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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Gestaltung einer Nichtwässriger-Elektrolyt-Batterie,
insbesondere die Gestaltung eines Teils eines Kollektoranschlusses
zum elektrischen Verbinden mit der Außenseite und eines Teils zum
elektrischen Verbinden mit Leitungsplatten von Elektroden.
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Hintergrund der Erfindung
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In
den letzten Jahren sind Sekundärbatterien
mit geringer Größe, geringer
Masse und hoher Energiedichte als Stromquellen für elektronische Geräte, unter
anderem audiovisuelle Geräte,
Personal Computer und dergleichen, und für Kommunikationsgeräte nachgefragt
worden. Bei großen
Batterien hingegen, unter anderem Batterien für Elektrofahrzeuge, finden
gerade Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Umweltproblemen
statt, und es sind Sekundärbatterien
mit hoher Kapazität,
hoher Ausgangsleistung und hoher Spannung verlangt worden. Unter
diesen Batterien werden Lithium-Sekundärbatterien stark erwartet.
Insbesondere müssen
große
Lithium-Sekundärbatterien
schwingungsfest sein, sodass keine Probleme bei den Verbindungen,
wie etwa Brechen von Leitungsplatten durch Schwingungen, auftreten,
wenn sie sich als Stromquelle an Bord eines Fahrzeugs befinden,
und außerdem
sind Verbesserungen bei der Erhöhung
der Strombelastung in Verbindung mit einer höheren Ausgangsleistung und
bei der Verlängerung
der Lebensdauer erforderlich.
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Im
Allgemeinen verwenden Lithium-Sekundärbatterien, die zurzeit die
vorherrschenden Batterien sind, in der positiven Elektrode ein Komplexoxid
von Lithium und Übergangsmetallen
wie Lithiumcobalt, Lithiumnickelat und Lithiummanganat und in der
negativen Elektrode Kohlenstoffmaterial, das Lithium-Ionen interkalieren
und deinterkalieren kann, und einen nichtwässrigen Elektrolyten als Elektrolyten.
Da das Potential der positiven Elektrode dieser Lithium-Sekundärbatterien
bis zu 4 Volt oder mehr beträgt,
wird meistens Aluminium (Al), das gegen hohe Spannungen beständig ist
und eine hohe Korrosionsbeständigkeit
hat, als Kollektormaterial der positiven Elektrode und als Konstruktionsmaterial
der Dichtscheibe und dergleichen verwendet. Außerdem wird in der negativen
Elektrode im Allgemeinen Kupfer (Cu) verwendet, das eine sehr gute
elektrische Leitfähigkeit
hat.
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Eine
Leitungsplatte ist jeweils mit der bandförmigen positiven Elektrode
und negativen Elektrode in der Regel durch Schweißen und
anderen Verfahren am mittleren oder Endteil verbunden. Eine Elektrodengruppe wird
durch Aufeinanderschichten dieser Elektroden mit einem Trennelement
dazwischen und spiralförmiges Wickeln
hergestellt, und die Leitungsplatten werden durch Schweißen und
andere Verfahren mit den Kollektoranschlüssen elektrisch verbunden,
wie in 6 gezeigt, wodurch ein Strom über die Leitungsplatten entnommen
werden kann.
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Bei
großen
Batterien ist eine Verbesserung der Lastcharakteristik in Verbindung
mit dem Trend zu einer höheren
Ausgangsleistung gefordert worden. In diesem Fall muss die Fläche der
Elektroden so vergrößert werden,
dass die Stromdichte je Flächeneinheit
der Elektroden nicht zu hoch wird. In der Praxis gibt es jedoch eine
gewisse Grenze für
die Vergrößerung der
Elektrodenflächen
durch Vergrößern der
Abmessung in Richtung der Höhe
der Elementarzelle, also in Richtung der Breite der Elektroden,
und eine Verbesserung der Lastcharakteristik bei höheren Leistungen
erfolgt durch Vergrößern der
Länge der
Elektroden.
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Beim
Verbinden von mehreren großen
Zellen werden manchmal Kabel und andere Verbindungselemente unter
Verwendung eines Kollektoranschlusses befestigt, an dem ein Schraubteil
ausgebildet ist. Wenn dabei Aluminium (Al) für den Kollektoranschluss verwendet
wird, kommt es gelegentlich zu einem Versagen bei der Festigkeit,
da die Schraube leicht bricht, wenn eine Mutter aufgeschraubt wird,
oder durch Komprimierung des Fußteils
der Schraube kommt es zu einer Verformung des Verbindungsteils.
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Außerdem kann
Aluminium (Al) leicht oxidiert werden, was zu einem Anstieg des
elektrischen Widerstands und damit einhergehend zu einer Abnahme
der elektrischen Leitfähigkeit
führt.
Es wird im Allgemeinen für
schwierig gehalten, eine Beschichtung, wie etwa eine Vernickelung,
durchzuführen,
um eine Oxidation zu vermeiden. Um diese Probleme anzugehen, kann
so verfahren werden, dass der Teil mit dem Schraubteil aus nichtrostendem
Stahl und dergleichen hergestellt wird, der eine größere Zugfestigkeit
als Aluminium (Al) hat, und der andere Teil aus Aluminium (Al) hergestellt
wird und diese Teile mit einer Schraube befestigt werden, damit
sie sich nicht lösen.
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In
diesem Fall wird zwar durch Verwenden eines Materials mit einer
hohen Festigkeit der Schwachpunkt beseitigt, dass der Schraubteil
durch Anziehen der Mutter bricht, aber es besteht der Nachteil,
dass es zu einem Anstieg des Widerstands des Anschlussteils infolge
des Widerstands zwischen verschiedenen Arten von Metallen kommt
und dass die Luftdichtheit unzureichend ist.
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Die
vorliegende Erfindung geht die vorstehenden Probleme an, und ihr
Ziel ist es, einen Kollektoranschluss für eine Nichtwässriger-Elektrolyt-Batterie
zur Verfügung
zu stellen, die mit einem hochzuverlässigen Schraubanschluss versehen
ist, bei dem der Schraubteil nicht ohne weiteres bricht oder dessen
Fußteil
sich nicht löst,
wenn die Schraube mit einem zu großen Drehmoment angezogen wird,
wodurch die Eigenschaften von Aluminium (Al), gegen hohe Spannungen
beständig
zu sein und eine hohe Korrosionsbeständigkeit zu haben, erhalten
bleiben.
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Was
die Gestaltung der Elektroden anbelangt, so wird wegen des begrenzten
Volumens, das die Elektroden in einer Batterie einnehmen können, auch
dann, wenn sich die Dicke der Elektroden verringert und die Stromdichte
je Flächeneinheit
der Elektroden abnimmt, wenn ihre Länge vergrößert wird, der Abstand der
Leitungsplatten um den Betrag größer, um
den die Fläche
vergrößert worden
ist, und der elektrische Widerstand nimmt zu, sodass der Vorteil
des Vergrößerns der
Elektrodenfläche
nicht voll zum Tragen kommt.
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Es
gibt ein Verfahren, dieses Problem dadurch zu lösen, dass zwei oder mehr Leitungsplatten
in einer Gruppe an ein und derselben Elektrode befestigt werden,
wie in 7 gezeigt, und dass die Leitungsplatten parallel
in der gleichen Richtung wie für
die Verbindung mit dem Kollektoranschluss herausgeführt werden.
Bei dieser Gestaltung kann zwar das vorstehende Problem gelöst werden,
aber es besteht die Gefahr, dass die Leitungsplatten durch Schwingung
brechen, wenn sie an Bord eines Fahrzeugs als Stromquelle verwendet werden.
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Die
Patentschriften EP-A-771040 und JP-A-1255164 zeigen herkömmliche
Gestaltungen von Kollektor- und Elektroden-Anschlüssen.
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Die
vorliegende Erfindung geht diese Probleme insbesondere bei großen Batterien
an und stellt eine sehr schwingungsfeste Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie
zur Verfügung,
die im Verbindungsteil keine Fehler, wie etwa Bruch der Leitungsplatten
durch Schwingung, Stoß usw.,
hat.
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Kurze Darstellung der Erfindung
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Um
die vorstehenden Probleme, die mit dem Anschlussteil verbunden sind,
zu lösen,
bestehen in der vorliegenden Erfindung der Teil, der einen Außenanschluss
bildet, und der Teil, mit dem aus der Elektrodengruppe herausgeführte Leitungsplatten
verbunden sind, aus verschiedenen Arten von Metallen, und die Metalle
werden durch Festphasenverbinden oder Hartlöten im Vakuum zu einem Stück zusammengesetzt.
Außerdem
werden die Elektroden so gestaltet, dass mehrere Leitungsplatten
mit Schrauben oder Nieten befestigt werden und Schrauben oder Niete
zum Befestigen der Leitungsplatten an dem Kollektoranschluss vorgesehen werden,
der durch Schweißen
und andere Verfahren mit den Leitungsplatten elektrisch verbunden
wird, und dadurch die vorstehenden Probleme gelöst werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie
weist der Kollektoranschluss der positiven und/oder der negativen
Elektrode einen nach außen
ragenden Abschnitt, der einen Außenanschluss bildet, und einen
Abschnitt auf, in dem die Leitungsplatten, die aus der Elektrodengruppe
in dem Batteriegefäß herausgeführt werden,
verbunden sind, wobei die beiden Abschnitte aus verschiedenen Arten
von Metallen bestehen, die an ihrer Berührungsfläche durch Festphasenverbinden
oder Hartlöten
im Vakuum zu einem Ganzen verbunden sind, wodurch ein Kollektoranschluss
mit einem stabilen Elektrodenpotential, einem niedrigen elektrischen
Widerstand und einer Festigkeit, die sich bei der Verarbeitung zeigt,
bereitgestellt wird.
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Das
bevorzugte Festphasenverbindungsverfahren ist Diffusionsverbinden,
Explosionsschweißen
und Reibverbinden.
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Bei
dem Kollektoranschluss der positiven Elektrode ist unter dem Aspekt
der mechanischen Festigkeit die Art des Metalls des Abschnitts,
der den Außenanschluss
bildet, vorzugsweise Eisen (Fe), Nickel (Ni), nichtrostender Stahl
oder Kupfer (Cu), und die Art des Metalls des Abschnitts, in dem
die Leitungsplatten verbunden sind, ist wegen der Stabilität auch bei
einem hohen Potential der positiven Elektrode vorzugsweise Aluminium (Al).
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Hingegen
kann bei dem Kollektoranschluss der negativen Elektrode, obwohl
hier die Festigkeit auch allein mit dem normalerweise verwendeten
Kupfer (Cu) im Vergleich zu Aluminium (Al) allein, das gegebenenfalls
bisher in der positiven Elektrode verwendet worden ist, gewährleistet
ist, Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder nichtrostender Stahl, die eine
höhere
mechanische Festigkeit als Kupfer (Cu) haben, als Metall-Art, die
den Anschluss bildet, verwendet werden, und Kupfer (Cu) kann in
dem Abschnitt, in dem die Leitungsplatten verbunden sind, verwendet
werden.
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Was
die Gestaltung der Elektroden anbelangt, so sind mehrere Leitungsplatten,
die herausgeführt werden,
mit Schrauben oder Nieten befestigt, und Schrauben oder Niete sind
an dem Kollektoranschluss vorgesehen, der durch Schweißen und
andere Verfahren zum Befestigen der Leitungsplatten elektrisch verbunden
ist.
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In 1 sind
beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine vertikale
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Batterie. Die nachstehende
Beschreibung soll ein Beispiel sein, und die vorliegende Erfindung
wird dadurch nicht beschränkt.
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Bei
einer Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie
mit einer Elektrodengruppe, die eine positive Elektrode 1,
eine negative Elektrode 2, ein Trennelement 3,
einen nichtwässrigen
Elektrolyten, der einen organischen Elektrolyten umfasst, und ein
Batteriegefäß 4 zu
deren Unterbringung aufweist, bestehen ein Positive-Elektroden-Kollektoranschluss 5 und
ein Negative-Elektroden-Kollektoranschluss 6 beide aus
einer einzigen Metall-Art, oder der Abschnitt, der einen Außenanschluss
bildet, der aus dem Batteriegefäß 4 herausragt, und
der Abschnitt, in dem die Leitungsplatten verbunden sind und in
dem Batteriegefäß 4 untergebracht
sind, bestehen aus verschiedenen Arten von Metallen, die an ihrer
Berührungsfläche durch
Festphasenverbinden oder Hartlöten
im Vakuum verbunden sind.
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Nachstehend
wird das Verbinden von verschiedenen Arten von Metallen gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Von
den Verfahren zum Verbinden von Materialien, die gegenwärtig allgemein
verwendet werden, können
diejenigen, die auf der Herstellung einer metallurgischen Verbindung
an der Verbindungsstelle beruhen, in Schmelzverbinden, Hartlöten und
Festphasenverbinden eingeteilt werden. Von diesen Verfahren ist
das Schmelzverbinden das gebräuchlichste
Verfahren.
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Je
nach Art und Form der zu verbindenden Materialien können jedoch
Festphasenverbinden und Hartlöten
im Vakuum besser geeignet sein als Schmelzverbinden. Wenn beispielsweise
beim Verbinden von verschiedenen Arten von Metallen durch Schmelzverbinden
eines der Metalle Aluminium (Al) oder Kupfer (Cu) ist, ist bei Verwendung
einer Wärmequelle
mit hoher Energiedichte, wie etwa beim Elektronenstrahlschweißen oder
beim Laserschweißen,
die Heizleistung bei Laserbestrahlung niedrig, da das Reflexionsvermögen von Metallen
mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit wie Aluminium (Al)
und Kupfer (Cu) sehr groß ist.
Aus diesem Grund wird beim Zuführen
einer hohen Energie die thermische Hysterese der zu schweißenden Materialien
extrem schnell, sodass während
der Erstarrung Risse entstehen und Laserschweißen nicht geeignet ist.
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Eines
der Verfahren zum Verbinden verschiedener Arten von Metallen in
dem erfindungsgemäßen Kollektoranschluss
ist die Verwendung des Festphasenverbindens, bei dem das Verbinden
dadurch erfolgt, dass die Metalle so stark zusammengedrückt werden,
dass es anschließend
zu einer plastischen Formänderung
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des zu schweißenden Muttermaterials
kommt, und dass die Diffusion von Atomen genutzt wird, die zwischen
verschiedenen Arten von Metallen an der Verbindungsstelle auftritt.
Hier besteht nicht die Gefahr der Rissbildung während der Erstarrung.
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Eines
der Verfahren zum Verbinden verschiedener Arten von Metallen in
dem erfindungsgemäßen Kollektoranschluss
ist die Verwendung des Hartlötens
im Vakuum, das zu den Hartlötverfahren
gehört.
Da beim Hartlöten
im Vakuum keine Oxidation, Aufkohlung oder Entkohlung des Muttermaterials
erfolgt, bietet es einen großen
Vorteil beim Erwärmen
solcher Metalle wie nichtrostender Stahl und Aluminium (Al), die
sehr leicht oxidiert werden können.
Und da kein Schmelzmittel benötigt
wird, ist keine Vor- oder Nachbearbeitung erforderlich und es wird
eine saubere Verbindungsoberfläche
erzielt.
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Nachstehend
wird der erfindungsgemäße Positive-Elektroden-Kollektoranschluss
beschrieben. Bei dem Positive-Elektroden-Kollektoranschluss ist
die Metall-Art des Abschnitts, der den Außenanschluss bildet, Eisen
(Fe), Nickel (Ni), nichtrostender Stahl oder Kupfer (Cu), und die
Metall-Art des Abschnitts, in dem die Leitungsplatten verbunden
sind, ist Aluminium (Al).
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Wenn
in dem Kollektoranschluss die vorgenannten Metalle in dem Abschnitt,
der den Außenanschluss außerhalb
der Batterie bildet, verwendet werden, kommt es wegen der relativ
hohen Festigkeit auch dann nicht zu einem Bruch des Schraubteils
oder zu einer Verformung des Fußteils
infolge des Zusammendrückens, wenn
der Schraubteil hergestellt wird und beim Anschließen eines
Kabels und dergleichen mit einer Mutter mit einem zu großen Drehmoment
befestigt wird.
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Und
wenn bei dem Kollektoranschluss in dem Abschnitt, der mit den Leitungsplatten
in der Batterie verbunden werden soll, Aluminium (Al) verwendet
wird, können
eine sehr gute Beständigkeit
gegen Spannungen, Korrosionsbeständigkeit
und elektrische Leitfähigkeit
erzielt werden.
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Nachstehend
wird der erfindungsgemäße Negative-Elektroden-Kollektoranschluss
beschrieben. Bei dem Negative-Elektroden-Kollektoranschluss ist
die Metall-Art des Abschnitts, der den Außenanschluss bildet, Eisen
(Fe), Nickel (Ni) oder nichtrostender Stahl, und die Metall-Art
des Abschnitts, in dem die Leitungsplatten verbunden sind, ist Kupfer
(Cu). Wenn in dem Kollektoranschluss die vorgenannten Metalle in
dem Abschnitt, der den Außenanschluss
außerhalb
der Batterie bildet, verwendet werden, kommt es wegen der relativ
hohen Festigkeit auch dann nicht zu einem Bruch des Schraubteils
oder zu einer Verformung des Fußteils
infolge des Zusammendrückens,
wenn der Schraubteil hergestellt wird und beim Anschließen eines
Kabels und dergleichen mit einer Mutter mit einem zu großen Drehmoment
befestigt wird. Und wenn in dem Kollektoranschluss Kupfer (Cu) in
dem Abschnitt, der mit den Leitungsplatten in der Batterie verbunden
werden soll, verwendet wird, kann eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit
erzielt werden.
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Anhand
von 1 wird nachstehend eine beispielhafte Konfiguration
des Verbindens von Leitungsplatten mit einem Kollektoranschluss,
die in einem Batteriegefäß untergebracht
sind, beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht der
Gestaltung der vorliegenden Erfindung. Bei einer Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie
mit einer Elektrodengruppe, die eine positive Elektrode 1,
eine negative Elektrode 2, ein Trennelement 3,
einen nichtwässrigen
Elektrolyten, der einen organischen Elektrolyten umfasst, und ein
Batteriegefäß 4 zu deren
Unterbringung aufweist, haben die positive Elektrode 1 und
die negative Elektrode 2 jeweils mehrere Aluminium-Leitungsplatten 7 und
Kupfer-Leitungsplatten 8, die aus einem Ende herausgeführt werden.
Die mehreren Leitungsplatten 7 und 8, die in ein
und derselben Richtung parallel aus der positiven bzw. negativen Elektrode
herausgeführt
werden, sind mit Schrauben oder Nieten befestigt. Die positiven
Aluminium-Leitungsplatten 7 und der Abschnitt des Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses 5 innerhalb
der Batterie, der aus Aluminium besteht, sind mit Schrauben oder
Nieten befestigt und sind außerdem
durch Ultraschallschweißen elektrisch
verbunden.
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Die
negativen Kupfer-Leitungsplatten 8 und der Abschnitt des
Negative-Elektroden-Kollektoranschlusses 6 innerhalb
der Batterie, der aus Kupfer besteht, sind mit Schrauben oder Nieten
befestigt und sind außerdem
durch Ultraschallschweißen
elektrisch verbunden.
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Zum
Verbinden von Metallen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit,
wie etwa Kupfer und Aluminium, wird vorzugsweise Ultraschallschweißen verwendet.
Da Laserschweißen,
das eines der Schmelzschweißverfahren
ist, eine schlechte Heizleistung hat, muss eine hohe Energie zugeführt werden,
wodurch die Produktivität
sinkt, was die Wartung erschwert und in einer schlechten Bearbeitbarkeit
endet. Die Probleme, dass während
der Erstarrung Risse infolge des Temperatureinflusses entstehen
und sich die Verbindungsstelle verformt, sind ebenfalls groß. Beim
Widerstandsschweißen
bestehen die gleichen Probleme.
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Im
Gegensatz dazu werden beim Ultraschallschweißen Metallatome durch Eintragen
von Hochfrequenzschwingungen in die zu verbindenden Teile diffundiert,
und das Verbinden erfolgt durch Rekristallisation, sodass keine
hohe Temperatur erreicht wird, es nicht zum Schmelzen oder zur Entstehung
von zerbrechlichen Strukturen durch Gießen kommt und keine Gefahr
der Rissbildung während
der Erstarrung besteht. Außerdem ist
die Verformung der Verbindungsstelle gering. Ultraschallschweißen ist
auch günstiger
als Laserschweißen und
andere Verfahren, wenn ein großer
Strom fließen
kann, da die Verbindungsfläche
größer ist.
Die Wartung ist ebenfalls einfach, und die Produktivität ist hoch.
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Wenn
mehrere Leitungsplatten auf diese Weise mit dem Kollektoranschluss
verschweißt
werden, trägt der
Umstand, dass die Leitungsplatten und der Kollektoranschluss vorher
mit Schrauben oder Nieten befestigt worden sind, zu einer Verbesserung
der Bearbeitbarkeit bei und verhindert das Brechen der Verbindungsstellen
zwischen jeder Elektrode und den Leitungsplatten, und das Abfallen
der Verbundschicht jeder Elektrode (Schicht aus aktivem Material)
infolge von Schwingungen wie Ultraschallschwingungen wird abgefangen.
Daher kann in dem Fall, dass der Abschnitt, der durch Schweißen elektrisch
verbunden ist, durch Schwingungen oder Stöße abfällt, wenn die Batterie als
Stromversorgung an Bord eines Fahrzeugs ist, der Weg der elektrischen
Verbindung sichergestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine vertikale Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie. 2 ist
eine vertikale Schnittansicht eines Kollektoranschlusses einer erfindungsgemäßen Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie. 3 ist
eine Zeichnung zum Darstellen der Montage einer Dichtscheibe einer
erfindungsgemäßen Nichtwässriger-Elektrolyt-Sekundärbatterie. 4 ist
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Kollektoranschlusses. 5 ist eine Schnittansicht eines
weiteren herkömmlichen
Kollektoranschlusses. 6 ist eine Schnittansicht einer
herkömmlichen
Batterie. 7 ist eine perspektivische Darstellung
einer herkömmlichen
Elektrodengruppe.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Nachstehend
werden beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsform
1
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Elemente
eines Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses wurden durch isotropes
Heißpressen
(HIP) verbunden, wie in 2 gezeigt. Zunächst wurden
die zu verbindenden Oberflächen
eines Aluminium-Abschnitts 21, der mit Leitungsplatten
in einem Batteriegefäß elektrisch
verbunden werden soll, und eines Nichtrostender-Stahl-Abschnitts 20,
der aus dem Batteriegefäß nach außen herausragt
und als Außenanschluss dient,
auf eine Rautiefe von 10 μm
oder weniger geschliffen, dann wurden sie in eine Metallkapsel gesteckt, die
dann entlüftet
und hermetisch abgedichtet wurde.
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Vorzugsweise
befinden sich die zu verbindenden Oberflächen in einem Vakuum (10–2 bis
10–1 Pa
oder mehr), und die gesamte Kapsel wurde in einen elektrischen Ofen
gegeben und unter Erwärmung
bei 300 °C im
Vakuum entlüftet.
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Die
im Vakuum entlüftete
Kapsel wurde in eine HIP-Vorrichtung gegeben, in der innerhalb von
4 Stunden die Temperatur auf 1100 °C und der Druck auf 100 Pa simultan
erhöht
wurden und diese Temperatur und dieser Druck weitere 4 Stunden aufrechterhalten
wurden. Anschließend
wurden die Temperatur und der Druck innerhalb von 4 Stunden gesenkt.
Nach dem maschinellen Bearbeiten, das die Herstellung eines Schraubteils in
dem Nichtrostender-Stahl-Abschnitt
des erhaltenen positiven Kollektoranschlusses umfasste, wurde der Kollektoranschluss
vernickelt. Der erhaltene positive Kollektoranschluss wird als Anschluss
A bezeichnet.
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Ausführungsform
2
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Als
Nächstes
wurden Elemente des in 2 gezeigten Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses durch
Reibverbinden verbunden.
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Der
Aluminium-Abschnitt 21 des Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurde in ein stationäres Bett
eingesetzt und eingespannt. Der Nichtrostender-Stahl-Abschnitt 20 des
Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses wurde in ein Drehbett eingesetzt
und eingespannt. Das Drehbett wurde gestartet, um sich mit 1000 U/Minuten
zu drehen, und das stationäre
Bett wurde zu dem Drehbett bewegt. Es wurde mit einer Erwärmung, bei
der sich die Materialien miteinander in Kontakt befanden, bei einem
Reibungsdruck von 49 MPa für
eine Reibungsdauer von 3 Sekunden begonnen.
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Dann
wurde durch plötzliches
Unterbrechen der Drehung durch Drücken mit einem Stauchdruck
von 78,5 MPa für
eine Stauchzeit von 6 Sekunden ein Produkt erhalten, bei dem der
Aluminium-Abschnitt und der Nichtrostender-Stahl-Abschnitt verbunden
waren. Durch maschinelles Bearbeiten des erhaltenen Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
auf eine vorgegebene Konfiguration wurde ein Schraubteil an dem
Nichtrostender-Stahl-Abschnitt hergestellt, der dann vernickelt
wurde. Der so erhaltene positive Anschluss wird als Anschluss B
bezeichnet.
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Ausführungsform
3
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Elemente
des in 2 gezeigten Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurden durch Explosionsschweißen
verbunden.
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Der
Aluminium-Abschnitt 21 und der Nichtrostender-Stahl-Abschnitt 20 des
Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurden mit einem Spalt dazwischen angeordnet, und ein Sprengstoff
und ein Zünder
wurden an dem Aluminium-Abschnitt angebracht. Der Sprengstoff wurde
zur Detonation gebracht, wodurch eine Schicht aus Gas, das in der
oxidierten Schicht an der Oberfläche
absorbiert war, durch aufeinandertreffende Ströme der beiden Metalle bei der
durch eine nach unten wirkende Kraft verursachten Kollision eliminiert
wurde, und die aktivierten Oberflächen wurden metallurgisch verbunden.
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Durch
maschinelles Bearbeiten des erhaltenen Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
auf eine vorgegebene Konfiguration wurde ein Schraubteil an dem
Nichtrostender-Stahl-Abschnitt hergestellt, der dann vernickelt
wurde. Der so erhaltene positive Anschluss wird als Anschluss C
bezeichnet.
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Ausführungsform
4
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Elemente
des in 2 gezeigten Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurden durch Hartlöten im
Vakuum verbunden.
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Der
Aluminium-Abschnitt 21 und der Nichtrostender-Stahl-Abschnitt 20 des
Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurden mit Aceton entfettet und mit einer Spannvorrichtung fixiert,
wobei Magnesium (Mg) als Hartlötmaterial
auf die zu verbindenden Oberflächen
aufgebracht wurde. Sie wurden in einen Vakuumofen eingebracht und
in einem Vakuum von 10–4 bis 10–5 Torr
auf 600 °C
erwärmt,
um das Magnesium zu verdampfen. Sie wurden hervorragend verbunden,
da der Dampfdruck die Oxidschicht auf den zu verbindenden Oberflächen zerstört hatte.
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Durch
maschinelles Bearbeiten des erhaltenen Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses
auf eine vorgegebene Konfiguration wurde ein Schraubteil an dem
Nichtrostender-Stahl-Abschnitt hergestellt, der dann vernickelt
wurde. Der so erhaltene positive Anschluss wird als Anschluss D
bezeichnet.
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Vergleichsbeispiel 1
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Es
wurde ein in 4 gezeigter Positive-Elektroden-Kollektoranschluss
hergestellt, bei dem beide Abschnitte 20 und 21 aus
Aluminium (A 1050) bestehen, und an einem Teil des Abschnitts 20 wurde
durch maschinelles Bearbeiten auf eine vorgegebene Konfiguration
ein Schraubteil hergestellt. Der so erhaltene positive Anschluss
wird als Anschluss E bezeichnet.
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Vergleichsbeispiel 2
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Ein
in 5 gezeigter Positive-Elektroden-Kollektoranschluss
wurde durch Herstellen des Abschnitts 21, mit dem die Leitungsplatten
der positiven Elektrode des Positive-Elektroden-Kollektoranschlusses verbunden werden
sollen und der in dem Batteriegefäß untergebracht werden soll,
aus Aluminium (Al 050) und durch maschinelles Bearbeiten des Abschnitts
auf eine vorgegebene Konfiguration und Herstellen des Abschnitts 20, der
aus dem Batteriegefäß herausragt
und als Außenanschluss
dient, aus nichtrostendem Stahl (SUS 316L) und durch maschinelles
Bearbeiten des Abschnitts auf eine vorgegebene Konfiguration und
durch Befestigen der beiden Teile mit Schrauben hergestellt. Der
so erhaltene positive Anschluss wird als Anschluss F bezeichnet.
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Ausführungsform
5
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Elemente
des in 2 gezeigten Negative-Elektroden-Kollektoranschlusses
wurden durch isotropes Heißpressen
(HIP) verbunden. Zunächst
wurden die zu verbindenden Oberflächen des Kupfer-Abschnitts 21, der
mit Leitungsplatten in einem Batteriegefäß elektrisch verbunden werden
soll, und eines Nichtrostender-Stahl-Abschnitts 20, der
aus dem Batteriegefäß nach außen herausragt
und als Außenanschluss
dient, auf eine Rautiefe von 10 μm
oder weniger geschliffen, dann wurden die beiden Abschnitte in eine
Metallkapsel eingebracht, die dann entlüftet und hermetisch abgedichtet
wurde.
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Vorzugsweise
befinden sich die zu verbindenden Oberflächen in einem Vakuum (10–2 bis
10–1 Pa
oder mehr), und die gesamte Kapsel wurde in einen elektrischen Ofen
gegeben und unter Erwärmung
bei 300 °C im
Vakuum entlüftet.
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Die
entlüftete
Kapsel wurde in eine HIP-Vorrichtung gegeben, in der innerhalb von
4 Stunden die Temperatur auf 1100 °C und der Druck auf 100 Pa simultan
erhöht
wurden und diese Temperatur und dieser Druck weitere 4 Stunden aufrechterhalten
wurden. Anschließend
wurden die Temperatur und der Druck innerhalb von 4 Stunden gesenkt.
Nach dem maschinellen Bearbeiten des erhaltenen Negative-Elektroden-Kollektoranschlusses,
das die Herstellung eines Schraubteils in dem Nichtrostender-Stahl-Abschnitt
umfasste, wurde der Kollektoranschluss vernickelt. Der so erhaltene
negative Kollektoranschluss wird als Anschluss G bezeichnet.
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Vergleichsbeispiel 3
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Es
wurde ein in 4 gezeigter Negative-Elektroden-Kollektoranschluss
hergestellt, bei dem beide Abschnitte 20 und 21 aus
Kupfer bestehen, und an einem Teil des Abschnitts 20 wurde
ein Schraubteil hergestellt, der auf eine vorgegebene Konfiguration
maschinell bearbeitet wurde. Der so erhaltene negative Anschluss
wird als Anschluss H bezeichnet.
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Ausführungsform
6
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Bei
dieser Ausführungsform
wurde eine Batterie mit einer Gestaltung hergestellt, die in 1 im
Querschnitt gezeigt ist. Für
die negative Elektrode wurde als Hauptmaterial Graphit verwendet,
das Lithium interkalieren und deinterkalieren kann, und für die positive
Elektrode wurde Lithium-Cobalt-Komplexoxid als aktives Material
verwendet.
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Die
negative Elektrode wurde durch Einmischen von 5 Masse-% Polyvinylidenfluorid-Pulver, bezogen auf
die Masse der gesamten negativen Elektrode, in Graphit und Zugeben
von N-Methyl-2-pyrrolidinon hergestellt, um eine Paste zu erhalten.
Dann wurde der aus Kupfer bestehende Kollektorkörper mit der erhaltenen Paste
beschichtet, und die Paste wurde getrocknet.
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Das
aktive positive Material wurde durch Vermischen von 3 Masse-% Acetylenschwarz-Pulver, bezogen auf
die Masse des aktiven positiven Materials, mit 5 Masse-% Polyvinylidenfluorid-Pulver
und Zugeben von N-Methyl-2-pyrrolidinon hergestellt, um eine Paste
zu erhalten. Dann wurde der aus Aluminium bestehende Kollektorkörper mit
der erhaltenen Paste beschichtet, und die Paste wurde getrocknet,
um die positive Elektrode zu erhalten.
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Aus
Aluminium und Kupfer bestehende Leitungsplatten wurden durch Ultraschallschweißen jeweils
an einem Ende der erhaltenen positiven und negativen Elektrode so
angebracht, dass die einzelnen Leitungsplatten in der gleichen Richtung
parallel herausgeführt
werden können.
Eine zylindrische Elektrodengruppe mit einem Außendurchmesser von 58 mm und
einer Länge
von 200 mm wurde durch spiralförmiges
Aufwickeln der positiven und negativen Elektrode auf einen Kern 16 mit
einem Polyethylen-Trennelement
dazwischen hergestellt.
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Als
Positive-Elektroden-Kollektoranschluss wurde der Anschluss A der
Ausführungsform
1 verwendet, während
als Negative-Elektroden-Kollektoranschluss der Anschluss G der Ausführungsform
5 verwendet wurde.
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Die
Dichtscheibe der positiven Elektrode wurde wie folgt hergestellt.
Wie in 3 gezeigt, wurde eine Isolierdichtung 9 aus
Harz auf den Positive-Elektroden-Kollektoranschluss 5 aufgesteckt,
und darauf wurden eine Deckscheibe 10 aus nichtrostendem
Stahl, eine Isolierdichtung 11 aus Harz und eine Unterlegscheibe 12 aus
nichtrostendem Stahl aufgesetzt. Anschließend wurde eine Aufsteckmutter 13 aus
nichtrostendem Stahl aufgesteckt und mit einer Presse angepresst,
um sie anzuziehen. Der Positive-Elektroden-Kollektoranschluss 5 und
die Deckscheibe 10 wurden mittels der Isolierdichtung 9 aus
Harz isoliert, und durch Befestigen mit der Aufsteckmutter 13 wurde
die Luftdichtheit gewährleistet.
Auf diese Weise wurde die Positive-Elektroden-Dichtscheibe 14 hergestellt.
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Eine
Negative-Elektroden-Dichtscheibe 15 wurde in der gleichen
Weise wie die Positive-Elektroden-Dichtscheibe 14 hergestellt,
mit der Ausnahme, dass ein Negative-Elektroden-Kollektoranschluss 6 verwendet
wurde und ein Eingussloch 18 und eine Abdichtungsabdeckung 19 fehlten.
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Bei
dieser Ausführungsform
wurde die hergestellte Elektrodengruppe in ein Batteriegefäß 4 aus
nichtrostendem Stahl mit einem Außendurchmesser von 60 mm und
einer Länge
von 250 mm eingebracht, und eine Isolierscheibe 17 aus
Harz wurde von einem der offenen Enden so aufgesteckt, dass sie
auf der Elektrodengruppe aufsitzt. Anschließend wurden die Leitungsplatten 8 der
negativen Elektrode durch ein Loch herausgeführt, das vorher in der Isolierscheibe 17 aus
Harz vorgesehen worden war.
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In
Löcher,
die vorher in die Leitungsplatten 8 der negativen Elektrode
und den Negative-Elektroden-Kollektoranschluss 6 gebohrt
worden waren, wurden Kupferniete eingesteckt, und 6 und 8 wurden
dann miteinander vernietet und durch Ultraschallschweißen weiter
verbunden. Die Peripherie der Deckscheibe 10 der negativen
Elektrode und des Batteriegefäßes 4 wurde
durch Ultraschallschweißen
abgedichtet. Anschließend
wurde auch die Isolierscheibe 17 aus Harz von dem anderen
offenen Ende, also auf der Seite der positiven Elektrode, des Batteriegefäßes 4 aufgesteckt,
und das gleiche Verfahren wie bei der negativen Elektrode wurde
an der positiven Elektrode durchgeführt, mit der Ausnahme, dass
die Niete und der Teil des Kollektoranschlusses, der angenietet
werden sollte, aus Aluminium bestanden. Ein vorbereiteter Elektrolyt
wurde durch das an der Dichtscheibe 14 der positiven Elektrode
vorgesehene Eingussloch 18 eingefüllt. Hier wurde der Elektrolyt
durch Auflösen
von LiPF6 in den Lösungsmitteln Etyhlencarbonat
und Diethylcarbonat (gleiche Mengen) auf eine Konzentration von
1 mol/l hergestellt. Das Eingussloch 18 wurde dann mit
einer Eingussloch-Abdichtungsabdeckung 19 aus
nichtrostendem Stahl bedeckt und durch Laserschweißen abgedichtet.
Die so erhaltene Batterie wird als erfindungsgemäße Batterie a bezeichnet.
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Vergleichsbeispiel 4
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Eine
Batterie wurde in der gleichen Weise wie die Batterie a der Ausführungsform
6 erhalten, mit der Ausnahme, dass die aus der Elektrodengruppe
herausgeführten
Leitungsplatten nicht mit Nieten und dergleichen befestigt wurden
und die Umgebung des mit dem Kollektoranschluss verschweißten Teils
nicht mit Nieten und dergleichen befestigt wurde. Diese Batterie
wird als Batterie b bezeichnet.
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Tabelle
1 zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung, bei der ermittelt wurde,
ob die maximale Zugbelastung bei Bruch, der durch schrittweises
Erhöhen
einer Last verursacht wird, die in Axialrichtung auf die Anschlüsse A bis
D und G der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und auf die Anschlüsse E, F und H für Vergleichszwecke
aufgebracht wird, das Kriterium einer beliebig festgelegten minimalen
Zugbelastung erfüllt.
Die Tabelle gibt außerdem
die Ergebnisse der Messung mittels Heliumleckprüfung auf Luftdichtheit der Verbindungsstelle
von verschiedenen Arten von Metallen sowie die Widerstandswerte
des Kollektoranschlusses an drei Punkten an.
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Tabelle
2 gibt die Anzahl der fehlerhaften Verbindungen zwischen dem Kollektoranschluss
und den Leitungsplatten nach der Spannungsverlustprüfung der
Batterie a einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsbatterie b an.
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt, gab es keinen Bruch beim Befestigen mit Muttern,
da die erfindungsgemäßen Anschlüsse A bis
D nichtrostenden Stahl in dem Schraubteil verwendeten, der eine
höhere
Festigkeit als der aus Aluminium bestehende Anschluss E des Vergleichsbeispiels
1 hat. Tabelle
1
- *Es wurden geringfügig verformte Verbindungen
beobachtet, die jedoch nicht als fehlerhaft beurteilt wurden.
- AF: Ausführungsform
- VB: Vergleichsbeispiel
Tabelle
2
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Außerdem wurde
festgestellt, dass die Anschlüsse
A bis D, bei denen verschiedene Arten von Metallen erfindungsgemäß verbunden
worden waren, eine wesentlich höhere Luftdichtheit
der Verbindungsstelle von verschiedenen Arten von Metallen und außerdem einen
niedrigeren Widerstand als der Anschluss F des Vergleichsbeispiels
2 hatten, bei dem verschiedene Arten von Metallen einfach mit einer
Schraube befestigt worden waren. Und während geringfügig verformte
Verbindungen, die nicht so schlecht waren, dass sie als fehlerhaft
beurteilt werden mussten, bei dem Anschluss H für Vergleichszwecke beim Befestigen
mit einer Mutter gefunden wurden, wurde keine derartige Situation
bei dem Anschluss G einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beobachtet.
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Wie
in Tabelle 2 gezeigt, wurde bei der Batterie a, bei der die Leitungen
erfindungsgemäß befestigt worden
waren, eine schlechte Verbindung, die bei der Batterie b des Vergleichsbeispiels
4 festgestellt wurde, nicht festgestellt. Man beachte, dass bei
den positiven und negativen Kollektoranschlüssen eine ähnliche Wirkung erzielt worden
ist, wenn in der positiven Elektrode Eisen, Nickel oder Kupfer anstatt
nichtrostender Stahl verwendet worden ist und in der negativen Elektrode
Eisen oder Nickel verwendet worden ist.
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Anwendungsmöglichkeiten
in der Industrie
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Wie
vorstehend dargelegt worden ist, ist es mit der vorliegenden Erfindung
möglich,
durch Verwendung eines hochfesten Metalls in dem Abschnitt, der
den Außenanschluss
bildet, einen Ausfall des Außenanschlusses
durch Bruch auch dann zu vermeiden, wenn eine Mutter beim Anschließen eines
Kabels und dergleichen mit einem zu großen Drehmoment angeschraubt
wird, da bei der vorliegenden Erfindung die Kollektoranschlüsse der
positiven und negativen Elektrode so hergestellt werden, dass der
Abschnitt, der den Außenanschluss
bildet, und der Abschnitt, in dem die Leitungsplatten aus der Elektrodengruppe
herausgeführt werden,
aus verschiedenen Arten von Metallen bestehen und dass diese Metalle
durch Festphasenverbinden oder Hartlöten im Vakuum zu einem Stück vereinigt
werden.
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Durch
Vereinigen der Metalle durch Festphasenverbinden oder Hartlöten im Vakuum
kann eine gute elektrische Leitfähigkeit
an der Berührungsfläche der
Metalle erzielt werden.
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Durch
Befestigen mehrerer Leitungsplatten, die aus der Elektrodengruppe
herausgeführt
werden, und der Kollektoranschlüsse
mit Schrauben oder Nieten können
schlechte Verbindungen verringert werden.
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- 1
- Positive
Elektrode
- 2
- Negative
Elektrode
- 3
- Trennelement
- 4
- Batteriegefäß
- 5
- Positive-Elektroden-Kollektoranschluss
- 6
- Negative-Elektroden-Kollektoranschluss
- 7
- Positive-Elektroden-Leitungsplatten
- 8
- Negative-Elektroden-Leitungsplatten
- 9
- Isolierdichtung
- 10
- Deckscheibe
- 11
- Isolierdichtung
- 12
- Unterlegscheibe
- 13
- Aufsteckmutter
- 14
- Positive-Elektroden-Dichtscheibe
- 15
- Negative-Elektroden-Dichtscheibe
- 16
- Kern
für Wicklung
- 17
- Isolierscheibe
- 18
- Eingussloch
- 19
- Eingussloch-Abdichtungsabdeckung
- 20
- Außenanschluss-Abschnitt
- 21
- Innenanschluss-Abschnitt
