Vorrichtung mit Metall-Luft-Zelle

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, insbesondere portable elektronische Vorrichtungen wie elektronische Grußkarten oder Lesegeräte für e-Books (elektronische Bücher) oder e-Paper (elektronische Zeitungen), die eine Metall-Luft-Zelle als Energieversorgung umfassen.

Derlei Geräte finden immer größere Verbreitung. Lesegeräte für e-Books und e-Paper können auf klassische Weise über wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Metallhydrid-Batterien (primär oder sekundär) mit Energie versorgt werden. Billigprodukte wie elektroni- sehen Grußkarten (Grußkarten, die beim Öffnen einen Melodie abspielen oder einen Audiobotschaft wiedergeben) weisen häufig als Energiequelle Knopfzellen (in der Regel nicht wiederaufladbar) auf. Beide Lösungen sind nicht optimal. Die Montage von Knopfzellen in Produkten wie elektronischen Grußkarten ist vergleichsweise aufwändig. Darüber hinaus tragen Knopfzellen auf. Die kapazitive Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien wird zwar kontinuierlich verbessert, kann jedoch mit dem steigenden Leistungshunger insbesondere mobiler Elektronikgeräte kaum Schritt halten. Benötigt werden E- nergiequellen mit immer größer werdender Energiedichte bei gleichzeitig so geringem Gewicht wie möglich.

Eine Lösung für die genannten Problematiken stellen Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dar. Bevorzugte Ausführungsformen solcher Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.

Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung weisen als Energiequelle eine Metall-Luft-Zelle auf. Metall-Luft-Zellen enthalten als elektro- chemische Aktivkomponenten üblicherweise eine metallbasierte Anode und eine Luftkathode, die durch einen Separator (umfassend einen io- - - nenleitfähigen Elektrolyten) voneinander getrennt sind. Dies ist auch vorliegend der Fall. Bei der Entladung von Metall-Luft-Zellen wird an der Luftkathode Sauerstoff unter Elektronenaufnahme reduziert. Es entstehen Hydroxidionen, die über den Elektrolyten zur Anode wandern kön- nen. Dort wird ein Metall unter Elektronenabgabe oxidiert. Die entstehenden Metallionen reagieren mit den Hydroxidionen ab.

Es existieren sowohl primäre als auch sekundäre Metall-Luft-Zellen. Eine sekundäre Metall-Luft-Zelle wird geladen, indem zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt und die beschriebene elektrochemische Reaktion umgekehrt wird. Dabei wird Sauerstoff freigesetzt.

Das bekannteste Beispiel einer Metall-Luft-Zelle ist die Zink-Luft-Zelle, bei der eine zinkhaltige oder aus Zink bestehende Anode als metallba- sierte Anode zum Einsatz kommt. Auch vorliegend kommen bevorzugt Zink-Anoden zum Einsatz.

Metall-Luft-Zellen weisen eine relativ hohe Energiedichte auf, weil der Bedarf an Sauerstoff an der Kathode durch Luftsauerstoff aus der Um- gebung gedeckt werden kann. Entsprechend muss der Kathode beim Entladevorgang Luftsauerstoff zugeführt werden. Umgekehrt muss beim Laden einer Metall-Luft-Zelle an der Luftkathode entstehender Sauerstoff abgeführt werden. Als Luftkathode kommen in Metall-Luft-Zellen üblicherweise Gasdiffusionselektroden zum Einsatz. Gasdiffusionselektroden sind Elektroden, in denen die an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe (in der Regel ein Katalysator, ein Elektrolyt und Luftsauerstoff) nebeneinander in fester, flüssiger und gasförmiger Form vorliegen und miteinander in Kontakt treten können. Der Katalysator katalysiert die Reduktion des Luftsauerstoffs bei der Entladung und gegebenenfalls auch die Oxidati- on von Hydroxidionen bei der Ladung der Zellen.

Am häufigsten kommen in Metall-Luft-Zellen als Luftkathoden kunst- stoffgebundene Gasdiffusionselektroden zum Einsatz. Beispielsweise sind in der DE 37 22 019 A1 , deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme - - vollumfänglich zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird, Elektroden beschrieben, bei denen ein Kunststoffbinder (meist Polytetra- fluorethylen, kurz PTFE) eine poröse Matrix ausbildet, in die Partikel aus einem elektrokatalytisch aktiven Material (zum Beispiel aus einem E- delmetall wie Platin oder Palladium oder aus einem Manganoxid) eingelagert sind. Auch vorliegend kommen als Luftkathoden bevorzugt solche Gasdiffusionselektroden zum Einsatz.

Als Separatoren kommen für Metall-Luft-Zellen beispielsweise mikropo- röse Folien, Vliese oder Netze, die gegebenenfalls mit einer ein Leitsalz enthaltenden Lösung getränkt sind, in Frage. Auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind solche Separatoren für die Metall-Luft-Zelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbar. Eine weitere Separatorvariante wird noch unten beschrieben.

Die Energiedichte von Metall-Luft-Zellen wie Zink-Luft-Zellen liegt in aller Regel mindestens um den Faktor 2 höher als die von vergleichbaren Lithium-Ionen-Batterien oder von Nickel-Metallhydrid-Batterien. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist entsprechend eine hochkapazitive E- nergiequelle auf.

Die Bestandteile einer Metall-Luft-Zelle (die Luftkathode, die metallbasierte Anode und der Separator) sind in der Regel stets zum Schutz vor äußeren Einflüssen von einem Gehäuse umschlossen. Dies gilt auch vorliegend. Damit die Versorgung der Luftkathode mit Sauerstoff gewährleistet ist, weist das Gehäuse einer Metall-Luft-Zelle einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens eine Eintrittsöffnung für Luftsauerstoff auf. Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass sie mindestens ein Mittel zum Öffnen und Verschließen der mindestens einen Eintrittsöffnung für Luftsauerstoff aufweist.

Klassisch wird bei Vorrichtungen wie den einleitend erwähnten zum Ein- oder Ausschalten ein mechanischer oder elektronischer Schalter betätigt, der einen Stromkreis unterbricht, in den eine primäre oder sekundä- - - re Batterie sowie eine entsprechende elektronische Anwendung integriert sind. Im Moment der Unterbrechung des Stromkreislaufes setzt der Betrieb der betroffenen Vorrichtung aus. Gemäß der vorliegenden Erfindung hingegen erfolgt das Ein- oder Ausschalten von mittels einer Me- tall-Luft-Zelle betriebenen Vorrichtungen zumindest nicht ausschließlich durch das Unterbrechen oder Schließen eines Stromkreises.

Stattdessen wird die Zufuhr von Luftsauerstoff zur Luftkathode der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthaltenen Metall-Luft-Zelle gekappt. Ein separater Schalter ist nicht zwingend erforderlich.

Das Mittel zum Öffnen und Verschließen der mindestens einen Eintrittsöffnung ist denkbar einfach ausgebildet, nämlich als ein einfaches mechanisches Stellglied wie beispielsweise eine Klappe, ein Ventil oder einen Schieber.

Besonders bevorzugt sind die Luftkathode, die metall basierte Anode und der Separator jeweils als dünne Schicht ausgebildet. In diesem Fall kann also von einer Kathoden-, einer Anoden- und einer Separatorschicht ge- sprachen werden. Gemeinsam bilden die Schichten einen Stapel aus, in dem die Separatorschicht zwischen der Anoden- und der Kathodenschicht angeordnet ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden.

Die Metall-Luft-Zelle umfasst in aller Regel mindestens einen elektri- sehen Abieiter zur elektrischen Kontaktierung der Luftkathode sowie mindestens einen elektrischen Abieiter zur elektrischen Kontaktierung der metall basierten Anode.

Der mindestens eine elektrische Abieiter zur Kontaktierung der Luftka- thode ist bevorzugt netz- oder gitterartig ausgebildet. Innerhalb des erwähnten Stapels ist er bevorzugt auf einer oder auf beiden Seiten der Kathodenschicht angeordnet.

Der mindestens eine elektrische Abieiter zur Kontaktierung der metall- basierten Anode ist bevorzugt netz-, gitter- und/oder folienartig ausgebildet. Sofern er eine netz- oder gitterartige Ausgestaltung aufweist, ist - - er innerhalb des erwähnten Stapels bevorzugt auf einer oder auf beiden Seiten der Anodenschicht angeordnet. Sofern er eine folienartige Ausgestaltung aufweist, ist er bevorzugt auf der dem Separator abgewandten Seite der Anodenschicht angeordnet.

Der Stapel aus der Kathoden-, der Anoden- und der Separatorschicht weist bevorzugt eine der folgenden Schichtsequenzen auf:

(1 Abieiter - Luftkathode - Separator - Anode - Abieiter

(2 Abieiter - Luftkathode - Abieiter - Separator - Anode - Abieiter (3 Luftkathode - Abieiter - Separator - Anode - Abieiter

(4 Abieiter - Luftkathode - Separator - Abieiter - Anode

(5 Abieiter - Luftkathode - Separator - Abieiter - Anode - Abieiter (6 Abieiter - Luftkathode - Abieiter - Separator - Abieiter - Anode

(7 Abieiter - Luftkathode - Abieiter - Separator - Abieiter - Anode Abieiter

(8 Luftkathode - Abieiter - Separator - Abieiter - Anode

(9 Luftkathode - Abieiter - Separator - Abieiter - Anode - Abieiter

Grundsätzlich ist es auch möglich, dass Abieiter zusätzlich oder an Stelle der dargestellten Abieiter in den Elektroden, also innerhalb der Kathoden und/oder Anodenschicht, angeordnet sind. Insbesondere sind innerhalb der Elektroden auch dreidimensionale Ableiterstrukturen, beispielsweise Vliese aus Metallfäden, einsetzbar.

Netz- oder gitterartige Abieiter setzen sich üblicherweise aus einzelnen, gekreuzt angeordneten Leiterbahnen zusammen, die auf verschiedenste Weise realisiert werden können. So ist es möglich, aus Streifen aus dünnen Metallfolien symmetrische und unsymmetrische Ableiterstrukturen zu bilden. Auch die Verwendung eines Netzes oder eines Gitters aus einem Metall, zum Beispiel aus Nickel, Silber oder versilbertem Nickel, ist möglich. Weiterhin kann es sich bei den Leiterbahnen auch um dünne Metallbahnen oder Metallschichten handeln, die mittels eines üblichen Metallisierungsverfahrens (zum Beispiel durch galvanische Abscheidung - - oder Abscheidung aus der Gasphase) auf ein Substrat aufgebracht wurden.

Unter dem oben erwähnten Begriff „dünne Schicht" soll verstanden wer- den, dass die Dicke der Kathoden-, Anoden- und der Separatorschicht in der Regel nicht mehr als 700 μητι beträgt.

Der Stapel aus den Schichten, gegebenenfalls inklusive den elektrischen Ableitern auf und/oder zwischen den Schichten, weist bevorzugt eine maximale Dicke von nicht mehr als 1000 μητι, insbesondere eine Dicke im Bereich zwischen 200 μητι und 800 μητι auf.

Batterien sind nicht nur durch Zusammenfügen fester Einzelkomponenten herstellbar. Vielmehr gewinnen in den letzten Jahren auch verstärkt Batterien an Bedeutung, zu deren Herstellung zumindest einzelne Funktionsteile, insbesondere die Elektroden und/oder erforderliche Leiterbahnen, durch Druck, also aus einer lösungs- und/oder suspensionsmit- telhaltigen Paste, hergestellt werden. Vorliegend ist es bevorzugt, dass mindestens eine der beschriebenen Komponenten aus der Gruppe mit Luftkathode, Anode, Separator und Abieiter für Anode und Kathode durch ein Druckverfahren gebildet ist.

Besonders bevorzugt wird der Stapel aus der Luftkathode, der metallba- sierten Anode, dem Separator und gegebenenfalls den elektrischen Ableitern auf einem flächigen Substrat gebildet und nimmt auf diesem eine Fläche zwischen 10 mm ² und 400 cm ² ein. Dadurch, dass sich die erfindungsgemäß verwendete Metall-Luft-Zelle in sehr geringen Dicken herstellen lässt, ist es möglich, auch große Flächen mit der Batterie zu bedrucken ohne dass die Batterie aufträgt.

Anode: Die metall basierte Anode einer Metall-Luft-Batterie lässt sich leicht drucken, so ist beispielsweise das Drucken von Anoden aus Zinkpasten bestehend aus Zinkpulver, einem geeigneten Binder und einem geeigneten Lösungs- und/oder Suspensionsmittel schon seit längerem bekannt, beispielsweise aus der WO 2006/105966. - -

Gleichermaßen lassen sich aber auch Metallfolien, insbesondere dünne Zink-Folien, als Anode verbauen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es beispielsweise möglich, eine Zinkfolie als dünne Anodenschicht auf einem Substrat (z.B. einer Oberfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung) anzuordnen, beispielsweise durch Verklebung auf dem Substrat zu fixieren, und anschließend die Folie mit einem Separator abzudecken, auf dem anschließend eine Luftkathode angeordnet wird. Gleichermaßen ist es möglich, eine dünne, flächige, zinkhaltige Anodenschicht durch Drucken auf dem Substrat anzuordnen.

Abieiter: Abieiter sind, abgesehen von den bereits erwähnten Verfahren, auch durch Druck herstellbar. So können die bereits erwähnten Leiterbahnen problemlos gedruckt werden, beispielsweise unter Verwendung einer Silberpartikel enthaltenden Paste. Das Drucken von Ableiterstrukturen ist bereits Stand der Technik und muss im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert werden.

So ist es beispielsweise möglich, vor dem erwähnten Aufbringen der Zinkfolie oder Zinkpaste auf ein Substrat auf dieses eine Ableiterstruktur aus elektrisch leitenden Partikeln aufzudrucken (oder eben anderweitig aufzubringen).

Separator: Wie bereits erwähnt, kommen als Separatoren für Metall- Luft-Zellen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen flächige mikroporöse Folien, Vliese oder Netze in Frage, gegebenenfalls getränkt mit einem Elektrolyten. Solche Separatoren können einfach auf der Anodenschicht abgelegt werden. Alternativ kann die Anodenschicht aber auch mit einem Separator bedruckt werden.

Dass sich Separatoren auch durch Druck herstellen lassen, ist in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2010 018 071.8 beschrieben. Diese schlägt zum Drucken von Separatoren eine Separatordruckpaste vor, die ein Lösungsmittel, mindestens ein Leitsalz, das in dem Lösungsmittel gelöst ist, sowie Partikel und/oder Fasern, die in dem Lösungsmittel bei Raumtemperatur zumindest nahezu, Vorzugs- - - weise vollständig, unlöslich und dabei elektrisch nicht leitend sind, um- fasst.

Die in der Separatordruckpaste enthaltenen Partikel und/oder Fasern können beim Druckprozess eine dreidimensionale Matrix ausbilden, die dem entstehenden Separator eine feste Struktur und eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit verleiht, um Kontakte zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden zu unterbinden. Voraussetzung ist, wie bereits gesagt, dass die Partikel und/oder Fasern elektrisch nicht leitend sind. Weiterhin sollten sie gegenüber der Lösung aus dem mindestens einen Leitsalz und dem Lösungsmittel zumindest bei Raumtemperatur chemisch stabil sein, sich insbesondere darin nicht oder nur sehr wenig lösen. Bevorzugt sind die Partikel und/oder die Fasern in der Separatordruckpaste in einem Anteil zwischen 1 Gew.-% und 75 Gew.-%, ins- besondere zwischen 10 Gew.-% und 50 Gew.-%, enthalten. Dabei ist es unerheblich, ob ausschließlich Partikel oder Fasern oder etwa eine Mischung aus Partikeln und Fasern zum Einsatz kommt.

Die Partikel und/oder die Fasern weisen bevorzugt einen mittleren Durchmesser bzw. im Falle der Fasern eine mittlere Länge zwischen 1 μητι und 50 μητι auf. Besonders bevorzugt ist die Separatordruckpaste dabei frei von Partikeln und/oder Fasern, die einen Durchmesser und/oder eine Länge von mehr als 120 μητι aufweisen. Idealerweise liegt der maximale Durchmesser und/oder die maximale Länge der in der Separatordruckpaste enthaltenen Partikel und/oder Fasern bei 80 μητι.

Die Partikel und/oder Fasern in der Separatordruckpaste können grundsätzlich aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen, sofern die oben genannten Anforderungen (elektrisch nicht leitende Eigenschaften sowie Unlöslichkeit in bzw. chemische Beständigkeit gegenüber der Leitsalzlösung) eingehalten werden. Entsprechend können die Partikel und/oder Fasern sowohl aus einem organischen als auch aus einem anorganischen Feststoff bestehen. Es ist beispielsweise möglich, Fasern aus organischen Materialien mit anorganischen Partikeln zu mischen oder umgekehrt. - -

Besonders bevorzugt umfasst der anorganische Feststoff mindestens eine Komponente aus der Gruppe mit keramischen Feststoffen, in Wasser nahezu oder vollständig unlöslichen Salzen, Glas, Basalt oder Koh- lenstoff. Der Begriff „keramische Feststoffe" soll dabei sämtliche Feststoffe umfassen, die zur Herstellung keramische Produkte dienen können, darunter silikatische Materialien wie Aluminiumsilikate, Gläser und Tonmineralien, oxidische Rohstoffe wie Titandioxid oder Aluminiumoxid sowie nicht-oxidische Materialien wie Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid.

Der organische Feststoff weist bevorzugt mindestens eine Komponente aus der Gruppe mit synthetischen Kunststoffen, halbsynthetischen Kunststoffen und Naturstoffen auf. Der Begriff „bei Raumtemperatur nahezu oder vollständig unlöslich" meint, dass bei Raumtemperatur in einem entsprechenden Lösungsmittel eine allenfalls geringe, vorzugsweise gar keine, Löslichkeit besteht. Die Löslichkeit erfindungsgemäß einsetzbarer Partikel und/oder Fasern, insbesondere der erwähnten in Wasser nahezu oder vollständig unlösli- chen Salze, sollte idealerweise die Löslichkeit von Calciumcarbonat in Wasser bei Raumtemperatur (25 °C) nicht übersteigen. Bei Calciumcarbonat handelt es sich im Übrigen um ein besonders bevorzugtes Beispiel für einen anorganischen Feststoff, der als Komponente mit Ab- standshalterfunktion insbesondere in Partikelform in einer Separa- tordruckpaste enthalten sein kann.

Der Begriff„Faser" soll vorliegend sehr breit ausgelegt werden. Es sollen darunter insbesondere längliche Gebilde verstanden werden, die im Verhältnis zu ihrer Länge sehr dünn sind. Gut einsetzbar sind beispiels- weise Fasern aus synthetischen Polymeren wie zum Beispiel Polyamidfasern oder Polypropylenfasern. Alternativ können auch Fasern anorganischen oder organischen Ursprungs wie beispielsweise Glasfasern, Keramikfasern, Fasern aus Kohlenstoff oder Cellulosefasern zum Einsatz kommen. - -

Bei dem Lösungsmittel in der Separatordruckpaste handelt es sich bevorzugt um ein polares Lösungsmittel, beispielsweise um Wasser.

Bei dem Leitsalz in einer Separatordruckpaste handelt es sich bevorzugt um mindestens eine Verbindung, die bei Raumtemperatur in dem in der Druckpaste enthaltenen Lösungsmittel löslich ist bzw. die in diesem in Form von solvatisierten Ionen vorliegt. Es umfasst besonders bevorzugt mindestens eine Komponente aus der Gruppe mit Zinkchlorid, Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid.

Neben Leitsalzen, einem Lösungsmittel und den beschriebenen Partikeln und/oder Fasern kann die Separatordruckpaste zusätzlich noch einen Binder und/oder ein oder mehrere Additive umfassen. Während der Binder insbesondere dazu dient, dem aus der Separatordruckpaste her- stellbaren Separator eine bessere mechanische Stabilität, idealerweise eine bessere mechanische Belastbarkeit und Flexibilität zu verleihen, dienen die Additive insbesondere dazu, die Verarbeitungseigenschaften der Separatordruckpaste zu variieren. Entsprechend können als Additive grundsätzlich sämtliche für Druckpasten geeignete Additive zum Einsatz kommen, beispielsweise Rheologiehilfsmittel, mit denen die Viskosität der Separatordruckpaste angepasst werden kann. Bei dem Binder kann es sich beispielsweise um einen organischen Binder wie Carboxy- methylcellulose handeln. Auch andere, gegebenenfalls auch anorganische Komponenten wie Siliziumdioxid, sind als Zusätze mit bindenden Eigenschaften geeignet.

Der Separator wird bevorzugt in einer Dicke zwischen 10 μητι und 500 μητι, insbesondere zwischen 10 μητι und 100 μητι, gedruckt. In diesem Bereich weist er ausreichend gute separierende Eigenschaften auf, um ei- nen Kurzschluss zwischen entgegengesetzt gepolten Elektroden zu verhindern.

Kathode: Auf den Separator kann eine Ableiterstruktur aufgebracht werden und dann eine Luftkathode, gegebenenfalls aber auch direkt eine Luftkathode. - -

Die eingangs erwähnten kunststoffgebundenen Gasdiffusionselektroden können ohne weiteres in Form von dünnen Folien bereitgestellt werden, so dass als dünne Kathodenschicht beispielsweise eine dünne, poröse Folie aus PTFE mit eingelagerten Katalysatorpartikeln dienen kann. Al- ternativ kann die Luftkathode aber ebenfalls durch Druck hergestellt werden.

In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 201 1 007 297.7, deren Inhalt im Folgenden teilweise wiedergegeben ist, so- weit er für die vorliegenden Anmeldung relevant ist, ist beschrieben, kunststoffgebundene Gasdiffusionselektroden, die als Luftkathoden für Metall-Luft-Zellen dienen können, mittels eines Druckprozesses zu bilden, insbesondere in Form einer flächigen, dünnen Schicht. Funktionierende Luftkathoden lassen sich problemlos aus einer Paste (Kathoden- druckpaste) umfassend ein Lösungs- und/oder ein Suspensionsmittel, Partikel aus einem elektrokatalytisch aktiven Material (die Katalysatorpartikel) und Partikel aus einem hydrophoben Kunststoff (aus denen die bereits erwähnte Kunststoff matrix gebildet wird) drucken. Bei dem Lösungsmittel und/oder dem Suspensionsmittel handelt es sich bevorzugt um ein polares Lösungsmittel, insbesondere um Wasser. Gegebenenfalls können auch Wasser-Alkohol-Gemische zum Einsatz kommen. Bei den Partikeln aus dem elektrokatalytisch aktiven Material handelt es sich bevorzugt um die eingangs bereits erwähnten Katalysatormaterialien, also insbesondere um Partikel aus einem Edelmetall wie Palladium, Platin, Silber oder Gold und/oder ein Manganoxid. Betreffend einsetzbare Manganoxide wird insbesondere auf die bereits erwähnte DE 37 22 019 A1 verwiesen.

Bei den Partikeln aus dem hydrophoben Kunststoff handelt es sich insbesondere um Partikel aus einem Fluorpolymer. Als Fluorpolymer besonders geeignet ist das ebenfalls bereits erwähnte PTFE. Dieses ist - - aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und seines hydrophoben Charakters besonders geeignet.

Die Partikel in der Paste zur Herstellung der Luftkathode weisen insbe- sondere einen mittleren Durchmesser zwischen 1 μητι und 50 μητι auf. Bevorzugt enthalten die Pasten keine Partikel mit einem Durchmesser und/oder einer Länge > 120 μητι, besonders bevorzugt > 80 μητι.

Wie die beschriebene Separatordruckpaste weist auch die Paste zur Herstellung der Luftkathode in bevorzugten Ausführungsformen ein oder mehrere Additive umfassen, insbesondere zur Einstellung der Verarbeitungseigenschaften der Paste. Weiterhin enthält die Paste in der Regel mindestens ein leitfähigkeitsverbesserndes Additiv, insbesondere ein partikelförmiges leitfähigkeitsverbesserndes Additiv. Dieses kann insbe- sondere aus der Gruppe mit Kohlenstoff-Nanotubes (CNTs), Ruß und Metallpartikeln (zum Beispiel aus Nickel) ausgewählt werden.

Die Kathodendruckpaste weist bevorzugt einen Anteil an dem Lösungsmittel und/oder an dem Suspensionsmittel zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-% auf. In anderen Worten, der Feststoffgehalt der Paste liegt bevorzugt im Bereich zwischen 50 Gew.-% und 80 Gew.-%.

Besonders bevorzugt weist die Kathodendruckpaste die folgenden Komponenten in den folgenden Anteilen auf: a) zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-% des Lösungsmittels und/oder des Suspensionsmittels,

b) zwischen 0 Gew.-% und 20 Gew.-% der Partikel aus dem elektroka- talytisch aktiven Material,

c) zwischen 0,5 Gew.-% und 5 Gew.-% der Binderpartikel aus dem hydrophoben Kunststoff und

d) zwischen 30 Gew.-% und 80 Gew.-% des mindestens einen leitfähig- keitsverbessernden Additivs. Die prozentualen Anteile der genannten Bestandteile summieren sich bevorzugt auf 100 Gew.-% auf. - -

Wenn im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von Druck gesprochen wird, so ist damit bevorzugt ein Siebdruckprozess gemeint. Beim Siebdruck handelt es sich bekanntlich um ein Druckverfahren, bei dem Druckpasten mittels eines Rakels durch ein feinmaschiges Gewebe hindurch auf das zu bedruckende Material gepresst werden. An den Stellen des Gewebes, an denen dem Druckbild entsprechend keine Paste aufgedruckt werden soll, werden die Maschenöffnungen des Gewebes durch eine Schablone undurchlässig gemacht. An den übrigen Stellen soll die Druckpaste dagegen die Maschenöffnungen problemlos durchdringen können. Damit es nicht zu einem Verstopfen der Maschenöffnungen kommen kann, sollten die in der Druckpaste enthaltenen festen Bestandteile eine gewisse Maximalgröße, die unter der Maschenöffnungsweite liegen sollte, nicht überschreiten.

Besonders bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine elektronische Vorrichtung, insbesondere um eine elektronische Anzeige- oder Audioausgabevorrichtung wie die bereits erwähnte Grußkarte oder das bereits erwähnte Lesegerät für e-Books oder e-Paper.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschrie- benen fakultativen Aspekte der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.

Ausführungsbeispiel

Im Folgenden werden die Herstellung und der Aufbau einer elektronischen Grußkarte gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die - -

Grußkarte weist als Energiequelle eine Zink-Luft-Batterie auf sowie eine Audiovorrichtung mit flachem Aufbau, die, wenn sie mit Strom versorgt wird, eine gespeicherte Melodie abspielt. Auf einem ersten Papierbogen wird mittels Siebdruck eine Ableiterschicht erzeugt. Dazu wird eine Kupferpartikel enthaltende Paste verarbeitet. Anschließend werden eine 100 μητι dicke Zinkfolie als metallbasierte Anode sowie eine elektronische Audiovorrichtung auf dem Papierbogen derart angeordnet, dass über die Ableiterschicht eine elektrische Verbindung zwischen der Zinkfolie und dem entsprechenden elektrischen Anschluss der Audiovorrichtung gewährleistet ist.

Im nächsten Schritt wird die Zinkfolie mit einem Separator überdruckt. Dazu werden 77,8 Gewichtsteile einer 50%igen Zinkchloridlösung mit 3,4 Gewichtsteilen amorphem Siliziumdioxid und 18,8 Gewichtsteilen eines Calciumcarbonatpulvers vermischt. Das gelöste Zinkchlorid soll die erforderliche lonenleitfähigkeit des Elektrolyten in der herzustellenden Batterie gewährleisten. Das verwendete Calciumcarbonatpulver besteht zu ca. 50 % aus einem Pulver mit einer mittleren Korngröße < 1 1 μητι und zu ca. weiteren 50 % aus einem Pulver mit einer mittleren Korngröße < 23 μητι. Es weist also eine bimodale Verteilung auf. Das Siliziumdioxid dient insbesondere zur Einstellung der Viskosität der verwendeten Separatordruckpaste. Die Elektrolyt- bzw. Separatorschicht auf der Zinkfolie weist nach Trocknung eine durchschnittliche Dicke von ca. 50 μητι auf.

Alternativ kann die Zinkfolie statt mit dem gedruckten Separator auch mit einem Folienseparator, beispielsweise einem Separator aus einer 50 μητι dicken mikroporösen Polypropylenfolie, abgedeckt werden.

Auf die Separatorschicht wird anschließend als Luftkathode eine Folie mit einer porösen Matrix aus PTFE und darin eingelagerten Partikeln aus einem Manganoxid (hergestellt aus einer der in der DE 37 22 019 A1 beschriebenen Kunststoff-Manganoxid-Mischungen) aufgepresst. - -

Derartige Folien können großflächig mit einer Dicke zwischen 20 μητι und 200 μητι gefertigt werden. Die Folie überlappt großflächig mit der darunter liegenden Separatorschicht. Anschließend werden die Luftkathode sowie die darunter liegenden Schichten mit einem zweiten Papierbogen abgedeckt, der wie der erste Papierbogen einseitig mit einem aufgedruckten Abieiter versehen wird. Im Gegensatz zum ersten Abieiter wird der auf dem zweiten Bogen allerdings nicht als durchgängige, geschlossenen Schicht gedruckt son- dem netz- oder gitterartig. Der zweite Papierbogen wird derart auf der Luftkathode abgelegt, dass die Ableiterstruktur großflächig mit der Luftkathode überlappt und gleichzeitig eine elektrische Verbindung zwischen der Luftkathode und dem entsprechenden elektrischen Anschluss der Audiovorrichtung gewährleistet ist.

Der erste und der zweite Papierbogen unterscheiden sich in einem wesentlichen Aspekt. Während der erste Papierbogen im Wesentlichen luftundurchlässig gewählt wird, wird als zweiter Papierbogen Papier mit poröser Beschaffenheit gewählt, das von Luftsauerstoff leicht durch- drungen werden kann.

Der so hergestellte Verbund aus dem ersten und dem zweiten Papierbogen sowie dem dazwischen angeordneten Stapel aus Separator-, E- lektroden- und Ableiterschichten sowie der elektronischen Audiovorrich- tung wurde anschließend zu einer aufklappbaren elektronischen Grußkarte weiterverarbeitet. Diese ist in Fig. 1 dargestellt.

In der in der Draufsicht (Fig. 1A), mit hochgeklapptem Vorderteil dargestellten elektronischen Grußkarte 100 bildet der gemäß obiger Anleitung hergestellte Verbund das Vorderteil 102 aus, wobei der zweite Papierbogen die sichtbare Front- und damit einen Teil der Innenseite der Grußkarte bildet. Die im doppelwandigen Vorderteil 102 angeordnete Zink-Luft-Batterie 104 ist über Abieiter an die elektronische Audiovorrichtung 105 gekoppelt. - -

In Fig. 1 B ist eine Schnittdarstellung (schematisch) des Vorderteils 102 entlang der Linie Z-Z' dargestellt. Auf den ersten Papierbogen 107 ist als durchgängige Schicht der Abieiter 108 aufgebracht. Auf diesem ist die Zinkfolie 110 abgelegt, die wiederum von dem Separator 112 bedeckt wird. Dieser steht in unmittelbarem Kontakt mit der Luftkathode 111 , die wiederum von dem zweiten Papierbogen 106 mit dem darauf aufgebrachten netz- oder gitterförmigen Abieiter 109 beschichtet ist. Endständig sind die beiden Papierbögen 106 und 107 über die Verklebungen 113 und 114 miteinander verbunden.

Das Rückteil 101 kann durch Umklappen entlang der Knicklinie 103 auf der Frontseite abgelegt werden und somit den luftdurchlässigen zweiten Papierbogen vollständig abdecken. Gefertigt ist das Rückteil 101 bevorzugt aus dem gleichen luftundurchlässigen Material wie der erste Pa- pierbogen. Das Rückteil 101 kann damit beim Zuklappen der Grußkarte 100 die Zufuhr von Luft zu den in dem zweiten Papierbogen befindlichen Poren blockieren oder umgekehrt beim Aufklappen der Grußkarte 100 freigeben. Die Poren in dem zweiten Papierbogen fungieren somit im Sinne der vorliegenden Anmeldung als mindestens eine Eintrittsöffnung für Luftsauerstoff, die umklappbare Rückseite 101 dagegen als Mittel zum Öffnen und Verschließen der mindestens einen Eintrittsöffnung nach Art einer Klappe.