專利名稱：電池外殼的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及金屬空氣電池的外殼。
背景技術(shù)：
電池通常用作電能源。電池內(nèi)有負電極和正電極，負電極通常也稱作陽極，正電極通常也稱作陰極。陽極包含可被氧化的活性材料；陰極包含或消耗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。為阻止陽極材料與陰極材料直接發(fā)生反應，陽極與陰極間由平板狀的層(通常也稱作分隔層)實現(xiàn)彼此間的電隔離。
在如移動電話之類的設備中，在電池用作電能源時將陽極和陰極進行電連接，以使電子流經(jīng)設備并進行各自的氧化和還原反應，從而提供電能。在放電時，與陽極和陰極相接觸的電解液中含有可穿過分隔層在兩電極間流動的離子，從而維持整個電池的電荷平衡。
在金屬空氣電化學電池中，在陰極氧被還原，在陽極金屬被氧化。由電池外的空氣通過容器上的一個或多個空氣進出口將氧提供給陰極。
在棱柱體金屬-空氣電化學電池中，通常采用電池殼作為外殼。外殼允許空氣到達陰極推動電化學反應。外殼也使陰極與陽極保持電隔離，因為陽極有時會從電池中滲漏出來。

發(fā)明內(nèi)容
一般地，本發(fā)明涉及一種對電池材料的滲漏提供良好保護的電池外殼。該外殼可在如移動電話之類的設備中和電池一起使用。
在一方面，本發(fā)明的特征在于提供一種包括外殼的電池，該外殼具有帶有壁的第一殼體和帶有一定高度的外壁和高度小于外壁的內(nèi)壁的第二殼體，其中第二殼體的外壁與內(nèi)壁隔開以接收第一殼體的壁。優(yōu)選地，第一殼體的壁環(huán)繞整個第一殼體的外圍延伸。此外，第二殼體的外壁環(huán)繞整個第二殼體的外圍延伸，和/或第二殼體的內(nèi)壁環(huán)繞整個第二殼體延伸。對于這樣的外殼，提供了一種簡單的、兩片形式的設計。這種設計有助于減少生產(chǎn)成本并簡化制造和組裝的過程。
第一殼體可包括從第一殼體的內(nèi)表面凹陷進去的區(qū)域，從而可將陰極放置在殼體內(nèi)表面上，吸附層放置在殼體的凹陷區(qū)域中。通過將吸附層放置在凹陷區(qū)域中，將陰極直接密封在殼體中。陰極與殼體之間的直接密封減少了從此處發(fā)生滲漏的機會。此外，這使得陰極放置更為平整，從而增加了電池的內(nèi)部空間。
該電池在第一殼體和第二殼體之間還包括至少一個密封層。密封層可位于第一殼體的壁的端部和第二殼體之間。例如，第一殼體的壁的端部有突出部。該突出部可被超聲焊接而在第一殼體的壁和第二殼體之間形成密封層。在第二殼體的外壁和第一殼體的壁之間還可有密封層。該密封層可以是粘結(jié)劑，例如環(huán)氧封裝化合物。該電池還包括放置在第一殼體中的陰極。在電池組裝在一起時，陰極被緊壓在第二殼體內(nèi)壁的端部上。該電池可在第二殼體內(nèi)壁的端部和陰極之間包括密封層。優(yōu)選地，電池有三個密封層，從而提供對電池材料滲漏的良好保護。
通過將陰極緊壓在第二殼體內(nèi)壁上的組裝方式，電池的內(nèi)部空間增加了。這為陰極材料提供了更多的空間，從而增加了電池容量。外殼也不需要為了密封而加熱熔化，并可取消絲網(wǎng)的使用。
在另一方面，本發(fā)明的特征在于提供了一種組裝電池的方法。該方法提供了簡單的制造和組裝工序。該方法包括將陰極置于帶有壁的第一殼體中；將陽極材料置于帶有一定高度的外壁和與外壁隔開、高度小于外壁的內(nèi)壁的第二殼體中；將第一殼體和第二殼體密封在一起，第一殼體的壁接收于第二殼體的兩壁之間。
可通過緊壓各個殼體來完成將第一殼體和第二殼體密封在一起的步驟，從而陰極緊壓在第二殼體內(nèi)壁的端部上?？蓪⒚芊饽z置于壁的端部上，從而在陰極的外圍形成密封。該方法還包括通過在第一殼體的壁的端部和第二殼體之間形成密封來進行第一殼體和第二殼體之間的密封。例如，第一殼體的壁的端部可有突出部，如能量引導部?？蓪⑼怀霾亢附?例如，超聲焊接)在第二殼體上?？赏ㄟ^將如環(huán)氧化合物之類的粘結(jié)劑放置在第一殼體的壁和第二殼體的外壁之間來進行第一殼體和第二殼體之間的密封。優(yōu)選地，該方法包括在第一殼體和第二殼體之間形成至少這三個密封層，從而減少從電池向外滲漏的機會。


圖1是帶有本發(fā)明的外殼的金屬空氣電池的分解圖；圖2是已組裝好的、在連接前的帶有本發(fā)明的外殼的金屬空氣電池的截面圖；圖3是帶有本發(fā)明的外殼的金屬空氣電池的底視圖；圖4是本發(fā)明的外殼的分解圖；圖5是帶有本發(fā)明的外殼的金屬空氣電池中第一空腔的截面圖；圖6是圖5的詳細截面圖；圖7是橫穿帶有本發(fā)明的外殼的金屬空氣電池的第二空腔的截面圖；以及圖8是圖7的詳細截面圖；具體實施方式
參考圖1-4，金屬空氣電池10包括外殼20，該外殼有第一殼體30和第二殼體40，第一殼體和第二殼體設置成在組裝時形成棱柱外殼的形式。殼體30、40可采用已知的技術(shù)來制造，例如噴射模塑法。優(yōu)選地，殼體30、40由不導電的材料制成，如熱塑性材料，例如乙炔-丁烯-苯乙烯(ABS)。在外殼內(nèi)，電池10還可包括密封劑60、吸附層70、陰極80、陽極材料90和/或陽極集電器100。
參照圖1和2，第一殼體30設置成長方形并帶有沿長方形外圍延伸的壁130。典型地，第一殼體30長69mm，寬40mm，高5.5mm，厚0.8mm。然而特定的尺寸和設置決定于在電池上的應用。例如，電池可以設置成長方體或圓柱體。典型地，壁130厚0.8mm，從第一殼體30的下表面伸出4.5mm。如圖2所示，在壁130的端部140有突出部150。突出部150例如在噴射模塑時可與第一殼體30整體成形。在殼體匹配(如下文所述)時，突出部150提供了第一殼體30和第二殼體40之間的焊接密封，例如超聲焊接密封。典型地，在壁130上形成2到4個高度為0.010英寸的突出部150。這些突出部通常在第一殼體30的外圍相互隔開。然而，突出部的數(shù)量可決定于殼體的尺寸和設置而變化。
第一殼體30的內(nèi)部下表面有一個臺階160和由臺階160所限定的凹陷區(qū)域170。臺階160接近于壁130的內(nèi)表面環(huán)繞第一殼體30延伸。典型地，臺階160寬1.8mm，高0.3mm。正如即將描述的，在殼體30、40組裝在一起形成電池10時臺階160有助于提供壓縮密封。如圖2所示，吸附層70放置在凹陷區(qū)域170中，正如下文將描述的，使得陰極80在壓縮密封時放置更為平整。
在圖3中很好地表示出第一殼體30還包括多個空氣進出開口180。開口180在形成第一殼體時制成，例如，可在噴射模塑加工第一殼體30時形成開口。這些開口使得空氣可擴散進入電池中推動電化學反應。為保證電池10放電的一致性，開口180均勻分布在第一殼體30的下表面上。優(yōu)選地，開口180的直徑大約是1.75mm，相距約6mm。
第一殼體30還可包括在第一殼體30外部下表面形成的托腳。托腳190以及插腳190a和插口190b設置并定位成兩個電池10可相互匹配以提供高電壓的形式。例如，第一電池的插腳190a與第二電池的插口190b相匹配，或者反之。通常，相匹配的電池在二者之間形成大約0.060英寸的空氣送氣層。
參照圖2和4，第二殼體40包括環(huán)繞長方形延伸的外壁200和內(nèi)壁210。外壁200在殼體40的一個短邊上可有一個凹槽部220。優(yōu)選地，凹槽部220長24mm，寬2mm。因此第二殼體40的一邊在凹槽的任一邊上可有一凹槽部和未凹陷部。未凹陷部在這里也稱為空腔，正如下文將描述的，未凹陷部提供了放置一部分集電器片和陰極片的空間。優(yōu)選地，外壁200厚0.7mm，環(huán)繞第二殼體40的外圍延伸。優(yōu)選地，內(nèi)壁210厚1.5mm，環(huán)繞第二殼體40延伸并與外壁200隔開，從而限定了一個長方形區(qū)域。如圖2所示，內(nèi)壁210的高度小于外壁200。例如，外壁200高5.5mm，內(nèi)壁210高3.6mm。然而，優(yōu)選地，外壁200的高度足夠高，以便在殼體30、40相互匹配形成電池外殼時遮蓋住第一殼體30的壁130。內(nèi)壁210的高度足夠高，以便在殼體30和40如下文所述相互匹配并密封時與陰極80相接觸形成緊壓密封。內(nèi)壁210和外壁200一起限定了第一空腔230和第二空腔240，以便陰極片110和集電器片120分別伸出電池10之外。因此，在限定空腔230和240的外壁200上部250處加工有凹口，以使片110和120伸出電池10之外。在空腔230和240中還可有粘合劑以提供對滲漏的附加保護。壁200和210也限定了通道260，該通道通常寬0.8mm，環(huán)繞第二殼體40延伸，用于在殼體30、40如下文所述組裝在一起時接收第一殼體30的壁130。
通常通過將陰極板置于第一殼體30中、將陽極材料置于第二殼體40中、然后將兩個殼體30和40匹配在一起來完成電池10的組裝。首先，可以將密封膠邊框265置于臺階160上。密封膠可是626瀝青(Pioneer Asphalt Corp.(Lawrenceville，IL))。優(yōu)選地，密封膠邊框的厚度約為0.002到0.006英寸，更為優(yōu)選地，厚度為0.004英寸。密封膠邊框265確保陰極80附著在第一殼體30的臺階160上。
將吸附層70放置在凹陷區(qū)域170中。吸附層70提供對電池10滲漏的保護并防止浸沒。可將吸附層70加熱在一些局部區(qū)域形成支柱。加熱形成支柱的方法是將吸附層70和第一殼體30熔化以確保固定住吸附層70。優(yōu)選地，吸附層70是可從Hollingsworth & Vose(Charlotte，NC)得到的無紡電池隔離材料#7885。
如圖2所示，將陰極980放置在吸附層70和臺階160之上。陰極可包含在如金屬絲網(wǎng)之類的集電器上沉積的激活陰極混合物。該混合物可包含粘結(jié)料、碳顆粒和減少過氧化物的催化劑?？捎玫恼辰Y(jié)料包括一種由聚四氟乙烯(PTFE)顆粒形成的粘結(jié)料?？捎玫拇呋瘎┌ㄥi氧化物，如Mn2O3、Mn3O4和MnO2，這些錳氧化合物可通過加熱錳硝酸鹽或還原高錳酸鉀來制備。陰極80的外面朝向空氣進出口，可覆蓋一層PTFE膜。該層膜也有助于阻止電解液滲漏到電池外以及CO2滲入電池內(nèi)。
瀝青密封膠270通常厚1.2mm，沿外圍放置在陰極表面頂部上。密封膠270有助于在陰極80和第二殼體40的內(nèi)壁210的端部之間提供密封。
將陽極集電器100放置在第二殼體40之內(nèi)。陽極集電器120是一個展開的網(wǎng)格，最好由如銅之類的耐蝕材料制成。陽極集電器100可在一些局部區(qū)域加熱形成支柱，以確保集電器固定在殼體40上。
將陽極凝膠體材料90放置在陽極集電器100上。陽極凝膠體包含鋅和電解液的混合物。該鋅和電解液的混合物包含有助于阻止電解液從電池中滲漏出去并將鋅顆粒保持在陽極內(nèi)的膠凝劑。
含鋅的材料可以是與鉛、銦、鋁或鉍形成合金的鋅粉末。例如，鋅可與400到600ppm(例如500ppm)的鉛、400到600ppm(例如500ppm)的銦或50到90ppm(70ppm)的鋁形成合金?？蛇x地，鋅可包含鉛而沒有其它添加物。含鋅的材料可以是吹制或紡制的鋅(airblown or spun zinc)。例如，在1998年9月18號提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1號提交的U.S.S.N.08/905,254和1998年7月15號提交的U.S.S.N.09/115,867中描述了適用的鋅顆粒，本文以參考文獻的形式包含上述每一篇文獻的全文。鋅可以是粉末。鋅顆粒可以是球形的或非球形的。例如，鋅顆粒的形狀可以是針形的(縱橫比至少為2)。
膠凝劑是吸附聚丙烯酸酯。例如，在美國專利4,541,871、美國專利4,590,227或美國專利4,507,438中描述了適用的膠凝劑。在某些實施例中，陽極凝膠體包括非離子表面活化劑和銦或鉛化合物，如銦氫氧化物或鉛乙酸酯。在1999年8月13號提交的U.S.S.N09/374,278中提供了陽極凝膠體的進一步描述，本文以參考文獻的形式包含其內(nèi)容。
電解液可是高錳酸鉀水溶液。電解液可包含30到40百分比，優(yōu)選地，35到40百分比的高錳酸鉀。電解液也可包含大約1到2百分比的氧化鋅。
將分別帶有內(nèi)含物的兩個殼體30、40進行匹配，通道260接收第一殼體的壁130。如圖5和6所示，在組裝電池10時，陰極片110從陰極80伸到第一殼體30的壁130和第二殼體40的內(nèi)壁210之間，沿第一殼體30的壁130外表面穿過第一空腔230伸到電池10外。如圖7和8所示，陽極集電器片120從集電器100伸到第一殼體30的壁130和第二殼體40的內(nèi)壁210之間，穿過第二空腔240伸到電池10外。
對位于第一殼體30的壁130端部的突出部150進行超聲焊接，以便在殼體30和40之間提供定位焊接。在焊接時，突出部150引導能量并由于電阻加熱而熔化。熔化的突出部在第一殼體30和第二殼體40之間形成封焊。優(yōu)選地，由于片110和120會阻礙超聲焊接，突出部150沒有沿接收在空腔中的第一殼體30的壁130的端部排列。
優(yōu)選地，所形成的突出部150的初始高度大約為0.010英寸。焊接(即熔化)后的最終高度大約為0.002英寸。
在組裝時，通過在陰極80和第二殼體40內(nèi)壁210的端部之間的壓縮密封進一步實現(xiàn)電池的密封。由于殼體30和40相互匹配并超聲焊接在一起，第二殼體40的內(nèi)壁210的端部280與陰極80相作用緊壓密封膠270，環(huán)繞內(nèi)壁210外圍形成滲漏防護。殼體30和40的相互匹配也會將陰極80緊壓在密封層60上，并將密封層60緊壓在臺階1160上，從而進一步密封殼體。緊壓密封也有助于平整地固定住陰極，從而提供可被陽極材料使用的更多內(nèi)部容積。
電池通過在第一和第二空腔230和240中放置粘結(jié)劑而得到進一步的密封。粘結(jié)劑可以是環(huán)氧封裝化合物，如Oxybond 109Blk(Ellsworth Adhesive Systems(Stone Mountain，GA))?？赏ㄟ^如注射器之類的給料器將密封膠沉積在空腔230和240之中。
權(quán)利要求
1.一種包括外殼的電池，具有帶有壁的第一殼體；和帶有一定高度的外壁和高度小于外壁的內(nèi)壁的第二殼體，其中第二殼體的外壁和內(nèi)壁隔開以接收第一殼體的壁。
2.權(quán)利要求1所述的電池，其中第一殼體的壁環(huán)繞整個第一殼體的外圍延伸。
3.權(quán)利要求1所述的電池，其中第二殼體的外壁環(huán)繞整個第二殼體的外圍延伸。
4.權(quán)利要求1所述的電池，其中第二殼體的內(nèi)壁環(huán)繞整個第二殼體延伸。
5.權(quán)利要求1所述的電池，還包括放置在第一殼體中的陰極。
6.權(quán)利要求5所述的電池，其中在殼體組裝在一起時，陰極緊壓在第二殼體內(nèi)壁的端部上。
7.權(quán)利要求6所述的電池，還包括放置在第二殼體內(nèi)壁端部和陰極之間的密封層。
8.權(quán)利要求1所述的電池，其中第一殼體包括從第一殼體內(nèi)表面凹陷的區(qū)域和放置在陰極殼體內(nèi)表面上的陰極。
9.權(quán)利要求8所述的電池，其中在殼體組裝在一起時，陰極緊壓在第二殼體內(nèi)壁的端部。
10.權(quán)利要求8所述的電池，還包括放置在凹陷區(qū)域中的吸附層。
11.權(quán)利要求1所述的電池，在第一殼體和第二殼體之間還包括至少一個密封層。
12.權(quán)利要求11所述的電池，其中至少一個密封層包括位于第一殼體的壁的端部和第二殼體之間的第一密封層。
13.權(quán)利要求11所述的電池，其中至少一個密封層包括位于第二殼體的外壁和第一殼體的壁之間的第二密封層。
14.權(quán)利要求13所述的電池，其中第二密封層是粘結(jié)劑。
15.權(quán)利要求14所述的電池，其中粘結(jié)劑是環(huán)氧封裝化合物。
16.權(quán)利要求1所述的電池，其中第一殼體包括所述壁端部上的突出部。
17.權(quán)利要求1所述的電池，其中電池是金屬-空氣電池。
18.權(quán)利要求1所述的電池，其中電池是鋅-空氣電池。
19.權(quán)利要求1所述的電池，其中電池是棱柱體。
20.權(quán)利要求1所述的電池，其中電池的形狀是矩形棱柱體。
21.權(quán)利要求1所述的電池，其中殼體包括熱塑性聚合物。
22.一種組裝電池的方法，該方法包括(a)將陰極放置在帶有壁的第一殼體中；(b)將陽極材料放置在第二殼體中，所述第二殼體包括帶有一定高度的外壁和高度小于外壁且與外壁分隔開的內(nèi)壁；并且(c)將第一殼體和第二殼體密封在一起，從而在第二殼體的外壁和內(nèi)壁之間接收第一殼體的壁。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中步驟(c)包括緊壓殼體，從而將陰極緊壓在第二殼體內(nèi)壁的端部上。
24.權(quán)利要求22所述的方法，還包括將密封劑放置在第二殼體內(nèi)壁的端部上。
25.權(quán)利要求22所述的方法，其中第一殼體的壁的端部具有突出部。
26.權(quán)利要求25所述的方法，其中突出部是能量引導部。
27.權(quán)利要求26所述的方法，其中步驟(c)包括將突出部焊接到第二殼體上。
28.權(quán)利要求27所述的方法，其中將突出部焊接到第二殼體上的方法包括超聲焊接。
29.權(quán)利要求22所述的方法，其中步驟(c)包括將密封層放置在陽極內(nèi)壁的端部上。
30.權(quán)利要求22所述的方法，其中步驟(c)包括將密封層放置在第一殼體的壁和第二殼體的外壁之間。
31.一種外殼，包括帶有壁的第一殼體；和帶有一定高度的外壁和高度小于外壁的內(nèi)壁的第二殼體，其中第二殼體的外壁和內(nèi)壁隔開，以接收第一殼體的壁。
32.權(quán)利要求31所述的外殼，其中第一殼體的壁環(huán)繞整個第一殼體的外圍延伸。
33.權(quán)利要求31所述的電池，其中第二殼體的外壁環(huán)繞整個第二殼體的外圍延伸。
34.權(quán)利要求31所述的電池，其中第二殼體的內(nèi)壁環(huán)繞第二殼體延伸。
35.權(quán)利要求31所述的外殼，其中第一殼體包括所述壁端部上的突出部。
36.權(quán)利要求31所述的外殼，其中外殼是棱柱體。
37.權(quán)利要求36所述的外殼，其中外殼是矩形棱柱體。
38.權(quán)利要求31所述的外殼，其中外殼包括熱塑性聚合物。
39.權(quán)利要求31所述的外殼，在第一殼體和第二殼體之間還包括至少一個密封層。
40.權(quán)利要求39所述的外殼，其中至少一個密封層包括位于第一殼體的壁的端部和第二殼體之間的第一密封層。
41.權(quán)利要求39所述的外殼，其中第一密封層是超聲焊接密封層。
42.權(quán)利要求39所述的外殼，其中至少一個密封層包括位于第二殼體的外壁和第一殼體的壁之間的通道中的第二密封層。
全文摘要
一種電池外殼，包含帶有壁的第一殼體和帶有一定高度的外壁和高度小于外壁的內(nèi)壁的第二殼體，其中第二殼體的外壁與內(nèi)壁隔開以接收第一殼體的壁。在第一和第二殼體之間可包括一個或兩個密封層。
文檔編號H01M2/02GK1395748SQ01803685
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月13日
發(fā)明者約翰·D·維茨格留特, 克里斯托弗·S·皮蒂茨尼 申請人:吉萊特公司