand-Auskleidung 12, 12′ durch Verfahren, die nach dem Stand der Technik bereits be­ kannt sind ausgeführt und die geformte Trennwand in die Element-Ummantelung eingesetzt. Der beheizte Stempel 40 wird vom Heizkörper 42 in das Zentrum der Kammer, das durch die zylindrischen Wandteile der Trennwand 12, 12′ gebildet wird eingesenkt, um die Seitenwände und die Bo­ denfläche der Trennwand-Konstruktion eng gegen die vor­ geformte Kathode zu pressen. Der beheizte Stempel 40 wird für eine Zeit auf einer Temperatur gehalten, die aus­ reicht, die thermoplastische Trennwand ohne Beschädigung zu verformen. Wo Polyvinylacetat als Trennwandmaterial verwendet wird, soll der beheizte Stempel auf einer Tem­ peratur unter 82°C vorzugsweise bei einer Temperatur von 57°C bis 71°C und höchst vorzugsweise bei einer Temperatur von 61°C gehalten werden. Die Zeitdauer, innerhalb der der beheizte Prägestempel 40 mit dem Trennwandmaterial in Kontakt bleibt, ändert sich mit der Zusammensetzung des thermoplastischen Materials und der Temperatur des Prägestempels. Jedoch muß in allen Fällen die Zeit und Temperatur so gewählt werden, daß eine Be­ schädigung des Trennwandmaterials vermieden wird. Wo Polyvinylacetat verwendet wird sollte die Zeit, innerhalb der der beheizte Prägestempel mit der Trennwand in Kontakt bleibt, kleiner als 0,2 Sekunden sein, vorzugs­ weise unter 0,1 Sekunden sein.

Es ist offensichtlich, daß die Länge und der Durchmesser des beheizten Prägestempels variieren können, abhängig vom Durchmesser und der Länge des Elements, in welches das Trennwandmaterial eingepaßt werden soll.

Claims (7)

1. Verfahren zur Ausformung von thermoplastischen Batterietrennwänden von alkalischen Elementen, bei denen eine Kathode mit Hilfe einer Trennwand vom Anodenmaterial isoliert und getrennt ist, gekennzeichnet durch:
Einsetzen einer vorgeformten Trennwand, die eine Zentralkammer aufweist und die aus einem thermoplastischen Material hergestellt ist, in eine teilweise zusammengefügte Ummantelung, die aus dem Mantel und dem Kathodenmaterial besteht;
Einsetzen eines beheizten Prägestempels in die Zentralkammer der Trennwand-Konstruktion;
Halten des beheizten Prägestempels in der Kammer bei einer Zeit und Temperatur die ausreichend ist, das thermoplastische Material zu verformen und die Säume der Trennwand ohne Verletzung der mechanischen Eigenschaften und der Isolations- und Trennmöglichkeiten des Trennwandmaterials zu verschmelzen; und
Entfernen des beheizten Prägestempels aus der ausgeformten Trennwand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennwand, die aus einem als Hauptbestandteil Polyvinylacetat enthaltenden thermoplastischen Folienmaterial hergestellt ist, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägestempel eine Temperatur unterhalb 82°C aufrechterhält, in das geformte Trennwandmaterial eingeführt wird und für weniger als ungefähr 0,1 Sekunden verbleibt, wodurch die Trennwand gegen die vorgeformte Kathode geformt wird und die seitlichen Säume und die Bodenfläche der Trennwand verschmolzen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägestempel eine Temperatur von 57°C bis 71°C aufrechterhält und in das vorgeformte Trennwandmaterial für weniger als 0,1 Sekunden eingeführt wird, wobei die Trennwand gegen die vorgeformte Kathode geformt wird und die seitlichen Säume und die Bodenfläche der Trennwand verschmolzen werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch einen langgestreckten, zylindrischen Prägestempel (40), der in der Lage ist Wärme zu leiten und der einen Durchmesser aufweist, der eine Einführung des Prägestempels in ein Element (20) mit vorgegebenen Durchmesser zuläßt, das eine thermoplastische Trennwand (10) und eine vorgeformte Kathode (24) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägestempel (40) axial in einer Bohrung eines Heizkörpers (42) gelagert ist, in Kontakt mit den Seitenwänden des Heizblocks verschiebbar ist und betriebsfähig mit Einrichtungen zur Hebung und Senkung des Prägestempels in der Bohrung verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägestempel (40) einen hablkugelförmigen Endbereich aufweist.