專利名稱：電池狀態(tài)測(cè)試器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)定電池狀態(tài)的狀態(tài)測(cè)試器。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及電荷(庫(kù)侖)測(cè)試器的狀態(tài)。
包括視覺(jué)上顯示其電荷狀態(tài)的裝置的一次電化學(xué)電池是已知的。已知的裝置包括與電池內(nèi)部的材料反應(yīng)的化學(xué)指示器，位于電池外部的化學(xué)指示器，包埋于電極中且在放電過(guò)程中可見(jiàn)的元件，以及與適于跨過(guò)電池連接的電阻元件熱接觸的熱致變色材料。
庫(kù)侖裝置可記錄幾庫(kù)侖通過(guò)與其相連的電子設(shè)備的電荷。使用電化學(xué)誘導(dǎo)的汞柱長(zhǎng)度變化來(lái)給出所通過(guò)的電荷量的視覺(jué)指示的庫(kù)侖裝置的實(shí)例公開(kāi)在美國(guó)專利3045178和3343083中。庫(kù)侖裝置尚未成功地應(yīng)用于一次電池。
本發(fā)明涉及一種用作庫(kù)侖計(jì)且給出待測(cè)試的主電池或電池的電荷狀態(tài)的連續(xù)視覺(jué)指示的薄膜電解電池。
參照附圖可更好地理解本發(fā)明，其中

圖1是說(shuō)明本發(fā)明測(cè)試器組件與待測(cè)試主電池的連接的電路圖。
圖2是圖1中的測(cè)試器組件的剖視圖。
圖2A說(shuō)明具有永久連接的測(cè)試器的電池，其中測(cè)試器以放大的部分截面視圖示出。
圖3是說(shuō)明另一實(shí)施方案的電路圖，其中庫(kù)侖電池跨過(guò)待測(cè)試的主電池的陽(yáng)極側(cè)上的并聯(lián)電阻器連接。
圖3A是說(shuō)明形成待測(cè)試的主電池的陽(yáng)極側(cè)的一部分的圖3的并聯(lián)電阻器的局部視圖。
圖4是說(shuō)明另一實(shí)施方案的電路圖，其中庫(kù)侖電池與主電池陰極側(cè)上的并聯(lián)電阻器相連。
圖4A是說(shuō)明形成待測(cè)試的主電池的陰極側(cè)的一部分的圖4的并聯(lián)電阻器的實(shí)施方案的局部剖視圖。
圖5是庫(kù)侖電池的另一實(shí)施方案的平面圖。
圖6是圖5的庫(kù)侖電池沿6-6線的截面視圖。
本發(fā)明涉及一種狀態(tài)指示器(測(cè)試器)，它與電化學(xué)電源如電池電連接并從視覺(jué)上顯示其狀態(tài)。該狀態(tài)指示器包括一個(gè)庫(kù)侖電池，該庫(kù)侖電池為包括陽(yáng)極，陰極和與所述陽(yáng)極和陰極二者的至少一部分接觸的電解質(zhì)的電解電池。該電解電池基本沒(méi)有其自身的電動(dòng)勢(shì)(e.m.f.)，且其陽(yáng)極和陰極理想的是由相同材料，優(yōu)選銀制成。該狀態(tài)指示器薄且可以整合于待測(cè)試的電池的標(biāo)簽中。該狀態(tài)指示器優(yōu)選包括一個(gè)與電解電池串聯(lián)電連接的輔助電池。該輔助電池為動(dòng)力產(chǎn)生電池而不是待測(cè)試電源且與待測(cè)試電源如電池正-正或負(fù)-負(fù)電連接。這就產(chǎn)生了可用來(lái)驅(qū)動(dòng)該電解電池的低的凈電壓。當(dāng)電化學(xué)電源放電時(shí)，該輔助電池以比例量放電。在電解電池中發(fā)生與輔助電池的庫(kù)侖放電庫(kù)侖相等的電解。因而該電解電池也與主電池成正比地放電。在電解過(guò)程中，電解電池的陽(yáng)極和陰極中的至少一個(gè)可見(jiàn)且在該可見(jiàn)電極中發(fā)生變化。在可見(jiàn)電極(通常是陽(yáng)極)中的變化量如減少量給待測(cè)試電化學(xué)電源的電荷狀態(tài)(電容剩余百分?jǐn)?shù))提供視覺(jué)指示。
在其它方面，本發(fā)明涉及跨過(guò)位于待測(cè)試電池的陽(yáng)極或陰極側(cè)上的并聯(lián)電阻器而連接的狀態(tài)指示器的電解電池部分。在此類情況下，可省去輔助電池，但優(yōu)選包括該輔助電池以增加對(duì)電解電池操作的控制。
在特殊實(shí)施方案(圖2)中，本發(fā)明的測(cè)試器10(狀態(tài)指示器)包括一個(gè)與輔助電池25串聯(lián)連接的庫(kù)侖電池20。測(cè)試器10整體可與待測(cè)試主電池30并聯(lián)連接。圖2中所示庫(kù)侖電池20為基本上不具有其自身電動(dòng)勢(shì)(e.m.f.)的微型電解電池，即電動(dòng)勢(shì)低于約100毫伏，優(yōu)選為0伏。當(dāng)電流通過(guò)庫(kù)侖電池20時(shí)，發(fā)生導(dǎo)致其中的電極之一減少的電解。輔助電池25為幫助控制庫(kù)侖電池20的操作的微型電化學(xué)電池。測(cè)試器10可與待測(cè)試的主電池30并聯(lián)連接。優(yōu)選輔助電池25與該主電池連接，以使該輔助電池的陽(yáng)極77與主電池的陽(yáng)極115電連接，或該輔助電池的陰極83與主電池的陰極145電連接.這種連接導(dǎo)致在主電池的負(fù)荷放電過(guò)程中可用于驅(qū)動(dòng)庫(kù)侖電池的凈電壓非常低。另外，庫(kù)侖電池20與主電池30連接以使該庫(kù)侖電池的陽(yáng)極與主電池的正極電連接，或使該庫(kù)侖電池的陰極與主電池的負(fù)極電連接。額外地，輔助電池25的開(kāi)口電池電壓(OCV)與主電池30的開(kāi)口電池電壓基本相似，例如在約100毫伏內(nèi)。這就防止了庫(kù)侖電池20在負(fù)荷38與主電池30連接之前放電。在該優(yōu)選的實(shí)施方案中，庫(kù)侖電池20兩端的電壓非常低，因而不會(huì)顯著改變?cè)撦o助電池的電壓-電容曲線。輔助電池25的電化學(xué)以及其電壓-電容曲線優(yōu)選與主電池相似。這確保輔助電池25與主電池30成正比地線性放電。與輔助電池串聯(lián)的庫(kù)侖電池與輔助電池25成正比且因而也與主電池30成正比地線性放電。
在圖1所示的優(yōu)選的電路布置中，輔助電池陽(yáng)極77與庫(kù)侖電池陰極43電連接，輔助電池陰極83與主電池陰極145連接，且?guī)靵鲭姵仃?yáng)極47與主電池陽(yáng)極115連接。(輔助電池25或庫(kù)侖電池20的陽(yáng)極定義為被氧化且因而釋放電子的電極。)包含庫(kù)侖電池20和輔助電池25的測(cè)試器10以與圖1的電路圖一致的布置示于圖2中。測(cè)試器10可以與主電池30(圖2A)如常規(guī)的堿性電池永久地連接，例如通過(guò)將其整合入主電池的標(biāo)簽中。該測(cè)試器的電壓與該主電池的電壓一致，因?yàn)樵摐y(cè)試器的電容低得多而其電阻高得多。因此，對(duì)于具有相同的電容/電壓特征的電化學(xué)相當(dāng)?shù)闹麟姵?輔助電池組合，當(dāng)主電池放電時(shí)，通過(guò)該主電池的電流與通過(guò)該輔助電池的電流之比停留在幾乎恒定的值。這將與該主電池上的負(fù)荷無(wú)關(guān)。因此，在該主電池放電過(guò)程中的任何時(shí)候，該輔助電池的陽(yáng)極或陰極之一的減少百分?jǐn)?shù)大約與主電池的陽(yáng)極或陰極之一的減少百分?jǐn)?shù)相同。(如果主電池或輔助電池中陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料的量過(guò)量，則應(yīng)當(dāng)使用含有不過(guò)量活性材料的電極進(jìn)行這兩個(gè)電池之間減少百分?jǐn)?shù)的比較。不過(guò)量的電極在此可以稱為控制電極。)若測(cè)試器10的構(gòu)造使得該庫(kù)侖計(jì)陽(yáng)極47的充電容量等于輔助電池控制電極的充電容量，則在該輔助電池放電過(guò)程中的任何時(shí)間，庫(kù)侖電池20的陽(yáng)極的減少百分?jǐn)?shù)由輔助電池的控制電極的減少百分?jǐn)?shù)控制并與其大致相同。因此，庫(kù)侖電池20的陽(yáng)極的減少(消失)百分?jǐn)?shù)反映主電池控制電極的減少百分?jǐn)?shù)。這可用來(lái)對(duì)主電池的狀態(tài)(電荷狀態(tài))提供連續(xù)的視覺(jué)指示。庫(kù)侖電池中活性材料的剩余百分?jǐn)?shù)在主電池壽命的任何時(shí)間都能從視覺(jué)上加以辨別。例如，若庫(kù)侖陽(yáng)極正在減少，則可使該陽(yáng)極視覺(jué)可辨，并且靠近該陽(yáng)極的圖示比例尺可顯示主電池中剩余的電荷百分?jǐn)?shù)和/或主電池是否需要更換。在電解過(guò)程中，隨著陽(yáng)極材料減少，它特征性地鍍覆到陰極上，導(dǎo)致陰極增大。在此種情況下，可使陰極視覺(jué)可辨，并由靠近它的圖示比例尺顯示該主電池中剩余的電荷百分?jǐn)?shù)。
測(cè)試器10可與待測(cè)試的主電池30并聯(lián)連接，例如如圖1的電路圖中所示。在圖1中，主電池30以圖示說(shuō)明，帶有負(fù)極115和正極145。在使用中，當(dāng)主電池30與負(fù)荷38相連并放電時(shí)，電流iL流過(guò)負(fù)荷38，電流iM流過(guò)主電池，而電流iT流過(guò)測(cè)試器10，從而iL＝iM+iT。輔助電池25的電阻理想的是比主電池30的內(nèi)部電阻高得多，而庫(kù)侖電池20的電阻又比輔助電池25的電阻高得多。例如，在圖1的電路構(gòu)造中，若主電池為正常工作過(guò)程中內(nèi)部電阻約0.1歐姆的常規(guī)AA級(jí)堿性電池，則輔助電池25的電阻理想的是約500-2000歐姆，而庫(kù)侖電池20的電阻理想的是約4000-8000歐姆。輔助電池電壓對(duì)任何主電池上的給定負(fù)荷來(lái)說(shuō)稍高于主電池電壓。電壓的這一微小差別導(dǎo)致主電池的負(fù)荷放電過(guò)程中用來(lái)驅(qū)動(dòng)輔助電池25的凈電壓小。例如，對(duì)于常規(guī)的AA1.5伏主電池，典型負(fù)荷為70-1歐姆時(shí)，驅(qū)動(dòng)輔助電池25的凈電壓為0.05-0.1伏，而通過(guò)庫(kù)侖電池20的電流典型的是約0.05×10-6安培至5×10-6安培。
在測(cè)試器10的優(yōu)選實(shí)施方案(圖2)中，輔助電池25為至少部分驅(qū)動(dòng)庫(kù)侖電池20的微型扁平電化學(xué)電源。主電池30可以是一次或二次電池，且典型地可以是常規(guī)堿性電池。測(cè)試器10為厚度低于約100密耳(2.5mm)，優(yōu)選約2-100密耳(0.05-2.5mm)，更優(yōu)選約2-15密耳(0.05-0.4mm)的扁平組件。測(cè)試器10可整合入主電池30的標(biāo)簽中，例如通過(guò)將其與標(biāo)簽內(nèi)表面粘接。庫(kù)侖電池20含一個(gè)陽(yáng)極47和一個(gè)陰極43，有利的是它們由相同材料制成。輔助電池25以與主電池30的放電成正比地線性放電，與負(fù)荷38無(wú)關(guān)。例如，輔助電池25可校準(zhǔn)以使輔助電池25的陽(yáng)極或陰極的放電百分?jǐn)?shù)在主電池30的放電過(guò)程中與主電池30的控制電極的放電百分?jǐn)?shù)相同或至少為其線性函數(shù)。
庫(kù)侖電池10(圖2)為含有陰極材料43和陽(yáng)極材料47的微型電解電池，理想的是陰陽(yáng)極材料相互隔開(kāi)且可位于相同平面內(nèi)。庫(kù)侖電池10的厚度低于100密耳(2.5mm)，優(yōu)選厚度為約2-100密耳(0.05-2.5mm)，更優(yōu)選厚度為約2-15密耳(0.05-0.4mm)。陰極43和陽(yáng)極47理想的是由相同金屬制成，當(dāng)與含有該金屬離子的電解質(zhì)接觸時(shí)該金屬可容易地電化學(xué)鍍覆和剝離(在低驅(qū)動(dòng)電壓下具有較高電流密度)。陰極43和陽(yáng)極47為分別淀積到基材42和48上的薄涂層。理想的是用于陰極42和48的金屬在周圍氣氛中不具有反應(yīng)性或不會(huì)受到腐蝕。作為一個(gè)實(shí)際的手段，優(yōu)選銀用于陰極43和陽(yáng)極47，因?yàn)樗哂懈叩碾娀瘜W(xué)活性且為貴金屬，與周圍的氧和水分不反應(yīng)。陽(yáng)極基材48為導(dǎo)電性的且優(yōu)選由碳制成，陰極基材42也優(yōu)選為導(dǎo)電性的且也由碳制成。(可以將非導(dǎo)電性材料用于陰極基材42，但優(yōu)選導(dǎo)電基材且將在本文中說(shuō)明)。為了從一端到另一端電化學(xué)剝離(消除)陽(yáng)極47時(shí)不留下金屬的電隔離島，要求使用導(dǎo)電陽(yáng)極基材48。另一要求是陽(yáng)極基材48具有顏色，以提供與陽(yáng)極47的顏色的高對(duì)比度，從而對(duì)陽(yáng)極47的消失給出高度可辨的視覺(jué)指示。陽(yáng)極47和陰極43相互之間的優(yōu)選布置以及下面的導(dǎo)電基材示于圖2中。間隔件44將陰極43與陽(yáng)極47隔離，同時(shí)也將下面的導(dǎo)電基材42與48隔離，如圖2中所見(jiàn)。另外，在導(dǎo)電基材42和48下面可具有絕緣材料35的薄膜。
導(dǎo)電基材42(圖2)可延伸超過(guò)上面的陰極材料的邊緣43(b)，以形成延伸的基材部分42(a)。類似地，導(dǎo)電基材48可延伸超過(guò)上面的陽(yáng)極材料的邊緣47(b)，以形成延伸的基材部分48(a)。在延伸的部分42(a)和48(a)的表面上施加粘合劑，從而在導(dǎo)電基材42和48的周邊周圍形成粘合劑邊界55。若陰極基材42不導(dǎo)電，則陰極邊緣43(b)必須延伸直至粘合劑邊界55的外側(cè)，以在端部42(b)處用作電觸點(diǎn)。粘合劑邊界55在陰極43和陽(yáng)極47上限定了窗口空間53。在窗口空間53施加一層透明電解質(zhì)45，以覆蓋陰極43和陽(yáng)極47。延伸的基材部分48(a)的端部48(b)從電池20的陽(yáng)極側(cè)伸出。類似地，延伸的基材部分42(a)的端部42(b)從電池20的陰極側(cè)伸出。使用置于其間的導(dǎo)電粘合劑62將一片鋁箔65連于端部48(b)。箔65用來(lái)將電流從基材48攜帶到電池負(fù)極115(圖2A)。端部42(b)的頂表面用導(dǎo)電粘合劑61覆蓋。在窗口53上施加透明阻隔膜52，該膜的邊緣與粘合劑邊界55接觸。因而阻隔膜52為保護(hù)性薄膜，覆蓋并緊密密封電解質(zhì)45。阻隔膜52由粘合劑邊界55固定。庫(kù)侖電池20用施加在測(cè)試器下側(cè)的絕緣膜35下的壓敏粘合劑32固定于主電池30的殼體。
輔助電池25(圖2)理想的是設(shè)計(jì)成開(kāi)口電池電壓與主電池30類似的扁平電池。另外，理想的是輔助電池25顯示與主電池30相似的電容/電壓特性(開(kāi)路電壓對(duì)電容百分?jǐn)?shù)曲線)。輔助電池25的厚度低于100密耳(2.5mm)，優(yōu)選厚度為約2-100密耳(0.05-2.5mm)，更優(yōu)選厚度為約2-15密耳(0.05-0.4mm)。輔助電池25含有陽(yáng)極活性材料涂層77，陰極活性材料涂層83以及其間的電解質(zhì)層73。陰極材料83優(yōu)選為施于含碳填充的塑料膜81的導(dǎo)電性基材上的二氧化錳涂層。陰極活性材料83優(yōu)選為二氧化錳，因?yàn)樗桥c堿性主電池30所用相同的陰極活性材料。這有助于確保輔助電池25和主電池30具有相似的電容/電壓特性。陰極83中活性材料量必須使得它具有與庫(kù)侖計(jì)陽(yáng)極47相同的庫(kù)侖電容。碳填充的薄膜81的對(duì)側(cè)用導(dǎo)電鋁箔82覆蓋。鋁箔82用作蒸氣阻隔層以密封該輔助電池25，使其與環(huán)境隔離，還可用作陰極83的集流器。碳填充的薄膜81保護(hù)箔82免受電解質(zhì)73的腐蝕，同時(shí)使陰極83與箔82電接觸。絕緣膜85施于陰極層83的暴露邊緣的邊界周圍。將用電解質(zhì)73飽和的分離件72施于絕緣邊界85限定的空間內(nèi)的陰極活性層83上。陽(yáng)極活性材料77與分離件72接觸。陽(yáng)極活性材料77可以是施于碳填充的塑料膜76的導(dǎo)電基材之下的鋅涂層。陽(yáng)極活性材料77的量?jī)?yōu)選使得其庫(kù)侖電容顯著超過(guò)陰極83。碳填充的薄膜76的對(duì)側(cè)由一層導(dǎo)電鋁箔78覆蓋。一部分箔78未用陽(yáng)極活性材料涂覆。該部分形成陽(yáng)極接頭79，該接頭從輔助電池伸出。陽(yáng)極接頭79由鋁箔78的伸出部分78(a)和下面的導(dǎo)電導(dǎo)76的伸出部分76(a)組成。陽(yáng)極活性材料77與電解質(zhì)填充的分離件72接觸。導(dǎo)電粘合劑92施于電池25的下側(cè)與箔82的暴露表面接觸。輔助電池25通過(guò)導(dǎo)電粘合劑92固定于主電池30，該粘合劑92將電池30固定于主電池殼體。
庫(kù)侖電池20(圖2)通過(guò)應(yīng)用陽(yáng)極接頭79而與輔助電池30電連接，從而使該陽(yáng)極接頭的下面導(dǎo)電層76(a)與接頭42(b)上的導(dǎo)電粘合劑61接觸。這使得輔助陽(yáng)極活性材料77與庫(kù)侖電池20的陰極43電連接，與圖1的電路圖一致.與主電池30，典型的是常規(guī)堿性電池的連接參照?qǐng)D2和2A示出。輔助陰極活性材料83通過(guò)導(dǎo)電粘合劑92(圖2)與主電池30的正極145電連接，該粘合劑92將輔助陰極83連于主電池殼體上，如圖2A所示。箔接頭65壓制成與主電池的負(fù)端蓋110永久接觸(圖2A)，因而導(dǎo)電粘合劑62與端蓋110接觸。這種連接使得庫(kù)侖電池20的陽(yáng)極47與主電池30的負(fù)極115電連接。
測(cè)試器10可以整合于主電池的薄膜標(biāo)簽58的內(nèi)表面，如圖2A所示。標(biāo)簽58理想的是熱可收縮薄膜，如聚氯乙烯或聚丙烯。測(cè)試器10可在標(biāo)簽的一側(cè)通過(guò)順次印刷或?qū)雍习瑤?kù)侖電池20和輔助電池25的各涂層而形成。可在標(biāo)簽內(nèi)表面施加一層耐熱性壓敏粘合劑，且該具有整合的測(cè)試器的標(biāo)簽可通過(guò)將其圍繞電池殼體包裹而施于主電池30上。然后可將標(biāo)簽的端部分別在上下肩152和154上通過(guò)使標(biāo)簽邊緣經(jīng)歷足以引起收縮的加熱而以常規(guī)方式熱收縮。
在操作中，無(wú)論主電池30何時(shí)放電，輔助電池25均放電，從而使庫(kù)侖電池20起作用。具體而言，在圖1和2所示的實(shí)施方案中，當(dāng)主電池30放電時(shí)，庫(kù)侖陽(yáng)極活性材料47鍍覆于陰極43上。在該鍍覆過(guò)程中，陽(yáng)極活性材料47逐漸從最接近陰極層43的陽(yáng)極活性層部分消失，即從端部47(a)消失(圖2)。這提供了視覺(jué)可辨的量油計(jì)效應(yīng)。在主電池30的壽命的任何時(shí)間電池20中剩余的庫(kù)侖陽(yáng)極量易于通過(guò)透明電極45看到?？梢栽趲?kù)侖陽(yáng)極47附近設(shè)置圖示比例尺?？尚Ｕ龍D示比例尺以指示庫(kù)侖陽(yáng)極47減少的程度，因而也指示主電池30是否需更換。
包含庫(kù)侖電池20和輔助電池25的測(cè)試器10具有高電阻，因而放電時(shí)通過(guò)其的電流很小。測(cè)試器10顯示基本與主電池相同的電壓/電容百分?jǐn)?shù)曲線。電流iT(通過(guò)測(cè)試器10)與電流iM(通過(guò)主電池30)之比大致相同，而與主電池上的電阻負(fù)荷無(wú)關(guān)。因而，對(duì)主電池上的任何給定負(fù)荷，輔助陰極83的放電程度大致與主電池陰極相同，因而引起庫(kù)侖陽(yáng)極47相同程度的消失。因此，在主電池壽命的任何時(shí)間里，主電池陰極的放電百分?jǐn)?shù)大致與輔助陰極83的放電百分?jǐn)?shù)相同，而后者又大致與已消失的庫(kù)侖陽(yáng)極47的百分?jǐn)?shù)相同。這使得易于通過(guò)窗口53視覺(jué)觀察庫(kù)侖電池20中陽(yáng)極47的剩余量來(lái)確定主電池的放電程度?？煽拷鼛?kù)侖陽(yáng)極47設(shè)置的校正過(guò)的圖示比例尺使得易于測(cè)定陽(yáng)極47何時(shí)已充分減少，從而顯示必須更換主電池30。
下列材料可用于構(gòu)造測(cè)試器10庫(kù)侖電池陽(yáng)極基材48可由涂覆有導(dǎo)電碳組分48(a)的絕緣塑料如KAPTON聚酰亞胺絕緣膜(E.I.DupontCo.)制成。合適的碳涂層48(a)是碳填充的環(huán)氧油墨，可從CreativeMaterials Inc(CMI)以商標(biāo)名113-26油墨購(gòu)得。另外，陽(yáng)極基材48可由涂覆有電子導(dǎo)電膜如氧化銦錫(ITO)或?qū)щ娞纪繉拥慕^緣塑料膜如購(gòu)自Allied Signal Co.的ACLAR膜(聚三氟氯乙烯)或購(gòu)自ICI的KALODEX膜(聚萘二甲酸乙二醇酯)制成。另外，陽(yáng)極基材48可由導(dǎo)電碳填充的塑料如可從W.L.Gore Co.以X17611碳填充的膜購(gòu)得的碳填充的氟碳聚合物膜。陽(yáng)極基材48的厚度理想的是約0.5-1密耳。庫(kù)侖電池陽(yáng)極47可由通過(guò)濺射或通過(guò)電子束蒸發(fā)淀積于陽(yáng)極基材48頂部的銀涂層(厚度為500-1000埃)制成。
庫(kù)侖電池陰極基材42可由與上述陽(yáng)極基材48相同的材料制成且厚度相同，或者也可簡(jiǎn)單地為絕緣塑料膜如ACLAR或KALODEX膜。庫(kù)侖電池陰極層43可由通過(guò)濺射或通過(guò)電子束蒸發(fā)淀積于陰極基材42頂部的銀涂層(厚度為500-1000埃)制成。
庫(kù)侖計(jì)電解質(zhì)45(圖2)可通過(guò)首先形成由三氟甲磺酰亞胺銀(AgTFSI)在體積比為1∶1的碳酸亞乙酯和3-甲基環(huán)丁砜溶劑混合物中的混合物組成的涂料電解質(zhì)溶液，然后用聚偏二氟乙烯膠凝該溶液而制備。電解質(zhì)45可通過(guò)混合8重量份電解質(zhì)溶液和3重量份聚偏二氟乙烯而制備。該混合物在約140℃的溫度下擠成所需厚度，優(yōu)選約1-4密耳(0.025mm-0.10mm)，并施加在庫(kù)侖計(jì)陽(yáng)極47和陰極43上。
庫(kù)侖計(jì)粘合劑框55(圖2)可選自寬范圍的壓敏粘合劑。理想的粘合劑是常規(guī)的丁基橡膠基粘合劑，如聚異丁烯/異戊二烯共聚物粘合劑，可從Exxon Co.以Butyl 065橡膠粘合劑購(gòu)得。粘合劑框55理想的是厚度為約1-2.5密耳(0.025-0.0625mm)。庫(kù)侖計(jì)透明阻隔層52理想的是由厚度為約0.6-1密耳(0.015-0.025mm)的ACLAR(聚三氟氯乙烯)膜(Allied Signal Co.)組成。導(dǎo)電粘合劑62理想的是碳填充的導(dǎo)電粘合劑如可從Adhesives Research Co.以商標(biāo)名ARCLAD導(dǎo)電接觸粘合劑購(gòu)得的那些。粘合劑涂層62理想的是約0.5密耳(0.012mm)厚。箔背材65理想的是厚度為約0.25-0.5密耳(0.006-0.012mm)的鋁箔。
輔助電池陰極導(dǎo)電基材81可由導(dǎo)電碳填充的聚(乙酸乙烯酯)/聚氯乙烯聚合物膜(Rexham Graphics導(dǎo)電塑料膜No.2664-01)制成。上述導(dǎo)電層81層壓于鋁箔層82上。導(dǎo)電聚合物膜理想的是約1密耳(0.025mm)厚，鋁箔厚約0.25-0.5密耳(0.006-0.012mm)。輔助電池陰極83理想的是由含X％電解二氧化錳(EMD)，(90-X)％石墨和10％聚氯乙烯粘合劑的印刷涂料組成。陰極活性層83可通過(guò)將3重量份EMD和石墨的混合物分散于7重量份含水的0.75％Carbopol 940(B.F.Goodrich Co.)交聯(lián)丙烯酸共聚物中并用KOH將混合物的pH調(diào)至10，然后加入足量的HALOFLEX 320(ICI Americas-U.S.Resins Division)PVC膠乳以使其占最終干燥的陰極材料的10wt％而制備。然后將該混合物以溫膜(0.2-0.5密耳厚)涂覆到碳填充的聚合物層81上，再空氣干燥以形成干燥的陰極活性層83。輔助電池分離件72可以是厚度約1密耳(0.025mm)且含有約2-8微升電解質(zhì)溶液73的硝化纖維素或玻璃紙多孔膜，該電解質(zhì)溶液73由約24-32wt％通過(guò)添加ZnO將pH調(diào)4的含水ZnCI組成。
輔助電池陽(yáng)極基材76可由導(dǎo)電碳填充的聚乙酸乙烯酯/聚氯乙烯聚合物膜(Rexham Graphics導(dǎo)電塑料膜No.2664-01)組成?；?6層壓于鋁箔層78上。導(dǎo)電聚合物膜理想的是約-1密耳(0.025mm)厚，而鋁箔為約0.25-0.5密耳(0.006-0.012mm)厚。輔助電池陽(yáng)極層77可以為由90％鋅粉和10％苯乙烯-丁二烯共聚物(SBR)粘合劑組成的涂層。陽(yáng)極層77可通過(guò)首先將6.5重量Zn粉(5-7微米粒度)分散于3.5重量份含水的1.25％Carbopol 940交聯(lián)丙烯酸共聚物凝膠(用KOH調(diào)pH至12)中而制備。然后加入足量苯乙烯-丁二烯橡膠膠乳(ROVENE 5550 SBR膠乳，得自Rohm & Haas Co.)以在最終干膜中得到1重量份苯乙烯-丁二烯橡膠/9重量份鋅。然后將該混合物以濕膜(0.5-1.5密耳厚)涂覆到碳填充的聚合物層76上，再空氣干燥。
輔助電池接觸粘合劑61和92可選自多種導(dǎo)電粘合劑。合適的粘合劑61或92可以是從Adhesives Research Co.以ARCLAD粘合劑購(gòu)得的導(dǎo)電碳填充的接觸粘合劑。該粘合劑可以以約0.5密耳(0.012mm)的厚度涂覆到鋁箔層82上，形成粘合劑層92。相同的粘合劑組合物可以以約0.5密耳(0.012mm)的厚度涂覆到庫(kù)侖陰極基材端部42(b)上，形成粘合劑層61。
輔助電池絕緣件85可適當(dāng)?shù)赜删垡宜嵋蚁?聚氯乙烯的可熱密封膜形成。另外，它可由丁基橡膠壓敏粘合劑如購(gòu)自Exxon Co.的Butyl 065橡膠組成。絕緣件85有利的是厚約1-2密耳(0.025-0.05mm)。
庫(kù)侖計(jì)背材粘合劑32可選自寬范圍的壓敏粘合劑。理想的是粘合劑32由丁基橡膠壓敏粘合劑如購(gòu)自Exxon Co.的Butyl 065橡膠組成。
庫(kù)侖電池的另一實(shí)施方案為示于圖5和6中的庫(kù)侖電池120。庫(kù)侖電池120可代替圖2中的電池20。庫(kù)侖電池120與電池20的不同在于它有透明的導(dǎo)電基材148用于陽(yáng)極47。陽(yáng)極47淀積在透明導(dǎo)電基材148上，因而該透明導(dǎo)電基材148位于透明阻隔層52和陽(yáng)極47之間(圖6)。陰極43直接淀積在阻隔層52之下，其間無(wú)需任何基材148。通過(guò)這樣制造，透明阻隔層52，透明基材148，陽(yáng)極47和陰極43一起在庫(kù)侖計(jì)120組裝時(shí)構(gòu)成一個(gè)單一的離散副組件165。庫(kù)侖計(jì)120通過(guò)在阻隔層134周圍施加粘合劑邊界55(圖6)而組裝。粘合劑邊界55限定了可用電解質(zhì)45填充的窗口區(qū)域。庫(kù)侖計(jì)120然后可通過(guò)使副組件165與粘合劑邊界55接觸而組裝，如圖6所示。陽(yáng)極端部47(b)和陰極端部43(b)延伸超過(guò)粘合劑邊界55，用作電觸點(diǎn)。將庫(kù)侖計(jì)120裝于電池上，絕緣層134最靠近電池殼體。在該實(shí)施方案中，陽(yáng)極47(圖5)通過(guò)上面的透明阻隔層52和透明導(dǎo)電層148可見(jiàn)，因而電解質(zhì)不必像圖2實(shí)施方案所示透明，而且可以著色以在陽(yáng)極47減少時(shí)提供對(duì)照。若電解質(zhì)45透明，則下面的阻隔層134應(yīng)著色，以提供必要的對(duì)照。
優(yōu)選用于透明導(dǎo)電基材148的材料包括氧化銦錫和其他易于通過(guò)薄膜淀積技術(shù)如濺射淀積的透明半導(dǎo)體。優(yōu)選用于阻隔膜52的材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯和其他對(duì)薄膜淀積過(guò)程中的高溫穩(wěn)定的化學(xué)惰性透明膜。絕緣層134可以是Aclar或Kalodex材料，它們底下涂有接觸粘合劑如上述粘合劑32，以確保層134與主電池30殼體的粘接。庫(kù)侖計(jì)可與輔助電池25和主電池30以類似于圖2所述方式連接。
在另一實(shí)施方案中，輔助電池25可以省去且?guī)靵鲭姵?0或120可直接與主電池30相連。這可通過(guò)在待測(cè)試主電池內(nèi)安裝一個(gè)并聯(lián)電阻器而達(dá)到。此時(shí)，示作電阻器122的并聯(lián)電阻器可裝在主電池30的陽(yáng)極側(cè)，與圖3的電路圖一致。另外，示作電阻器112的并聯(lián)電阻器可裝在主電池30的陰極側(cè)，與圖4的電路圖一致。并聯(lián)電阻器112或122可設(shè)定在合適的值，理想的是約1-10毫歐，以確保庫(kù)侖電池的陽(yáng)極47減少百分率大致與主電池30的控制陽(yáng)極或陰極減少百分率相同，而與主電池上的負(fù)荷38無(wú)關(guān)。(不過(guò)量的主電池電極可認(rèn)為是控制電極)。因而正如在前一實(shí)施方案中一樣，庫(kù)侖電池中陽(yáng)極47的剩余量對(duì)主電池30的電荷狀態(tài)提供了連續(xù)的視覺(jué)指示。
并聯(lián)電阻器122可通過(guò)在主電池陽(yáng)極77和負(fù)極115之間串聯(lián)加入電阻器122而置于主電池30的陽(yáng)極側(cè)(圖3)。這可通過(guò)將金屬電阻片122在集流器118和端蓋110之間串聯(lián)連接而達(dá)到，如圖3A所示(細(xì)長(zhǎng)的金屬部件稱為集流器，它們將陽(yáng)極端蓋和電池中的陽(yáng)極活性材料連接，且常用于常規(guī)電池中)。集流器118可連于片122的一側(cè)，而片122的另一側(cè)可連于端蓋110(圖3A)。
為了跨過(guò)電阻片122連接庫(kù)侖電池20，使集流器118通過(guò)一個(gè)由夾在兩絕緣層130和132之間的導(dǎo)電表面134形成的額外片125，以使集流器118與導(dǎo)電表面134電接觸。絕緣層130和132保護(hù)導(dǎo)電層134并防止電池殼和端蓋110間電短路。導(dǎo)電層134可通過(guò)在絕緣片132上淀積導(dǎo)電材料如銀而形成。片132可選自寬范圍的化學(xué)耐性塑料，優(yōu)選尼龍?？商峁?dǎo)電接頭136并且它由從片132邊緣延伸的一部分該片上的導(dǎo)電層134形成。因而庫(kù)侖電池20可通過(guò)將庫(kù)侖陽(yáng)極47與主電池30的負(fù)端蓋110電連接并通過(guò)將庫(kù)侖陰極43與導(dǎo)電接頭136電連接而跨過(guò)電阻片122連接。電阻片122有利的是由半導(dǎo)體材料形成，優(yōu)選電導(dǎo)率為10-50ohm-1/cm。合適的固有半導(dǎo)體包括Si，Ge，硫化物如ZnS或FeS2，或氧化物如SnO2。導(dǎo)電層134可以由導(dǎo)電材料如銀制成，而絕緣片130和132可以為化學(xué)耐性的絕緣塑料如尼龍。
另外，電阻器112所示的并聯(lián)電阻器可置于主電池30的陰極側(cè)，與圖4中的電路圖一致。這實(shí)際上可通過(guò)如圖4A所示在正極145和主電池陰極之間加一額外電阻112而進(jìn)行。這可通過(guò)在正極145和主電池殼體144之間加入半導(dǎo)體材料如上述那些而增加正極145的深度來(lái)完成。然后將庫(kù)侖計(jì)陽(yáng)極47與殼體144連接，并將庫(kù)侖計(jì)陰極43與正極145連接。
在上述實(shí)施方案(圖3A和4A)中，并聯(lián)電阻器122或112理想的是電阻低于待測(cè)試主電池的內(nèi)部電阻的約10％。因此，若主電池為內(nèi)部電阻約0.1歐的常規(guī)堿性電池，則并聯(lián)電阻器的電阻理想的是低于約0.01歐。并聯(lián)電阻更高對(duì)庫(kù)侖電池的可接受操作是可能的，但較高的并聯(lián)電阻趨于過(guò)多地干擾主電池的正常工作。盡管這些實(shí)施方案(圖3A和4A)可以不使用輔助電池，但輔助電池的使用是有利的，因?yàn)樗a(chǎn)生更穩(wěn)定和更可靠的庫(kù)侖電池。在主電池的放電過(guò)程中，跨過(guò)并聯(lián)電阻器的電壓降隨負(fù)荷電阻38而變化，且對(duì)于約1-10歐的負(fù)荷電阻來(lái)說(shuō)電壓降典型的是約為1-10毫伏。因此使用這種并聯(lián)電阻器，庫(kù)侖電池應(yīng)具有能在這一小電壓下工作的高電化學(xué)活性。銀電解質(zhì)如高氯酸銀水溶液具有足夠高的電化學(xué)活性，因而是理想的。
下面為參照?qǐng)D2說(shuō)明的測(cè)試器的工作實(shí)施例實(shí)施例1制造在該優(yōu)選實(shí)施方案(圖2)中所述類型的工作測(cè)試器并用來(lái)指示通過(guò)各種負(fù)荷放電的AA堿性電池的電荷狀態(tài)。
圖2所述庫(kù)侖電池用下列組件制備庫(kù)侖陽(yáng)極和陰極通過(guò)在導(dǎo)電碳涂覆基材(購(gòu)自Creative Materials Inc.)上濺射淀積1000埃銀而制備，該基材由具有0.1密耳厚碳/粘合劑涂層的1密耳厚KAPTON聚酰亞胺膜組成。陰極基材約0.47英寸長(zhǎng)，0.20英寸寬，而陽(yáng)極基材約0.86英寸長(zhǎng)，0.20英寸寬。陰極約0.16英寸長(zhǎng)，0.20英寸寬，陽(yáng)極約0.40英寸長(zhǎng)，0.20英寸寬，從而使陽(yáng)極電容為約14×10-6Amp·hr。陰極與陽(yáng)極在內(nèi)部空間約0.66英寸長(zhǎng)0.30英寸寬的2.5密耳厚丁基橡膠壓敏粘合劑窗內(nèi)相隔約0.05英寸。陽(yáng)極和陰極由約0.61英寸長(zhǎng)、約0.25英寸寬、2密耳厚透明電解質(zhì)接觸，該電解質(zhì)由在溶劑中的0.35M Ag TFSI(三氟甲磺酰亞胺銀)組成并按前述優(yōu)選實(shí)施方案制備。使用約1.06英寸長(zhǎng)、0.60英寸寬、1密耳厚ACLAR 33C透明阻隔膜來(lái)密封該庫(kù)侖計(jì)。最終的庫(kù)侖計(jì)厚度為約6-7密耳(0.15-0.18mm)，在1kHz下測(cè)得AC電阻為約4千歐。
圖2所述類型的輔助電池用下述組分制備。該輔助電池陰極通過(guò)在導(dǎo)電基材上涂覆含電解二氧化錳(EMD)的二氧化錳層而制備，該基材由前述Rexham Graphics No.2664-01導(dǎo)電碳填充的塑料膜制成。該二氧化錳涂層以0.5密耳厚的濕膜涂覆，干燥后組成為72％EMD和18％石墨。二氧化錳層的面積約為0.018平方英寸，為的是使電容為約14×10-6Amp·hr。輔助電池陽(yáng)極通過(guò)在如前所述的Rexham Graphics No.2664-01導(dǎo)電碳填充的塑料基材上施加鋅涂層而制備。干燥鋅陽(yáng)極的厚度約1密耳，面積約0.070平方英寸，以使電容比陰極過(guò)量幾倍。分離件使用1密耳厚Courtaulds 350 POO玻璃紙材料制備，該材料含有約6×10-6升pH4(28％ZnCl2)電解質(zhì)。粘合劑85為2密耳厚的丁基橡膠壓敏粘合劑(Exxon的Butyl橡膠065粘合劑)，用來(lái)密封該輔助電池。最終的輔助電池厚約8密耳，在1kHz下測(cè)得交流電阻約為2千歐。本實(shí)施例中最終的測(cè)試器厚度約為6-8密耳(0.15-0.2mm)。
庫(kù)侖計(jì)和輔助電池以圖2所示的并排布置相互接觸，并使用0.5密耳厚的前述ARCLAD導(dǎo)電粘合劑(61和92)與新AA堿性電池連接(圖2A)。該AA電池通過(guò)1歐、4歐、36歐或75歐的負(fù)荷電阻器連續(xù)或間歇地從1.5伏放電至0.8伏。在這種情況的放電過(guò)程中，跨過(guò)庫(kù)侖電池的電壓小。例如，對(duì)于4歐負(fù)荷，跨過(guò)庫(kù)侖電池的電壓約為40-100毫伏，且通過(guò)庫(kù)侖電池的電流約為2×10-6安。在所有情況中，庫(kù)侖計(jì)陽(yáng)極以尺度形式消失，從而從視覺(jué)上顯露下面的黑色導(dǎo)電基材(48)，消失從最靠近陰極的端部(47(a))開(kāi)始并向陰極的相對(duì)端進(jìn)行。消失的量與AA電池的放電程度線性正比相關(guān)。因而測(cè)試器用作主電池的電荷狀態(tài)的有效指示器。
本文所述庫(kù)侖電池實(shí)施方案可有利地用來(lái)測(cè)試常規(guī)Zn/MnO2堿性電池的狀態(tài)，該堿性電池典型地可用約1-1000歐的負(fù)荷電阻操作。然而本發(fā)明的應(yīng)用并不局限于堿性電池，而是可有效用來(lái)測(cè)試任何干電池的狀態(tài)。
盡管本發(fā)明已參照具體實(shí)施方案和構(gòu)造的具體材料進(jìn)行了說(shuō)明，但應(yīng)理解在不背離本發(fā)明范圍前提下可以有其他實(shí)施方案和材料。因此，本發(fā)明并不限于這里所描述的具體實(shí)施方案，其范圍由權(quán)利要求書(shū)及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.電池與電池狀態(tài)指示器的組合，其中所述電池包括殼體，負(fù)極和正極；其特征在于所述狀態(tài)指示器包括一個(gè)基本不具有其自身電動(dòng)勢(shì)的電解電池，所述電解電池包括一個(gè)陽(yáng)極，一個(gè)陰極和一種電解質(zhì)，且所述狀態(tài)指示器與該電池永久電連接；其中該電解電池的所述陽(yáng)極和陰極中的至少一個(gè)可見(jiàn)，且其中在所述電池放電過(guò)程中，在所述可見(jiàn)電極的第一區(qū)開(kāi)始反應(yīng)并由此繼續(xù)反應(yīng)至其遠(yuǎn)程區(qū)。
2.權(quán)利要求1的組合，其中所述狀態(tài)指示器還包含一個(gè)與電解電池串聯(lián)電連接的輔助電池，其中該輔助電池為電池以外的電化學(xué)電池，所述輔助電池包含一個(gè)陽(yáng)極，一個(gè)陰極和一種與所述輔助電池陽(yáng)極和陰極的至少一部分接觸的電解質(zhì)，其中電池與該輔助電池電連接，電池的正極與輔助電池的陰極電連接或所述電池的負(fù)極與輔助電池的陽(yáng)極電連接。
3.權(quán)利要求1的組合，其中電解電池陽(yáng)極和陰極包含相同的電化學(xué)活性材料。
4.權(quán)利要求1的組合，其中電解電池的陽(yáng)極和陰極橫向隔開(kāi)，從而沒(méi)有部分電解電池陽(yáng)極與電解電池陰極的任何部分重疊。
5.權(quán)利要求1的組合，其中電解電池的陽(yáng)極和陰極均包含銀。
6.權(quán)利要求1的組合，其中電池狀態(tài)指示器厚度低于約100密耳(2.5mm)。
7.權(quán)利要求1的組合，其中狀態(tài)指示器厚度為約2-15密耳(0.05-0.4mm)。
8.權(quán)利要求2的組合，其中輔助電池陰極與電池的正極電連接，輔助電池陽(yáng)極與電解電池陰極電連接，而電解電池陽(yáng)極與電池的負(fù)極電連接。
9.權(quán)利要求2的組合，其中輔助電池陽(yáng)極與電池的負(fù)極電連接，輔助電池陰極與電解電池陽(yáng)極電連接，而電解電池陰極與電池的正極電連接。
10.權(quán)利要求1的組合，其中狀態(tài)指示器整合入所述電池的標(biāo)簽中。
11.一種用于電化學(xué)電池的狀態(tài)指示器，其特征在于所述狀態(tài)指示器厚度低于100密耳(2.5mm)，且包含一個(gè)基本上不具有其自身電動(dòng)勢(shì)的電解電池，所述電解電池包含一個(gè)陽(yáng)極，一個(gè)陰極和一種電解質(zhì)，所述電解質(zhì)與所述陽(yáng)極和陰極二者的至少一部少電接觸，其中所述陽(yáng)極和陰極之一的至少一部分是可見(jiàn)的，且其中在電解電池的電解過(guò)程中，在所述可見(jiàn)電極的第一區(qū)開(kāi)始反應(yīng)并由此繼續(xù)反應(yīng)直至其遠(yuǎn)程區(qū)。
12.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中陽(yáng)極和陰極橫向相互隔開(kāi)，從而沒(méi)有部分陽(yáng)極與陰極重疊，且其中在電解電池的電解過(guò)程中，陽(yáng)極的消失從其最靠近陰極的一端發(fā)生。
13.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中該狀態(tài)指示器的厚度為2-15密耳(0.05-0.4mm)。
14.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中陽(yáng)極和陰極包含相同的電化學(xué)活性材料。
15.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中陽(yáng)極和陰極二者都包含銀。
16.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中電解電池還包括一個(gè)與所述陽(yáng)極一側(cè)接觸的導(dǎo)電基材。
17.權(quán)利要求12的狀態(tài)指示器，其中電解電池還包括一個(gè)在所述電解質(zhì)上的保護(hù)膜，所述陽(yáng)極的至少一部分通過(guò)所述保護(hù)膜和所述電解質(zhì)可見(jiàn)。
18.權(quán)利要求11的狀態(tài)指示器，其中所述電解電池還包括一個(gè)與所述陽(yáng)極一側(cè)接觸的透明導(dǎo)電基材，其中至少一部分所述陽(yáng)極通過(guò)所述透明導(dǎo)電基材可見(jiàn)。
19.權(quán)利要求18的狀態(tài)指示器，其中所述透明導(dǎo)電基材包含氧化銦錫。
20.權(quán)利要求15的狀態(tài)指示器，其中電解質(zhì)包括三氟甲磺酰亞胺銀。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于測(cè)定電化學(xué)電源如電池或主電池(30)的狀態(tài)的測(cè)試器(10)。該測(cè)試器可包含一個(gè)串聯(lián)于輔助電池(25)的電解(庫(kù)侖)電池(20)。該輔助電池(25)為微型電化學(xué)電池。該電解(庫(kù)侖)電池(20)可以不具有其自身的電動(dòng)勢(shì)且可以包含相同材料的一個(gè)陽(yáng)極(47)和一個(gè)陰極(43),理想的材料是銀,電解質(zhì)(45)與陽(yáng)極(47)和陰極(43)二者的至少一部分接觸。測(cè)試器(10)可以永久地并聯(lián)連接于要測(cè)試的主電池(30)且薄至足以整合入主電池(30)的標(biāo)簽(58)中。當(dāng)主電池(30)放電時(shí),電解電池陽(yáng)極(47)與該主電池的電極之一的放電成正比地消失,以對(duì)主電池(30)的電荷狀態(tài)提供連續(xù)的視覺(jué)可辨的指示。
文檔編號(hào)H01M10/48GK1180409SQ96192244
公開(kāi)日1998年4月29日 申請(qǐng)日期1996年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月26日
發(fā)明者D·奧佛, G·M·西阿勒, J·伯涅爾 申請(qǐng)人:杜拉塞爾公司