專利名稱：具有扁平外殼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的堿電池。本發(fā)明涉及一種堿電池，其具有包括鋅的陽(yáng)極，包括二氧化錳的陰極，以及包括氫氧化鉀水溶液的電解液。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的堿性電化電池具有一包括鋅的陽(yáng)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(kāi)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。圓柱形外殼由擴(kuò)大的開(kāi)口端和相對(duì)的封閉端初步形成。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(kāi)口端。通過(guò)將外殼邊緣在絕緣塞的邊緣上卷邊并且圍繞絕緣塞徑向壓縮外殼以提供緊封，從而封閉開(kāi)口端。絕緣墊環(huán)使負(fù)極端蓋與電池外殼電絕緣。位于相對(duì)的封閉端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(wèn)題是，當(dāng)電池超過(guò)某時(shí)點(diǎn)(通?？拷姵赜杏萌萘客耆谋M的時(shí)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(guó)專利3,617,386所述的塑料絕緣元件中。
現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了可破裂的通氣薄膜，該薄膜作為減薄的區(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(guó)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(guó)專利4,227,701所示定向成相對(duì)于電池的縱軸傾斜。美國(guó)專利6,127,062公開(kāi)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(guò)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(kāi)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)位橡膠塞，該橡膠塞已與小型扁平矩形鎳金屬氫化物可充電電池一起有效地使用。具有可復(fù)位橡膠塞排氣孔的可充電電池中的一種是可購(gòu)買的由香港金峰電池(Gold PeakBatteries)生產(chǎn)的電池型號(hào)為GP14M145的7/5-F6號(hào)鎳金屬氫化物可充電電池。該橡膠塞通過(guò)物理的方式壓縮，以緊密地安置在電池端蓋組件中的空腔或座位中的錐狀孔中。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(guò)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。
堿電化原電池通常包括鋅陽(yáng)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纖維和聚乙烯醇纖維構(gòu)成的電解液可滲透隔膜。陽(yáng)極活性物質(zhì)可以包括例如與傳統(tǒng)的膠凝劑混合的鋅顆粒和電解質(zhì)，所述膠凝劑例如羧甲基纖維素鈉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(yáng)極活性物質(zhì)中的導(dǎo)電金屬釘用作陽(yáng)極集電器，該集電器電連接到負(fù)極端蓋。電解液可以是堿金屬氫氧化物水溶液，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，并與通常為石墨材料的導(dǎo)電添加劑混合，以提高導(dǎo)電性?；蛘撸部梢詫⑸倭烤酆险澈蟿├缇垡蚁┱澈蟿┮约捌渌砑觿?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(guò)直接電解硫酸錳和硫酸的溶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)率(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)率。這種導(dǎo)電添加劑也提高了二氧化錳顆粒與在傳統(tǒng)圓柱狀堿電池中用作陰極集電器的電池外殼之間的電導(dǎo)率。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，該片狀結(jié)晶合成石墨包括膨脹(expanded or exfoliated)石墨或者納米石墨碳纖維以及二者的混合物。
現(xiàn)在已有用于給小的電子裝置例如MP3音頻播放器和迷你光碟(MD)播放器供電的小號(hào)矩形可充電電池。這些電池通常為小矩形體(長(zhǎng)方體)形狀，并且其大小相當(dāng)于一包口香糖。在這里，術(shù)語(yǔ)“矩形體”是指標(biāo)準(zhǔn)的幾何學(xué)定義，即“長(zhǎng)方體”。根據(jù)國(guó)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(zhǎng)度為35.7mm(無(wú)標(biāo)簽)。F6號(hào)的一個(gè)變型的長(zhǎng)度可以是約48.0mm。7/5-F6號(hào)的厚度為6.0mm，寬度為17.0mm，長(zhǎng)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(zhǎng)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)用于給迷你光碟(MD)播放器供電時(shí)，電池以約200至250毫安的速度消耗。當(dāng)用于給數(shù)字式音頻MP3播放器供電時(shí)，電池通常以約100毫安的速度消耗。
理想的是具有與小號(hào)矩形體(長(zhǎng)方體)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互換使用，以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(非可充電)堿電池，優(yōu)選地是用鋅/MnO2堿電池替換小的矩形可充電電池，特別是替換小號(hào)鎳金屬氫化物可充電電池。
然而，與矩形(矩形體)Zn/MnO2原堿電池的設(shè)計(jì)相關(guān)的一個(gè)具體問(wèn)題是，電極在電池放電過(guò)程中有膨脹的趨勢(shì)。陽(yáng)極和陰極在放電過(guò)程中都膨脹。
對(duì)于給定的外殼壁厚，可以認(rèn)識(shí)到，矩形電池外殼承受電池內(nèi)部壓力增加(由于析氣和陰極膨脹)的能力比具有相當(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外殼壁厚，施加在矩形(矩形體)外殼上的周向應(yīng)力(圓周應(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(wèn)題可以通過(guò)顯著地增加外殼壁厚而克服。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(yáng)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)外殼壁厚較薄，其中，正常電池使用過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生氫氣的原(非可充電)堿電池，其中，所述電池具有一外殼(殼)；一包括排氣機(jī)構(gòu)的端蓋組件，當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)定水平時(shí)，該排氣機(jī)構(gòu)允許氫氣從電池排出。該外殼沿電池長(zhǎng)度具有至少一對(duì)相對(duì)的扁平壁。
端蓋組件插入外殼開(kāi)口端，并通過(guò)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(長(zhǎng)方體)形狀。因此，外殼優(yōu)選地為矩形體形狀，該矩形體沒(méi)有任何完整的圓柱形截面。該堿電池理想地具有包括鋅的陽(yáng)極和優(yōu)選是氫氧化鉀水溶液的堿性電解質(zhì)水溶液。
端蓋組件包括一排氣機(jī)構(gòu)和優(yōu)選為矩形的金屬蓋。該蓋用于在電池內(nèi)含物插入外殼后封閉外殼的開(kāi)口端。如果在所述蓋的邊緣和外殼邊緣之間插入絕緣材料，則該金屬蓋可以形成電池的負(fù)極端。或者，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(yáng)極電連通，以作為電池的負(fù)極端。外殼為帶正電的，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)板或盤都有一穿過(guò)其厚度的中心空心芯體。這些板被插入，從而一個(gè)堆疊在另一個(gè)上面。這些板沿著電池長(zhǎng)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延伸的中心空心芯體。限定了位于板內(nèi)的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(guò)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均勻的接觸。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(yáng)極糊插入中心空心芯體，同時(shí)隔離物提供了陽(yáng)極和陰極之間的分界面。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，端蓋組件具有一伸長(zhǎng)的陽(yáng)極集電器，其插入陽(yáng)極并與電池的負(fù)極端電相通。該端蓋組件具有一使陽(yáng)極集電器與電池的外殼絕緣的絕緣密封元件。該端蓋組件具有一排氣機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以是一壓縮進(jìn)入絕緣密封元件內(nèi)的空腔的彈性橡膠塞或穿過(guò)絕緣密封元件的金屬鉚釘。當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一預(yù)定閾值水平時(shí)，塞子抬離空腔足夠的高度，以使氣體從該處排出?；蛘撸艢鈾C(jī)構(gòu)可以包括一可以形成絕緣密封元件的組成部分的可破裂薄膜。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，排氣機(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(6.895×105至20.69×105帕斯卡)之間，理想地介于約100至200磅/平方英寸(6.895×105至13.79×105帕斯卡)之間的閾值水平時(shí)啟動(dòng)。外殼(殼)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(yáng)極集電器的最寬的部分由一位于該集電器的寬的部分和電池外殼之間的絕緣屏障圍繞。已確定，在陽(yáng)極集電器任何表面和電池的外殼的內(nèi)表面之間的狹窄的縫隙(例如小于約0.5mm)可提供電池放電過(guò)程中產(chǎn)生腐蝕的副產(chǎn)品的區(qū)域。這又將可使陽(yáng)極集電器的相鄰區(qū)域鈍化，并促進(jìn)析氣。已確定，理想的是給絕緣密封元件設(shè)置一圍繞集電器的寬的部分的向下延伸的圍裙。這可以在集電器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(guò)程中在那個(gè)空間腐蝕性化學(xué)品或析氣的產(chǎn)生。在一優(yōu)選方面，陽(yáng)極集電器最寬的部分距外殼內(nèi)表面和優(yōu)選地圍繞該陽(yáng)極集電器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。已確定，這些特征可以減少陽(yáng)極和電池外殼間腐蝕性化學(xué)品的產(chǎn)生。這些腐蝕性化學(xué)品包括包含有可促進(jìn)析氣并干擾正常的電池性能的物質(zhì)或化合物的金屬絡(luò)合物。該問(wèn)題的解決使得可重新密封的橡膠排氣塞組件適合作為本發(fā)明扁平原堿電池的可行的排氣機(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(guò)剩(inexcess)。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。已確定，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，可以減小整體膨脹的量。還不是很確定為什么會(huì)發(fā)生這種情況?？赡懿糠质怯捎诖蟛糠值匿\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)致膨脹的氫氧化鋅的中間產(chǎn)物留在陽(yáng)極中。
陽(yáng)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(guò)電池外部厚度的垂直于電池縱軸的平面測(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電源。
在一特定方面，堿電池具有小矩形體(長(zhǎng)方體)的整體形狀，該小矩形體的外部厚度通常介于約5至10mm之間，特別是介于約5至7mm之間。該外部厚度是通過(guò)測(cè)量由限定電池短軸的外殼相對(duì)的側(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(非可充電)堿電池可以用作例如小號(hào)扁平可充電電池的替代物。特別地，這種原堿電池可以用作相同尺寸可充電鎳金屬氫化物電池，例如7/5-F6號(hào)矩形可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1所示電池沿線2-2截取的橫截面視圖；圖3是圖1A所示電池沿線3-3截取的橫截面視圖；圖4是包括了扁平堿電池的端蓋組件的各元件的分解視圖；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(yǔ)“矩形體”是幾何學(xué)定義，即長(zhǎng)方體。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(méi)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(zhǎng)度。當(dāng)電池的厚度、寬度和長(zhǎng)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)的打開(kāi)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(yáng)極150、陰極110和其間的隔離物140的電池內(nèi)含物通過(guò)開(kāi)口端102裝入。在一優(yōu)選實(shí)施例中，陽(yáng)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(yáng)極和陰極的一部分。
陰極110可以是多個(gè)板110a的形式，板110a具有穿過(guò)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)選具有整體的矩形形狀。如圖2、3和5所示，陰極板110a插入殼100，并沿電池的長(zhǎng)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(yáng)極糊150?？蛇x地，最靠近殼100的封閉端104的陰極板110a可具有鄰接并覆蓋封閉端104的內(nèi)表面的底部表面。
陰極板110a可以壓鑄或模壓制成?；蛘撸帢O110可由被擠壓通過(guò)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)板被擠壓進(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(guò)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(yáng)極150優(yōu)選是包括鋅顆粒和堿性電解質(zhì)水溶液的膠狀鋅糊形式。陽(yáng)極糊150沿電池的縱向軸線190注入電池的中心芯體。因此，陽(yáng)極150通過(guò)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(kāi)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，可以拉伸或模壓封閉端104，以提供一突出的正極突起(pip)，或者，可以將一具有突出的突起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)施例的各元件。端蓋組件12包括一伸長(zhǎng)的陽(yáng)極集電器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(guò)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的空腔248中的橡膠排氣塞260、一位于橡膠塞260上方的排氣突起蓋270、一塑料補(bǔ)充件280和一位于塑料補(bǔ)充件280上方的負(fù)極端板290。
這里承認(rèn)，在可購(gòu)買的由香港金峰電池生產(chǎn)的型號(hào)為NO.GP14M145的7/5-F6號(hào)矩形可充電鎳金屬氫化物電池中，已公開(kāi)并使用了安置在鉚釘240的空腔248中的橡膠排氣塞260和位于橡膠塞260上的排氣突起蓋270。然而，本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人在這里已確定，在所述型號(hào)為NO.GP14M145的鎳金屬氫化物可充電電池中，作為整體的端蓋組件如果應(yīng)用到原Zn/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)生在伸長(zhǎng)的集電器和電池外殼的內(nèi)表面之間，這是因?yàn)榧娖髯顚挼牟糠峙c電池外殼的內(nèi)表面非常近(小于約0.5mm)。可以認(rèn)識(shí)到，集電器160的寬的部分即凸緣161可用來(lái)設(shè)計(jì)可復(fù)位的排氣塞。因?yàn)榧娖縻T接在絕緣密封元件220的下面，所以需要集電器的這種寬的部分(凸緣161)。因此，凸緣161必須足夠的寬，以便鉚釘240的底部246可固定到凸緣161。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之間的矩形體電池，那么凸緣161的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(guò)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器160和絕緣密封元件220的子組件。絕緣密封圍裙226圍繞著陽(yáng)極集電器160的最寬的部分即凸緣161。因此，絕緣圍裙226在集電器凸緣161的邊緣和外殼100的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。已確定，在電池放電過(guò)程中，絕緣圍裙226可以減少在凸緣161和外殼100的內(nèi)表面之間的空間中腐蝕化學(xué)品——通常是含金屬的絡(luò)合物或化合物——的產(chǎn)生。這種腐蝕化學(xué)品，如果大量產(chǎn)生，將干擾電池性能并促進(jìn)電池析氣。此外，在這里所描述的修正的設(shè)計(jì)中，陽(yáng)極集電器160的最寬的部分即凸緣161距外殼內(nèi)表面的距離為約0.5至2mm之間，優(yōu)選地為約0.5至1.5mm之間。已確定，所設(shè)定的距離和圍繞集電器凸緣161的絕緣密封圍裙226一起可以防止在集電器的寬的部分(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)品。本發(fā)明的這種修正的設(shè)計(jì)又使得可復(fù)位的橡膠排氣塞組件適合作為這里所描述的扁平原堿電池的可行的排氣機(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(yáng)極集電器160包括一下端終止在尖端163而上端終止在向外延伸的整體凸緣161的伸長(zhǎng)的桿或者金屬絲162，該整體凸緣161優(yōu)選與桿162成直角。這樣，當(dāng)集電器160被插入陽(yáng)極150后，向外延伸的凸緣161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)的打開(kāi)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?，絕緣密封元件220可由耐用并能滲透氫的聚丙烯、滑石填充聚丙烯、磺化聚丙烯或其它聚酰胺(尼龍)類構(gòu)成。絕緣元件220優(yōu)選為矩形，以便緊密地安裝在外殼100的開(kāi)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)的端壁226b形成了圍繞頂部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(kāi)口底部228的邊界。一孔224穿過(guò)頂板227。金屬蓋230可以是一具有一孔234穿過(guò)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中具有一空腔248?？涨?48完全穿過(guò)鉚釘頭部247和鉚釘桿245。集電器160的凸緣161插入絕緣密封元件220的開(kāi)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)集電器160的凸緣161。如圖4所示，集電器160的凸緣部分161具有一穿過(guò)的孔164。鉚釘240的底部246可以穿過(guò)所述孔164并鉚接到所述凸緣161，以保持集電器160和所述鉚釘?shù)碾娊佑|。
在該實(shí)施例中，絕緣圍裙226在集電器的凸緣161和電池的外殼100的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。已確定，在陽(yáng)極集電器160的任何表面和電池的外殼100的內(nèi)表面之間的狹窄的縫隙(例如小于約0.5mm)將成為堿電池放電過(guò)程中產(chǎn)生腐蝕的副產(chǎn)品的區(qū)域。這又可使陽(yáng)極集電器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用于圍繞著集電器160向外延伸的部分例如整體凸緣161，因此在集電器160的最寬的部分和外殼100之間提供了一屏障。已確定，這樣可以解決腐蝕問(wèn)題并減少析氣。申請(qǐng)人這樣修正該設(shè)計(jì)重新設(shè)計(jì)集電器最寬的部分，優(yōu)選地通過(guò)設(shè)置一屏障，即一圍繞最寬的部分即陽(yáng)極集電器160的凸緣161的絕緣圍裙226。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(yáng)極集電器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1.5mm之間。而且，絕緣圍裙226在集電器凸緣161和外殼100之間設(shè)置了一屏障。這些設(shè)計(jì)特征被確定可以解決腐蝕問(wèn)題，并使可復(fù)位的橡膠排氣塞組件適合作為本發(fā)明扁平原堿電池的可行的排氣機(jī)構(gòu)。
形成端蓋組件12時(shí)，集電器160的凸緣部分161設(shè)置成穿過(guò)凸緣部分161的孔164與穿過(guò)絕緣密封元件220的頂板227的孔224對(duì)齊。金屬蓋230設(shè)置在絕緣密封元件220的頂板227的上方，以便穿過(guò)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上方，以便穿過(guò)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(guò)塑料墊片250的孔252，也穿過(guò)金屬蓋230的孔234。鉚釘240的底部246還穿過(guò)絕緣密封元件220的孔224和集電器凸緣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(guò)絕緣密封元件220的孔224和在下面的陽(yáng)極集電器160的頂部凸緣部分161內(nèi)的孔164?？墒褂密壍楞T接機(jī)(orbital riveter)等將鉚釘桿的底部246敲入并靠著集電器凸緣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，并將集電器160固定到鉚釘桿245。這使集電器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上方。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(yáng)極集電器160的子組件?？蓪⒃撟咏M件存儲(chǔ)起來(lái)以備進(jìn)一步組裝。
通過(guò)將橡膠排氣塞260插入鉚釘頭部247中的空腔248中而完成組裝過(guò)程。塞子260優(yōu)選呈截錐形，并設(shè)計(jì)成緊密裝配在鉚釘頭部247的空腔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，一金屬排氣突起蓋270插在塞子260上方。用足夠的力將該排氣突起蓋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)受約200磅/平方英寸(13.79×105帕斯卡)的累積內(nèi)部氣體壓力的密封。塞子260的壓縮量可以調(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(6.895×105至20.69×105帕斯卡)，理想地是在約100至200磅/平方英寸(6.895×105至13.79×105帕斯卡)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)受較高的壓力，即，高于300磅/平方英寸(20.69×105帕斯卡)的壓力。相反，如果需要，也可以減小對(duì)塞子260的壓縮量，從而該密封可一直保持在低于100磅/平方英寸的任何想要的壓力閾值。排氣突起蓋270的底部273可以具有幾個(gè)向下延伸的部分，當(dāng)排氣突起蓋270壓在塞子260上時(shí)，這些部分配合進(jìn)入塑料墊片250的頂部表面內(nèi)的凹陷或狹縫253。這在圖5中最好地示出。在排氣突起蓋270插在塞子260上方，從而將所述塞子壓入鉚釘頭部空腔248后，排氣突起蓋270焊接到鉚釘頭部247。因此，塞子260被保持壓縮在鉚釘頭部空腔248中。塑料補(bǔ)充件280放置在排氣突起蓋頭部271上方。該排氣突起蓋頭部271凸起穿過(guò)塑料補(bǔ)充件280內(nèi)的孔282。然后，終端端板290(負(fù)極端)焊接到排氣突起蓋頭部271。因此，排氣突起蓋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)度和耐腐蝕性的導(dǎo)電金屬構(gòu)成，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與集電器163永久電接觸。
然后，將完整的端蓋組件12插入外殼100的開(kāi)口端102。集電器桿162插入陽(yáng)極糊150。金屬蓋230的邊緣優(yōu)選通過(guò)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_(kāi)口端102，如圖1和1A所示。終端端板290與集電器160和陽(yáng)極150電接觸，從而形成了用于這里所述的Zn/MnO2堿電池實(shí)施例的電池的負(fù)極端。可以認(rèn)識(shí)到，負(fù)極端板290通過(guò)塑料補(bǔ)充件280與外殼100電絕緣。鉚釘240和陽(yáng)極集電器160通過(guò)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)的封閉端部的突起180形成了電池的正極端。如圖1A所示，該突起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中以橫截面圖的方式示出。
在電池放電或存儲(chǔ)操作中，如果電池內(nèi)的氣體壓力增大到超過(guò)設(shè)計(jì)的閾值水平，塞子260會(huì)離開(kāi)鉚釘頭部的空腔248。這使得氣體可以從電池內(nèi)部通過(guò)鉚釘頭部的空腔248，然后通過(guò)排氣突起蓋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重新復(fù)位到鉚釘頭部的空腔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)得的矩形外殼的外表面之間的距離通常為約5至10mm，特別是約5至7mm。電池的寬度通常在約12至30mm之間，并且電池的長(zhǎng)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(zhǎng)度為約67.3mm。
典型電池的化學(xué)成分下文關(guān)于陽(yáng)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(kāi)的扁平電池。
在上述電池10中，陰極110包括二氧化錳，并且陽(yáng)極150包括鋅和電解質(zhì)。電解質(zhì)水溶液包括KOH、氧化鋅和膠凝劑的常規(guī)的混合物。陽(yáng)極材料150可以是含無(wú)汞(不加汞)鋅合金粉末的膠狀混合物的形式。即，電池總的汞含量按與鋅的重量比計(jì)算小于約百萬(wàn)分之(ppm)一百，優(yōu)選地，汞的含量小于百萬(wàn)分之五十。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(wú)鉛的，即總的鉛含量小于陽(yáng)極中總的鋅含量的30ppm，理想地小于陽(yáng)極中總的鋅含量的15ppm。這種混合物通?？砂琄OH電解質(zhì)水溶液、膠凝劑(例如B.F.Goodrich公司的商標(biāo)名稱為CARBOPOL C940的丙烯酸共聚物)以及表面活性劑(例如Rh_ne Poulenc公司的商標(biāo)名稱為GAFAC RA600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(guó)專利NO.4,563,404中公開(kāi)了用于鋅陽(yáng)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KOH水溶液、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通常為介于約1至100微米之間，理想地為介于約20至60微米之間。該石墨通常為天然形式或者是膨脹石墨，或者是二者的混合。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天然或膨脹石墨的混合物。該陰極混合物是例證性的，不用于限制本發(fā)明。
陽(yáng)極材料150包括62-69wt％的鋅合金粉末(99.9wt％的鋅，含200至500ppm作為合金和鍍層材料的銦)，含38wt％的KOH和約2wt％ZnO的KOH水溶液；可購(gòu)買的B.F.Goodrich公司的商標(biāo)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％)，可購(gòu)買的Grain Processing Co.公司的商標(biāo)名稱為“WaterlockA-221”的嫁接(graft)到淀粉主鏈的水解聚丙烯腈(0.01至0.5wt％之間)；Rh_ne-Poulenc公司的有機(jī)磷酸酯表面活性劑RA-600或商標(biāo)名稱為RM-510的聚酯苯酚磷酸酯表面活性劑(100至1000ppm之間)。這里所使用的術(shù)語(yǔ)鋅應(yīng)該認(rèn)為是包括鋅合金粉末，此鋅合金粉末包括非常高濃度的鋅——例如按鋅的重量計(jì)算至少為99.9％。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(yáng)極150，鋅粉末平均顆粒直徑理想地介于約1至350微米之間，更理想地介于約1至250微米之間，優(yōu)選地介于約20至250微米之間。通常，鋅粉末可以具有約150微米的平均顆粒直徑。陽(yáng)極150中的鋅顆粒可以是針狀或球狀。優(yōu)選的是球狀鋅顆粒，因?yàn)榍驙铑w粒更易于從用于以鋅糊填充電池的相當(dāng)小的陽(yáng)極空腔的分配噴嘴分散。陽(yáng)極中的鋅的容積密度介于約1.75至2.2克鋅每立方厘米陽(yáng)極之間。陽(yáng)極中的電解質(zhì)水溶液的體積百分比優(yōu)選地介于約69.2％至75.5％的陽(yáng)極體積之間。
電池10可以用傳統(tǒng)方式均衡，以便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)行這樣均衡，以使陰極處于顯著過(guò)剩狀態(tài)。優(yōu)選地，對(duì)電池10進(jìn)行均衡以便MnO2的總理論容量除以鋅的總理論容量的值介于約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，更優(yōu)選地介于約1.5至1.7之間。已測(cè)定，具有這種陰極過(guò)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0.35至0.40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(guò)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。陽(yáng)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(guò)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。該材料只是例證性的，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含水基石墨分散體的形式，這種分散體可以涂覆到外殼內(nèi)表面然后在環(huán)境條件下干燥。石墨碳可以提高傳導(dǎo)性并能通過(guò)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。集電器160可以從多種已知的被認(rèn)為可作為集電器材料使用的導(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。每種情況下的新電池的厚度是5.6mm、寬度是17mm、長(zhǎng)度是67mm。(除非另外指明，所有的尺寸都是在外殼上沒(méi)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。每種情況下的電池結(jié)構(gòu)都與圖(圖1-5)中描述的相同。陽(yáng)極集電器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圍繞著所述集電器160的寬的部分(凸緣161)，從而在所述集電器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排氣端蓋組件12。僅有的區(qū)別在于電池均衡和陽(yáng)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(kāi)三小時(shí)的循環(huán)間歇地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。(這種間歇地放電模擬的是通?？梢允褂肕P3音頻格式的便攜固態(tài)數(shù)字式音頻播放器的典型使用。)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(zhǎng)度為約67mm，寬度為約17mm，厚度(放電前)為約5.6mm。陽(yáng)極150和陰極110具有如下成分。
陽(yáng)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.電解質(zhì)溶液包含總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的WaterlockA221和Carbopol C940膠凝劑。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD)87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨)7.45.1電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH) 100.00
注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的天然石墨。
用于電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽(yáng)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(yáng)極具有2.8克鋅。(陰極具有6.89克MnO2。)陽(yáng)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66％。陽(yáng)極厚度與外殼外部厚度的比值為約0.35。這些厚度是沿一跨過(guò)電池的外部厚度(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(kāi)”三小時(shí)的循環(huán)間歇地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為24.5小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到6.13mm。(圖1A所示側(cè)壁106a和106b外表面之間測(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(yáng)極150和陰極110具有如下成分。
陽(yáng)極成分Wt.％鋅166.0表面活性劑2(RA600) 0.08334.0電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)100.08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.電解質(zhì)溶液包含總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的Waterlock
A221和Carbopol C940膠凝劑。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD)87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨)7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的天然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽(yáng)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(yáng)極具有2.56克鋅。(陰極具有7.11克MnO2。)陽(yáng)極、陰極、電解液和隔離物占到外殼100的外部體積——即在電池的封閉端104和開(kāi)口端102間所測(cè)量的體積——的約66％。陽(yáng)極厚度與外殼外部厚度的比值為約0.35。這些厚度是沿一跨過(guò)電池的外部厚度(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(kāi)”三小時(shí)的循環(huán)間歇地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為24.3小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到6.03mm。(圖1A所示側(cè)壁106a和106b外表面之間測(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(yáng)極150和陰極110具有如下成分。
陽(yáng)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)39.2100.00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.電解質(zhì)溶液包含總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的WaterloekA221和Carbopol C940膠凝劑。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD) 87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨) 7.45.1電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的天然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽(yáng)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(yáng)極具有2.01克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽(yáng)極、陰極和隔離物占到外殼100的外部體積的約66％。陽(yáng)極厚度與外殼外部厚度的比值為約0.35。
這些厚度是沿一跨過(guò)電池的外部厚度(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(kāi)”三小時(shí)的循環(huán)間歇地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為20.9小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到5.95mm。(圖1A所示側(cè)壁106a和106b外表面之間測(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(yáng)極150和陰極110具有如下成分。
陽(yáng)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.電解質(zhì)溶液包含總計(jì)約占電解質(zhì)溶液1.5wt％的WaterlockA221和Carbopol C940膠凝劑。
陰極成分Wt.％二氧化錳(EMD) 87.5(Kerr McGee公司的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.00注意1.石墨NdG15是Nacional De Grafite公司的天然石墨。
用于測(cè)試電池的外殼100的壁厚是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為68mm，厚度為5.6mm，寬度為17mm。對(duì)電池的陽(yáng)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(yáng)極具有1.61克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽(yáng)極、陰極和隔離物占到外殼100的外部體積的約66％。陽(yáng)極厚度與外殼外部厚度的比值為約0.35。
這些厚度是沿一跨過(guò)電池的外部厚度(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(kāi)”三小時(shí)的循環(huán)間歇地放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為18.5小時(shí)。外殼厚度從5.6mm膨脹到5.87mm。(圖1A所示側(cè)壁106a和106b外表面之間測(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。陽(yáng)極集電器160的寬的部分(凸緣161)的邊緣距外殼100的內(nèi)表面的距離為約0.5mm，并且該邊緣被絕緣屏障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)?，?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)，電池膨脹更少，從5.6mm膨脹到5.87mm。當(dāng)均衡比在1.1至1.6之間增加時(shí)，電池運(yùn)行時(shí)間適度地變短(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)行時(shí)間更顯著地減少(18.5小時(shí))。
雖然已結(jié)合具有整體形狀為矩形體(長(zhǎng)方體)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(長(zhǎng)方體)時(shí)，外殼的極端可以稍微向外或向內(nèi)變細(xì)，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)形成的角度，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(長(zhǎng)方體)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(zhǎng)度方向基本上是扁平的。因此，也可以理解，術(shù)語(yǔ)“扁平”可以延伸并包括基本上是扁平的表面，其中，這種表面的曲度可以很微小。特別地，本發(fā)明的含意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(zhǎng)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，外殼外部的所有側(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(zhǎng)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、一正極端和一外殼，該外殼具有一對(duì)沿外殼長(zhǎng)度的一部分延伸的相對(duì)的扁平側(cè)壁；所述外殼具有一封閉的端部和相對(duì)的打開(kāi)的端部，并且所述外殼沒(méi)有任何完整的圓柱形截面；在所述外殼內(nèi)所述電池還包括一包括鋅的陽(yáng)極和一包括MnO2的陰極、一位于所述陽(yáng)極和陰極之間的隔離物以及一密封所述外殼開(kāi)口端的端蓋組件，其中，所述陰極包括至少一個(gè)陰極板，該陰極板具有一個(gè)沒(méi)有陰極材料且穿過(guò)該陰極板的開(kāi)口，同時(shí)，所述陰極的至少一部分外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，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，同時(shí)各個(gè)板均具有一個(gè)沒(méi)有陰極材料且穿過(guò)各陰極板的開(kāi)口；其中，所述陰極板對(duì)齊，以便所述開(kāi)口成一直線地形成一沒(méi)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。
4.一種原堿電池，其包括一負(fù)極端、一正極端和一外殼，該外殼具有一對(duì)沿外殼長(zhǎng)度延伸的相對(duì)的扁平側(cè)壁；所述外殼具有一封閉的端部和相對(duì)的打開(kāi)的端部；在所述外殼內(nèi)所述電池還包括一包括鋅的陽(yáng)極和一包括MnO2的陰極、一位于所述陽(yáng)極和陰極之間的隔離物以及一密封所述外殼開(kāi)口端的端蓋組件；其中，所述陰極位于所述外殼內(nèi)，以便該陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面；其中，用電化學(xué)方法對(duì)所述電池進(jìn)行均衡，使得基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值的MnO2的理論mAmp-hr容量除以基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值的鋅的理論mAmp-hr容量的值介于約1.2至2.0之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池，其特征在于，對(duì)所述電池進(jìn)行均衡，使得基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值的MnO2的理論mAmp-hr容量除以基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值的鋅的理論mAmp-hr容量的值介于約1.4至1.8之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述外殼為矩形體。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述陰極具有一沿所述電池的中心縱向軸線延伸的中心空心芯體，并且所述陽(yáng)極位于所述中心芯體內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的堿電池，其特征在于，所述陰極包括多個(gè)矩形陰極板；其中，各個(gè)板均具有一內(nèi)表面，該內(nèi)表面限定延伸穿過(guò)所述板厚度的空心中心部的邊界；其中，所述陰極板沿所述外殼中心縱向軸線堆疊在外殼內(nèi)，從而所述空心中心部沿所述縱向軸線成一直線地形成一連續(xù)的中心芯體，同時(shí)，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的堿電池，其特征在于，所述陽(yáng)極位于所述中心芯體內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的堿電池，其特征在于，所述陽(yáng)極沿所所述電池的縱向軸線延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述電池包括包含氫氧化鉀水溶液的堿性電解液。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的堿電池，其特征在于，各所述陰極板的所述內(nèi)表面包括彎曲的表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的堿電池，其特征在于，所述電池具有介于約5至10mm之間的整體厚度，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一對(duì)相對(duì)側(cè)面的外表面之間的距離。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件中具有一排氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一介于約100至300磅/平方英寸(6.895×105至20.69×105帕斯卡)之間的水平時(shí)，該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，從而允許電池內(nèi)的氫氣從電池內(nèi)排出到外部環(huán)境。
15.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件中具有一排氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一介于約100至200磅/平方英寸(6.895×105至13.79×105帕斯卡)之間的水平時(shí)，該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，從而允許電池內(nèi)的氫氣從電池內(nèi)排出到外部環(huán)境。
16.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括壁厚介于約0.30mm至0.45mm之間的金屬。
17.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括壁厚介于約0.30mm至0.40mm之間的金屬。
18.根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括不銹鋼。
19.根據(jù)權(quán)利要求6所述的堿電池，其特征在于，所述陽(yáng)極厚度與所述外殼的整體厚度的比值介于約0.30至0.40之間，其中，所述外殼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。
20.一種原堿電池，其包括一負(fù)極端、一正極端和一矩形體外殼，所述外殼具有一封閉的端部和相對(duì)的打開(kāi)的端部；在所述外殼內(nèi)所述電池還包括一包括鋅的陽(yáng)極和一包括MnO2的陰極、一位于所述陽(yáng)極和陰極之間的隔離物以及一密封所述外殼開(kāi)口端的端蓋組件；其中，所述陰極包括多個(gè)矩形陰極板；其中，各個(gè)所述板具有一沒(méi)有陰極材料的空心中心部；其中，所述陰極板沿所述電池的中心縱向軸線堆疊在外殼內(nèi)，從而所述空心中心部沿所述縱向軸線成一直線地形成一連續(xù)的中心芯體，同時(shí)，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件包括一形成所述負(fù)極端的矩形端蓋板。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述陽(yáng)極位于所述中心芯體內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述電池包括包含氫氧化鉀水溶液的堿性電解液。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，用電化學(xué)方法對(duì)所述電池進(jìn)行均衡，使得陰極過(guò)剩，從而基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值的MnO2的理論mAmp-hr容量除以基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值的鋅的理論mAmp-hr容量的比值介于約1.15至2.0之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，對(duì)所述電池進(jìn)行均衡，使得陰極過(guò)剩，從而基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值的MnO2的理論mAmp-hr容量除以基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值的鋅的理論mAmp-hr容量的比值介于約1.2至2.0之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，對(duì)所述電池進(jìn)行均衡，使得陰極過(guò)剩，從而基于370mAmp-hr每克MnO2的理論特定值的MnO2的理論mAmp-hr容量除以基于820mAmp-hr每克鋅的理論特定值的鋅的理論mAmp-hr容量的比值介于約1.4至1.8之間。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述電池具有介于約5至10mm之間的整體厚度，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。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件中具有一排氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一介于約100至300磅/平方英寸(6.895×105至20.69×105帕斯卡)之間的水平時(shí)，該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，從而允許電池內(nèi)的氫氣從電池內(nèi)排出到外部環(huán)境。
29.根據(jù)權(quán)利要求22所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件中具有一排氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一介于約100至200磅/平方英寸(6.895×105至13.79×105帕斯卡)之間的水平時(shí)，該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，從而允許電池內(nèi)的氫氣從電池內(nèi)排出到外部環(huán)境。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括壁厚介于約0.30mm至0.45mm之間的金屬。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括壁厚介于約0.30mm至0.40mm之間的金屬。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的堿電池，其特征在于，所述外殼包括不銹鋼。
33.根據(jù)權(quán)利要求22所述的堿電池，其特征在于，所述陽(yáng)極的厚度與所述電池的整體厚度的比值介于約0.30至0.40之間，其中，所述電池的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。
34.根據(jù)權(quán)利要求28所述的堿電池，其特征在于，所述端蓋組件還包括一絕緣密封元件和一陽(yáng)極集電器，所述集電器與陽(yáng)極和所述負(fù)極端電連通；其中，所述集電器包括一伸長(zhǎng)的桿部和從該桿部向外延伸的完整的表面；其中，所述絕緣密封元件圍繞著所述集電器的所述向外延伸的表面，從而在所述向外延伸的表面和所述外殼的內(nèi)表面之間設(shè)置了一屏障。
35.根據(jù)權(quán)利要求34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)的打開(kāi)的端部，同時(shí)，該兩端部之間的側(cè)壁圍繞所述絕緣密封元件內(nèi)的空心內(nèi)部，其中，所述陽(yáng)極集電器的所述向外延伸部分插入所述空心內(nèi)部?jī)?nèi)，并由所述絕緣密封元件的所述圍繞的側(cè)壁保護(hù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的堿電池，其特征在于，所述集電器的至少一部分與所述電池外殼的內(nèi)表面之間的距離在2mm之內(nèi)。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的堿電池，其特征在于，所述絕緣密封元件具有一穿過(guò)其封閉端的孔，并且所述端蓋組件還包括一穿過(guò)所述孔的金屬鉚釘，其中，所述鉚釘固定到所述陽(yáng)極集電器的所述向外延伸的部分，同時(shí)，所述鉚釘與所述負(fù)極端電連通。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的堿電池，其特征在于，所述鉚釘具有一沿其中心縱向軸線延伸的空心空腔，并且所述排氣機(jī)構(gòu)包括一安置在所述空心空腔內(nèi)的壓縮的塞子，從而當(dāng)電池內(nèi)的氣壓上升到一預(yù)定水平時(shí)，所述塞子開(kāi)始離開(kāi)空腔，從而允許氣體通過(guò)所述鉚釘內(nèi)的空心空腔排出并排放到外部環(huán)境中。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的堿電池，其特征在于，當(dāng)電池內(nèi)的氣壓達(dá)到一介于100至300磅/平方英寸(6.895×105至20.69×105帕斯卡)之間的水平時(shí)，所述塞子開(kāi)始離開(kāi)空腔。
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(yáng)極和一包括MnO
文檔編號(hào)H01M6/06GK1732578SQ200380108148
公開(kāi)日2006年2月8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