用于電化學(xué)電池的端帽組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及堿性電化學(xué)電池。
【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)電池或蓄電池通常用作電能來源。蓄電池包括通常稱作陽極的負極和通常稱作陰極的正極。陽極包含可被氧化的活性材料。陰極包含可被還原的活性材料。陽極活性材料能夠還原陰極活性材料。分隔體設(shè)置在陽極和陰極之間。這些部件設(shè)置在通常由金屬制成的罐或外殼中。
[0003]當使用蓄電池作為裝置中的電能來源時，陽極和陰極發(fā)生電接觸，使電子流過裝置，允許發(fā)生相應(yīng)的氧化和還原反應(yīng)以提供電能。與陽極和陰極接觸的電解質(zhì)包含離子，離子在放電期間流過陽極和陰極之間的分隔體以保持蓄電池整體的電荷平衡。
[0004]制備更適于向現(xiàn)代電子設(shè)備供電的蓄電池的需求持續(xù)增長，所述電子設(shè)備諸如玩具；遙控器；音頻裝置；手電筒；數(shù)字相機和外部攝影設(shè)備；電子游戲；牙刷；收音機；和時鐘。為了滿足這種需求，蓄電池可包括更高的陽極活性材料和陰極活性材料的負載以提供增長的使用壽命。然而，蓄電池還以常見尺寸出現(xiàn)，諸如具有固定的外部尺寸的AA、AAA、AAAA、C和D蓄電池尺寸。為了進一步使得能夠包含增大的陽極活性材料和陰極活性材料負載，蓄電池外殼的內(nèi)部體積可增大。由端帽組件占據(jù)的體積的減小是提供用以包括另外的量的陽極活性材料和陰極活性材料的更大的內(nèi)部體積的一個可用變量。這些改變必須在最低程度上在相當于當前設(shè)計的水平上保持防電解質(zhì)滲漏性。存在對于提供這樣一種端帽組件的需要，該端帽組件用于在蓄電池中使用，以允許內(nèi)部蓄電池體積的增加，以用于增加活性陽極材料和活性陰極材料的量，同時在最低程度上保持防電解質(zhì)滲漏性，以便實質(zhì)增大總體蓄電池性能，諸如功率容量、使用壽命、在環(huán)境條件和加速環(huán)境條件以及長期儲存下的防滲漏性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種用于電化學(xué)電池的端帽組件。該端帽組件包括:具有頂部表面和底部表面的端帽；集流體，該集流體包括在其一個端部處具有頭部的柱狀主體；以及包括中心轂的密封件，該中心轂具有集流體插入穿過其中的開口。密封件包括周邊邊緣和連接中心轂與周邊邊緣的連接部分。連接部分具有頂部表面和底部表面。中心轂包括頂部表面和底部表面。中心轂的頂部表面面向端帽的底部表面，并且中心轂的底部表面不在連接部分的底部表面下方延伸。集流體定位在中心轂的開口內(nèi)，使得集流體的頭部不接觸中心轂的頂部表面，從而在集流體的頭部和中心轂的頂部表面之間形成約0.0lmm至約0.50mm的間隙。集流體的頭部電連接到端帽的底部表面。
[0006]在另一個實施例中，本發(fā)明涉及一種電化學(xué)電池。該電化學(xué)電池包括具有至少一個開口端的外殼；陽極、陰極、設(shè)置在陽極和陰極之間的分隔體；以及外殼內(nèi)的電解質(zhì)。端帽組件裝配在外殼的至少一個開口端內(nèi)。該端帽組件包括:具有頂部表面和底部表面的端帽；集流體，該集流體包括在其一個端部處具有頭部的柱狀主體；以及包括中心轂的密封件，該中心轂具有集流體插入穿過其中的開口。密封件包括周邊邊緣和連接中心轂與周邊邊緣的連接部分。連接部分具有頂部表面和底部表面。中心轂包括頂部表面和底部表面。中心轂的頂部表面面向端帽的底部表面，并且中心轂的底部表面不在連接部分的底部表面下方延伸。集流體定位在中心轂的開口內(nèi)，使得集流體的頭部不接觸中心轂的頂部表面，從而在集流體的頭部和中心轂的頂部表面之間形成約0.0lmm至約0.50mm的間隙。集流體的頭部電連接到端帽的底部表面。
【附圖說明】
[0007]雖然在說明書之后提供了特別指出和清楚地要求保護主題的權(quán)利要求書，該主題形成本發(fā)明，但是據(jù)信通過下面的描述并結(jié)合附圖可以更好地理解本發(fā)明。
[0008]圖1為電化學(xué)電池的橫截面。
[0009]圖2為本發(fā)明的端帽組件的視圖。
[0010]圖3為包括本發(fā)明的端帽組件的成品電化學(xué)電池的視圖。
【具體實施方式】
[0011]電化學(xué)電池或蓄電池可為一次電池或二次電池。一次蓄電池是指僅放電(如，放電至耗盡)一次，然后丟棄。一次蓄電池在例如David Linden, Handbook ofBatteries (McGraw-Hill，第4版，2011)中有所描述。二次蓄電池旨在進行再充電。二次蓄電池可放電并隨后再充電多次，例如超過五十次、一百次、或更多次。二次蓄電池在例如David Linden, Handbook of Batteries (McGraw-Hill，第 4 版，2011)中有所描述。因此，蓄電池可包括各種電化電偶和電解質(zhì)組合。盡管本文提供的描述和示例是針對一次堿性電化學(xué)電池或蓄電池，但是應(yīng)當理解，本發(fā)明應(yīng)用于具有含水或不含水體系的一次蓄電池和二次蓄電池兩者。具有含水或不含水體系的一次蓄電池和二次蓄電池兩者因此在本專利申請的范圍內(nèi)并且本發(fā)明不限于任何具體實施例。
[0012]參見圖1，堿性電化學(xué)電池或蓄電池1包括陰極12、陽極14、分隔體16和外殼18。蓄電池10還包括集流體20、密封件22和端帽24。電解質(zhì)溶液(未示出)分散在蓄電池10各處。蓄電池10可為例如AA、AAA、AAAA、C、或D堿性蓄電池。
[0013]外殼18可為常常用于一次堿性蓄電池的任何常規(guī)類型的外殼，并且可由任何合適的材料制成，例如冷乳鋼或鍍鎳冷乳鋼。外殼18可具有常規(guī)的圓柱體形狀-或可具有任何其它合適的非圓柱體形狀，例如棱柱形狀。外殼18可例如由基體材料諸如冷乳鋼或鍍鎳鋼的片材深度拉伸。外殼18可例如拉伸成圓柱體形狀。成品外殼18可具有至少一個開口端。成品外殼18可具有封閉端和開口端，其中兩者間具有側(cè)壁。外殼18的內(nèi)壁可用在外殼18的內(nèi)壁和電極之間具有低電接觸電阻的材料處理。外殼18的內(nèi)壁可鍍有例如鎳、鈷和/或涂有載碳油漆(carbon-loaded paint)以減小外殼內(nèi)壁和陰極12之間的接觸電阻。
[0014]陰極12包含一種或多種電化學(xué)活性陰極材料。電化學(xué)活性陰極材料可包括錳氧化物、二氧化錳、電解二氧化錳(EMD)、化學(xué)二氧化錳(CMD)、高功率電解二氧化錳(HPEMD)、λ 二氧化錳、以及它們的混合物。其它電化學(xué)活性陰極材料包括但不限于氧化銀；氧化鎳；羥基氧化鎳；氧化銅；銅鹽，諸如碘酸銅；氧化鉍；高化合價鎳；氧氣；它們的合金、以及它們的混合物。氧化鎳可包括羥基氧化鎳、羥基氧化鈷涂覆的羥基氧化鎳、脫鋰層狀氧化鋰鎳、以及它們的組合。羥基氧化鎳可包括β -羥基氧化鎳、γ -羥基氧化鎳、和/或β -羥基氧化鎳和/或γ-羥基氧化鎳的共生物。羥基氧化鈷涂覆的羥基氧化鎳可包括羥基氧化鈷涂覆的β-羥基氧化鎳、羥基氧化鈷涂覆的γ-羥基氧化鎳、和/或β-羥基氧化鎳和γ -羥基氧化鎳的羥基氧化鈷涂覆的共生物。氧化鎳可包括具有化學(xué)通式Li1 xHyNi02的部分脫鋰的層狀氧化鎳，其中0.1 < X < 0.9并且0.1 < y < 0.9。高化合價鎳可例如包括四價鎳。
[0015]電解二氧化錳(EMD)是用于電化學(xué)電池諸如堿性蓄電池的優(yōu)選的二氧化錳形式，這是因為它的高密度并且因為它通過電解方法便利地以高純度獲取?；瘜W(xué)二氧化錳(CMD)是一種化學(xué)合成的二氧化錳，其也被用作電化學(xué)電池中的電化學(xué)活性陰極材料，該電化學(xué)電池包括堿性電池和重型電池。
[0016]EMD通常由包含硫酸錳和硫酸的水性溶液的直接電解來制造。用于制造EMD的方法及其性能見于 Karl V.Kordesch 編輯的 Batteries，Marcel Dekker, Inc.(New York),Vol.1，(1974)，第433-488頁。CMD通常通過本領(lǐng)域已知的方法“Sedema方法”制備，這是一種化學(xué)方法，由美國專利2，956，860 (Welsh)公開。電池級Mn(VSJ經(jīng)由Sedema方法，使用MnSOjP堿金屬氯酸鹽(優(yōu)選NaClO3)的反應(yīng)混合物制備。二氧化錳的經(jīng)銷商包括Tronox、Erachem、Tosoh、Delta Manganese、和Xiangtan。在放電期間期望極低或不期望失真的蓄電池中，可使用高功率(HP)EMD。優(yōu)選地，包括HP EMD作為陰極活性材料的蓄電池具有至少
1.635伏特(V)的開路電壓(OCV)。合適的HP EMD可從Tronox以商品名High Drain商購獲得。
[0017]陰極12也可包括碳顆粒和粘合劑。陰極12也可包括其它添加劑。陰極12將具有孔隙率，該孔隙率可在制造時通過下式計算:
[0018]陰極孔隙率=(1-(陰極固體體積+陰極體積))X 100陰極孔隙率可為約15%至約45%并且優(yōu)選地介于約22%和約31%之間。陰極孔隙率通常在制造時計算，因為孔隙率將隨時間推移而變化，這是由于與電解質(zhì)潤濕陰極及蓄電池放電相關(guān)聯(lián)的陰極溶脹。
[0019]陰極中包括碳顆粒以允許電子流過陰極。碳顆粒可為石墨，諸如膨脹石墨和天然石墨；石墨烯、單壁納米管、多壁納米管、碳纖維；碳納米纖維；以及它們的混合物。優(yōu)選的是陰極中的碳顆粒量相對較低，例如，少于約7.0%、少于3.75%、或甚至少于3.5%，例如
2.0%至3.5%。較低的碳含量使得能夠在陰極內(nèi)包含較高的活性材料負載，并且不增加電池體積或減少空隙體積(其必須被保持在某一水平或高于某一水平以防止當電池內(nèi)產(chǎn)生氣體時，內(nèi)部壓力升得太高)。適于在蓄電池內(nèi)使用的膨脹石墨可例如從Timcal獲得。
[0020]—般優(yōu)選的是陰極基本上不含非膨脹石墨。雖然非膨脹石墨顆粒為陰極粒料成形設(shè)備提供潤滑性，但是這種類型的石墨的導(dǎo)電性顯著低于膨脹石墨，并且因此有必要使用更多的非膨脹石墨，以便獲得與包含膨脹石墨的陰極相同的陰極導(dǎo)電性。雖然不是優(yōu)選的，陰極可包含低含量的非膨脹石墨，然而這將危及石墨濃度的減少，該石墨濃度為在保持特定的陰極導(dǎo)電性的同時而獲得的。
[0021]陰極組分諸如活性陰極材料、碳顆粒、粘合劑、以及任何其它添加劑可與液體諸如含水氫氧化鉀電解質(zhì)組合、共混并且壓制成粒料，以用于在成品蓄電池的制造中使用。為了進行最佳粒料加工，一般優(yōu)選陰極材料具