專利名稱：具有扁平外殼和改進(jìn)的集電極的堿電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有基本扁平的外殼和改進(jìn)的陽極集電極的堿電池。本發(fā)明涉及一種堿電池，其陽極包括鋅，陰極包括二氧化錳，并且電解液包括含水氫氧化鉀。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的堿性電化電池具有一包括鋅的陽極和一包括二氧化錳的陰極。該電池通常由圓柱形外殼形成。新電池的開路電壓(EMF)為約1.5伏，并且在中等消耗運(yùn)行(100至300毫安)中的典型的平均運(yùn)行電壓介于約1.0至1.2伏之間。所述圓柱形外殼首先形成有一個(gè)放大的開口端和一個(gè)相對(duì)的封閉端。在裝入電池內(nèi)含物后，一具有絕緣墊環(huán)和負(fù)極端蓋的端蓋組件插入外殼開口端。將外殼邊緣卷邊連接在絕緣塞的邊緣上并且圍繞絕緣塞徑向壓縮外殼以提供緊封，從而封閉開口端。絕緣墊環(huán)使負(fù)極端蓋與電池外殼電絕緣。在相對(duì)的封閉端處的電池外殼的一部分形成正極端。
與各種電化電池特別是堿電池的設(shè)計(jì)相關(guān)的一個(gè)問題是，當(dāng)電池超過某點(diǎn)(通常靠近電池有用能量完全耗盡的點(diǎn))而繼續(xù)放電時(shí)，電池有產(chǎn)生氣體的趨勢(shì)。電化電池特別是堿電池通常在端蓋組件中設(shè)有可破裂的膜片或可破裂的薄膜。該可破裂的膜片或薄膜可以形成在一例如美國專利3,617,386所述的塑料絕緣元件中。
現(xiàn)有技術(shù)公開了可破裂的通氣薄膜，該薄膜作為變薄的區(qū)域一體形成在包括在端蓋組件內(nèi)的絕緣盤中。這種通氣薄膜可以例如美國專利5,589,293所示被定向成位于一垂直于電池的縱軸的平面內(nèi)，或者可以例如美國專利4,227,701所示定向成相對(duì)于電池的縱軸傾斜。美國專利6,127,062公開了一絕緣密封盤和一一體形成的可破裂薄膜，該薄膜豎直定向，即平行于電池的中心縱軸定向。當(dāng)電池內(nèi)的氣壓上升到一預(yù)定水平時(shí)，薄膜破裂，從而通過端蓋中的孔將氣壓釋放到外部環(huán)境中。
本領(lǐng)域中也公開了其它類型的用于釋放電化電池內(nèi)的氣壓的排氣孔。這種排氣孔中的一種是可復(fù)位的橡膠塞，該橡膠塞已與小型扁平矩形鎳金屬氫化物可再充電電池一起有效地使用。具有可復(fù)位的橡膠塞排氣孔的可再充電電池中的這樣一種是可購買的由香港金峰電池(Gold Peak Batteries)生產(chǎn)的電池型號(hào)為GP14M145的7/5-F6號(hào)鎳金屬氫化物可再充電電池。該橡膠塞通過物理的方式壓縮，以緊密地安置在電池端蓋組件中的凹腔或座位中的有斜面的孔中。當(dāng)電池的內(nèi)部氣壓達(dá)到一預(yù)定水平時(shí)，該塞子從其座位抬離，從而讓氣體通過下面的孔排出。當(dāng)電池內(nèi)的氣壓恢復(fù)正常時(shí)，塞子自己重新復(fù)位(到座位)。
原堿電化電池通常包括鋅陽極活性物質(zhì)、堿性電解液、二氧化錳陰極活性物質(zhì)以及通常由纖維素或纖維素和聚乙烯醇纖維構(gòu)成的電解液可滲透隔離物薄膜。陽極活性物質(zhì)可以包括例如與傳統(tǒng)的膠凝劑和電解液混合的鋅顆粒，所述膠凝劑例如鈉羧甲基纖維素或丙烯酸共聚物的鈉鹽。該膠凝劑用于使鋅顆粒懸浮并使鋅顆粒彼此接觸。通常，一插入陽極活性物質(zhì)中的導(dǎo)電金屬釘用作陽極集電極，該集電極電連接到負(fù)極端蓋。電解液可以是堿金屬氫氧化物，例如氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰的水溶液。陰極通常包括作為電化活性物質(zhì)的顆粒二氧化錳，并混合有通常為石墨材料的導(dǎo)電添加劑，以提高導(dǎo)電性?；蛘撸部梢詫⑸倭烤酆险澈蟿?例如聚乙烯粘合劑)以及其它添加劑(例如含鈦化合物)添加到陰極。
陰極中所使用的二氧化錳優(yōu)選地是通過直接電解硫酸錳和硫酸的浴液而制成的電解二氧化錳(EMD)。該EMD是理想的，因?yàn)槠渚哂懈呙芏群透呒兌?。該EMD的電導(dǎo)性(電阻率)相當(dāng)?shù)?。一種導(dǎo)電材料被添加到陰極混合物中，以提高單個(gè)二氧化錳顆粒間的電導(dǎo)性。這種導(dǎo)電添加劑也提高了二氧化錳顆粒與在傳統(tǒng)柱狀堿電池中用作陰極集電極的電池外殼之間的電導(dǎo)性。合適的導(dǎo)電添加劑可以包括例如石墨、石墨材料、導(dǎo)電碳粉例如包括乙炔黑的碳黑。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料包括片狀結(jié)晶天然石墨，或片狀結(jié)晶合成石墨，該合成石墨包括膨脹或片狀石墨或者石墨碳納米纖維以及其混合物。
現(xiàn)在已有用于給小型電子裝置例如MP3音頻播放器和迷你光碟(MD)播放器供電的小號(hào)矩形可再充電電池。這些電池通常為小矩形體(矩形平行六面體)形狀，并且其大小相當(dāng)于一包口香糖。在這里，術(shù)語“矩形體”是指標(biāo)準(zhǔn)的幾何學(xué)定義，即“矩形平行六面體”。根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)為這些電池提出的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，這些電池例如可以是可替換可再充電鎳金屬氫化物(NiMH)F6號(hào)或7/5-F6號(hào)矩形體的形式。F6號(hào)的厚度為6.0mm，寬度為17.0mm，長度為35.7mm(無標(biāo)簽)。F6號(hào)的一個(gè)版本的長度可以是約48.0mm。7/5-F6號(hào)的厚度為6.0mm，寬度為17.0mm，長度為67.3mm。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，7/5-F6號(hào)允許的偏差，對(duì)于厚度是+0mm，-0.7mm；對(duì)于寬度是+0mm，-1mm；對(duì)于長度是+0mm，-1.5mm。當(dāng)用于給微型數(shù)字式音頻播放器例如MP3音頻播放器或迷你光碟(MD)播放器供電時(shí)，F(xiàn)6或7/5-F6NiMH可再充電電池的平均運(yùn)行電壓為約1.1伏至1.4伏之間，通常為約1.12伏。
當(dāng)用于給迷你光盤(MD)播放器供電時(shí)，電池以約200至250毫安的速度放電。當(dāng)用于給數(shù)字式音頻MP3播放器供電時(shí)，電池以約100毫安的速度放電。
理想的是具有與小號(hào)矩形體(矩形平行六面體)鎳金屬氫化物電池的尺寸和形狀相同的小的扁平堿電池，從而小號(hào)堿電池可以與鎳金屬氫化物電池交換，用于給小型電子裝置例如迷你光碟或MP3播放器供電。
理想的是用原(非可再充電)堿電池，優(yōu)選地是用鋅/MnO2堿電池替換小的矩形可再充電電池，特別是小號(hào)鎳金屬氫化物可再充電電池。
然而，與矩形(矩形體)原Zn/MnO2堿電池的設(shè)計(jì)相關(guān)的一個(gè)具體問題是，陰極在電池放電過程中有膨脹的趨勢(shì)。陽極和陰極在放電過程中都膨脹。
對(duì)于給定的壁厚，可以認(rèn)識(shí)到，矩形電池外殼承受電池內(nèi)部壓力(由于析氣和陰極膨脹)增加的容量比具有相當(dāng)尺寸和體積的圓柱形外殼差。這是因?yàn)閷?duì)于任何給定的壓力和壁厚，施加在矩形(矩形體)外殼上的周向應(yīng)力(環(huán)向應(yīng)力)明顯地比施加在類似尺寸的圓柱形外殼上的高。與矩形電池相關(guān)的凸出或膨脹問題可以通過顯著地增加外殼的壁厚而克服。然而，對(duì)于整體厚度較小例如小于約10mm的矩形電池，外殼壁厚的顯著增加會(huì)導(dǎo)致陽極和陰極材料的可用體積顯著減少。額外的壁厚增加了電池的制造成本。因此，理想的是將外殼壁厚保持在約0.50mm以下，優(yōu)選地小于約0.47mm。
因此，理想的是設(shè)計(jì)小的扁平(非可再充電)堿電池，例如具有矩形(矩形體)外殼的F6或7/5-F6號(hào)電池，但同時(shí)壁厚較薄，其中，正常電池使用過程中外殼不會(huì)顯著凸出或膨脹。
理想的是，這種矩形電池用作相同尺寸扁平鎳金屬氫化物可再充電電池的替代物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要方面是關(guān)于在放電過程中產(chǎn)生氫氣的原(非可再充電)堿電池，其中，所述電池具有一外殼(殼體)；一包括通氣機(jī)構(gòu)的端蓋組件，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，該通氣機(jī)構(gòu)允許氫氣從電池排出。該外殼沿電池長度具有至少一對(duì)相對(duì)的扁平壁。
端蓋組件插入外殼開口端，并通過卷邊或焊接而密封，以封閉外殼。該堿電池可以是平行六面體形狀，但理想地是矩形體(矩形平行六面體)形狀。因此，外殼優(yōu)選地為矩形體形狀，該矩形體沒有任何完整的圓柱形截面。該堿電池理想地具有一包括鋅的陽極和含水堿性電解液，優(yōu)選地是氫氧化鉀水溶液。
端蓋組件包括一通氣機(jī)構(gòu)并且優(yōu)選地一矩形金屬蓋。該蓋用于在電池內(nèi)含物插入外殼后封閉外殼的開口端。如果在所述蓋的邊緣和外殼邊緣之間插入絕緣材料，則蓋金屬蓋可以形成電池的負(fù)極端?；蛘?，該蓋可以直接焊接到外殼邊緣。如果該蓋焊接到外殼邊緣，一與該蓋絕緣的單獨(dú)的端蓋可以用于與陽極電連通，以作為電池的負(fù)極端。外殼為陽極/正極，并形成電池的正極端。
包括MnO2的陰極優(yōu)選以多個(gè)壓實(shí)的板或盤的形式插入。陰極板或盤優(yōu)選地是矩形，每個(gè)板都有一穿過其厚度的中心空心芯體。該板被插入，從而一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面。該板沿著電池長度對(duì)齊，從而其外側(cè)表面與外殼的內(nèi)表面接觸。堆疊的陰極板形成了沿電池縱軸的中心空心芯體。限定板內(nèi)中心空心芯體的各個(gè)陰極板的內(nèi)表面優(yōu)選為彎曲的表面。這種彎曲的內(nèi)表面可以在運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中提高板的機(jī)械強(qiáng)度，也可提供電解液可滲透隔離物和陰極之間更一致的接觸。隔離物插入電池的中心空心芯體，從而隔離物的外側(cè)表面與陰極的內(nèi)表面鄰接并緊密接觸。包含鋅顆粒的陽極泥(slurry)插入中心空心芯體，同時(shí)隔離物提供了陽極和陰極之間的界面。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，端蓋組件具有一細(xì)長的陽極集電極，其插入陽極并與電池的負(fù)極端電連通。該端蓋組件具有一使陽極集電極與電池的外殼絕緣的絕緣密封元件。該端蓋組件具有一通氣機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以是一壓縮進(jìn)入絕緣密封元件或穿過絕緣密封元件的金屬鉚釘內(nèi)的凹腔的彈性橡膠塞。當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一預(yù)定閾值水平時(shí)，塞子抬離凹腔足夠的高度，以使氣體從該處排出。或者，通氣機(jī)構(gòu)可以包括一可以形成絕緣密封元件的一體部分的可破裂薄膜。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，通氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成當(dāng)電池的內(nèi)部氣壓達(dá)到一介于約100至300磅/平方英寸表壓(6.895×105至20.69×105帕斯卡表壓)之間，理想地介于約100至200磅/平方英寸表壓(6.895×105至13.79×105帕斯卡表壓)之間的閾值水平時(shí)啟動(dòng)。外殼(殼體)理想地由鋼制成，優(yōu)選地由鍍鎳鋼制成。外殼壁厚理想地介于約0.30至0.45mm之間，優(yōu)選地介于約0.30至0.40mm之間，更理想地介于約0.35至0.40之間。
在本發(fā)明的另一方面，至少陽極集電極的最寬的部分由一位于該集電極的寬的部分和電池外殼之間的絕緣屏障圍繞。已測(cè)定，在陽極集電極的任何表面和電池的外殼的內(nèi)表面之間，狹窄的縫隙(例如小于約0.5mm)將成為堿電池放電過程中產(chǎn)生腐蝕的副產(chǎn)品的區(qū)域。這又將使陽極集電極的相鄰區(qū)域鈍化，并促進(jìn)析氣。已測(cè)定，理想的是給絕緣密封元件設(shè)置一圍繞集電極的寬的部分的向下延伸的圍裙。這可以在集電極的寬的部分和電池外殼之間產(chǎn)生一屏障，并減少電池放電過程中在該空間中產(chǎn)生的腐蝕性化學(xué)品或氣體。在一優(yōu)選方面，陽極集電極最寬的部分與外殼內(nèi)表面和優(yōu)選地圍繞該陽極集電極的寬的部分的絕緣圍裙的距離介于約0.5至2mm之間，優(yōu)選地介于約0.5至1.5mm之間。已測(cè)定，該特征可以減少陽極和電池外殼間腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生。這些腐蝕性化學(xué)物質(zhì)包括可促進(jìn)析氣并干擾正常的電池性能的含多元金屬(complex metal)的合成物或化合物。該問題的解決使得可再密封的橡膠孔塞組件適合作為本發(fā)明扁平原堿電池的可行的通氣機(jī)構(gòu)。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，對(duì)電池進(jìn)行均衡，使得陰極過剩。理想地，對(duì)電池進(jìn)行均衡，使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值)的比值介于約1.15至2.0之間，理想地介于約1.2至2.0之間，優(yōu)選地介于約1.4至1.8之間。已測(cè)定，將這里的扁平堿電池的MnO2的理論容量除以鋅的理論容量的比值設(shè)計(jì)為較高，可以減小整體膨脹量。還不是很確定為什么會(huì)發(fā)生這種情況?？赡懿糠质怯捎谒袖\中的大部分被放電的事實(shí)。在這種情況下，即使有的話也只有很少會(huì)導(dǎo)致膨脹的鋅的氫氧化物的中間產(chǎn)物留在陽極中。
陽極厚度與外殼外部厚度的比值理想地介于約0.30至0.40之間。(這些厚度是沿一跨過電池外部厚度的垂直于縱軸的平面測(cè)得。)因此，電池放電時(shí)的膨脹可以得到控制，這使得扁平或矩形堿電池可以用作電子裝置例如便攜數(shù)字式音頻播放器等的原動(dòng)力源。
在一特定方面，堿電池具有小矩形體(矩形平行六面體)的整體形狀，該小矩形體通常具有介于約5至10mm之間的外側(cè)厚度，特別是約5至7mm的外部厚度。該外部厚度是通過測(cè)量由限定電池短軸的外殼的相對(duì)側(cè)面的外表面之間的距離而得到的。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的原(非可再充電)堿電池可以用作例如小號(hào)扁平可再充電電池的替代物。特別地，這種原堿電池可以用作相同尺寸可再充電鎳金屬氫化物電池，例如7/5-F6號(hào)矩形可再充電鎳金屬氫化物電池的替代物。


圖1是示出本發(fā)明扁平堿電池的負(fù)極端的透視圖；圖1A是示出圖1的扁平堿電池的正極端的透視圖；圖2是圖1A所示電池沿線2-2截取的截面視圖；圖3是圖2A所示電池沿線3-3截取的截面視圖；圖4是構(gòu)成扁平堿電池的端蓋組件的元件的分解視圖；圖5是示出將電池內(nèi)含物和端蓋組件安裝到電池殼(外殼)中的分解視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1-5示出本發(fā)明扁平堿電池10的一具體實(shí)施例。電池10至少具有兩個(gè)與電池的縱向軸線平行的扁平的相對(duì)的側(cè)面。電池10優(yōu)選為矩形，即最好如圖1和1A示出的矩形體。這里所使用的術(shù)語“矩形體”是幾何學(xué)定義，即矩形平行六面體。然而，電池10也可以是平行六面體。圖中所示的外殼100優(yōu)選具有矩形體形狀，因而沒有任何完整的圓柱形截面。通常，電池10的厚度小于其寬度，并且其寬度小于其長度。當(dāng)電池的厚度、寬度和長度具有不同的尺寸時(shí)，通常認(rèn)為厚度在這三個(gè)尺寸中最小。
電池10優(yōu)選包括矩形體形狀的殼(外殼)100，并且該外殼優(yōu)選是鍍鎳鋼。在圖示實(shí)施例中，殼(外殼)100由一對(duì)相對(duì)的大扁平壁106a和106b、一對(duì)相對(duì)的小扁平壁107a和107b、一封閉的端部104和相對(duì)的開口的端部102限定。電池的厚度由壁106a和106b的外表面之間的距離限定。電池的寬度由壁107a和107b的外表面之間的距離限定。理想地在殼100的內(nèi)表面涂覆一層碳或銦，以提高傳導(dǎo)性。包括陽極150、陰極110和其間的隔離物140的電池內(nèi)含物(content)通過開口端102裝入。在一優(yōu)選實(shí)施例中，陽極150包括顆粒鋅，陰極110包括MnO2。一種氫氧化鉀的水溶液形成陽極和陰極的一部分。
陰極110可以是多個(gè)板110a的形式，該板具有穿過其厚度的空心中心芯體110b，這在圖5中最好地示出。陰極板110a優(yōu)選整體上為矩形形狀。如圖2、3和5所示，陰極板110a插入殼100，并沿電池的長度方向垂直地一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面。每個(gè)陰極板110a在其插入殼100中后可以被重復(fù)壓實(shí)。這種重復(fù)壓實(shí)確保每個(gè)陰極板110a的外表面與殼100的內(nèi)表面緊密接觸。優(yōu)選地，陰極板110a內(nèi)的空心中心芯體110b對(duì)齊，以沿電池的縱向軸線190形成一連續(xù)的中心芯體，以容納陽極泥150。可選地，最靠近殼100的封閉端104的陰極板110a可以具有一與封閉端104的內(nèi)表面鄰接并覆蓋封閉端104的內(nèi)表面的底部表面。
陰極板110a可以壓鑄或壓模制成。或者，陰極110可由擠壓通過一噴嘴而形成一具有空心芯體的單個(gè)連續(xù)陰極110的陰極材料形成。陰極110還可由多個(gè)具有空心芯體110b的板110a形成，其中，各個(gè)板擠壓進(jìn)入殼100。
如圖2、3和5所示，在陰極110插入后，一電解液可滲透隔離物140放置到各個(gè)板110a的中心芯體110b內(nèi)，從而隔離物140的外表面與陰極的內(nèi)表面鄰接。限定所述空心中心芯體110b的各個(gè)陰極板110a的內(nèi)表面優(yōu)選為彎曲表面。這種彎曲的內(nèi)表面提高了傳輸和搬運(yùn)過程中板的機(jī)械強(qiáng)度，也提供了隔離物140和陰極110之間更均勻的接觸。
陽極150優(yōu)選是包括鋅顆粒和含水堿性電解質(zhì)的膠狀鋅泥形式。陽極泥150沿電池的縱向軸線190注入電池的中心芯體。因此，陽極150通過與陰極110之間的隔離物140避免了與陰極110直接接觸。
裝入電池內(nèi)含物后，電池組件12(圖4)插入開口端102以密封電池，并提供負(fù)極端290。殼的封閉端104可用作電池的正極端。如圖1A所示，可以拉伸或沖壓封閉端104，以提供一突出的正極尖頭(pip)，或者，可以將一具有突出的尖頭180的單獨(dú)的端面板184焊接到殼的封閉端104。
在圖4中最好地示出了構(gòu)成端蓋組件12的一具體實(shí)施例的元件。端蓋組件12包括一細(xì)長的陽極集電極160、一絕緣密封元件220、一位于密封元件220上面的金屬蓋230、一部分穿過絕緣密封元件220的金屬鉚釘240、一使鉚釘240與金屬蓋230絕緣的塑料墊片250、一安置在鉚釘240的凹腔248中的橡膠孔塞260、一位于橡膠塞260上方的通氣尖頭蓋(vent pip cap)270、一塑料延長器280和一位于塑料延長器280上方的負(fù)極端板290。
這里承認(rèn)，在可購買的由香港金峰電池(Gold Peak Batteries)生產(chǎn)的型號(hào)為NO.GP14M145的7/5-F6號(hào)矩形可再充電鎳金屬氫化物電池中，已公開并使用了安置在鉚釘240的凹腔248中的橡膠孔塞260和位于橡膠塞260上方的通氣尖頭蓋270。然而，本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人在這里發(fā)現(xiàn)，在所述型號(hào)為NO.GP14M145的鎳金屬氫化物可再充電電池中，作為整體的端蓋組件如果應(yīng)用到原鋅/MnO2堿電池中，會(huì)導(dǎo)致腐蝕并促進(jìn)析氣。已發(fā)現(xiàn)，這種腐蝕發(fā)生在細(xì)長的集電極和電池外殼的內(nèi)表面之間，這是因?yàn)榧姌O最寬的部分與電池外殼的內(nèi)表面非常近(小于約0.5mm)?？梢哉J(rèn)識(shí)到，集電極160的寬的部分即凸緣161與可復(fù)位的孔塞設(shè)計(jì)一起使用。因?yàn)榧姌O鉚接在絕緣密封元件220的下面，所以需要集電極的這種寬的部分(凸緣161)。因此，凸緣161必須足夠的寬，以便固定鉚釘240的底部246。如果電池10是一小尺寸扁平電池，例如是一整個(gè)厚度在約5至10mm之間的立方體形電池，那么凸緣161的一個(gè)邊緣將因此在靠近外殼100的內(nèi)表面處終止。
申請(qǐng)人通過重新設(shè)計(jì)絕緣密封元件220并給該元件設(shè)置一圍裙226，從而修正了包括集電極160和絕緣密封元件220的子組件。絕緣密封圍裙161圍繞著陽極集電極160的最寬的部分即凸緣161。因此，絕緣圍裙161在集電極凸緣161的邊緣和外殼100的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。已測(cè)定，絕緣圍裙161在電池放電過程中，在凸緣161和外殼100的內(nèi)表面之間的空間中，可以減少腐蝕化學(xué)物品—通常是含金屬的混合物或化合物—的產(chǎn)生。這種腐蝕化學(xué)物品，如果產(chǎn)生一定量，將干擾電池性能并提高電池析氣。此外，在這里所描述的修正的設(shè)計(jì)中，陽極集電極160的最寬的部分即凸緣161與外殼內(nèi)表面的距離為約0.5至2mm之間，優(yōu)選地為0.5至1.5mm之間。經(jīng)測(cè)定，所設(shè)定的距離和圍繞集電極凸緣161的絕緣密封圍裙226一起可以防止在集電極的寬的部分(凸緣161)和外殼100的內(nèi)表面之間產(chǎn)生大量的腐蝕化學(xué)物品。本發(fā)明的這種修正的設(shè)計(jì)又使得可安置的橡膠孔塞組件適合作為這里所描述的扁平原堿電池的可行的通氣機(jī)構(gòu)。
在圖4和5中最好地示出的端蓋組件12的元件可以按如下方式組裝。陽極集電極160包括下端終止在尖端163而上端終止在向外延伸的整體凸緣161的一細(xì)長的桿或者金屬絲162，該整體凸緣優(yōu)選與桿162成直角。因此，當(dāng)集電極160插入陽極150中時(shí)，向外延伸的凸緣161的邊緣可以比桿162更靠近外殼100的內(nèi)表面。絕緣密封元件220具有一頂板227和相對(duì)的開口的底部228。絕緣密封元件220優(yōu)選由耐用、耐堿并能滲透氫的尼龍66或尼龍612制成?；蛘撸^緣密封元件220可由耐用并能滲透氫的聚丙烯、滑石填充聚丙烯、磺化聚乙烯或其它聚酰胺(尼龍)類。絕緣元件220優(yōu)選為矩形，以便緊密地安裝在外殼100的開口端102內(nèi)。從絕緣元件220的頂端227延伸的相對(duì)的側(cè)壁226a和相對(duì)的側(cè)壁226b形成了圍繞頂板227向下延伸的圍裙226。圍繞226限定了所述絕緣密封元件220的開口底部228的邊界。一孔224穿過頂板227。金屬蓋230可以是一具有一孔234穿過的金屬板。金屬鉚釘240具有頭部247和底部245。鉚釘240可由鍍鎳鋼或不銹鋼制成。鉚釘240的頭部247具有一凹腔248。凹腔248完全穿過鉚釘頭部247和鉚釘桿245。集電極160的凸緣161插入絕緣密封元件220的開口底部228，從而所述密封元件220的絕緣圍裙226可以圍繞并保護(hù)集電極160的凸緣161。如圖4所示，集電極160的凸緣部分161具有一穿孔164。鉚釘240的底部246可以穿過所述孔164并鉚接到所述凸緣161，以保持集電極160和所述鉚釘?shù)碾娊佑|。
在該實(shí)施例中，絕緣圍裙226在集電極的凸緣161和電池的外殼100的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。已測(cè)定，在陽極集電極160的任何表面和電池的外殼100的內(nèi)表面之間，狹窄的縫隙(例如小于約0.5mm)將成為堿電池放電過程中產(chǎn)生腐蝕的副產(chǎn)品的區(qū)域。這又將使陽極集電極160的相鄰區(qū)域鈍化，并促進(jìn)析氣。絕緣密封元件220的向下延伸的圍裙226圍繞著集電極160向外延伸的部分例如整體凸緣161，因此在集電極160的最寬的部分和外殼100之間提供了一屏障。已測(cè)定，這樣可以解決腐蝕問題并減少析氣。申請(qǐng)人這樣修正該設(shè)計(jì)優(yōu)選地通過設(shè)置一屏障，即一圍繞陽極集電極160的最寬的部分即凸緣161的絕緣圍裙226，以重新設(shè)計(jì)集電極的最寬的部分。圍裙226的放置和作用將在下面的段落中更詳細(xì)地描述。在這里所描述的申請(qǐng)人修正的設(shè)計(jì)中，陽極集電極160的最寬的部分，即凸緣161，與外殼內(nèi)表面間隔約0.5至2mm之間，優(yōu)選地間隔約0.5至1.5之間。而且，絕緣圍裙226在集電極凸緣161和外殼100之間設(shè)置了一屏障。這些設(shè)計(jì)特征被測(cè)定可以解決腐蝕問題，并使可安置的橡膠孔塞組件適合作為本發(fā)明扁平原堿電池的可行的通氣機(jī)構(gòu)。
形成端蓋組件12時(shí)，集電極160的凸緣部分161定位成通過其的孔164與通過絕緣密封元件220的頂板227的孔224對(duì)齊。金屬蓋230定位在絕緣密封元件220的頂板227的上面，使得穿過金屬板230的孔234與孔224對(duì)齊。塑料墊片盤250插在金屬蓋230上面，以便穿過墊片盤250的孔252與金屬蓋230的孔234對(duì)齊。在優(yōu)選的實(shí)施例(圖4)中，鉚釘240的底部246穿過塑料墊片250的孔252，也穿過金屬蓋230的孔234。鉚釘240的底部246還穿過絕緣密封元件220的孔224和集電極凸緣161的孔164。塑料墊片250使鉚釘240和金屬蓋230絕緣。鉚釘桿245的底部246延伸通過絕緣密封元件220的孔224和在下面的陽極集電極160的頂部凸緣部分161內(nèi)的孔164。可使用軌道鉚接機(jī)等將鉚釘桿的底部246敲入并靠著集電極凸緣161的底面。這可以將鉚釘桿鎖定在絕緣密封元件220的孔224中，并將集電極160固定到鉚釘桿245。這使集電極160與鉚釘240保持永久電接觸，并防止鉚釘桿245從絕緣密封元件220的孔224中移除或移位。鉚釘頭部247緊密地安置在塑料墊片250上。這形成了一包括鉚釘240、塑料墊片250、金屬蓋230、絕緣密封元件220和陽極集電極160的子組件?？蓪⒃撟咏M件存儲(chǔ)起來以備進(jìn)一步組裝。
通過將橡膠孔塞260插入鉚釘頭部247中的凹腔248中而完成組裝過程。塞子260優(yōu)選呈截頭圓錐形，并設(shè)計(jì)成緊密裝配在鉚釘頭部247的凹腔248中。塞子260優(yōu)選由耐堿性電解液的可壓縮的、有彈性的材料制成。用于塞子260的優(yōu)選的材料是橡膠，例如氯丁橡膠或其它耐堿可壓縮橡膠。然后，一金屬通氣尖頭蓋270插在塞子260上面。用足夠的力將該金屬通氣尖頭蓋270壓在塞子260上，使得可以壓縮塞子約0.55mm。已測(cè)定，這樣能提供可以經(jīng)受所建立的約200磅/平方英寸表壓(13.79×105帕斯卡)的內(nèi)部氣體壓力的密封。塞子260的壓縮可以調(diào)節(jié)，從而該密封可以經(jīng)受通常在約100至300磅/平方英寸表壓(6.895×105至20.69×105帕斯卡表壓)，理想地是在約100至200磅/平方英寸表壓(6.895×105至13.79×105帕斯卡表壓)的內(nèi)部壓力。如果需要，也可對(duì)塞子260進(jìn)行較高程度的壓縮，以使該密封可以經(jīng)受更高的壓力，即，高于300磅/平方英寸表壓(20.69×105帕斯卡表壓)的壓力。相反，如果需要，也可以減小對(duì)塞子260的壓縮，從而該密封可一直保持在低于100磅/平方英寸表壓的任何想要的壓力閾值。通氣尖頭蓋270的底部273可以具有幾個(gè)向下延伸的部分，當(dāng)通氣尖頭蓋270壓在塞子260上時(shí)，該部分裝配進(jìn)入塑料墊片250的頂部表面內(nèi)的壓痕或開口。這在圖5中最好地示出。在通氣尖頭蓋270插在塞子260上，從而將所述塞子壓入鉚釘頭部凹腔248后，通氣尖頭蓋270焊接到鉚釘頭部247。因此，塞子260被保持壓縮在鉚釘頭部凹腔248中。塑料延長器280放置在通氣尖頭蓋頭部271上。該通氣尖頭蓋頭部271突出穿過塑料延長器280內(nèi)的孔282。然后，終端端板290(負(fù)極端)焊接到通氣尖頭蓋頭部271。因此，通氣尖頭蓋270既焊接到端板290又焊接到鉚釘240。終端端板290由具有良好機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕的導(dǎo)電金屬構(gòu)成，所述金屬例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼，優(yōu)選的是鍍鎳低碳鋼。從而，形成了一個(gè)完整的端蓋組件12，同時(shí)，終端端板290與集電極163永久電接觸。
然后，將完整的端蓋組件12插入外殼100的開口端102。集電極桿162插入陽極泥150。金屬蓋230的邊緣優(yōu)選通過激光焊焊接到外殼的頂部周向邊緣104。這樣可以將端蓋組件12緊固地保持在適當(dāng)?shù)奈恢貌⒖梢悦芊馔鈿さ拈_口端102，如圖1和1A所示。終端端板290與集電極160和陽極150電接觸，從而形成了用于這里所述的鋅/MnO2堿電池實(shí)施例的電池的正極端?？梢哉J(rèn)識(shí)到，負(fù)極端板290通過塑料延長器280與外殼100電絕緣。鉚釘240和陽極集電極160通過塑料墊片250和絕緣密封元件220與外殼100電絕緣。如圖1A、2和3所示，在外殼100相對(duì)的封閉端部的尖頭180形成了電池的正極端。如圖1A所示，該尖頭180可以由外殼的封閉端部一體形成，或者可以由單獨(dú)地焊接到封閉端的單獨(dú)的板184形成。完整的電池在圖1和1A中以透視圖的方式示出，并在圖2和3中以截面圖的方式示出。
在電池放電或存儲(chǔ)操作中，如果電池內(nèi)的氣體壓力積聚到超過設(shè)計(jì)的閾值水平，塞子260會(huì)離開鉚釘頭部的凹腔248。這使得氣體可以從電池內(nèi)部通過鉚釘頭部的凹腔248，然后通過通氣尖頭蓋270的通氣孔272排放到外部環(huán)境中。當(dāng)電池內(nèi)的壓力減小時(shí)，塞子260復(fù)位到鉚釘頭部的凹腔248中。
本發(fā)明不限于任何特定尺寸的矩形電池。然而，作為具體例子，堿電池10可以是小尺寸的矩形(矩形體)，在電池厚度方向測(cè)得的外殼的外表面之間的厚度通常為5至10mm，特別是5至7mm。電池的寬度通常在約12至30mm之間，并且電池的長度通常在約40至80mm之間。特別地，本發(fā)明的堿電池10可以用作相同尺寸可再充電的鎳金屬氫化物電池，例如標(biāo)準(zhǔn)的7/5-F6號(hào)矩形電池的替代物。該7/5-F6號(hào)電池的厚度為6.1mm，寬度為17.3mm，長度為約67.3mm。
典型電池的化學(xué)成分下文關(guān)于陽極150、陰極110和隔離物140的化學(xué)成分的電池成分的描述，可以應(yīng)用到上述實(shí)施例中公開的扁平電池。
在上述電池10中，陰極110由二氧化錳構(gòu)成，并且陽極150由鋅和電解液構(gòu)成。含水電解質(zhì)由常規(guī)的KOH、氧化鋅和膠凝劑的混合物構(gòu)成。陽極材料150可以是含無汞(不加汞)鋅合金粉末的膠狀混合物的形式。即，電池總的汞含量按重量計(jì)算小于約百萬分之(ppm)100鋅的重量，優(yōu)選地，汞的含量小于百萬分之50鋅的重量。該電池優(yōu)選地也不含任何額外量的鉛，因此，該電池基本上是無鉛的，即總的鉛含量小于陽極中總的鋅含量的30ppm，理想地小于陽極中總的鋅含量的15ppm。這種混合物通常包含含水KOH電解質(zhì)溶液、膠凝劑(例如B.F. Goodrich公司的商品名稱為CARBOPOLC940的丙烯酸共聚物)、表面活性劑(例如Rhne Poulenc公司的商品名稱為GAFACRA600的有機(jī)磷酸酯基表面活性劑)。這種混合物只是作為例子給出，并不用于限制本發(fā)明。美國專利No.4,563,404中公開了用于鋅陽極的其它典型的膠凝劑。
理想地，陰極110具有以下成分87-93wt％的電解二氧化錳(例如Kerr-McGee公司的Trona D)、2-6wt％(總計(jì))的石墨、5-7wt％的KOH濃度為約30-40wt％的7-10當(dāng)量含水KOH溶液、以及0.1-0.5wt％的可選的聚乙烯粘合劑。該電解二氧化錳的平均顆粒尺寸為約1至100微米，理想地為約20至60微米。該石墨通常為自然形式或者是膨脹石墨，或者是二者的混合物。該石墨還可以只包括石墨碳納米纖維或包括石墨碳納米纖維和自然或膨脹石墨的混合物。該陰極混合物是說明性的，不用于限制本發(fā)明。
陽極材料150包括62-69wt％的鋅合金粉末(99.9wt％的含200至500ppm作為合金和鍍金材料(plated material)的銦的含銦鋅)，含38wt％的KOH和約2wt％ZnO的含水KOH溶液；可商業(yè)購買的B.F.Goodrich公司的名稱為“CARBOPOL C940”的交聯(lián)的丙烯酸聚合物膠凝劑(例如，0.5至2wt％)，可商業(yè)購買的Grain Processing Co.公司的名稱為“Waterlock A-221”的接枝(graft)到淀粉鏈的水解聚丙烯腈(0.01至0.5wt％之間)；有機(jī)磷酸酯表面活性劑RA-600或Rhne-Poulenc公司的名稱為RM-510的聚酯基苯酚磷酸酯表面活性劑(dionyl phenol phosphate ester surfactant)(100至1000ppm之間)。這里所使用的術(shù)語鋅應(yīng)該認(rèn)為是包含非常高濃度的鋅，例如按鋅的重量計(jì)算至少為99.9％的鋅合金粉末。這種鋅合金材料在電化學(xué)上基本上可以當(dāng)作純鋅。
對(duì)于本發(fā)明扁平堿電池10的陽極150，鋅粉末平均粒度理想地介于約1至350微米之間，更理想地介于1至250微米之間，優(yōu)選地介于20至250微米之間。通常，鋅粉末可以具有約150微米的平均粒度。陽極150中的鋅顆?？梢允轻槧罨蚯驙?。優(yōu)選的是球狀鋅顆粒，因?yàn)檫@些顆粒更易于與鋅泥一起從用于填充電池的相當(dāng)小的陰極凹腔的分配噴嘴進(jìn)行分配。陽極中的鋅的體密度介于約1.75至2.2克鋅每立方厘米陽極之間。陽極中的含水電解質(zhì)溶液的體積百分比優(yōu)選地介于約百分之69.2至75.5的陽極體積之間。
電池10可以用傳統(tǒng)方式均衡，從而MnO2的mAmp-hr容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)約等于1。然而，優(yōu)選的是對(duì)電池進(jìn)行均衡使陰極處于顯著過剩狀態(tài)。優(yōu)選地，對(duì)電池10進(jìn)行均衡使MnO2的總理論容量除以鋅的總理論容量的值介于約1.15值2.0之間，理想地介于約1.2至2.0之間，優(yōu)選地介于約1.4至1.8之間，更優(yōu)選地介于約1.5至1.7之間。已確定，具有這種陰極過剩的電池均衡可以減少陰極膨脹的量，這是因?yàn)樵诜烹姇r(shí)，有基于總的電池重量的較小百分比的MnO2轉(zhuǎn)化成MnOOH。而這又可以減少電池外殼的膨脹量。
已測(cè)定，外殼100的壁厚理想的是介于約0.30至0.45mm之間，優(yōu)選地介于約0.30至0.40mm之間，更優(yōu)選地介于約0.35mm至0.40mm之間。電池10優(yōu)選地為矩形體(圖1和2)，理想地，該矩形體的整體厚度約為5至10mm。對(duì)具有這樣的外殼壁厚和整體厚度的電池進(jìn)行均衡，使得陰極處于過剩狀態(tài)。理想地，對(duì)電池進(jìn)行均衡使MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)的比值介于約1.15值2.0之間，理想地介于約1.2值2.0之間，優(yōu)選地介于約1.4至1.8之間。陽極厚度與外殼外部厚度的比值理想地介于約0.30至0.40之間。(這些厚度是沿一跨過電池厚度(小尺寸)的垂直于縱軸190的平面測(cè)得。)
隔離物140可以是通常的由纖維素?zé)o紡材料和聚乙烯醇纖維的內(nèi)層和玻璃紙外層構(gòu)成的離子多孔隔離物。該材料只是說明性的，不用于限制本發(fā)明。
外殼100優(yōu)選地由鍍鎳鋼制成。外殼100的內(nèi)表面理想地涂覆有碳涂層，并且優(yōu)選地涂覆有石墨碳涂層。這種石墨涂層可以例如是水基石墨分散體的形式，這種分散體可以在環(huán)境條件下涂覆到外殼內(nèi)表面然后干燥。石墨碳可以提高傳導(dǎo)性并能通過減少外殼內(nèi)表面發(fā)生表面腐蝕的機(jī)會(huì)而直接減少電池析氣。金屬蓋230、負(fù)極端板290和正極端板180也優(yōu)選地由鍍鎳鋼制成。集電極160可以從多種已知的被認(rèn)為可作為集電極材料使用的導(dǎo)電金屬中選取，所述金屬例如，黃銅、鍍錫黃銅、青銅、紫銅或鍍銦黃銅。絕緣密封元件220優(yōu)選地由尼龍66或尼龍612制成。
下文的一具體實(shí)例使用具有不同電池均衡的相同尺寸的矩形電池示出比較性能。在每一種情況下新電池的厚度是5.6mm、寬度是17mm、長度是67mm。(除非特別說明，所有的尺寸都是在外殼上沒有標(biāo)簽的情況下的外部尺寸。)對(duì)于每個(gè)測(cè)試的電池，外殼100的壁厚都是相同的0.38mm。每個(gè)電池的外殼100都由其內(nèi)表面涂覆有石墨碳的鍍鎳鋼制成。所有的電池結(jié)構(gòu)都與圖(圖1-5)中描述的相同。陽極集電極160的寬的部分(凸緣161)的邊緣與外殼100的內(nèi)表面的距離為約0.5mm。絕緣密封元件220的圍裙226圍繞著所述集電極160的寬的部分(凸緣161)，從而在所述集電極160的寬的部分和外殼100的內(nèi)壁表面之間設(shè)置了一屏障。
所有的電池元件都與上述的相同，并且每個(gè)被測(cè)試的電池都具有圖中所示的通氣端蓋組件12。僅有的區(qū)別在于電池均衡和陽極成分。對(duì)比較電池(比較例)進(jìn)行均衡，使均衡比值，即MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)為1.1。對(duì)測(cè)試?yán)?的測(cè)試電池進(jìn)行均衡，使均衡比值，即MnO2的理論容量除以鋅的理論容量為1.25。對(duì)測(cè)試?yán)?和3的測(cè)試電池進(jìn)行均衡，使MnO2的理論容量除以鋅的理論容量分別為1.6和2.0。
下文例子中的比較電池和測(cè)試電池以90毫瓦接通然后斷開三小時(shí)的循環(huán)間隔地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。(這種間隔地放電模擬的是典型的通?？梢允褂肕P3音頻格式的便攜固態(tài)數(shù)字式音頻播放器。)然后記錄實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的總和，并計(jì)算和記錄電池外殼膨脹的量。
比較例(比較電池)制備一圖中所示的具有矩形(矩形體)結(jié)構(gòu)和端蓋組件的比較測(cè)試電池10。由外殼100限定的該電池的的外部尺寸為長度為約67mm，寬度為約17mm，厚度(放電前)為約5.6mm。陽極150和陰極110具有如下成分。
陽極成分Wt.％鋅170.0表面活性劑2(RA600)0.088電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)29.91100.00注意1.鋅顆粒的平均顆粒尺寸為約150微米，并與銦形成合金且鍍有銦，使得總的銦含量為約200ppm。
2.Rhne Poulenc公司的RA600的有機(jī)磷酸酯基表面活性劑溶液。
3.包含Waterlock A221膠凝劑和總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的Carbopol C940的電解質(zhì)溶液。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD)87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15自然石墨)7.4
電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的自然石墨。
用于電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽極150和陰極110進(jìn)行均衡，使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)等于1.1。陽極具有2.8克鋅。(陰極具有6.89克MnO2。)陽極150、陰極110和隔離物140占到圖1和1A所示結(jié)構(gòu)的外殼100的外部體積的約百分之66。陽極厚度與外殼外側(cè)厚度的比值為約0.35。這些厚度是沿一跨過電池的外側(cè)厚度(小尺寸)的垂直于縱軸190的平面測(cè)得。
該電池以90毫瓦“接通”然后斷開三小時(shí)的循環(huán)間隔地“放電”，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行壽命為24.5小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到6.13mm。(圖1A所示側(cè)壁外表面106a和106b之間測(cè)得的厚度。)測(cè)試電池例1制備一具有矩形結(jié)構(gòu)并與比較例中的電池具有相同尺寸的測(cè)試電池10。陽極150和陰極110具有如下成分。
陽極成分Wt.％鋅166.0表面活性劑2(RA600) 0.083電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)34.0100.08注意1.鋅顆粒的平均顆粒尺寸為約150微米，并與銦形成合金且鍍有銦，使得總的銦含量為約200ppm。
2.Rhne Poulenc公司的RA600的有機(jī)磷酸酯基表面活性劑溶液。
3.包含Waterlock A221膠凝劑和總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的Carbopol C940的電解質(zhì)溶液。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD) 87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15自然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的自然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽極150和陰極110進(jìn)行均衡，使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)等于1.25。陽極具有2.56克鋅。(陰極具有7.11克MnO2。)陽極、陰極、電解質(zhì)和隔離物占到外殼100的外部體積，即在外殼的封閉端104和開口端102間所測(cè)量的體積的約百分之66。陽極厚度與外殼外側(cè)厚度的比值為約0.35。這些厚度是沿一跨過電池的外側(cè)厚度(小尺寸)的垂直于縱軸190的平面測(cè)得。
該電池以90毫瓦“接通”然后斷開三小時(shí)的循環(huán)間隔地“放電”，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行壽命為24.3小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到6.03mm。(圖1A所示側(cè)壁外表面106a和106b之間測(cè)得的厚度。)該運(yùn)行時(shí)間與比較例中的運(yùn)行時(shí)間基本相同，然而，外殼膨脹較小。
測(cè)試電池例2制備一具有矩形結(jié)構(gòu)并與比較例中的電池具有相同尺寸的測(cè)試電池10。陽極150和陰極110具有如下成分。
陽極成分Wt.％鋅160.0表面活性劑2(RA600) 0.083電解質(zhì)3(9當(dāng)量KoH)39.92100.00注意1.鋅顆粒的平均顆粒尺寸為約150微米，并與銦形成合金且鍍有銦，使得總的銦含量為約200ppm。
2.Rhne Poulenc公司的RA600的有機(jī)磷酸酯基表面活性劑溶液。
3.包含Waterlock A221膠凝劑和總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的Carbopol C940的電解質(zhì)溶液。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD)87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15自然石墨)7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的自然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽極150和陰極110進(jìn)行均衡，使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)等于1.6。陽極具有2.01克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽極、陰極和隔離物占到外殼100的外部體積的約百分之66。陽極厚度與外殼外側(cè)厚度的比值為約0.35。
這些厚度是沿一跨過電池的外側(cè)厚度(小尺寸)的垂直于縱軸190的平面測(cè)得。
該電池以90毫瓦“接通”然后斷開三小時(shí)的循環(huán)間隔地“放電”，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行壽命為20.9小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到5.95mm。(圖1A所示側(cè)壁外表面106a和106b之間測(cè)得的厚度。)測(cè)試電池例3制備一具有矩形結(jié)構(gòu)并與比較例中的電池具有相同尺寸的測(cè)試電池10。陽極150和陰極110具有如下成分。
陽極成分Wt.％鋅152.0表面活性劑2(RA600)0.083電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)47.92100.00注意1.鋅顆粒的平均顆粒尺寸為約150微米，并與銦形成合金且鍍有銦，使得總的銦含量為約200ppm。
2.Rhne Poulenc公司的RA600的有機(jī)磷酸酯基表面活性劑溶液。
3.包含Waterlock A221膠凝劑和總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的Carbopol C940的電解質(zhì)溶液。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD) 87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15自然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00
注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的自然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長度為68mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽極150和陰極110進(jìn)行均衡，使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)等于2.0。陽極具有1.61克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽極、陰極和隔離物占到外殼100的外部體積的約百分之66。陽極厚度與外殼外側(cè)厚度的比值為約0.35。
這些厚度是沿一跨過電池的外側(cè)厚度(小尺寸)的垂直于縱軸190的平面測(cè)得。
該電池以90毫瓦“接通”然后斷開三小時(shí)的循環(huán)間隔地“放電”，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行壽命為18.5小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到5.87mm。(圖1A所示側(cè)壁外表面106a和106b之間測(cè)得的厚度。)測(cè)試結(jié)果的討論在上面的測(cè)試中，相同尺寸的扁平電池以逐步增高的均衡比進(jìn)行均衡。在各實(shí)例中，電池的結(jié)構(gòu)都與圖示(圖1-5)相同。陽極集電極160的寬的部分(凸緣161)的邊緣與外殼100的內(nèi)表面的距離為約0.5mm，并且被絕緣屏障226包圍。均衡比被定義為MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr每克MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr每克鋅)。在上述比較測(cè)試?yán)校?dāng)電池的均衡比(MnO2的理論容量與鋅的理論容量之比)為約1.1時(shí)，扁平測(cè)試電池的膨脹顯著地從5.6mm的整體厚度增加到6.13mm。在測(cè)試?yán)?中(均衡比為1.25)，電池膨脹的較小，即從5.6mm膨脹到6.03mm。在測(cè)試?yán)?中(均衡比為1.6)，電池從5.6mm膨脹到5.95mm。在測(cè)試?yán)?中(均衡比為2.0)，電池從5.6mm膨脹到5.87mm，因此膨脹更小。當(dāng)均衡比在1.1至1.6之間增加時(shí)，電池運(yùn)行壽命適度地變短(從24.5小時(shí)到20.9小時(shí))；當(dāng)為最高的均衡比2.0時(shí)，電池運(yùn)行壽命更顯著地減少(18.5小時(shí))。
雖然已結(jié)合具有整體形狀為矩形體(矩形平行六面體)的扁平堿電池對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但可以認(rèn)識(shí)到，這種整體形狀的變型也是可以的，并且將落入本發(fā)明的概念中。當(dāng)扁平電池為例如矩形體(矩形平行六面體)時(shí)，外殼的極端可以稍微向外或向內(nèi)形成錐形，但仍然保持其矩形結(jié)構(gòu)。這種變化了的形狀的整體外形本質(zhì)上仍然是矩形體，并將落入矩形體含意或其合理的等同物的范圍中。整體形狀的其它變型，例如稍微改變電池端部與外殼任意一側(cè)面形成的角，從而平行六面體稍微偏離嚴(yán)格的矩形—也將落入這里和權(quán)利要求中所使用的矩形體(矩形平行六面體)的含意中。
本發(fā)明可以理想地延伸到整體電池形狀是扁平的情形，其中，外殼外部的一側(cè)沿外殼長度方向基本上是扁平的。因此，也可以理解，術(shù)語“扁平”可以延伸并包括基本上是扁平的表面，其中，這種表面可以有一些彎曲程度。特別地，本發(fā)明的構(gòu)思可以延伸到扁平電池，其中，電池外殼表面的一側(cè)沿外殼長度方向具有扁平多邊形表面。因此，電池可以具有多面體的整體形狀，同時(shí)外殼的所有側(cè)面為多邊形表面。本發(fā)明還可以延伸到這種電池，其中，電池外殼的一側(cè)沿其長度方向具有平行四邊形的扁平表面，并且電池的整體形狀為棱柱狀。
權(quán)利要求
1.一種原堿電池，其包括一負(fù)極端、一正極端和一具有一封閉端部和相對(duì)的開口端部的外殼、所述外殼內(nèi)一包括鋅的陽極和一包括MnO2的陰極、一位于所述陽極和陰極之間的隔離物以及一密封所述外殼開口端部的端蓋組件；所述端蓋組件包括一絕緣密封元件和一與其連通的陽極集電極，同時(shí)，所述集電極的至少一部分插入所述陽極，其中，所述集電極的至少一部分向外延伸到與所述外殼的內(nèi)表面的間距至少在2mm內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的至少一部分與所述外殼的內(nèi)表面的間距至少在1.5mm內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的至少一部分與所述外殼的內(nèi)表面的間距約在0.5mm與2.0mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的至少一部分與所述外殼的內(nèi)表面的間距約在0.5mm與1.5mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述電池為整體厚度介于約5至10mm之間的矩形體形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述絕緣密封元件具有一延伸進(jìn)入所述外殼內(nèi)表面和所述集電極的所述向外延伸部分之間的空間的表面，從而在所述集電極的所述向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的堿電池，其特征在于，當(dāng)在垂直位置觀察所述電池并且端蓋組件位于頂部時(shí)，所述絕緣密封元件為具有向下延伸的周向圍裙的板的形式，同時(shí)，所述圍裙圍繞所述集電極的所述向外延伸部分，從而在所述集電極的所述向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的堿電池，其特征在于，所述屏障減少電池放電過程中在所述集電極的所述向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間產(chǎn)生的腐蝕性化學(xué)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿電池，其特征在于，所述外殼具有一對(duì)沿所述外殼的一部分長度延伸的相對(duì)的扁平側(cè)面，同時(shí)，所述外殼具有一封閉端部和相對(duì)的開口端部，并且所述外殼沒有任何完整的圓柱形截面；其中，所述陰極包括至少一個(gè)陰極板，該板具有一個(gè)沒有陰極材料的貫穿其的開口，其中，陽極材料插入所述陰極板中的所述開口并且所述陽極集電極的一部分插入所述陽極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的堿電池，其特征在于，所述電池的整體厚度介于約5至10mm之間，其中，所述整體厚度定義為限定所述外殼的短軸的所述外殼的相對(duì)側(cè)面的外表面之間的距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的堿電池，其特征在于，所述外殼為矩形體形狀；其中，所述陰極包括多個(gè)矩形陰極板，各個(gè)板具有一個(gè)沒有陰極材料的貫穿其的開口；其中，所述陰極板對(duì)齊，從而所述開口對(duì)齊而形成一沒有陰極材料的芯體，同時(shí)，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
12.一種原堿電池，其包括一負(fù)極端、一正極端和一外殼，所述外殼具有一封閉的端部和相對(duì)的開口端部、位于所述外殼內(nèi)的一包括鋅的陽極和一包括MnO2的陰極、一位于所述陽極和陰極之間的隔離物以及一密封所述外殼開口端部的端蓋組件；所述端蓋組件包括一絕緣密封元件和一與該端蓋組件連通的陽極集電極，所述集電極的至少一部分插入所述陽極；其中，所述集電極的至少一部分向外延伸，從而與所述外殼的內(nèi)表面之間的距離在至少2mm之內(nèi)；其中，所述絕緣密封元件具有一延伸進(jìn)入所述外殼內(nèi)表面和所述集電極的向外延伸的部分之間的空間的表面，從而在所述集電極的向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的所述向外延伸部分與所述外殼的內(nèi)表面之間的距離在至少1.5mm之內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的所述向外延伸部分與所述外殼的內(nèi)表面之間的距離介于約0.5mm至2.0mm之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，所述集電極的所述向外延伸部分與所述外殼的內(nèi)表面之間的距離介于約0.5mm至1.5mm之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，所述電池為具有整體厚度介于約5至10mm之間的矩形體形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，當(dāng)在垂直位置觀察所述電池并且端蓋組件位于頂部時(shí)，所述絕緣密封元件為具有向下延伸的周向圍裙的板的形式，所述圍裙圍繞所述集電極的所述向外延伸部分，從而在所述集電極的所述向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的堿電池，其特征在于，所述屏障減少了電池放電過程中在所述集電極的所述向外延伸部分和所述外殼內(nèi)表面之間產(chǎn)生的腐蝕性化學(xué)品。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的堿電池，其特征在于，所述陽極集電極包括一細(xì)長的桿部和從該桿部向外延伸的整體部分；其中，所述集電極的所述向外延伸部分固定到所述絕緣密封元件，并且所述絕緣密封元件的所述向下延伸的圍裙圍繞著所述集電極的所述向外延伸部分，從而在所述集電極的所述向外延伸的部分和所述外殼的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的堿電池，其特征在于，所述絕緣密封元件為矩形體形狀，該矩形體具有一封閉端部和一相對(duì)的開口端部，同時(shí)，該兩端部之間的側(cè)壁圍繞著所述絕緣密度元件內(nèi)的空心內(nèi)部，所述側(cè)壁形成所述周向圍裙；其中，所述陽極集電極的所述向外延伸部分插入所述空心內(nèi)部?jī)?nèi)，并由所述周向圍裙保護(hù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述絕緣密封元件具有一穿過其封閉端部的開口，并且所述端蓋組件還包括一插入該開口的金屬鉚釘，其中，所述鉚釘將所述集電極的所述向外延伸部分固定到所述絕緣密封元件的所述封閉的端部，同時(shí)，所述鉚釘與所述負(fù)極端電連通。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的堿電池，其特征在于，所述外殼具有一對(duì)沿其一部分長度延伸的相對(duì)的扁平側(cè)面，并且所述外殼沒有任何完整的圓柱形截面；其中，所述陰極包括至少一個(gè)陰極板，該板具有一個(gè)沒有陰極材料的貫穿的開口，其中，陽極材料插入所述陰極板中的開口并且所述陽極集電極的一部分插入所述陽極。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的堿電池，其特征在于，所述電池具有整體為矩形體的形狀，并且所述電池的整體厚度介于約5至10mm之間，其中，所述整體厚度定義為限定所述外殼的短軸的所述外殼的相對(duì)側(cè)面的外表面之間的距離。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的堿電池，其特征在于，所述外殼具有矩形體形狀，并且所述電池的整體厚度介于約5至10mm之間，其中，所述陰極包括多個(gè)矩形陰極板，同時(shí)各個(gè)板具有一個(gè)沒有陰極材料的貫穿的開口；其中，所述陰極板對(duì)齊，從而所述開口對(duì)齊而形成一沒有陰極材料的芯體，同時(shí)，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
全文摘要
一種堿電池，其具有一優(yōu)選為矩形體的扁平外殼。該電池可以具有一包括鋅的陽極和一包括MnO
文檔編號(hào)H01M4/70GK1735982SQ200380108175
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月3日
發(fā)明者D·安格林, M·阿什博爾特, A·馬爾焦利奧, A·舍列金, S·J·施佩希特, M·西爾韋斯特雷, P·特雷納, R·A·約波洛 申請(qǐng)人:吉萊特公司