專利名稱：具有平外殼的堿性電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有基本平的外部外殼(housing)的堿性電池。本發(fā)明涉及堿性電池，該電池具有包括鋅的陽(yáng)極，包括二氧化錳的陰極，和包括含水氫氧化鉀的電解質(zhì)。
常規(guī)堿性電化學(xué)電池具有包括鋅的陽(yáng)極和包括二氧化錳的陰極。電池典型地由圓筒形外部外殼形成。在中等漏電服務(wù)(100-300毫安)中新電池的開(kāi)路電壓(EMF)為約1.5伏和典型的平均運(yùn)行電壓為約1.0-1.2伏。圓筒形外殼初始由擴(kuò)大的開(kāi)放端和相對(duì)密閉端形成。在提供電池內(nèi)容物之后，將具有絕緣索環(huán)和負(fù)端端帽的端帽組件插入外殼開(kāi)放端。開(kāi)放端由如下方式密閉在絕緣插頭邊緣上卷曲外殼邊緣和在絕緣插頭周圍徑向壓縮外殼以提供緊密密封。絕緣索環(huán)電絕緣負(fù)端帽和電池外殼。在相對(duì)密閉端的一部分電池外殼形成正端。
由于電池在某些點(diǎn)以上，正常地靠近電池有用容量完全耗盡的點(diǎn)持續(xù)放電，與各種電化學(xué)電池，特別地堿性電池的設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題是電池產(chǎn)生氣體的傾向。電化學(xué)電池，特別地堿性電池通常在端帽組件中具有可破裂隔膜或可破裂膜?？善屏迅裟せ蚩善屏涯た梢栽谒芰辖^緣構(gòu)件中形成，例如在U.S.專利3,617,386中所述。
現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)了可破裂排氣膜，它在絕緣盤(pán)中整體形成為變薄區(qū)域，該絕緣盤(pán)包括在端帽組件中?？梢匀∠蜻@樣的排氣膜使得它們位于垂直于電池縱軸的平面中，例如在U.S.專利5,589,293中所示，或可以取向它們使得它們相對(duì)于電池縱軸傾斜，如在U.S.專利4,227,701中所示。U.S.專利6,127,062公開(kāi)了絕緣密封盤(pán)和整體形成的可破裂膜，它垂直取向，即平行于電池的中心縱軸。當(dāng)電池中的氣體壓力上升到預(yù)定水平時(shí)，膜破裂，從而通過(guò)端帽中的小孔釋放氣體壓力到外部環(huán)境。
在本領(lǐng)域中公開(kāi)其它類型的排氣口用于釋放電化學(xué)電池中的氣體壓力。一種這樣的排氣口是可復(fù)位橡膠栓，它已經(jīng)有效地用于小的平矩形鎳金屬氫化物可充電電池。具有可復(fù)位橡膠栓的一種這樣的可充電電池是7/5-F6尺寸鎳金屬氫化物可充電電池，以由Gold PeakBatteries，香港制造的電池型號(hào)GP14M145購(gòu)得。物理壓縮橡膠栓以牢固地位于空腔中的斜小孔中或位于電池的端帽組件中。當(dāng)電池的內(nèi)部氣體壓力達(dá)到預(yù)定的水平時(shí)，栓脫離它的座因此讓氣體通過(guò)下面的小孔逸出。當(dāng)電池中的氣體壓力返回到正常時(shí)栓自身復(fù)位。
堿性電化學(xué)原電池典型地包括鋅陽(yáng)極活性材料，堿性電解質(zhì)，二氧化錳陰極活性材料，和電解質(zhì)可滲透的隔離膜(separator)，典型地纖維素或纖維素類和聚乙烯醇纖維。陽(yáng)極活性材料可包括例如，與常規(guī)膠凝劑，如羧甲基纖維素鈉或丙烯酸聚合物的鈉鹽混合的鋅粒子，和電解質(zhì)。膠凝劑用于懸浮鋅粒子和保持它們彼此接觸。典型地，插入陽(yáng)極活性材料的導(dǎo)電金屬釘用作陽(yáng)極集電器，它電連接到負(fù)端端帽。電解質(zhì)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。陰極典型地包括與導(dǎo)電添加劑，典型地石墨材料混合以增強(qiáng)電導(dǎo)率的作為電化學(xué)活性材料的粒狀二氧化錳。任選地，少量聚合物粘結(jié)劑，例如聚乙烯粘結(jié)劑和其它添加劑，如含鈦化合物可以加入陰極。
用于陰極的二氧化錳優(yōu)選是電解二氧化錳(EMD)，它由硫酸錳和硫酸的浴的直接電解制備。由于它具有高密度和高純度，EMD是所需的。EMD的電導(dǎo)率(電阻率)相當(dāng)?shù)?。將?dǎo)電材料加陰極混合物以改進(jìn)在單個(gè)二氧化錳粒子之間的電導(dǎo)率。這樣的導(dǎo)電添加劑也改進(jìn)在二氧化錳粒子和電池外殼之間的電導(dǎo)率，它也在常規(guī)圓筒形堿性電池中用作陰極集電器。合適的導(dǎo)電添加劑可包括，例如石墨、石墨類材料、導(dǎo)電碳粉末，如炭黑，包括乙炔黑。優(yōu)選導(dǎo)電材料包括薄片狀結(jié)晶天然石墨，或薄片狀結(jié)晶合成石墨，包括膨脹或片狀剝落的石墨或石墨類碳納米纖維及其混合物。
現(xiàn)在可利用小尺寸矩形可充電電池，它用于向小電子設(shè)備如MP3音頻播放器和小型磁盤(pán)(MD)播放器提供電源。這些電池的形狀典型地為小立方體(矩形平行六面體)，一定程度上為口香糖包裝物的尺寸。在此使用的術(shù)語(yǔ)“立方體”應(yīng)當(dāng)表示它的正常幾何定義，即，“矩形平行六面體”。根據(jù)由國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)說(shuō)明的這樣電池的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，這樣的電池，例如形式可以為可替換可充電鎳金屬氫化物(NiMH)尺寸F6或7/5F6尺寸立方體。F6尺寸的厚度為6.0mm，寬度為17.0mm和長(zhǎng)度為35.7mm(沒(méi)有標(biāo)簽)。存在F6尺寸的變型，其中長(zhǎng)度可以大至約48.0mm。7/5-F6尺寸的厚度為6.0mm，寬度為17.0mm，和長(zhǎng)度為67.3mm。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于7/5-F6尺寸的允許偏差在厚度中是+0mm，-0.7mm，在寬度中是+0mm，-1mm，和在長(zhǎng)度中是+0，-1.5mm。F6或7/5F6 NiMH可充電電池的平均運(yùn)行電壓當(dāng)用于向微型數(shù)字音頻播放器如MP3音頻播放器或小型磁盤(pán)(MD)播放器提供動(dòng)力時(shí)為約1.1-1.4伏，典型地約1.12伏。
當(dāng)用于向小型磁盤(pán)(MD)播放器提供動(dòng)力時(shí)，電池在約200-250毫安的速率下消耗。當(dāng)用于向數(shù)字音頻MP3播放器提供動(dòng)力時(shí)，電池典型地在約100毫安的速率下消耗。
需要具有與小尺寸立方體形狀(矩形平行六面體)鎳金屬氫化物電池相同尺寸和形狀的小的平堿性電池，從而小尺寸堿性電池可以與鎳金屬氫化物電池互換使用以向小電子設(shè)備如小型磁盤(pán)或MP3播放器提供動(dòng)力。
需要使用原(不可充電)堿性電池，優(yōu)選鋅/MnO2堿性電池作為小矩形可充電電池，特別地小尺寸鎳金屬氫化物可充電電池的替代物。
然而，與矩形(立方體)原Zn/MnO2堿性電池的設(shè)計(jì)相關(guān)的特定問(wèn)題在于電極在電池放電期間溶脹的傾向。陽(yáng)極和陰極兩者在放電期間溶脹。
對(duì)于給定的外殼壁厚度，認(rèn)識(shí)到與可比尺寸和體積的圓筒形外殼相比，矩形電池外殼較少能夠承受電池內(nèi)部壓力中的給定增加(由于放氣和陰極膨脹)。這是由于對(duì)于給定壓力和外殼壁厚度與在相似尺寸圓筒形外殼上相比，在矩形(立方體)外殼上施加的顯著高的周圍應(yīng)力(環(huán)向應(yīng)力)?？梢酝ㄟ^(guò)顯著增加外殼的壁厚度克服與矩形電池相關(guān)的膨脹或溶脹問(wèn)題。然而，對(duì)于總厚度小，如在約10mm以下的矩形電池，外殼壁厚度的顯著增加可導(dǎo)致可利用陽(yáng)極和陰極材料的體積的顯著降低。增加的壁厚度增加電池的制造成本。在此方面需要保持外殼壁厚度小于約0.50mm，優(yōu)選小于約0.47mm。
因此需要設(shè)計(jì)小的平(不可充電)堿性電池，如具有矩形(立方體)外殼，但仍然具有小外殼壁厚度的F6或7/5-F6尺寸電池，其中外殼在正常電池使用期間不顯著膨脹或溶脹。
需要這樣的矩形電池用作小尺寸平鎳金屬氫化物可充電電池的替代物。
本發(fā)明的主要方面涉及原(不可充電)堿性電池，該電池在放電時(shí)產(chǎn)生氫氣，其中該電池具有外部殼體(外殼)，包括排氣機(jī)構(gòu)的端帽組件，當(dāng)氣體壓力達(dá)到預(yù)定水平時(shí)該排氣機(jī)構(gòu)允許氫氣從電池逸出。殼體(casing)具有沿電池長(zhǎng)度走向(run)的至少一對(duì)相對(duì)平壁。
將端帽組件插入殼體開(kāi)放端和通過(guò)卷曲或焊接而密封以密閉殼體。在開(kāi)放端的殼體邊緣可以在絕緣密封構(gòu)件上卷曲，該構(gòu)件典型地為尼龍或聚丙烯，插入開(kāi)放端，但優(yōu)選激光焊接金屬罩到殼體以密閉其開(kāi)放端。堿性電池的形狀可以為平行六面體，但所需地形狀為立方體(矩形平行六面體)。殼體，因此優(yōu)選具有立方體形狀，它不具有任何整體圓筒形區(qū)段。堿性電池所需地具有包括鋅的陽(yáng)極，和含水堿性電解質(zhì)，優(yōu)選氫氧化鉀的水溶液。
端帽組件包括排氣機(jī)構(gòu)和優(yōu)選矩形金屬罩。在將電池內(nèi)容物插入殼體之后，罩用于密閉殼體的開(kāi)放端。如果在該罩邊緣和殼體邊緣之間插入絕緣層或絕緣密封構(gòu)件和殼體邊緣在絕緣層上卷曲，金屬罩可形成電池的負(fù)端?；蛘?，可以將罩直接焊接到殼體邊緣。如果將罩焊接到殼體邊緣，與罩分隔的單獨(dú)端帽可以與陽(yáng)極電連通用于起電池負(fù)端的作用。殼體是正性的和形成電池的正端。
在一方面將金屬罩直接焊接到殼體邊緣以密閉殼體開(kāi)放端，和將塑料填料密封劑在金屬罩的頂部上堆疊和將負(fù)端板依次堆疊到塑料填料上。在另一方面使用紙墊圈代替塑料填料。
將包括MnO2的陰極，優(yōu)選以多個(gè)致密化塊或盤(pán)的形式插入。陰極塊或盤(pán)優(yōu)選是矩形的，每個(gè)具有沿塊厚度走向的中心中空核(core)。插入塊所以它們?cè)诒舜说捻敳可隙询B。將塊沿電池的長(zhǎng)度排列，由此它們的外表面與殼體的內(nèi)表面接觸。堆疊的陰極塊形成沿電池縱軸走向的中心中空核。堆疊的陰極塊中的中心中空核形成陽(yáng)極腔。每個(gè)陰極塊的內(nèi)表面，它限定塊中的中心中空核(陽(yáng)極腔)，優(yōu)選為彎曲表面。這樣的彎曲內(nèi)表面改進(jìn)在轉(zhuǎn)移和處理期間塊的機(jī)械強(qiáng)度和也提供在電解質(zhì)可滲透的隔離膜和陰極之間更均勻的接觸。將隔離膜插入電池的中心中空核(陽(yáng)極腔)，從而隔離膜的外表面鄰接和緊密接觸陰極的內(nèi)表面。將包括鋅粒子的陽(yáng)極淤漿插入陽(yáng)極腔及隔離膜提供在陽(yáng)極和陰極之間的界面。端帽組件具有伸長(zhǎng)的陽(yáng)極集電器，其插入陽(yáng)極淤漿中并與電池的負(fù)端電連通。端帽組件具有絕緣密封構(gòu)件，其使這樣的陽(yáng)極集電器與電池的外部殼體絕緣。
當(dāng)沿垂直于電池縱軸的平面取陰極塊的橫截面在平面圖中觀察陽(yáng)極腔時(shí)，陽(yáng)極腔優(yōu)選具有伸長(zhǎng)的或長(zhǎng)方形構(gòu)型。外部殼體(外殼)所需地是鋼的，優(yōu)選是鍍鎳鋼的。殼體壁厚度所需地為約0.30-0.50mm，典型地約0.30-0.45mm，優(yōu)選約0.30-0.40mm，更所需地約0.35-0.40。
在一方面可再使用或可再啟動(dòng)排氣口，優(yōu)選可復(fù)位栓排氣機(jī)構(gòu)可以用作主排氣機(jī)構(gòu)。優(yōu)選設(shè)計(jì)可復(fù)位栓以當(dāng)電池的內(nèi)部氣體壓力達(dá)到約100-300psig(689.5×103-2069×103帕斯卡表壓)，所需地約100-200psig(689.5×103-1379×103帕斯卡表壓)的閾值水平壓力P1時(shí)啟動(dòng)。
在另一方面，另一個(gè)間隔開(kāi)的凹槽排氣口，優(yōu)選在殼體表面上具有至少一個(gè)壓印(stamp)或刻痕區(qū)域的單一連續(xù)凹槽排氣口(壓花排氣口)可以用作主排氣機(jī)構(gòu)。可以將凹槽排氣口壓印，切割或刻痕入殼體表面所以下面的變薄區(qū)域在約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力P1下破裂。在這樣的設(shè)計(jì)中可以消除可復(fù)位栓。優(yōu)選，凹槽排氣口靠近殼體的密閉端靠近正端布置。凹槽邊界可以是密閉或開(kāi)放的。凹槽可以是直或基本直的，優(yōu)選平行于殼體邊緣。凹槽寬度典型地小，例如在約1mm以下。然而，在此使用的術(shù)語(yǔ)“凹槽”或“凹槽排氣口”不希望限于任何特定的寬度或形狀，但更合適地包括電池殼體上的任何凹陷，導(dǎo)致當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到目標(biāo)閾值水平時(shí)變薄的下面的材料區(qū)域預(yù)期斷裂或破裂。通過(guò)非限制性例子，在7/5-F6尺寸矩形電池中，凹槽排氣口可位于殼體寬面上和平行于寬邊緣，優(yōu)選靠近殼體密閉端。可以存在多個(gè)這樣的凹槽排氣口，但所需地僅單一凹槽排氣口在殼體的寬側(cè)上和長(zhǎng)度為約8mm和距殼體的密閉端約5-10mm。
在本發(fā)明的這樣一個(gè)方面，設(shè)計(jì)在凹槽排氣口下面的變薄的材料以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的設(shè)計(jì)爆裂壓力P1時(shí)破裂。為達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的爆裂壓力這樣范圍，在凹槽下面的變薄的材料的厚度可以為約0.04-0.15mm?；蛘撸梢栽O(shè)計(jì)凹槽排氣口下面的變薄的材料以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)，所需地約400-600psig(2758×103-4136×103帕斯卡表壓)的設(shè)計(jì)爆裂壓力時(shí)破裂。為達(dá)到400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的破裂壓力，在凹槽下面的變薄的材料的厚度可以為約0.07-0.15mm。
凹槽排氣口可以通過(guò)采用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體表面制備。當(dāng)壓印模頭沖壓入殼體外表面時(shí)保持軸柄對(duì)著殼體的內(nèi)表面。凹槽可以方便地采用具有相等長(zhǎng)度側(cè)的V形狀或具有不等長(zhǎng)度側(cè)的V形狀切割。在前者的情況下形成V形凹槽的側(cè)面所需地形成約40度的銳角和在后者的情況下它們形成優(yōu)選約10-30度的角度。
與凹槽排氣口結(jié)合可以存在包括一個(gè)或多個(gè)固定金屬罩到殼體的激光焊接處的補(bǔ)充排氣系統(tǒng)。這樣的焊接處可以包括一個(gè)或兩個(gè)弱激光焊接處和強(qiáng)激光焊接處，可以設(shè)計(jì)該強(qiáng)激光焊接處以在高于凹槽排氣口下面的變薄區(qū)域的破裂壓力P1的壓力下破裂。這樣的激光焊接處優(yōu)選使用Nd:Yag激光器制備。
在本發(fā)明的方面可以僅存在一個(gè)激光焊接處，即固定整個(gè)金屬罩的周圍邊緣到殼體的強(qiáng)焊接處。強(qiáng)焊接處可用作設(shè)計(jì)以在災(zāi)難條件下破裂的補(bǔ)充排氣系統(tǒng)，例如如果電池非故意地經(jīng)歷在特別高電流下或在特別濫用條件下再充電，引起電池中的氣體產(chǎn)生突然上升到約800psig-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的水平。
因此，在優(yōu)選的方面至少存在壓印或切割到電池殼體上的單一凹槽排氣口。單一凹槽排氣口可用作電池的主排氣機(jī)構(gòu)，其中設(shè)計(jì)在凹槽下面的變薄的材料以在如下條件下破裂如果電池中的氣體上升到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)，更典型地為400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)。和結(jié)合存在包括強(qiáng)激光焊接處的補(bǔ)充排氣系統(tǒng)，該強(qiáng)激光焊接處固定金屬罩的邊緣到殼體。設(shè)計(jì)這樣的強(qiáng)激光焊接處以在災(zāi)難狀況下斷裂或破裂，其中電池中的氣體突然上升到約800psig-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的水平。在這樣的情況下電池中的氣體快速地通過(guò)破裂逸出和電池的內(nèi)部壓力立即返回到標(biāo)稱水平。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，平衡電池以便陰極過(guò)量。所需地平衡電池以便MnO2的理論容量(基于理論比值370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于理論比值820mAmp-hr/g鋅)的比率為約1.15-2.0，所需地約1.2-2.0，優(yōu)選約1.4-1.8。已經(jīng)確定此處平堿性電池的設(shè)計(jì)在MnO2理論容量對(duì)鋅理論容量的更高比率下降低總體溶脹的數(shù)量。MnO2理論容量對(duì)鋅理論容量的以上比率可以可行地高至約2.5或甚至直到約3.0以降低總體溶脹，但在大于約2.0的這樣更高比率下的電池設(shè)計(jì)更顯著地降低電池容量和因此從那個(gè)觀點(diǎn)較不是所需的。不確定地知道這為什么發(fā)生。它可部分是由于如下事實(shí)排出幾乎全部所有的鋅。在這樣的情況下在陽(yáng)極中留下如果有的話較少的氫氧化鋅中間體，它可引起溶脹。
陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率所需地為約0.30-0.40。(這樣的厚度沿垂直于電池縱軸的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度測(cè)量。)因此控制在放電時(shí)電池的溶脹，允許平或矩形堿性電池用作電子設(shè)備如便攜式數(shù)字音頻播放器等的主要電源。
在具體的一個(gè)方面，堿性電池的總體形狀為小立方體(矩形平行六面體)，典型地外部厚度為約5-10mm，特別地厚度為約5-7mm。外部厚度由外殼相對(duì)側(cè)的外表面之間的距離測(cè)量，其限定電池的短尺寸。在這樣的實(shí)施方案中本發(fā)明的原(不可充電)堿性電池可以用作，例如小尺寸平可充電電池的替代物。特別地這樣的堿性原電池可以用作相同可充電鎳金屬氫化物電池，例如7/5-F6尺寸矩形可充電鎳金屬氫化物電池的替代物。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，隔離膜可以制造成具有開(kāi)放端和相對(duì)密閉端的袋形狀。這樣的隔離膜可以容易地由如下方式形成纏繞單片隔離膜材料和采用粘合劑或由熱密封密閉一端。在將陰極盤(pán)插入電池殼體之后，然后將纏繞的隔離膜插入以便隔離膜表面面對(duì)暴露的陰極表面。優(yōu)選，隔離膜寬度在一定程度上小于總陽(yáng)極腔的寬度。這在隔離膜一個(gè)短側(cè)面和陰極盤(pán)之間導(dǎo)致間隙。間隙是約2-4mm，優(yōu)選約2-3mm。然后可以將陽(yáng)極材料通過(guò)隔離膜開(kāi)放端填充入陽(yáng)極腔。這導(dǎo)致由陽(yáng)極材料，陰極材料，和在其間的隔離膜填充的殼體，其中在隔離膜的一個(gè)短側(cè)面和陰極之間存在間隙(空隙空間)。
現(xiàn)在可以通過(guò)將其傾入間隙而將另外的堿性電解質(zhì)溶液加入電池內(nèi)部?？尚枰陉?yáng)極和陰極在電池中就位之后將少量另外的堿性電解質(zhì)溶液加入電池。可以將另外的電解質(zhì)采用小增量加入在隔離膜和陰極之間的該間隙，所需地采用在增量電解質(zhì)分配之間的短時(shí)間間隔。在供選擇的實(shí)施方案中可以在陰極就位之后但在將陽(yáng)極材料插入陽(yáng)極腔之前，將一部分另外的電解質(zhì)加入間隙。然后將陽(yáng)極材料插入電池的陽(yáng)極腔和其后可以將另外的電解質(zhì)加入間隙。在將最終數(shù)量的堿性電解質(zhì)加入隔離膜和陰極之間的該間隙之后，陽(yáng)極溶脹以推動(dòng)隔離膜表面對(duì)陰極平齊，因此引起間隙消失。
另外的堿性電解質(zhì)溶液可有助于改進(jìn)陽(yáng)極利用和總體電池性能。它也可以是傾向于阻礙電池溶脹的因素。如果將另外的電解質(zhì)加入該間隙，將它優(yōu)選采用分配增量加入及在分配之間具有足夠的時(shí)間延遲，例如約1-4分鐘以考慮到電解質(zhì)的吸收。這樣的過(guò)程允許加入的電解質(zhì)到陽(yáng)極和陰極的吸收而不引起電解質(zhì)進(jìn)入端帽組件腔，即在陽(yáng)極以上空間的溢流。這樣的溢流可起金屬罩表面和邊緣的潤(rùn)濕足以干擾金屬罩對(duì)殼體的均勻激光焊接。


圖1是顯示電池負(fù)端的本發(fā)明的平堿性電池的透視圖。
圖1A是顯示電池正端的圖1的平堿性電池的透視圖。
圖2是沿觀察線2-2取的圖1A中所示電池的橫截面視圖。
圖2A是沿觀察線2-2取的和顯示改進(jìn)插頭設(shè)計(jì)的圖1中所示電池的橫截面視圖。
圖3是沿觀察線3-3取的圖1A中所示電池的橫截面視圖。
圖3A是沿觀察線3-3取的和顯示改進(jìn)插頭設(shè)計(jì)的圖1A中所示電池的橫截面視圖。
圖4是構(gòu)成平堿性電池用端帽組件的部件的分解視圖。
圖4A是在它壓縮入它的外殼腔之前圖2A和3A中所示改進(jìn)插頭的透視圖。
圖4B是在垂直于電池縱軸的平面中沿圖1A觀看線4B-4B取的以顯示伸長(zhǎng)陽(yáng)極腔的電池橫截面的平面圖。
圖4C是顯示伸長(zhǎng)陽(yáng)極腔另一個(gè)實(shí)施方案的電池橫截面的平面圖。
圖4D是顯示伸長(zhǎng)陽(yáng)極腔第三實(shí)施方案的橫截面的平面圖。
圖5是顯示電池內(nèi)容物和端帽組件進(jìn)入電池殼體(外殼)中的安裝的分解視圖。
圖6是沿它的邊緣激光焊接具有到電池殼體內(nèi)表面的強(qiáng)焊接處和弱焊接處顯示的金屬罩板的平面圖。
圖6A是沿它的邊緣激光焊接具有到電池殼體卷曲邊緣的強(qiáng)焊接處和弱焊接處顯示的金屬罩板的平面圖。
圖7是顯示其中強(qiáng)和弱焊接處的實(shí)施方案的電池殼體的視圖。
圖7A是顯示其中彎曲強(qiáng)和弱焊接處的實(shí)施方案的電池殼體的視圖。
圖8是顯示變薄的材料的下面區(qū)域的殼體中凹槽的電池側(cè)視圖。
圖8A是顯示殼體中多個(gè)凹槽的電池側(cè)視圖，其中每個(gè)凹槽形成變薄的材料的下面區(qū)域。
圖9是圖8和8A中所示的代表性凹槽的橫截面視圖。
圖10是激光焊接到圖10A所示的電池殼體的金屬罩的頂部平面圖。
圖10A是顯示在殼體的寬側(cè)上單一有凹槽的排氣口的平堿性電池的實(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖11是沿圖10A中所示的電池寬側(cè)的橫截面視圖。
圖12是沿圖10A中所示的電池短側(cè)的橫截面視圖。
圖13是構(gòu)成圖10A中所示平電池用端帽組件的部件的分解視圖。
圖14顯示從單片隔離膜材料制造用于圖10A的電池隔離膜。
圖14A顯示形成纏繞隔離膜板的方法。
圖14B顯示具有開(kāi)放端和相對(duì)密閉端的完成的纏繞隔離膜。
圖15顯示對(duì)于有凹槽的排氣口切割的V形凹槽的另外類型。
圖16顯示實(shí)施方案，其中在隔離膜的短側(cè)和陰極之間存在間隙。
圖17顯示相似于圖11的電池的供選擇的實(shí)施方案，區(qū)別在于將紙墊圈在焊接的金屬罩上堆疊代替塑料填料。
本發(fā)明的平堿性電池10的具體實(shí)施方案在圖1-5中顯示。電池10具有至少兩個(gè)平的相對(duì)側(cè)面，它們平行于電池的縱軸。電池10優(yōu)選為矩形，即立方體，如圖1和1A所示。在此使用的術(shù)語(yǔ)“立方體”應(yīng)當(dāng)表示幾何定義，它是矩形平行六面體。然而，電池10也可以是平行六面體。圖中所示的外部殼體100優(yōu)選為立方體形狀，因此不具有任何整體圓筒形截面。電池10的厚度典型地小于它的寬度和寬度小于它的長(zhǎng)度。當(dāng)電池厚度，寬度和長(zhǎng)度為不同尺寸時(shí)，厚度正常考慮為這三個(gè)尺寸中最小的。
電池10優(yōu)選包括立方體形狀殼體(外殼)100，優(yōu)選是鍍鎳鋼的。殼體100的內(nèi)表面優(yōu)選由溶劑基碳涂料，例如以商品名TIMREX E-LB購(gòu)得的碳涂料的層涂覆。在圖中所示的實(shí)施方案中，殼體(外殼)100由一對(duì)相對(duì)的大平壁106a和106b；一對(duì)相對(duì)的小平壁107a和107b；密閉端104；和相對(duì)開(kāi)放端102限界。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。殼體100所需地在它的內(nèi)表面上由碳或銦的層涂覆以改進(jìn)電導(dǎo)率。將包括陽(yáng)極150，陰極110和其間的隔離膜140的電池內(nèi)容物通過(guò)開(kāi)放端102提供。在優(yōu)選的實(shí)施方案中陽(yáng)極150包括粒狀鋅，陰極110包括MnO2。氫氧化鉀的水溶液形成陽(yáng)極和陰極的一部分。
陰極110的形式可以為具有通過(guò)它厚度的中空中心核110b的多個(gè)塊110a，最好地如圖5所示。陰極塊110a優(yōu)選具有總體矩形。將陰極塊(slab)110a插入殼體100和一個(gè)在另一個(gè)的頂部上沿電池長(zhǎng)度垂直堆疊，如圖2，3和5所示。每個(gè)陰極塊110a可以在它插入殼體100之后再壓緊。這樣的再壓緊保證每個(gè)陰極塊110a的外表面與殼體100的內(nèi)表面緊密接觸。優(yōu)選，排列陰極塊110a中的中空中心核110b以沿電池的縱軸190形成一個(gè)連續(xù)中心核，用于接收陽(yáng)極淤漿150。任選地，最接近殼體100的密閉端104的陰極塊110a可具有底表面，它鄰接和覆蓋密閉端104的內(nèi)表面。
陰極塊110a可以是模澆鑄或壓縮模塑的。或者，陰極110可以由陰極材料形成，將該陰極材料通過(guò)噴嘴擠出以形成具有中空核的單一連續(xù)陰極110。陰極110也可以由多個(gè)塊110a與中空核110b形成，其中將每個(gè)塊擠出成殼體100。
在插入陰極110之后，然后在每個(gè)塊110a的中心核110b中布置電解質(zhì)可滲透的隔離膜140，從而隔離膜140的外表面鄰接陰極的內(nèi)表面，如圖2，3和5所示。每個(gè)陰極塊110a的內(nèi)表面，它限定該中空中心核110b，優(yōu)選是彎曲表面。這樣的彎曲內(nèi)表面改進(jìn)在轉(zhuǎn)移和處理期間塊的機(jī)械強(qiáng)度和也提供在隔離膜140和陰極110之間的更均勻接觸。
如上所述排列塊110a的中心核110b以形成一個(gè)連續(xù)核。在插入隔離膜240之后，連續(xù)的核形成容納陽(yáng)極材料150的陽(yáng)極腔155。陽(yáng)極腔在陰極塊110a的中心核中，它沒(méi)有陰極材料。當(dāng)在平面圖(圖4B)中在沿垂直于電池縱軸190的平面取陰極塊110a的橫截面觀察時(shí)，陽(yáng)極腔155具有伸長(zhǎng)或長(zhǎng)方形形狀。由邊界周邊156限定的陽(yáng)極腔155的橫截面可以是橢圓形或基本橢圓形的。腔155的長(zhǎng)尺寸D1大于它的短尺寸D2。腔155因此可具有直徑(或?qū)挾?D1，它在沿平行于電池寬側(cè)(106a或106b)的平面路徑比在平行于電池窄側(cè)(107a或107b)的平面方向中它的直徑(或?qū)挾?D2大。因此，通過(guò)非限制性例子，當(dāng)在沿垂直于中心縱軸190的平面在橫截面中觀察時(shí)，陽(yáng)極腔155可取橢圓的形狀或顯現(xiàn)為基本橢圓形。陽(yáng)極腔的相對(duì)長(zhǎng)邊界邊緣158a和158b當(dāng)在橫截面(圖4B)中觀察時(shí)可以為平或基本平的，所以總體構(gòu)型不是完善橢圓，但然而具有如所示的伸長(zhǎng)或長(zhǎng)方形形狀。
當(dāng)在由垂直于電池中心縱軸190的平面通過(guò)切割陰極塊110a獲得的橫截面(圖4B，4C和4D)中觀察時(shí)，腔155具有伸長(zhǎng)或長(zhǎng)方形形狀。這樣的伸長(zhǎng)形狀可以是伸長(zhǎng)多邊形或矩形，如圖4C所示。限定由邊界周邊156限定的腔155的長(zhǎng)尺寸D1和短尺寸D2的軸可以是傾斜的，如圖4D所示。優(yōu)選，腔155當(dāng)在由垂直于電池中心縱軸190(圖1A)的平面通過(guò)切割陰極塊110a獲得的橫截面(圖4B)中觀察時(shí)，具有至少一部分是彎曲的它的邊界周邊156。腔155所需地具有長(zhǎng)方形構(gòu)型。在優(yōu)選的實(shí)施方案中限定腔155的基本所有邊界周邊156是彎曲的。特別地需要至少最接近電池相對(duì)窄側(cè)107a和107b的腔155的相對(duì)表面157a和157b是彎曲的，如最好地在圖4B中所示。優(yōu)選，腔155的基本所有周邊156當(dāng)在上述橫截面中觀察時(shí)是彎曲的。當(dāng)從外部殼體100觀察時(shí)相對(duì)長(zhǎng)邊緣158a和158b優(yōu)選是向外彎曲的(凸的)，如圖4B所示。然而，長(zhǎng)邊緣158a和158b可以是平或基本平的?；蛘?，長(zhǎng)邊緣158a和158b可以是輕微向內(nèi)彎曲的(凹的)或輕微向外彎曲的(凸的)或可以具有卷曲的曲率，例如具有交替凸和凹表面。相似地短邊緣157a和157b可以是輕微向內(nèi)彎曲的(凹的)或輕微向外彎曲的(凸的)或可以具有卷曲的曲率，例如具有交替凸和凹表面。在沿垂直于電池縱軸的平面取的陰極塊110a的任何橫截面中，存在表示平面中它的最大長(zhǎng)度的腔155的長(zhǎng)尺寸D1和表示該平面中它的最大寬度的短尺寸D2。長(zhǎng)直徑(D1)正常地在沿平行于電池寬側(cè)(106a或106b)的平面的方向和小直徑(D2)在沿平行于電池窄側(cè)(107a或107b)的平面的方向，如圖4B所示。腔155當(dāng)在上述橫截面上觀察時(shí)具有至少一些曲率和特征在于D1/D2的比率大于1.0，反映它是伸長(zhǎng)或長(zhǎng)方形構(gòu)型。腔155的形狀當(dāng)在沿垂直于縱軸190的平面取的橫截面中觀察時(shí)所需地具有D1/D2比率大于1.0的對(duì)稱長(zhǎng)方形構(gòu)型。在這樣的情況下尺寸D1和D2彼此垂直，如圖4B所示。通過(guò)具體的非限制性例子，腔155的形狀當(dāng)在這樣的橫截面中觀察時(shí)為長(zhǎng)方形形狀和可以是橢圓形或基本橢圓形的。
陽(yáng)極150的形式優(yōu)選為包括鋅粒子和含水堿性電解質(zhì)的膠凝化鋅淤漿。將陽(yáng)極淤漿150沿電池的縱軸190傾入電池的中心核155。陽(yáng)極150因此由在其間的隔離膜140從與陰極110的直接接觸分隔。
在提供電池內(nèi)容物之后，然后將電池組件12(圖4)插入開(kāi)放端102以密封電池和提供負(fù)端290。殼體的密閉端104可用作電池的正端。可以將密閉端104拉伸或壓印以提供突出正支托(pip)或可以將具有突出支托180的端板184焊接到殼體的密閉端104，如圖1A所示。
構(gòu)成端帽組件12的具體實(shí)施方案的部件最好地在圖4中顯示。端帽組件12包括伸長(zhǎng)的陽(yáng)極集電器160；絕緣密封構(gòu)件220；位于密封構(gòu)件220以上的金屬罩230；部分穿過(guò)絕緣密封構(gòu)件220的金屬鉚釘240；塑料墊片250，它分隔鉚釘240和金屬罩230；位于鉚釘240的腔248中的橡膠排氣栓260；在橡膠栓260上的排氣支托帽270；塑料填料密封280；和在塑料填料280上的負(fù)端板290。
在此公認(rèn)的是橡膠排氣栓260位于鉚釘240中的腔248中，和在橡膠栓260上的排氣支托帽270公開(kāi)了和與由Gold Peak Batteries，香港制造的商業(yè)7/5-F6尺寸矩形可充電鎳金屬氫化物電池型號(hào)No.GP14M145結(jié)合使用。然而，本專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人在此確定如果施加到原鋅/MnO2堿性電池，在該鎳金屬氫化物可充電電池型號(hào)No.GP14M145中作為整體的端帽組件引起腐蝕和促進(jìn)脫氣。由于集電器的最寬部分非常接近(小于約0.5mm)電池外殼內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)這樣的腐蝕在伸長(zhǎng)集電器和電池外殼的內(nèi)表面之間發(fā)生。認(rèn)識(shí)到集電器160的寬部分，即法蘭161與可復(fù)位排氣栓設(shè)計(jì)結(jié)合使用。由于集電器鉚釘連接到絕緣密封構(gòu)件220的下側(cè)，要求集電器(法蘭161)的這樣寬部分。因此，法蘭161必須足夠?qū)捯詫?duì)其固定鉚釘240的基座246。如果電池10是小尺寸平電池，例如總厚度為約5-10mm的立方體形狀電池，法蘭161的邊緣因此，終止對(duì)殼體100的內(nèi)表面的接近。
申請(qǐng)人通過(guò)再設(shè)計(jì)絕緣密封構(gòu)件220改進(jìn)包括集電器160和絕緣密封構(gòu)件220的亞組件-向它提供包圍裙226。絕緣密封裙226圍繞陽(yáng)極集電器160的最寬部分，即法蘭161。絕緣裙161因此在集電器法蘭161的邊緣和殼體100的內(nèi)表面之間提供屏蔽。確定絕緣裙161降低在法蘭161和殼體100的內(nèi)表面之間的空間中在電池放電期間腐蝕性化學(xué)品，典型地含金屬的配合物或化合物的產(chǎn)生。這樣的腐蝕性化學(xué)品，如果以一定的數(shù)量生產(chǎn)，可干擾電池性能和促進(jìn)電池放氣。同樣，在此處所述的改進(jìn)設(shè)計(jì)中陽(yáng)極集電器160的最寬部分，即法蘭161從外殼內(nèi)表面為約0.5-2mm，優(yōu)選約0.5-1.5mm。確定這與圍繞集電器法蘭161的絕緣密封裙226的使用結(jié)合防止在集電器寬部分(法蘭161)和殼體100內(nèi)表面之間任何顯著數(shù)量腐蝕性化學(xué)品的產(chǎn)生。本發(fā)明的這樣改進(jìn)設(shè)計(jì)依次使可復(fù)位橡膠排氣栓組件適于作為在此所述平堿性原電池的可用排氣機(jī)構(gòu)。
最好地在圖4和5中顯示的端帽組件12的部件可以采用如下方式組裝陽(yáng)極集電器160包括在它的底端在尖端163中終止和在它的頂端在向外延伸的整體法蘭161中終止的伸長(zhǎng)軸或線162，它優(yōu)選在對(duì)軸162的合適角度下。因此當(dāng)將集電器160插入陽(yáng)極150時(shí)，向外延伸法蘭161的邊緣可以比軸162更接近殼體100的內(nèi)表面。絕緣密封構(gòu)件220具有頂板227和相對(duì)的開(kāi)放底部228。絕緣密封構(gòu)件220優(yōu)選是尼龍66或尼龍612，它是耐用的，耐堿，和可滲透氫?；蛘?，絕緣密封構(gòu)件220可以由聚丙烯、滑石填充聚丙烯、磺化聚乙烯或其它聚酰胺(尼龍)品級(jí)組成，它是耐用的和可滲透氫。絕緣構(gòu)件220優(yōu)選是矩形的所以它可以在殼體100的開(kāi)放端102中緊密配合。從絕緣構(gòu)件220的頂端227延伸的相對(duì)側(cè)壁226a和相對(duì)端壁226b在頂板227周圍形成向下延伸裙226。裙226限定該絕緣密封構(gòu)件220的開(kāi)放底部228的界限。存在通過(guò)頂板227的小孔224。存在金屬罩230，它可以是具有通過(guò)其間的小孔234的金屬板。存在具有頭247和基座245的金屬鉚釘240。鉚釘240可以是鍍鎳鋼或不銹鋼的。鉚釘240具有頭247中的腔248。腔248完全通過(guò)鉚釘頭247和鉚釘軸245。將集電器160的法蘭161插入絕緣密封構(gòu)件220的開(kāi)放底部228所以集電器160的法蘭161由該密封構(gòu)件220的絕緣裙226圍繞和保護(hù)。如圖4所示，集電器160的法蘭部分161具有通過(guò)其間的小孔164。鉚釘240的基座246可以通過(guò)該小孔164和鉚釘連接到該法蘭161以保持集電器160與該鉚釘電連接。
在這樣的實(shí)施方案中絕緣裙226在集電器的法蘭161和電池殼體100的內(nèi)表面之間提供屏蔽。已經(jīng)確定在陽(yáng)極集電器160任何表面和電池殼體100內(nèi)表面之間的窄間隙，例如小于約0.5mm可提供區(qū)域，其中腐蝕性副產(chǎn)物可以在堿性電池放電期間產(chǎn)生。這依次可鈍化陽(yáng)極集電器160的相鄰區(qū)域和促進(jìn)放氣。希望絕緣密封構(gòu)件220的向下延伸裙226向外圍繞集電器160的延伸部分如整體法蘭161，因此在集電器160的最寬部分和殼體100之間提供屏蔽。確定這消散腐蝕問(wèn)題和降低放氣。申請(qǐng)人由如下方式再設(shè)計(jì)集電器優(yōu)選的最寬部分改進(jìn)設(shè)計(jì)提供圍繞最寬部分，即陽(yáng)極集電器160的法蘭161的屏蔽，即絕緣裙226。裙226的放置和效果更詳細(xì)地描述于此處的以下段落。在此處所述的申請(qǐng)人的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，陽(yáng)極集電器160的最寬部分，即法蘭161離外殼內(nèi)表面約0.5-2mm，優(yōu)選約0.5-1.5mm。同樣，包圍絕緣裙226在集電器法蘭161和殼體100之間提供屏蔽。確定這些設(shè)計(jì)特征消散腐蝕問(wèn)題和使可復(fù)位橡膠排氣栓組件適于作為本發(fā)明的平堿性原電池的可用排氣機(jī)構(gòu)。
在形成端帽組件12中，布置集電器160的法蘭部分161所以將其間的小孔164通過(guò)絕緣密封構(gòu)件220的頂板227與小孔224對(duì)準(zhǔn)。將金屬罩230布置在絕緣密封構(gòu)件220的頂板227上所以將通過(guò)金屬罩230的小孔234與小孔224對(duì)準(zhǔn)。將塑料墊片盤(pán)250在金屬罩230上插入所以將通過(guò)墊片盤(pán)250的小孔252與金屬罩230的小孔234對(duì)準(zhǔn)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中(圖4)中，將鉚釘240的基座246通過(guò)塑料墊片250的小孔252和也通過(guò)金屬罩230的小孔234。也將鉚釘240的基座246通過(guò)絕緣密封構(gòu)件220的小孔224和集電器法蘭161的小孔164。塑料墊片250分隔鉚釘240與金屬罩230。鉚釘軸245的基座246通過(guò)絕緣密封構(gòu)件220的小孔224和陽(yáng)極集電器160的頂法蘭部分161中的下面小孔164延伸?？梢允褂密壍楞T釘器等將鉚釘軸的基座246抗集電器法蘭161的底表面錘入位置。這在絕緣密封構(gòu)件220的小孔224中將鉚釘軸鎖定位置和也固定集電器160-鉚釘軸245。這保持集電器160與鉚釘240的永久電接觸和防止鉚釘軸245從絕緣密封構(gòu)件220的小孔224脫除或離位。將鉚釘頭247在塑料墊片250上緊密就位。這形成包括鉚釘240，塑料墊片250，金屬罩230，絕緣密封構(gòu)件220和陽(yáng)極集電器160的亞組件?？梢再A存亞組件直到準(zhǔn)備用于進(jìn)一步的組裝。
通過(guò)將橡膠排氣栓260插入鉚釘頭247中的腔248完成組裝工藝。栓260優(yōu)選為截短的錐形和設(shè)計(jì)以在鉚釘頭247的腔248中緊密配合。栓260優(yōu)選是可壓縮，回彈性材料的，該材料耐堿性電解質(zhì)。栓260的優(yōu)選材料是橡膠，優(yōu)選氯丁橡膠或EPDM(乙烯-丙烯-二烯烴三元共聚物)橡膠或其它耐堿可壓縮橡膠。栓240的表面優(yōu)選由非潤(rùn)濕劑如特氟隆(聚四氟乙烯)、瀝青或聚酰胺涂覆。然后將金屬排氣支托帽270在栓260上插入。將排氣支托帽270采用足夠的力量壓擠到栓260上以壓縮栓約0.55mm。確定這提供密封，該密封可承受約200psig(13.79×105帕斯卡)的內(nèi)部氣體壓力積累?？梢哉{(diào)節(jié)栓260壓縮所以密封可承受典型地約100-300psig(6.895×105-20.69×105帕斯卡表壓)，所需地約100-200psig(6.895×105-13.79×105帕斯卡表壓)的內(nèi)部壓力。如需要，栓260的更高壓縮程度也是可以的以使密封承受更高的壓力，即高于300psig(20.69×105帕斯卡表壓)。如需要，栓260的相反降低的壓縮是可能的，所以保持密封直到在低于100psig的任何所需數(shù)值下的壓力閾值。排氣支托帽270的基座273可具有幾個(gè)向下延伸的區(qū)段，當(dāng)排氣帽270壓擠到栓260上時(shí)，該區(qū)段配合入塑料墊片250的頂表面中的壓痕或裂縫253。這最好地在圖5中所示。在將排氣支托帽270在栓260上插入，因此將該栓在鉚釘頭腔248中壓縮之后，將排氣帽270焊接到鉚釘頭247。因此將栓260保持壓縮在鉚釘頭腔248中。將塑料填料構(gòu)件280放置在排氣帽頭271上。排氣帽頭271通過(guò)塑料填料280中的小孔282突出。然后將端子端板290(負(fù)端)焊接到排氣帽頭271。因此將排氣帽270焊接到端板290和鉚釘240兩者。端子端板290由具有良好機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性的導(dǎo)電金屬如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼，優(yōu)選鍍鎳低碳鋼構(gòu)成。因此，形成端子端板290與集電器163永久電接觸的完成的端帽組件12。
然后將完成的端帽組件12插入殼體100的開(kāi)放端102。集電器軸162透入陽(yáng)極淤漿150。將金屬罩230的邊緣，優(yōu)選由激光焊接，焊接到殼體的頂部周邊邊緣104。這牢固地將端帽組件12保持位置和密封殼體的開(kāi)放端102，如圖1和1A所示。末端板290與集電器160和陽(yáng)極150電接觸，和因此形成在此所述鋅/MnO2堿性電池實(shí)施方案的電池負(fù)端。認(rèn)識(shí)到負(fù)端板290與殼體100由塑料填料280電絕緣。鉚釘240和陽(yáng)極集電器160與殼體100由塑料墊片250和絕緣密封構(gòu)件220電絕緣。如圖1A，2和3所示，在殼體100的相對(duì)密閉端的支托180形成電池的正端。支托180可以從殼體的密閉端104整體形成或可以由單獨(dú)板184形成，它單獨(dú)焊接到密閉端，如圖1A所示。完成的電池在圖1和1A的透視圖中和在圖2和3的橫截面視圖中顯示。
在電池放電或貯存期間的操作中，如果電池中的氣體壓力累積到超過(guò)設(shè)計(jì)閾值水平，栓260在鉚釘頭腔248中離位。這會(huì)允許氣體從電池內(nèi)部中通過(guò)鉚釘頭腔248逸出，然后通過(guò)排氣帽270的排氣小孔272逸出和逸出到外部環(huán)境。當(dāng)降低電池中的壓力時(shí)，栓260在鉚釘頭腔248中復(fù)位。
作為增加的安全特征，電池可具有第二排氣設(shè)備，它用作補(bǔ)充可復(fù)位栓排氣口260。可以設(shè)計(jì)補(bǔ)充排氣口以在災(zāi)難狀況下啟動(dòng)，例如如果用戶非故意地使用平可充電電池用的電池充電器嘗試再充電原電池10長(zhǎng)的時(shí)間。設(shè)計(jì)本發(fā)明的電池10是原(不可充電)電池。不管電池不應(yīng)當(dāng)再充電的在電池標(biāo)簽上的大量書(shū)寫(xiě)通知，總是可能的是用戶采用常規(guī)平電池充電器，例如設(shè)計(jì)用于再充電平鎳金屬氫化物電池的充電器非故意地嘗試再充電電池。如果通過(guò)嘗試再充電長(zhǎng)時(shí)間以此方式濫用電池，存在內(nèi)部壓力水平可能突出上升的危險(xiǎn)。
如果將電池10非故意地經(jīng)歷再充電(盡管希望它是原(不可充電)電池)，當(dāng)內(nèi)部氣體壓力達(dá)到設(shè)計(jì)閾值，所需地約100-300psig(6.895×105-20.69×105帕斯卡表壓)的壓力時(shí)栓排氣口260離位，因此釋放壓力。如果在持續(xù)充電長(zhǎng)時(shí)間時(shí)壓力再次累積，栓260再次離位。栓離位和復(fù)位的這樣工藝可以重復(fù)許多次，導(dǎo)致氣體壓力從電池內(nèi)部的脈沖釋放。在這樣的濫用條件下存在如下可能性KOH電解質(zhì)逐漸進(jìn)入和在栓260和容納栓260的鉚釘頭腔248內(nèi)表面之間的自由空間中結(jié)晶。(將栓260在鉚釘頭腔248中由焊接到鉚釘頭的排氣帽270保持壓縮)。這樣結(jié)晶KOH的累積降低在栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間自由空間的數(shù)量。由于當(dāng)達(dá)到閾值氣體壓力時(shí)可用于栓260膨脹的自由空間較少，當(dāng)持續(xù)再充電工藝時(shí)這使得栓260逐漸地更難以離位。結(jié)晶KOH在鉚釘頭248中少量自由空間中的累積也可阻礙氣體通過(guò)排氣帽270中排氣小孔272的合適排氣。
在此提出設(shè)計(jì)中的幾個(gè)改進(jìn)以降低在栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間這樣KOH結(jié)晶累積的有害效果。
本發(fā)明的排氣系統(tǒng)可包括主和補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)。當(dāng)電池中的氣體壓力累積到設(shè)計(jì)壓力閾值水平P1時(shí)啟動(dòng)主排氣機(jī)構(gòu)。需要具有補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)在主排氣機(jī)構(gòu)不能合適地操作或如果電池經(jīng)歷濫用狀況，導(dǎo)致氣體壓力的快速累積，補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)在更高壓力水平P2下啟動(dòng)。一種這樣的濫用狀況可發(fā)生，例如如果將電池非故意地經(jīng)歷充電延長(zhǎng)的時(shí)間。在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案中可復(fù)位栓240用作主排氣機(jī)構(gòu)，它在約100-300psig的設(shè)計(jì)閾值壓力P1下啟動(dòng)。補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)可以是殼體100或端帽組件12切出部分中任何位置的弱激光焊接處。設(shè)計(jì)弱激光焊接處以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到更高壓力P2，所需地約400-800psig時(shí)破裂?？梢源嬖趶?qiáng)焊接處，優(yōu)選與弱焊接處相鄰。設(shè)計(jì)強(qiáng)焊接處以在仍然更高壓力P3，所需地約800-2500psig下破裂。
一個(gè)實(shí)施方案補(bǔ)充排氣系統(tǒng)可以由如下方式提供沿在金屬罩230和殼體100內(nèi)表面之間的激光焊接界面部分形成弱激光焊接處。(金屬罩230用于密閉殼體100的開(kāi)放端102。)優(yōu)選，弱激光焊接處310a可以在一個(gè)金屬罩長(zhǎng)邊緣230a的主要部分和殼體邊緣108a之間施加，如圖6所示?？梢允┘尤跫す夂附犹?10a所以焊接處厚度使得當(dāng)電池中的氣體累積到約400-800psig(2748×103-5515×103帕斯卡)的壓力時(shí)，它所需地?cái)嗔鸦蚱屏??？梢哉{(diào)節(jié)弱焊接處的滲透深度以達(dá)到所需的破裂壓力。約400-800psig(2748×103-5515×103帕斯卡表壓)的破裂壓力可以采用約2-4密耳(0.0508-0.102mm)的激光焊接處滲透深度達(dá)到。弱焊接處可以所需地沿金屬罩230的至少一個(gè)長(zhǎng)邊緣230a的主要部分走向。優(yōu)選，弱焊接處在點(diǎn)312a開(kāi)始，它離殼體100的角相交短邊緣108c和長(zhǎng)邊緣108a至少約1mm。因此，對(duì)于平7/5-F6電池弱焊接處的長(zhǎng)度可以為至少約10mm，典型地約13mm。
在金屬罩230邊緣和殼體邊緣(殼體邊緣107c，107d，和106d)(圖6)之間的剩余周邊界面可具有強(qiáng)激光焊接處310b，強(qiáng)激光焊接處310b設(shè)計(jì)以在更高壓力水平，例如約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)，典型地約800-1600psig(5515×103-11030×103帕斯卡表壓)的氣體壓力下破裂?？梢哉{(diào)節(jié)強(qiáng)焊接處的滲透深度以達(dá)到所需的破裂壓力。約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的破裂壓力可以采用約5-7密耳(0.127-0.178mm)的激光焊接處滲透深度達(dá)到?？梢愿?xì)地調(diào)節(jié)強(qiáng)焊接處的滲透深度，允許焊接處在所需壓力水平，例如約1300-1600psig(8962×103-11030×103帕斯卡表壓)下破裂。
盡管金屬板230的邊緣顯示為焊接到金屬殼體100的內(nèi)表面，如圖6所示，可以存在供選擇的實(shí)施方案，其中金屬板230的邊緣焊接到金屬殼體的邊緣而不是殼體100的內(nèi)表面。一種這樣的供選擇實(shí)施方案顯示于圖6A。在這樣的實(shí)施方案中(圖6A)卷曲由相對(duì)長(zhǎng)邊緣108a和108b和相對(duì)短邊緣108c和108d限定的殼體邊緣108，所以這樣的邊緣位于與金屬板230相同的平面中。因此，金屬板230的邊緣230a和230b可以直接激光焊接到卷曲的殼體邊緣180。強(qiáng)激光焊接處310b可以在板邊緣230b和殼體邊緣108b，108c和108d之間施加；弱激光焊接處310a可以在板邊緣230a和殼體邊緣108a之間施加。
在仍然其它實(shí)施方案中在殼體100的主體中可以存在切出的部分。切出的部分可以具有變化的形狀。例如，切出的部分可以是多邊形(圖7)或它的至少一部分邊界是彎曲的(圖7A)?？梢詫⒔饘侔?，如板400(圖7)或板500(圖7A)插入這樣的切出的部分?？梢约す夂附咏饘侔?00(圖7)或金屬板500(圖7A)的邊緣到殼體以密閉切出的部分。焊接處的形式可以所需地為強(qiáng)激光焊接處410b和相鄰弱激光焊接處410a，如圖7的實(shí)施方案所示。焊接處的形式可以為強(qiáng)激光焊接處510b和優(yōu)選相鄰弱激光焊接處510a，如圖7A的實(shí)施方案所示。
強(qiáng)和弱焊接處可以使用在峰功率輸出范圍中操作的不同類型激光器達(dá)到。以下是使用Nd:Yag激光器產(chǎn)生的弱和強(qiáng)焊接處的非限制性例子。當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的閾值壓力時(shí)，上述的弱焊接處如上所述斷裂或破裂。當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)，典型地約800-1600psig(5515×103-11030×103帕斯卡表壓)的閾值壓力時(shí)，強(qiáng)焊接處會(huì)破裂。弱焊接處特別地提供補(bǔ)充排氣系統(tǒng)，允許如果如上所述濫用電池，氣體從電池中逸出。
或者，補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)的形式可以為有凹槽的排氣口，即在殼體100表面上的一個(gè)或多個(gè)凹槽，它導(dǎo)致下面的變薄的材料區(qū)域?？梢哉{(diào)節(jié)下面的變薄的材料區(qū)域的凹槽深度和厚度所以當(dāng)電池中的氣體壓力上升到大于P1的壓力P2時(shí)變薄的區(qū)域破裂。在另一個(gè)實(shí)施方案中可以消除可復(fù)位栓和激光焊接處可以用作在壓力P1下啟動(dòng)的主排氣機(jī)構(gòu)。在這樣的實(shí)施方案中補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)可以是在殼體表面上在凹槽下面的變薄的材料?？梢栽O(shè)計(jì)變薄的材料以在更高的壓力水平P2下破裂。
在仍然另一個(gè)實(shí)施方案中在殼體表面上可以存在多個(gè)凹槽。一個(gè)凹槽可具有小厚度的下面變薄區(qū)域，允許它當(dāng)電池中氣體累積到設(shè)計(jì)壓力水平P1時(shí)破裂。殼體表面上的第二凹槽，它可以與第一凹槽相鄰或間隔開(kāi)，可具有下面變薄的區(qū)域，如果電池中的氣體壓力累積到更高P2設(shè)計(jì)該區(qū)域以破裂。
當(dāng)殼體100是鋼，例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼的時(shí)，凹槽如凹槽600a(圖8)可以在殼體表面上形成所以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)，在凹槽下面的變薄的材料會(huì)破裂。殼體的無(wú)凹槽部分的平均壁厚度可以典型地為約0.3-0.50mm，所需地約0.3-0.45mm。為達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的破裂壓力，形成凹槽所以下面的變薄的材料的厚度典型地為約0.07-0.08mm。在具體的非限制性例子中，如果形成凹槽所以在下面的變薄的材料的厚度為約0.074mm，當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約435psig(2999×103帕斯卡表壓)的水平時(shí)這樣下面的材料破裂。
凹槽600，例如它的形式可以為殼體表面上的凹槽600a或600b(圖8-8A)，通過(guò)采用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體表面制備。當(dāng)壓印模頭沖壓入殼體外表面時(shí)保持軸柄對(duì)著殼體的內(nèi)表面。對(duì)于采用這樣壓印或切割模頭形成的凹槽，下面的變薄區(qū)域610(圖9)的厚度主要確定變薄區(qū)域破裂的壓力。凹槽切口可以所需地是V-形(圖9)，它優(yōu)選采用具有刀邊緣的壓印模頭獲得。V形凹槽所需地具有約40度的銳角，α。凹槽600可以由其它方法，例如由化學(xué)蝕刻制備。
在凹槽600下面的變薄的材料優(yōu)選與殼體材料相同，典型地是鍍鎳?yán)滠堜?。凹?00可以具有直或彎曲的邊界或可具有直和彎曲部分的組合。凹槽600可具有矩形，多邊形或長(zhǎng)方形的邊界。凹槽它們的至少一部分邊界是卷曲的，即部分凸和部分凹的。凹槽邊界可以是密閉或開(kāi)放的。在此處優(yōu)選的實(shí)施方案中凹槽可以是直或基本直的，優(yōu)選平行于殼體的寬邊緣108a(圖8-8A)。例如，在7/5-F6尺寸矩形電池中，凹槽600a(圖8和8A)可以所需地平行于殼體寬邊緣108a布置和離其約10mm和長(zhǎng)度可以為約8mm。
可以存在與第一凹槽600a間隔開(kāi)的第二凹槽600b，如圖8A所示。在具體的非限制性實(shí)施方案中第二凹槽600b可以平行于凹槽600a和離正端180(密閉端)約10mm。凹槽600b的長(zhǎng)度可以為約8mm。在這樣的情況下每個(gè)凹槽600a和600b在下面的材料厚度可以不同，所以每個(gè)中的下面的材料當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到不同壓力水平時(shí)斷裂。例如，可以設(shè)計(jì)在凹槽600a下面的變薄的材料以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約250-800psig的設(shè)計(jì)爆裂壓力時(shí)破裂。為達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的這樣爆裂壓力范圍，在凹槽600a下面的變薄的材料的厚度為約0.04-0.15mm?；蛘?，可以設(shè)計(jì)在凹槽600a下面的變薄的材料以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的設(shè)計(jì)爆裂壓力時(shí)破裂。為達(dá)到400-800psig的這樣爆裂壓力，在凹槽600a下面的變薄的材料的厚度為約0.07-0.15mm?？梢栽O(shè)計(jì)在第二凹槽600b下面的變薄的材料以當(dāng)在災(zāi)難狀況下，在如下情況下電池中的氣體壓力破裂時(shí)而破裂誤使用電池和電池中的氣體壓力快速上升到約800-1600psig(5515×103-11030×103帕斯卡表壓)的水平。為達(dá)到在約800-1600psig的壓力水平下破裂，在凹槽600b下面的變薄的材料610的厚度，典型地為約0.15-0.35mm。
實(shí)施例1(使用Nd:Yag激光器的弱焊接處)用于沿殼體邊緣106c焊接金屬罩230-殼體100的弱焊接處(圖6或6A)可以采用Nd:Yag激光器生產(chǎn)。激光器在約100赫茲的頻率下操作。每個(gè)脈沖的峰值功率輸出是約35瓦。平均功率輸出是0.5千瓦。脈沖寬度(在峰值功率之間的循環(huán)時(shí)間)是約0.7毫秒。激光器進(jìn)料速率(激光器沿焊接途徑的運(yùn)動(dòng)速率)是約3英寸每分鐘。沿殼體的長(zhǎng)邊緣106c產(chǎn)生均勻焊接處，因此對(duì)其焊接金屬罩230的鄰接長(zhǎng)邊緣230a。焊接處具有約2-4密耳(0.0508-0.102mm)，典型地約3密耳(0.0762mm)的均勻滲透深度。當(dāng)電池中的壓力達(dá)到約400-800psig(2757×103-5515×103帕斯卡表壓)的水平時(shí)焊接處斷裂和如果損害主排氣口(栓260)的操作因此用作補(bǔ)充排氣口。
實(shí)施例2(使用Nd:Yag激光器的強(qiáng)焊接處用于沿殼體邊緣106d，107c和107d(圖6或6A)焊接金屬罩230-殼體100的強(qiáng)焊接處可以通過(guò)采用Nd:Yag激光器生產(chǎn)。用于沿殼體邊緣106d，107c和107d焊接金屬罩230-殼體100的強(qiáng)焊接處可以通過(guò)采用Nd:Yag激光器生產(chǎn)。激光器在約12赫茲的頻率下操作。每個(gè)脈沖的峰值功率輸出是約46瓦。平均功率輸出是0.65千瓦。脈沖寬度(在峰值功率之間的循環(huán)時(shí)間)是約5.9毫秒。激光器進(jìn)料速率(激光器沿焊接途徑的運(yùn)動(dòng)速率)是約2英寸每分鐘。沿殼體的長(zhǎng)邊緣106d，107c和107d產(chǎn)生均勻焊接處，因此對(duì)其焊接金屬罩230的鄰接邊緣，如圖6所示。焊接處的均勻滲透深度為約5-7密耳(0.127-0.178mm)，典型地約6密耳(0.152mm)。當(dāng)電池中的壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)，典型地約800-1600psig(5515×103-11030×103帕斯卡)的水平時(shí)焊接處斷裂。
在商業(yè)生產(chǎn)中上述Nd:Yag激光器可以在約125瓦的更高峰值功率下操作以產(chǎn)生弱焊接處和在約150瓦的峰值功率下操作以產(chǎn)生強(qiáng)焊接處。在更高峰值功率下的這樣操作允許激光器沿焊接途徑在更高速度下移動(dòng)(進(jìn)料速率)。
另外為降低在栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間任何KOH結(jié)晶累積的有害效果，如果將電池非故意地經(jīng)歷充電它可能發(fā)生，可以改進(jìn)栓260所以它在鉚釘頭247外殼栓260中的腔中占據(jù)更少的空間。這樣改進(jìn)設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方案在圖2A，3A和4A中顯示為栓260。在圖4所示的栓260的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，與圖2，3和4中所示栓的截頭錐體設(shè)計(jì)相比，栓在鉚釘頭腔248中占據(jù)較少的空間。在栓260壓縮入鉚釘頭腔248之后，在腔248外殼該栓中自由空間的數(shù)量大于約10％，所需地約10-40％。與之相比在圖2，3，和4中顯示的截頭錐體實(shí)施方案中所示栓260的鉚釘腔中自由空間的數(shù)量典型地小于約10％。
已經(jīng)確定更大數(shù)量的自由空間，典型地鉚釘頭腔248中約10-40％，它由改進(jìn)栓設(shè)計(jì)達(dá)到(圖4A)，保證栓在濫用狀況下的更有效操作，例如如果如上所述將電池非故意地經(jīng)歷充電。當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到設(shè)計(jì)閾值水平，如約100-300psig時(shí)這樣改進(jìn)的栓260(圖4A)所需地離位。鉚釘頭腔248中更大數(shù)量的自由空間在其中容納任何逐漸的KOH結(jié)晶累積，如果電池由非故意的充電而濫用它可能發(fā)生。然而在鉚釘頭腔248中剩余足夠的自由空間以允許栓260-在復(fù)位自身中有效操作以允許當(dāng)電池中的壓力累積到設(shè)計(jì)閾值水平時(shí)氣體壓力釋放。
栓260的形狀可以如圖4A所示而改變以在鉚釘頭腔248中達(dá)到更大數(shù)量的自由空間。在改進(jìn)設(shè)計(jì)中(圖4A)，栓260具有圓筒形基座262和從其延伸的更小直到的整體形成圓筒體261。在改進(jìn)栓260(圖4A)在腔中壓縮之后，可以如要求調(diào)節(jié)主體261的直徑對(duì)基座262的直徑的比率以在鉚釘頭腔248中達(dá)到更大數(shù)量的自由空間，典型地約10-40％。主體261的圓筒形狀較好承受在鉚釘頭腔248中壓縮栓260的壓力。由如下方式將改性栓260(圖4A)在鉚釘頭腔248中壓縮施加力量到栓的頂表面263和然后焊接排氣帽270-鉚釘頭247。這保持栓260在鉚釘頭腔248中緊密地處于壓縮狀態(tài)。在壓縮狀態(tài)中栓260的主體261呈現(xiàn)球狀構(gòu)型，如圖1A和2A所示。當(dāng)電池中的氣體壓力累積到閾值水平，所需地約100-300psig時(shí)，栓自身離位，因此讓電池中的氣體通過(guò)排氣帽270中的排氣小孔272逸出。優(yōu)選在排氣帽270中存在至少兩個(gè)排氣小孔272-假定存在清楚的途徑，當(dāng)栓270離位時(shí)通過(guò)該途徑氣體可以從排氣帽270逸出。栓260所需地是彈性體，優(yōu)選橡膠材料的，在與堿性電解質(zhì)接觸時(shí)該橡膠材料是足夠可壓縮和回彈的，還耐化學(xué)品侵蝕或物理降解。栓260的優(yōu)選橡膠材料是硫化EPDM橡膠，所需地硬度測(cè)驗(yàn)器硬度為約80-85。
盡管優(yōu)選是圖4A中所示的栓260的改進(jìn)構(gòu)型，認(rèn)識(shí)到栓的其它形狀可有助于在鉚釘頭腔248中達(dá)到自由空間的所需增加，該鉚釘頭腔248容納栓。例如，栓的主體261可以輕微傾斜而不是如圖4A所示的圓筒形。同樣鉚釘頭腔的寬度可以在電池的寬側(cè)方向改變(圖2A)。在這樣的情況下鉚釘頭腔248沿一個(gè)軸，即在電池的寬側(cè)方向伸長(zhǎng)(圖2A)。然而，優(yōu)選是對(duì)稱(圓形)鉚釘頭腔248，如目前在圖中所示。
不希望限制本發(fā)明到任何特定尺寸的矩形電池。然而，通過(guò)特定的例子，堿性電池100可以是小尺寸矩形(立方體)，典型地厚度為約5-10mm，特別地厚度為約5-7mm，如在電池厚度的方向中由殼體的外部*表面測(cè)量。電池寬度可以典型地為約12-30mm和電池長(zhǎng)度可以典型地為約40-80mm。特別地本發(fā)明的堿性電池10可以用作相同尺寸可充電鎳金屬氫化物電池，例如標(biāo)準(zhǔn)7/5-F6尺寸矩形電池替代物。7/5-F6尺寸電池的厚度為6.1mm，寬度為17.3mm，和長(zhǎng)度為約67.3mm。
代表性電池的化學(xué)組成關(guān)于陽(yáng)極150，陰極110和隔離膜140的化學(xué)組成的電池組成的如下描述適用于在上述實(shí)施方案中公開(kāi)的平電池。
在上述電池10中，陰極110包括二氧化錳，和陽(yáng)極150包括鋅和電解質(zhì)。含水電解質(zhì)包括KOH，氧化鋅，和膠凝劑的常規(guī)混合物。陽(yáng)極材料150的形式可以為包含無(wú)汞(零加入汞)鋅合金粉末的膠凝化混合物。即，電池的總汞含量小于按重量約100份每一百萬(wàn)份(ppm)鋅，優(yōu)選小于按重量50份汞每一百萬(wàn)份鋅。電池也優(yōu)選不包含任何加入數(shù)量的鉛和因此是基本無(wú)鉛的，即總鉛含量小于30ppm，所需地小于15ppm陽(yáng)極中的總鋅。這樣的混合物可典型地包含含水KOH堿性電解質(zhì)溶液，膠凝劑(如，以商品名CARBOPOL C940從B.F.Goodrich購(gòu)得的丙烯酸共聚物)，和表面活性劑(如，以商品名GAFAC RA600從Rhne Poulenc購(gòu)得的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑)。這樣的混合物僅作為說(shuō)明性例子給出和不希望限制本發(fā)明。鋅陽(yáng)極的其它代表性膠凝劑公開(kāi)于U.S.專利No.4,563,404。
陰極110所需地具有如下組成87-93wt％電解二氧化錳(如，來(lái)自Kerr-McGee的Trona D)，2-6wt％(總量)石墨，5-7wt％KOH濃度為約30-40wt％的7-10當(dāng)量的(Normal)KOH水溶液；和0.1-0.5wt％任選的聚乙烯粘結(jié)劑。電解二氧化錳的平均粒度典型地為約1-100微米，所需地約20-60微米。石墨的形式典型地為天然，或膨脹石墨或其混合物。石墨也可包括單獨(dú)的石墨碳納米纖維或在與天然或膨脹石墨的混合物中的石墨碳納米纖維。這樣的陰極混合物希望是說(shuō)明性的和不希望限制本發(fā)明。
陽(yáng)極材料150包括鋅合金粉末62-69wt％(99.9wt％包含銦包含200-500ppm銦作為合金和鍍敷材料的鋅)，包括38wt％KOH和約2wt％ZnO的KOH水溶液；以商品名“CARBOPOL C940”從B.F.Goodrich購(gòu)得的交聯(lián)的丙烯酸聚合物膠凝劑(如，0.5-2wt％)和以商品名“Waterlock A-221”從Grain Processing Co.購(gòu)得的接枝到淀粉主鏈上的水解的聚丙烯腈(0.01-0.5wt％)；有機(jī)磷酸酯表面活性劑RA-600或以商品名RM-510從Rhne-Poulenc購(gòu)得的二壬基苯酚磷酸酯表面活性劑(100-1000ppm)。在此使用的術(shù)語(yǔ)鋅應(yīng)當(dāng)理解為包括鋅合金粉末，該粉末包括非常高濃度的鋅，例如至少99.9wt％鋅。這樣的鋅合金材料基本與純鋅那樣電化學(xué)起作用。
關(guān)于本發(fā)明的平堿性電池10的陽(yáng)極150，鋅粉末平均粒度所需地是約1-350微米，所需地約1-250微米，優(yōu)選約20-250微米。典型地，鋅粉末的平均粒度可以為約150微米。陽(yáng)極150中的鋅粒子可以為針形或球形形狀。由于它們從分配噴嘴更好地分配優(yōu)選是球形鋅粒子，該噴嘴用于采用鋅淤漿填充電池的相對(duì)小陽(yáng)極腔。陽(yáng)極中鋅的堆密度為約1.75-2.2克鋅每立方厘米陽(yáng)極。堿性電解質(zhì)水溶液在陽(yáng)極中的體積百分比優(yōu)選是約69.2-75.5體積％的陽(yáng)極。
可以采用常規(guī)方式平衡電池10以便MnO2的mAmp-hr容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是約1。然而，優(yōu)選平衡電池所以陰極顯著過(guò)量。優(yōu)選平衡電池10使得MnO2的總理論容量除以鋅的總理論容量為約1.15-2.0，所需地約1.2-2.0，優(yōu)選約1.4-1.8，更優(yōu)選約1.5-1.7。由于基于總電池重量在放電時(shí)MnO2到MnOOH的更小轉(zhuǎn)化百分比，確定采用這樣陰極過(guò)量的電池平衡降低陰極膨脹的數(shù)量。這依次降低電池殼體的溶脹數(shù)量。MnO2的理論容量對(duì)鋅的理論容量的以上比率可以可行地高至約2.5或甚至直到約3.0以降低總體溶脹，但在大于約2.0的這樣更高比率下的電池設(shè)計(jì)更顯著地降低電池容量和因此從那個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看較不是所需的。
確定需要?dú)んw100壁厚度為約0.30-0.50mm，典型地約0.30-0.45mm，優(yōu)選約0.30-0.40mm，更所需地約0.35-0.40。電池10優(yōu)選為總厚度所需地為約5-10mm的立方體形狀(圖1和2)。與其結(jié)合平衡電池以便陰極過(guò)量。所需地平衡電池使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)的比率為約1.15-2.0，所需地約1.2-2.0，優(yōu)選約1.4-1.8。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率所需地為約0.30-0.40。(這樣的厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的厚度(小尺寸)測(cè)量。)隔離膜140可以是由如下部分組成的常規(guī)離子多孔隔離膜纖維素和聚乙烯醇纖維的非織造材料的內(nèi)層和玻璃紙的外層。這樣的材料僅是說(shuō)明性的和不希望限制本發(fā)明。
殼體100優(yōu)選是鍍鎳鋼的。殼體100所需地在它的內(nèi)表面上由碳涂料，優(yōu)選石墨碳涂料涂覆。這樣的石墨涂料的形式可以為，例如含水基石墨分散體，可以將它施加到殼體內(nèi)表面和隨后在環(huán)境條件下干燥。通過(guò)降低在殼體內(nèi)表面上發(fā)生的表面腐蝕可能性，石墨碳改進(jìn)電導(dǎo)率和可間接降低電池放氣。金屬罩230，負(fù)端板290和正端板180也優(yōu)選是鍍鎳鋼的。集電器160可以選自發(fā)現(xiàn)用作集電器材料的各種已知導(dǎo)電材料，例如黃銅、鍍錫黃銅、青銅、銅或鍍銦黃酮。絕緣密封構(gòu)件220優(yōu)選是尼龍66或尼龍612的。
以下是顯示使用相同尺寸矩形電池與不同電池平衡的對(duì)比性能的具體實(shí)施例。新電池在每種情況下厚度為5.6mm，寬度為17mm，和長(zhǎng)度為67mm。(除非另外規(guī)定，所有的尺寸是外部尺寸而沒(méi)有在殼體周圍的標(biāo)簽。)殼體100壁厚度對(duì)于每個(gè)測(cè)試的電池是相同的0.38mm。每個(gè)電池的殼體100是在它的內(nèi)表面上由石墨碳涂覆的鍍鎳鋼。電池構(gòu)型在每種情況下相同，如附圖所示(圖1-5)。陽(yáng)極集電器160的寬部分(法蘭161)邊緣離殼體100的內(nèi)表面約0.5mm。絕緣密封構(gòu)件220的包圍裙226圍繞集電器160的該寬部分(法蘭161)，因此在它和殼體100的內(nèi)部壁表面之間提供屏蔽。
所有電池部件與上述相同和每個(gè)測(cè)試的電池具有附圖所示的排氣端帽組件12。唯一的區(qū)別是在電池平衡和陽(yáng)極組成。平衡對(duì)比電池(對(duì)比例)使得平衡比，即MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是1.1。平衡測(cè)試實(shí)施例1的測(cè)試電池使得平衡比，即MnO2的理論容量除以鋅的理論容量是1.25。平衡測(cè)試實(shí)施例2和3的測(cè)試電池使得MnO2的理論容量除以鋅的理論容量分別是1.6和2.0。
將如下實(shí)施例中的對(duì)比和測(cè)試電池在90毫瓦功率開(kāi)隨后三小時(shí)功率關(guān)的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。(這樣的間歇放電模擬便攜式固態(tài)數(shù)字音頻播放器的典型使用，它典型地能夠使用MP3音頻格式。)然后記錄總實(shí)際服務(wù)小時(shí)數(shù)和評(píng)價(jià)和記錄電池殼體的溶脹數(shù)量。
對(duì)比例(對(duì)比電池)制備附圖所示的矩形(立方體)構(gòu)型的對(duì)比測(cè)試電池10和端帽組件。由殼體100外部尺寸限定的電池的長(zhǎng)度為約67mm和寬度為約17和厚度(在放電之前)為約5.6mm。陽(yáng)極150和陰極110具有如下組成陽(yáng)極組成wt％鋅170.0表面活性劑20.088(RA 600)電解質(zhì)3(9當(dāng)量的KOH)29.91100.00備注1.鋅粒子的平均粒度為約150微米和由銦合金化和鍍敷以得到約200ppm的總銦含量。
2.來(lái)自Rh6ne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑溶液RA600。
3.堿性電解質(zhì)溶液包含總計(jì)構(gòu)成約1.5wt％堿性電解質(zhì)溶液的膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940。
陰極組成wt％MnO2(EMD)(來(lái)自Kerr McGee的Trona D) 87.5石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量的KOH)5.1100.0備注1.石墨NdG15是來(lái)自Nacional De Grafite的天然石墨。
電池的殼體100壁厚度是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm和寬度為17mm。平衡電池的陽(yáng)極150和陰極110使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是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和隔離膜140構(gòu)成圖1和1A中所示構(gòu)型的殼體100的約66％外部體積。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率是約0.35。厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度(小尺寸)測(cè)量。
電池在90毫瓦“功率開(kāi)”隨后三小時(shí)“功率關(guān)”的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際服務(wù)壽命是24.5小時(shí)。殼體從5.6mm的厚度溶脹到6.13mm的厚度。(厚度在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b的外表面之間測(cè)量。)測(cè)試電池實(shí)施例1制備矩形構(gòu)型和與對(duì)比例中相同尺寸的測(cè)試電池10。陽(yáng)極150和陰極110具有如下組成。
陽(yáng)極組成wt％鋅166.0表面活性劑20.083(RA 600)電解質(zhì)3(9當(dāng)量的KOH)34.0100.08備注1.鋅粒子的平均粒度為約150微米和由銦合金化和鍍敷以得到約200ppm的總銦含量。
2.來(lái)自Rhne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑溶液RA600。
3.堿性電解質(zhì)溶液包含總計(jì)構(gòu)成約1.5wt％堿性電解質(zhì)溶液的膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940。
陰極組成wt％MnO2(EMD)(來(lái)自Kerr McGee的Trona D) 87.5石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量的KOH)5.1100.0備注1.石墨NdG15是來(lái)自Nacional De Grafite的天然石墨。
測(cè)試電池的殼體100壁厚度是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm和寬度為17mm。平衡電池的陽(yáng)極150和陰極110使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是1.25。陽(yáng)極具有2.56克鋅。(陰極具有7.11克MnO2。)陽(yáng)極，陰極，電解質(zhì)和隔離膜構(gòu)成殼體100的約66％外部體積，即在它的密閉端104和開(kāi)放端102之間測(cè)量。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率是約0.35。厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度(小尺寸)測(cè)量。
電池在9 0毫瓦“功率開(kāi)”隨后三小時(shí)“功率關(guān)”的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際服務(wù)壽命是24.3小時(shí)。殼體從5.6mm的厚度溶脹到6.03mm的厚度。(厚度在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b的外表面之間測(cè)量。)服務(wù)小時(shí)大約與對(duì)比例中相同，然而，殼體溶脹較少。
測(cè)試電池實(shí)施例2制備矩形構(gòu)型和與對(duì)比例中相同尺寸的測(cè)試電池10。陽(yáng)極150和陰極110具有如下組成。
陽(yáng)極組成wt％鋅160.0表面活性劑20.083(RA 600)電解質(zhì)3(9當(dāng)量的KOH)39.92100.00備注1.鋅粒子的平均粒度為約150微米和由銦合金化和鍍敷以得到約200ppm的總銦含量。
2.來(lái)自Rhne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑溶液RA600。
3.堿性電解質(zhì)溶液包含總計(jì)構(gòu)成約1.5wt％堿性電解質(zhì)溶液的膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940。
陰極組成wt％
MnO2(EMD)(來(lái)自Kerr McGee的Trona D) 87.5石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量的KOH)5.1100.0備注1.石墨NdG15是來(lái)自Nacional De Grafite的天然石墨。
測(cè)試電池的殼體100壁厚度是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm和寬度為17mm。平衡電池的陽(yáng)極150和陰極110使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是1.6。陽(yáng)極具有2.01克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽(yáng)極，陰極和隔離膜構(gòu)成殼體100的約66％外部體積。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率是約0.35。
厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度(小尺寸)測(cè)量。
電池在90毫瓦“功率開(kāi)”隨后三小時(shí)“功率關(guān)”的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際服務(wù)壽命是20.9小時(shí)。殼體從5.6mm的厚度溶脹到5.95mm的厚度。(厚度在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b的外表面之間測(cè)量。)測(cè)試電池實(shí)施例3制備矩形構(gòu)型和與對(duì)比例中相同尺寸的測(cè)試電池10。陽(yáng)極150和陰極110具有如下組成。
陽(yáng)極組成wt％鋅152.0表面活性劑20.083(RA 600)
電解質(zhì)3(9當(dāng)量的KOH)47.92100.00備注1.鋅粒子的平均粒度為約150微米和由銦合金化和鍍敷以得到約200ppm的總銦含量。
2.來(lái)自Rhne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑溶液RA600。
3.堿性電解質(zhì)溶液包含總計(jì)構(gòu)成約1.5wt％堿性電解質(zhì)溶液的膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940。
陰極組成wt％MnO2(EMD)(來(lái)自Kerr McGee的Trona D) 87.5石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量的KOH)5.1100.0備注1.石墨NdG15是來(lái)自Nacional De Grafite的天然石墨。
測(cè)試電池的殼體100壁厚度是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為68mm，厚度為5.6mm和寬度為17mm。平衡電池的陽(yáng)極150和陰極110使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是2.0。陽(yáng)極具有1.61克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽(yáng)極，陰極和隔離膜構(gòu)成殼體100的約66％外部體積。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率是約0.35。厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度(小尺寸)測(cè)量。
電池在90毫瓦“功率開(kāi)”隨后三小時(shí)“功率關(guān)”的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際服務(wù)壽命是18.5小時(shí)。殼體從5.6mm的厚度溶脹到5.87mm的厚度。(厚度在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b的外表面之間測(cè)量。)在以上測(cè)試中，相同尺寸平電池在逐漸更高平衡比下平衡。陽(yáng)極集電器160的寬部分(法蘭161)的邊緣離殼體100的內(nèi)表面約0.5mm和由絕緣屏蔽物226圍繞。平衡比定義為MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)。在以上對(duì)比測(cè)試中當(dāng)電池平衡比(MnO2的理論容量對(duì)鋅的理論容量)是約1.1時(shí)，平測(cè)試電池的溶脹顯著地從總厚度5.6mm增加到6.13mm。在測(cè)試實(shí)施例1(平衡比1.25)中電池溶脹較少，即從5.6mm到6.03mm。在測(cè)試實(shí)施例2(平衡比1.6)中電池從5.6mm溶脹到5.95mm。在測(cè)試實(shí)施例3(平衡比2.0)中電池甚至溶脹更小從5.6mm到5.87mm。電池服務(wù)壽命當(dāng)平衡比在1.1和1.6之間增加時(shí)適當(dāng)?shù)剌^小(從24.5小時(shí)到20.9小時(shí))和在最高平衡比2.0下更顯著更小(18.5小時(shí))。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案顯示于圖10-17。盡管需要可再使用或可再啟動(dòng)排氣機(jī)構(gòu)如可復(fù)位栓260，可以消除它如在圖10-17所示的實(shí)施方案中。以上已經(jīng)指示可以消除可復(fù)位栓260和弱激光焊接處可以用作主排氣機(jī)構(gòu)，它在可復(fù)位栓的啟動(dòng)壓力，即優(yōu)選約100-300psig(689×103-2068×103帕斯卡)的壓力P1下斷裂或破裂。在這樣的情況下(消除了可復(fù)位栓)以上說(shuō)明補(bǔ)充排氣機(jī)構(gòu)可以是在凹槽(凹槽600a或600b)以下，在殼體表面上的變薄的材料區(qū)域?？梢栽O(shè)計(jì)變薄的材料以在更高的壓力水平P2下破裂。
如現(xiàn)在圖10-17的實(shí)施方案所示已經(jīng)確定一個(gè)或多個(gè)凹槽排氣口，優(yōu)選單一凹槽排氣口600a或600b可以用作主排氣機(jī)構(gòu)。在這樣的情況下單一凹槽排氣口如600a或600b可以切割或刻痕入殼體表面所以下面的變薄區(qū)域在壓力P1下破裂。優(yōu)選，單一凹槽排氣口600b靠近殼體的密閉端靠近正端180布置，如圖10A所示。凹槽邊界可以是密閉或開(kāi)放的。在此處優(yōu)選的實(shí)施方案中凹槽可以是直或基本直的，優(yōu)選平行于殼體的寬邊緣108a(圖8-8A)。例如，在7/5-F6尺寸矩形電池中，凹槽排氣口600b可位于殼體寬面106a上(圖10a)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中凹槽排氣口600b包括在殼體表面上的唯一凹槽排氣口。通過(guò)非限制性例子，凹槽600b可以是平行于電池密閉端的直凹槽(圖10A)。優(yōu)選直凹槽600b的端部可以從殼體的窄側(cè)等距。在這樣優(yōu)選的實(shí)施方案中凹槽600b的長(zhǎng)度可以為約8mm和離殼體的密閉端104約5-10mm，如圖10A所示。盡管需要直凹槽600b，不希望限制這樣凹槽于這樣的構(gòu)型。認(rèn)識(shí)到凹槽排氣口600b可具有其它構(gòu)型，如曲線形狀或部分直和部分曲線的和可形成開(kāi)放或密閉邊界圖案。
可以設(shè)計(jì)在凹槽600b下面的變薄的材料(圖10A)以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的設(shè)計(jì)爆裂壓力時(shí)破裂。為達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的這樣爆裂壓力范圍，在凹槽600b下面的變薄的材料的厚度為約0.04-0.15mm。或者，可以設(shè)計(jì)在凹槽600b下面的變薄的材料以當(dāng)電池中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的設(shè)計(jì)爆裂壓力時(shí)破裂。為達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的這樣爆裂壓力范圍，在凹槽600b下面的變薄的材料的厚度為約0.07-0.15mm。凹槽600b(圖10A)在它的基座的寬度(鄰近變薄區(qū)域610)可以典型地為約0.1-1mm，更典型地約0.1-0.5mm。在這樣的范圍內(nèi)破裂壓力主要由下面的變薄區(qū)域的厚度控制。然而，認(rèn)識(shí)到在殼體100上具有下面變薄區(qū)域的更寬的有凹槽或切割區(qū)域也是可能的。
凹槽600b可以通過(guò)采用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體100的表面制備。當(dāng)壓印模頭沖壓入殼體外表面時(shí)保持軸柄對(duì)著殼體的內(nèi)表面。凹槽600b可以采用圖9所示具有相等長(zhǎng)度側(cè)的V形狀切割或圖15所示具有不等長(zhǎng)度側(cè)的V形狀切割。在前者的情況下(圖9)形成V形凹槽的側(cè)面所需地形成約40度的銳角，α和在后者的情況下(圖15)它具有優(yōu)選約10-30度的角度。與凹槽600b結(jié)合可以存在固定金屬罩230-殼體100的一個(gè)或多個(gè)激光焊接處。這樣的焊接處可以包括一個(gè)或兩個(gè)弱激光焊接處和強(qiáng)激光焊接處，可以設(shè)計(jì)它們以在高于凹槽600b下面的變薄區(qū)域的破裂壓力的壓力下破裂。如先前所述這樣的激光焊接處可以使用Nd:Yag激光器制備。用于固定金屬罩230到殼體100的相鄰弱和強(qiáng)激光焊接處，例如焊接處310a和310b的布置已經(jīng)參考圖6和6A顯示和描述。在優(yōu)選的實(shí)施方案中可以存在僅一個(gè)激光焊接處，即固定金屬罩230整個(gè)圓擊邊緣到殼體100的強(qiáng)焊接處310b，如圖10所示?？梢詮?qiáng)焊接處310以在災(zāi)難性狀況下破裂例如，如果將電池在特別高電流下或在特別濫用狀況下非故意地經(jīng)歷再充電，引起電池中的氣體產(chǎn)生突然上升到約800psig-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的水平。
因此，在圖10和13所示的修正的優(yōu)選電池實(shí)施方案中，單一凹槽600b用作電池的主排氣機(jī)構(gòu)，其中設(shè)計(jì)在凹槽600b下面的變薄的材料610(圖9和15)以如果電池中的氣體上升到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)，更典型地約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的水平而破裂。和設(shè)計(jì)固定金屬罩230的邊緣到殼體100的強(qiáng)激光焊接處310b(圖10)以用作電池的補(bǔ)充排氣系統(tǒng)。設(shè)計(jì)這樣的強(qiáng)激光焊接處310b以在災(zāi)難狀況下當(dāng)電池中的氣體壓力突然上升到約800psig-2500psig的水平時(shí)斷裂或破裂。激光焊接處310b在這樣災(zāi)難狀況下的破裂允許氣體快速通過(guò)其間逸出，降低電池中的氣體壓力到標(biāo)稱水平。
圖10和10A顯示的電池在通過(guò)平行于大側(cè)106a的平面取的圖11的橫截面視圖中和在通過(guò)平行于窄側(cè)107a的平面取的圖12的橫截面視圖中顯示。如在圖11和12中所示消除了引入先前具體實(shí)施方案的可復(fù)位栓260(圖2和圖4)。也可以消除形成電池的端帽組件12的相關(guān)構(gòu)件，即消除早先實(shí)施方案(圖2和4)中顯示的排氣支托帽270和塑料墊片盤(pán)250。形成端帽組件12的許多構(gòu)件的數(shù)目降低也在圖13中反映，它是電池內(nèi)部構(gòu)件的分解視圖。因此，在修正的實(shí)施方案(圖10-13)中鉚釘240可以直接焊接到負(fù)端板290，如最好地在圖11和12所示。
鉚釘240到負(fù)端板290的焊接可以有效地由電阻焊接進(jìn)行。鉚釘240優(yōu)選是黃銅，所需地典型地約1-3微米厚由錫層鍍敷的黃銅的。負(fù)端板290優(yōu)選是鍍鎳?yán)滠堜摰摹Ｒ呀?jīng)確定焊接可以最有效地進(jìn)行和當(dāng)端板290的厚度在焊接部分是約4密耳(0.102mm)時(shí)容易達(dá)到均勻焊接處。需要剩余部分的端板290更厚，優(yōu)選對(duì)于總體強(qiáng)度約8密耳(0.204mm)。由于8密耳厚冷軋鋼板是市售的，確定端板290的中心部分290a(圖13)，即焊接處區(qū)域可以容易地采用軸柄壓印以降低在焊接部分它的板厚度到約4密耳(0.102mm)。壓印優(yōu)選從端板290的頂部側(cè)進(jìn)行(圖13)以形成壓印的區(qū)域290a。這樣的過(guò)程會(huì)留下端板290的剩余部分290b(圖13)的厚度在它的初始8密耳(0.204mm)厚度。
端板290的中心部分290a(圖13)可以采用各種構(gòu)型，例如矩形，圓形或橢圓形壓印。在矩形或橢圓形壓印區(qū)域290a的情況下，壓印區(qū)域290a的長(zhǎng)尺寸(在殼體的寬側(cè)方向)應(yīng)當(dāng)一定程度上大于鉚釘頭247直徑以考慮到焊接電極(未顯示)的布置。例如，采用3mm直徑鉚釘頭247，壓印區(qū)域209a的長(zhǎng)尺寸可以為約4mm和壓印區(qū)域290a的短尺寸可以為約3-4mm。如果壓印區(qū)域是圓形的，它的直徑可以為約3-4mm，如果鉚釘頭247直徑是約3mm。
在組裝修正實(shí)施方案的平堿性電池10(圖10-13)，將包括鋅的陽(yáng)極材料150和包括MnO2的陰極材料與其間的隔離膜140通過(guò)開(kāi)放端102插入電池殼體100。端帽組件12(圖13)通過(guò)在絕緣密封構(gòu)件220以是插入金屬罩230而形成所以將密封構(gòu)件的突出頭221插入金屬罩230的小孔234。然后將鉚釘軸240通過(guò)金屬罩板230中的小孔234插入(圖13)。鉚釘軸240與金屬罩230由絕緣密封構(gòu)件220的突出頭221分隔。將優(yōu)選黃銅的陽(yáng)極集電器160的頂部法蘭部分161對(duì)密封構(gòu)件220的底表面向上推和由常規(guī)鉚釘連接技術(shù)固定到優(yōu)選黃銅或鍍錫黃銅的鉚釘240的下部，因此電連接集電器160到鉚釘240。在集電器法蘭161中存在小孔164和也在鉚釘240的下部中存在開(kāi)口249a以使它更容易固定陽(yáng)極集電器160到鉚釘240。(鉚釘240的上部249b所需地是固體，如圖11和12中所示。)在固定集電器160到鉚釘240時(shí)，密封構(gòu)件220在集電器法蘭161和金屬罩230的底表面之間楔入。
如圖10和11中所示，金屬罩230由強(qiáng)激光焊接處(破裂壓力優(yōu)選800-2500psig)焊接到殼體100的內(nèi)表面?？毯刍虬枷萁饘僬?30的中心部分，形成井區(qū)域235(圖11)。將密封材料236，優(yōu)選以商品名KORITE瀝青密封劑購(gòu)得的瀝青密封劑(Customer Products)施加到金屬罩230表面上的凹陷井區(qū)域235(圖11和13)。KORITE瀝青密封劑是包括約55-70wt％瀝青和30-45％瀝青的混合物的非硬化瀝青?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)瀝青/溶劑比率和施加密封劑時(shí)的溫度調(diào)節(jié)密封劑的粘度。優(yōu)選，在將瀝青密封劑傾入井區(qū)域235之前加熱罩板230和鉚釘頭247中的井區(qū)域235。所需地，當(dāng)將它傾入井區(qū)域235時(shí)瀝青密封劑的粘度為約1000厘泊。瀝青填充凹陷區(qū)域235和在鉚釘240和密封構(gòu)件220之間提供另外的密封保護(hù)。然后將包括金屬罩230鉚釘240和絕緣密封構(gòu)件220的亞組件插入殼體的開(kāi)放端102所以集電器軸162透入陽(yáng)極材料150(圖11和12)。在將金屬罩230的圓周邊緣激光焊接到殼體100之后，可以將塑料填料密封280(圖13)在鉚釘240之上插入。這由如下方式進(jìn)行通過(guò)塑料填料280的小孔282插入鉚釘頭247。然后將平負(fù)金屬板290放置到塑料填料280的頂表面上所以它接觸突出鉚釘頭247。然后將負(fù)板290焊接到鉚釘頭247以完成端帽組件12的構(gòu)造。電池10中完成的端帽組件12在圖11和12中顯示。
在激光焊接金屬罩230的邊緣到殼體100中優(yōu)選施加導(dǎo)熱介質(zhì)，所需地液體或金屬到金屬罩230。導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)選是液體，它可以方便地放置在金屬罩230表面上的井或溝槽區(qū)域235中。這樣的導(dǎo)熱介質(zhì)可吸收激光焊接期間產(chǎn)生的基本部分的熱量。當(dāng)采用Nd:Yag(或同等)激光器時(shí)可以采用此方式吸收足夠的熱量以防止金屬罩230在焊接期間達(dá)到大于約100℃的溫度。或者，可以預(yù)冷卻金屬罩到小于環(huán)境室溫(21℃)的溫度，優(yōu)選到接近水凝固點(diǎn)和甚至更低的溫度。這樣的預(yù)冷卻也有助于防止金屬罩230在焊接操作期間超過(guò)100℃。另外，可以預(yù)冷卻金屬罩230和也將導(dǎo)熱介質(zhì)施加到金屬罩230。
將塑料填料密封280壓擠配合入金屬罩230以上的殼體100中。如果金屬罩230不在激光焊接期間保持足夠冷卻，密封280可能過(guò)熱到不利地影響它的物理性能的點(diǎn)。這可導(dǎo)致徑向壓縮的損失，即在密封280和殼體100之間緊密配合的疏松，依次提供途徑到電解質(zhì)的殼體外部，該電解質(zhì)可泄漏入在金屬罩230和金屬罩280之間的區(qū)域。因此，推薦保持金屬罩230足夠冷卻，或施加導(dǎo)熱介質(zhì)到金屬罩以保證在激光焊接操作期間吸收足夠的熱量。完成此的方便方式是簡(jiǎn)單地加入，如在約5-10℃的少量冷卻去離子水到金屬罩230的溝槽區(qū)域235。這保持金屬罩230的溫度低于約100℃，依次允許密封280(圖11和12)停留在有利的工作溫度中。(在激光焊接操作之后可以將密封劑，如瀝青密封劑以先前所述的方式加入井區(qū)域235。)或者，金屬板(任選地預(yù)冷卻)可以與金屬罩230接觸而施加。金屬板，典型地鋼的，可以在焊接操作期間吸收足夠的熱量以保證金屬罩230不達(dá)到大于約100℃的溫度。
盡管可以將水加入井區(qū)域235以保持金屬罩230在激光操作期間冷卻，認(rèn)識(shí)到可以使用其它合適的冷卻劑。例如，代替純水，可以使用聚乙烯醇和氫氧化鉀的冷卻水溶液。聚乙烯醇在金屬罩230的頂表面上涂覆，因此在金屬罩230和密封280之間提供另外的密封保護(hù)。也可以將這樣的溶液直接施加到塑料密封280的下側(cè)(圖11和12)，因此對(duì)密封280的下表面提供另外的密封保護(hù)。
或者，可以將膠凝劑加入施加到井235的含水冷卻溶液。術(shù)語(yǔ)膠凝劑希望包括常規(guī)膠凝劑以及超吸收劑。這樣的膠凝劑包括聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、丙烯酸共聚物的鈉鹽、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、淀粉接枝共聚物等。膠凝劑涂覆金屬罩230的表面以在金屬罩230和密封280之間提供另外的密封保護(hù)?？梢允褂脡嚎s輥等將膠凝劑作為粉末施加到塑料密封280的下側(cè)(圖11和12)，以因此采用膠凝劑涂覆密封280和提供另外的密封保護(hù)。
在采用紙墊圈295代替塑料密封280的圖17所示的實(shí)施方案中，可以將紙墊圈采用包括膠凝劑的水溶液或采用聚乙烯醇和氫氧化鉀的水溶液預(yù)飽和。如果電解質(zhì)泄漏入金屬罩230和端板290之間的區(qū)域，紙墊圈295的這樣再潤(rùn)濕提供另外的密封保護(hù)(圖17)。另外，可以使用壓縮輥等將包括膠凝劑粉末的單獨(dú)層壓擠到墊圈2 95的外側(cè)上或在包括墊圈295的纖維性網(wǎng)絡(luò)中分散，如在U.S.專利4,999,264中所述。
可以將單獨(dú)的突出金屬構(gòu)件180焊接到電池的相對(duì)密閉端104。在完成的電池10中(圖10-13)金屬構(gòu)件180與電池殼體電接觸和因此形成電池的正端。端板290與鉚釘240電接觸，它依次與陽(yáng)極集電器160電接觸和因此形成電池的負(fù)端。
盡管按照具體的實(shí)施方案詳細(xì)描述本發(fā)明，認(rèn)識(shí)到具體構(gòu)件設(shè)計(jì)中的變化是可能的和希望在本發(fā)明的概念中。例如，集電器160(圖4和13)顯示為伸長(zhǎng)的構(gòu)件，形狀為在它的頂部終止的釘子，在具有通過(guò)其間的小孔164的水平延伸法蘭161中終止。由于它使得容易固定集電器160的頂法蘭161到鉚釘240的底表面249(圖11)，此設(shè)計(jì)是有吸引力的。這可以由常規(guī)鉚釘連接技術(shù)完成，其中將鉚釘?shù)牡妆砻?49插入法蘭小孔164和然后卷曲以固定集電器法蘭161以鉚釘240。在這樣的設(shè)計(jì)中集電器軸偏移，它不沿電池的中心縱軸布置。這樣的偏移不顯現(xiàn)得顯著干擾陽(yáng)極的有效放電或干擾電池的總體性能。集電器軸162在圖4的實(shí)施方案中顯示為直釘子和在圖13中顯示的實(shí)施方案中顯示為具有彎曲表面的直釘子。在任一情況下釘子從電池的中心縱軸190偏移，如例如，在圖11中所示。
認(rèn)識(shí)到其它集電器設(shè)計(jì)是可能的。例如，鉚釘240可以是具有頭部分247(圖11)與整體形成的伸長(zhǎng)軸部分(未顯示)的實(shí)心構(gòu)件，形狀為從頭247向下延伸和至少部分透入陽(yáng)極150的釘子。在這樣的情況下可以取向集電器軸所以它沿電池的中心縱軸190中心布置。這樣鉚釘?shù)念^部分247仍然可以采用上述方式焊接到端子端板290。
本發(fā)明的平電池的另一個(gè)具體實(shí)施方案顯示于圖17。在此實(shí)施方案中，例如牛皮紙的紙墊圈295可以在金屬罩290和負(fù)端板290之間采用代替塑料填料280。牛皮紙墊圈是耐用的和提供在金屬罩230和端板290之間的必須電絕緣。這樣的設(shè)計(jì)降低鉚釘頭247的高度，因此壓縮端帽組件12的總高度。它也具有的優(yōu)點(diǎn)是消除模塑塑料填料280的需要。這依次導(dǎo)致電池內(nèi)部中陽(yáng)極/陰極活性材料的更多可利用體積。(圖17中所示電池的其它構(gòu)件基本與關(guān)于圖10-12中所示電池顯示和描述的那些相同)。認(rèn)識(shí)到圖17中所示具有固定到其上的集電器160的鉚釘240可以由具有整體伸長(zhǎng)集電器的單一鉚釘代替，該鉚釘?shù)男螤钊鐬閺钠溲由旌屯溉胫辽僖徊糠株?yáng)極150的釘子。這樣的整體集電器可以沿電池的中心縱軸190中心布置。
認(rèn)識(shí)到每個(gè)電池實(shí)施方案希望具有在電池殼體周圍纏繞的常規(guī)膜標(biāo)簽。用于這樣標(biāo)簽的合適塑料膜是本領(lǐng)域已知的和典型地包括聚氯乙烯。標(biāo)簽可以采用所需的設(shè)計(jì)或標(biāo)記印記。這樣的標(biāo)簽可以是粘合劑涂覆的，典型地在邊緣和通過(guò)在殼體表面周圍纏繞而施加。或者，標(biāo)簽可以采用套管的形式施加和熱收縮到殼體表面上。典型的標(biāo)簽12在圖17中顯示。
隔離膜制造在圖10-13所示的電池實(shí)施方案中，隔離膜140可以方便地從通常用于堿性電池的隔離膜材料形成。例如，典型地纖維素或纖維素類和聚乙烯醇纖維。電池10(圖10-13)可以地為便地為總厚度為約6mm，寬度為約17mm和長(zhǎng)度為約35-67mm的立方體構(gòu)型。所需的隔離膜可以由雙層組成，外層(面對(duì)陰極110)包括纖維素類和聚乙烯醇纖維和面對(duì)陽(yáng)極150包括纖維素類材料，如人造絲的內(nèi)層。在將陰極盤(pán)110通過(guò)開(kāi)放端102(圖11)插入殼體之后插入隔離膜140所以隔離膜面對(duì)暴露的陰極表面。
用于上述平電池的隔離膜140(圖10-13)方便地通過(guò)輥壓圖14-14B中所示的平隔離膜板而制備。首先將近邊緣140a在方向F1中沿彎曲線140b向內(nèi)折迭，彎曲線140b離邊緣140a約3-5mm。軸柄(未顯示)可以對(duì)著隔離膜表面140d放置。然后可以將隔離膜遠(yuǎn)邊緣140c在軸柄周圍纏繞所以邊緣140c在邊緣140a周圍通過(guò)，導(dǎo)致圖14A中所示的部分纏繞構(gòu)型。將遠(yuǎn)邊緣140c在隔離膜表面上在方向F2中連續(xù)纏繞(圖14A)。邊緣140c可以由粘合劑固定到隔離膜表面。然后可以將底部隔離膜邊緣142在隔離膜的后表面上向內(nèi)折迭約3mm，如圖14B所示和由粘合劑固定到其上。為固定邊緣140c和/或底部隔離膜邊緣142的粘合劑的使用可以由如下方式消除簡(jiǎn)單地在方向F3中折迭底部隔離膜邊緣140c和然后壓擠它以形成圖14B中所示的袋構(gòu)型。當(dāng)將折迭隔離膜插入殼體時(shí)，陰極形狀也有助于保持隔離膜處于圖14B所示的袋構(gòu)型。除去軸柄(未顯示)。獲得的纏繞隔離膜140(圖14B)的形狀為具有密閉邊界表面148與開(kāi)放端144和相對(duì)密閉端143的袋子。隔離膜邊界表面148限定在其中插入陽(yáng)極材料150的腔155。
在將陰極盤(pán)110a插入電池殼體100之后，將構(gòu)型如圖14B所示的纏繞隔離膜140插入所以隔離膜表面面對(duì)暴露的陰極表面。隔離膜邊界表面148形成陽(yáng)極腔155。陽(yáng)極腔155優(yōu)選具有圖14B所示的長(zhǎng)方形構(gòu)型。腔155的長(zhǎng)方形構(gòu)型的短尺寸對(duì)于立方體構(gòu)型的電池10可以典型地為約2-3mm和總厚度為約6mm。優(yōu)選，長(zhǎng)方形構(gòu)型的長(zhǎng)尺寸在一定程度上小于總陽(yáng)極腔155的電池中可利用空間的寬度。這導(dǎo)致在隔離膜一個(gè)短側(cè)和陰極盤(pán)110a之間的間隙145，如圖16所示。間隙145為約2-4mm，優(yōu)選約2-3mm。然后可以將陽(yáng)極材料150通過(guò)隔離膜開(kāi)放端143填充入陽(yáng)極腔155，導(dǎo)致由陽(yáng)極材料150，陰極材料110，和其間的隔離膜140填充的殼體100，其中在隔離膜的一個(gè)短側(cè)和陰極之間存在間隙145(空隙空間)，如圖16所示。
已經(jīng)確定如需要，現(xiàn)在可以通過(guò)將它直接分配入間隙145，將另外的堿性電解質(zhì)溶液加入電池內(nèi)部?？梢酝ㄟ^(guò)將分配噴嘴直接插入該間隙，將另外的電解質(zhì)分配入間隙145。在優(yōu)選的實(shí)施方案中可以在陽(yáng)極150和陰極110在電池中就位之后，將少量另外的堿性電解質(zhì)溶液加入間隙145。在供選擇的實(shí)施方案中可以在陰極就位之后但在將陽(yáng)極材料插入陽(yáng)極腔之前，將一部分另外的電解質(zhì)加入間隙145。然后可以將陽(yáng)極材料插入電池的陽(yáng)極腔和其后可以將最終數(shù)量的電解質(zhì)加入間隙145。在任一種情況下另外的電解質(zhì)有助于改進(jìn)陽(yáng)極利用(排出的陽(yáng)極活性物百分比)和總體電池性能。它也可以是傾向于阻礙電池溶脹的因素。
堿性電解質(zhì)溶液向上述在隔離膜140和陰極110之間的間隙145中的加入避免溢流問(wèn)題，如果將電解質(zhì)直接加入陽(yáng)極可發(fā)生溢流問(wèn)題。例如，如果初始在隔離膜140和陰極110之間沒(méi)有間隙和將另外的電解質(zhì)加入電池內(nèi)部，可以存在電解質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極150以上的空隙空間146(圖11)中的溢流。由于在覆蓋電池開(kāi)放端102的位置放置金屬罩230之后它可引起沿金屬罩230下側(cè)或邊緣的潤(rùn)濕，這樣的溢流不是所需的。這樣的潤(rùn)濕依次不利地影響金屬罩230對(duì)殼體100的合適激光焊接。
如果將另外的電解質(zhì)加入間隙145，推薦它在增量步驟中進(jìn)行。例如，如果在將陽(yáng)極150，陰極110和隔離膜140插入殼體之后將另外的電解質(zhì)加入間隙145，推薦這樣另外的電解質(zhì)增量地在多個(gè)分配步驟中加入，該步驟考慮到時(shí)間流逝，典型地在分配之間的約1-4分鐘。這允許每個(gè)增量數(shù)量的電解質(zhì)要吸收到陽(yáng)極中，隔離膜和陰極的時(shí)間，降低任何溢流發(fā)生的可能性，它可干擾金屬罩230的合適激光焊接。如果電池是矩形7/5-F6尺寸電池，典型地要加入間隙145的另外的堿性電解質(zhì)溶液的數(shù)量小于約1克。優(yōu)選，在這樣的情況下可以將在大約四個(gè)增量相等分配中加入電解質(zhì)，及在分配之間的時(shí)間間隔為約1-4分鐘以允許增量數(shù)量的電解質(zhì)合適地吸收到陽(yáng)極中，陰極和隔離膜的足夠時(shí)間。令人驚奇地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)將該另外的電解質(zhì)的總量分配入間隙145時(shí)，陽(yáng)極150足夠溶脹以膨脹由隔離膜表面148限制的陽(yáng)極腔155。當(dāng)陽(yáng)極150溶脹時(shí)將隔離膜表面148對(duì)陽(yáng)極和陰極兩者推平齊，因此完全密閉間隙145。
進(jìn)行根據(jù)參考圖10-16顯示和描述的實(shí)施方案制備的電池10的性能測(cè)試和在如下測(cè)試電池實(shí)施例4中報(bào)導(dǎo)。
測(cè)試電池實(shí)施例4制備圖10-13中所示實(shí)施方案中和與對(duì)比例中相同尺寸的矩形構(gòu)型的測(cè)試電池10。陽(yáng)極中鋅的數(shù)量是2.01g和MnO2的數(shù)量是6.69。陽(yáng)極150和陰極110具有如下組成。
陽(yáng)極組成wt％鋅160.0表面活性劑20.075(RM510)電解質(zhì)3(9當(dāng)量的KOH) 39.9100.00備注1.鋅粒子的平均粒度為約150微米和由銦合金化和鍍敷以得到約200ppm的總銦含量。
2.來(lái)自Rhne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類表面活性劑溶液RM510。
3.堿性電解質(zhì)溶液包含總計(jì)構(gòu)成約1.5wt％堿性電解質(zhì)溶液的膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940。
陰極組成wt％MnO2(EMD)(來(lái)自Kerr McGee的Trona D) 84.0石墨1(NdG15天然石墨) 10.0電解質(zhì)(9當(dāng)量的KOH)6.0100.0備注1.石墨NdG15是來(lái)自Nacional De Grafite的天然石墨。
在將陽(yáng)極和陰極放入電池殼體之后將另外的總計(jì)0.82g的9N KOH電解質(zhì)在四個(gè)分配增量中(0.205g每個(gè)增量)加入在隔離膜140和陰極之間的間隙145中(圖16)。在分配增量之間的時(shí)間間隔是約1-4分鐘?？傆?jì)0.82g電解質(zhì)的加入不顯著改變以上陽(yáng)極和陰極組成。一部分總計(jì)的加入電解質(zhì)吸收到陽(yáng)極中，另一部分吸收入陰極和一部分吸收入隔離膜。加入間隙145的電解質(zhì)引起陽(yáng)極溶脹和因此密閉間隙145。此技術(shù)允許將另外的電解質(zhì)加入陽(yáng)極而不引起電解質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極以上的空隙空間146中的溢流。由于它可引起金屬罩230的邊緣的潤(rùn)濕，該潤(rùn)濕依次可干擾罩230到電池殼體的合適焊接，電解質(zhì)的這樣溢流是不所需的。
測(cè)試電池的殼體100壁厚度是0.38mm。新電池10的長(zhǎng)度為67mm，厚度為5.6mm和寬度為17mm。平衡電池的陽(yáng)極150和陰極110使得MnO2的理論容量(基于370mAmp-hr/g MnO2)除以鋅的mAmp-hr容量(基于820mAmp-hr/g鋅)是1.5。陽(yáng)極具有2.01克鋅。(陰極具有6.69克MnO2。)陽(yáng)極，陰極和隔離膜構(gòu)成殼體100的約66％外部體積。陽(yáng)極厚度對(duì)殼體外部厚度的比率是約0.35。
厚度沿垂直于縱軸190的平面，經(jīng)過(guò)電池的外部厚度(小尺寸)測(cè)量。
電池在90毫瓦“功率開(kāi)”隨后三小時(shí)“功率關(guān)”的循環(huán)下間歇放電，直到達(dá)到0.9伏的截止電壓。實(shí)際服務(wù)壽命是20.1小時(shí)。殼體從5.6mm的厚度溶脹到5.99mm的厚度。(厚度在圖1A或圖12所示的側(cè)壁106a和106b的外表面之間測(cè)量)。
在對(duì)比測(cè)試中當(dāng)電池的平衡比(MnO2的理論容量對(duì)鋅的理論容量)是約1.1時(shí)，平測(cè)試電池的溶脹顯著地從5.6mm的總厚度增加到6.13mm。在以上測(cè)試實(shí)施例4中(平衡比1.5)電池溶脹較少，即從5.6mm到6.03mm。在此測(cè)試實(shí)施例4中(平衡比1.5)電池從5.6mm溶脹到5.99mm。
盡管參考具有立方體(矩形平行六面體)總體形狀的平堿性電池描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，認(rèn)識(shí)到這樣總體形狀的變化是可能的和希望屬于本發(fā)明的的概念中。在平電池的情況下，例如在立方體(矩形平行六面體)的形狀中，外殼的末端可以輕微向外或向內(nèi)成錐形，仍然保持它們的矩形構(gòu)型。這樣變化形狀的總體外觀仍然基本是立方體的總體外觀和希望屬于立方體或其法律同等物的意義?？傮w形狀的其它變化如輕微改變角度使得電池的末端產(chǎn)生外殼的任何一個(gè)側(cè)面，所以平行六面體從嚴(yán)格矩形輕微偏離，也希望屬于在此和權(quán)利要求中使用的立方體(矩形平行六面體)的意義。
本發(fā)明希望所需地?cái)U(kuò)展到總體電池形狀，該形狀是平的在于沿殼體長(zhǎng)度的外部殼體側(cè)面基本是平的。因此，也應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語(yǔ)“平”希望擴(kuò)展到和包括表面，該表面基本是平的在于這樣表面的彎曲程度可以是輕微的。特別地本發(fā)明的概念希望擴(kuò)展到平電池，其中沿殼體長(zhǎng)度的電池殼體表面?zhèn)让婢哂衅降亩噙呅伪砻?。電池可因此具有多面體的總體形狀，及外部殼體的所有側(cè)面是多邊形的。本發(fā)明也希望擴(kuò)展到電池，其中沿它的長(zhǎng)度的電池殼體側(cè)面具有表面，它是平行四邊形和其中電池的總體形狀是棱柱的。
權(quán)利要求
1.一種包括外部外殼的壓力容器；該外殼具有密閉端和相對(duì)開(kāi)放端；該容器進(jìn)一步包括密封該外殼的開(kāi)放端的端帽組件，該外部外殼和該端帽組件在容器內(nèi)部周圍形成壓力邊界表面；其中該容器包括位于該壓力邊界表面上的排氣機(jī)構(gòu)，其中該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)以從容器中釋放氣體壓力，該排氣機(jī)構(gòu)包括在該邊界表面上形成凹槽的第一破裂區(qū)，該凹槽限定比該邊界平均厚度薄的材料區(qū)域；和在該邊界表面上的第二破裂區(qū)，其中當(dāng)電池中的氣體壓力上升到第一壓力水平時(shí)該第一破裂區(qū)破裂和當(dāng)電池中的氣體壓力上升到高于該第一壓力水平的第二壓力水平時(shí)該第二破裂區(qū)破裂。
2.權(quán)利要求1的容器，其中該第一和第二破裂區(qū)在該邊界表面上間隔開(kāi)。
3.權(quán)利要求1的容器，其中當(dāng)容器中的氣體壓力上升到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第一破裂區(qū)破裂。
4.權(quán)利要求1的容器，其中當(dāng)容器中的氣體壓力上升到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第一破裂區(qū)破裂。
5.權(quán)利要求1的容器，其中當(dāng)容器中的氣體壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第二破裂區(qū)破裂。
6.權(quán)利要求1的容器，其中第二破裂區(qū)包括在一部分該邊界表面中的激光焊接處。
7.權(quán)利要求1的容器，其中通過(guò)壓印該邊界表面形成該凹槽。
8.權(quán)利要求6的容器，其中該激光焊接處在該外殼和該外殼的開(kāi)放端中裝配的金屬構(gòu)件之間形成，從而密閉該開(kāi)放端。
9.權(quán)利要求6的容器，其中該激光焊接處在該外殼的內(nèi)表面和該外殼的開(kāi)放端中裝配的金屬構(gòu)件邊緣之間形成，從而密閉該開(kāi)放端。
10.權(quán)利要求6的容器，其中該激光焊接處由Nd:Yag激光器產(chǎn)生和當(dāng)電池中的氣體壓力上升到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的水平時(shí)該激光焊接處破裂。
11.權(quán)利要求8的容器，其中該容器具有立方體形狀和該金屬構(gòu)件是矩形金屬板。
12.權(quán)利要求8的容器，其中該金屬構(gòu)件是具有通過(guò)其間的小孔的矩形板。
13.一種堿性原電池，包括負(fù)和正端，和立方體形狀的外部外殼，該外殼具有密閉端和相對(duì)開(kāi)放端，該電池進(jìn)一步包括在該外殼中包括鋅的陽(yáng)極和包括MnO2的陰極，在該陽(yáng)極和陰極之間的隔離膜，和密封該外殼的開(kāi)放端的端帽組件，從而在電池內(nèi)部周圍形成邊界表面；其中陰極包括多個(gè)矩形陰極塊；其中每個(gè)該塊具有沒(méi)有陰極材料的中心開(kāi)口；其中該陰極塊在外殼中堆疊使得沒(méi)有陰極材料的該開(kāi)口形成核，并且該陰極的外表面接觸該外殼的內(nèi)表面；其中該電池包括位于該邊界表面上的排氣機(jī)構(gòu)，其中當(dāng)氣體壓力上升時(shí)該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)以從電池內(nèi)部釋放該氣體壓力，該排氣機(jī)構(gòu)包括第一破裂區(qū)，該第一破裂區(qū)包括在該邊界表面上的凹槽，該凹槽限定比該邊界的平均厚度薄的下面材料區(qū)域；和在該邊界表面上的第二破裂區(qū)，其中當(dāng)電池中的氣體壓力上升到第一壓力水平時(shí)第一區(qū)破裂和當(dāng)電池中的氣體壓力上升到高于該第一壓力水平的第二壓力水平時(shí)該第二區(qū)破裂，使得來(lái)自電池中的氣體從電池內(nèi)部通過(guò)該破裂逸出。
14.權(quán)利要求13的堿性電池，其中該第一和第二破裂區(qū)在該邊界表面上間隔開(kāi)。
15.權(quán)利要求13的堿性電池，其中當(dāng)容器中的氣體壓力上升到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第一破裂區(qū)破裂。
16.權(quán)利要求13的堿性電池，其中當(dāng)容器中的氣體壓力上升到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第一破裂區(qū)破裂。
17.權(quán)利要求13的堿性電池，其中當(dāng)容器中的氣體壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的壓力時(shí)該第二破裂區(qū)破裂。
18.權(quán)利要求13的堿性電池，其中第二破裂區(qū)包括在一部分該邊界表面中的激光焊接處。
19.權(quán)利要求13的堿性電池，其中通過(guò)壓印該邊界表面形成該凹槽。
20.權(quán)利要求18的堿性電池，其中該端帽組件包括金屬罩和該激光焊接處在該外殼和該外殼的開(kāi)放端中裝配的該金屬罩之間形成，從而密閉該開(kāi)放端。
21.權(quán)利要求18的堿性電池，其中該端帽組件包括金屬罩和該激光焊接處在該外殼的內(nèi)表面和該外殼的開(kāi)放端中裝配的金屬罩邊緣之間形成，從而密閉該開(kāi)放端。
22.權(quán)利要求18的堿性電池，其中該激光焊接處由Nd:Yag激光器形成和當(dāng)電池中的氣體壓力上升到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的水平時(shí)該激光焊接處破裂。
23.權(quán)利要求20的堿性電池，其中該金屬罩是矩形金屬板。
24.權(quán)利要求20的堿性電池，其中該金屬罩是具有通過(guò)其間的小孔的矩形板。
25.權(quán)利要求24的堿性電池，其中該端帽組件包括該金屬罩，端子端板，絕緣密封構(gòu)件，和其一部分通過(guò)該絕緣密封構(gòu)件和該金屬罩兩者的伸長(zhǎng)的導(dǎo)電構(gòu)件，其中該導(dǎo)電構(gòu)件電連接到該端子端板。
26.權(quán)利要求25的堿性電池，其中該導(dǎo)電構(gòu)件電連接到該陽(yáng)極。
27.權(quán)利要求26的堿性電池，其中一部分該伸長(zhǎng)的導(dǎo)電構(gòu)件透入該陽(yáng)極和用作陽(yáng)極集電器。
28.權(quán)利要求26的堿性電池，其中該端帽組件進(jìn)一步包括在該端子端板和該金屬罩之間的電絕緣構(gòu)件，從而使該端子端板與該金屬罩絕緣。
29.權(quán)利要求28的堿性電池，其中在該端子端板和該金屬罩之間的該電絕緣構(gòu)件包括塑料材料。
30.權(quán)利要求28的堿性電池，其中在該端子端板和該金屬罩之間的該電絕緣構(gòu)件包括紙材料。
31.權(quán)利要求28的堿性電池，其中該端子端板具有厚度小于該端板平均厚度的中心區(qū)域，其中該伸長(zhǎng)的導(dǎo)電構(gòu)件通過(guò)到該端子端板的電阻焊接在該中心區(qū)域焊接。
32.權(quán)利要求25的堿性電池，其中將包括瀝青的密封劑材料在該伸長(zhǎng)的導(dǎo)電構(gòu)件的至少一部分表面和該金屬罩之間施加以防止堿性電解質(zhì)通過(guò)其間的泄漏。
33.權(quán)利要求13的堿性電池，其中該陰極塊中的至少一部分該中心開(kāi)口形成容納該陽(yáng)極的空腔。
34.權(quán)利要求33的堿性電池，其中該空腔具有長(zhǎng)方形構(gòu)型。
35.權(quán)利要求13的堿性電池，其中電池包括堿性電解質(zhì)，該電解質(zhì)包括氫氧化鉀的水溶液。
36.權(quán)利要求35的堿性電池，其中平衡電池以便陰極過(guò)量，使得基于理論比值370mAmp-hr/g MnO2的MnO2的理論容量除以基于理論比值820mAmp-hr/g鋅的鋅的mAmp-hr容量的比率是約1.2-2.0。
37.權(quán)利要求35的堿性電池，其中平衡電池以便陰極過(guò)量，使得基于理論比值370mAmp-hr/g MnO2的MnO2的理論容量除以基于理論比值820mAmp-hr/g鋅的鋅的mAmp-hr容量的比率是約1.4-1.8。
38.權(quán)利要求13的堿性電池，其中該電池的總厚度為約5-10mm，其中該總厚度定義為在該外殼的相對(duì)側(cè)的外表面之間的距離，其限定該外殼的短尺寸。
39.權(quán)利要求13的堿性電池，其中外殼包括壁厚度為約0.30mm-0.50mm的金屬。
40.權(quán)利要求13的堿性電池，其中外殼包括壁厚度為約0.30mm-0.40mm的金屬。
41.權(quán)利要求13的堿性電池，其中該外殼包括鋼。
42.一種堿性原電池，包括負(fù)和正端，和立方體形狀的外部外殼，該外殼具有密閉端和相對(duì)開(kāi)放端，該電池進(jìn)一步包括在該外殼中包括鋅的陽(yáng)極和包括MnO2的陰極，在該陽(yáng)極和陰極之間的隔離膜，和密封該外殼的開(kāi)放端的端帽組件，從而在電池內(nèi)部周圍形成邊界表面；其中陰極包括多個(gè)矩形陰極塊；其中每個(gè)該塊具有沒(méi)有陰極材料的中心開(kāi)口；其中該陰極塊在外殼中沿電池的中心縱軸堆疊使得沒(méi)有陰極材料的該開(kāi)口沿該縱軸形成中心核，并且該陰極的外表面接觸該外殼的內(nèi)表面；其中該電池包括位于該邊界表面上的排氣機(jī)構(gòu)，其中當(dāng)氣體壓力上升時(shí)該排氣機(jī)構(gòu)啟動(dòng)以從電池內(nèi)部釋放該氣體壓力，該排氣機(jī)構(gòu)包括在該邊界表面上的第一和第二破裂區(qū)，其中至少一個(gè)該破裂區(qū)包括在該邊界表面上的凹槽，該凹槽限定比該邊界的平均厚度薄的下面材料區(qū)域；其中當(dāng)電池中的氣體壓力上升到第一壓力水平時(shí)第一區(qū)破裂和當(dāng)電池中的氣體壓力上升到高于該第一壓力水平的第二壓力水平時(shí)該第二區(qū)破裂，使得來(lái)自電池中的氣體從電池內(nèi)部通過(guò)該破裂逸出。
43.權(quán)利要求42的電池，其中該第一和第二破裂區(qū)在該邊界表面上間隔開(kāi)。
44.權(quán)利要求42的電池，其中第二破裂區(qū)包括在該邊界表面一部分中的激光焊接處。
45.權(quán)利要求42的電池，其中通過(guò)壓印該邊界表面形成該凹槽。
46.權(quán)利要求42的電池，其中當(dāng)電池內(nèi)部中的氣體壓力達(dá)到約250-800psig(1724×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力水平時(shí)在該邊界表面上的第一區(qū)破裂和當(dāng)電池內(nèi)部中的氣體壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-17235×103帕斯卡表壓)的壓力水平時(shí)在該邊界表面上的該第二區(qū)破裂。
47.權(quán)利要求42的電池，其中當(dāng)電池內(nèi)部中的氣體壓力達(dá)到約400-800psig(2758×103-5515×103帕斯卡表壓)的壓力水平時(shí)在該邊界表面上的第一區(qū)破裂和當(dāng)電池內(nèi)部中的氣體壓力達(dá)到約800-2500psig(5515×103-1724×103帕斯卡表壓)的壓力水平時(shí)在該邊界表面上的該第二區(qū)破裂。
48.權(quán)利要求42的電池，其中該端帽組件包括金屬罩和第一破裂區(qū)由在該外殼的外表面上的凹槽形成，和第二破裂區(qū)由在金屬構(gòu)件邊緣和該外殼的內(nèi)表面之間的激光焊接處形成，從而將該金屬構(gòu)件沿其邊緣的一部分固定到靠近該外殼的開(kāi)放端的該外部外殼的內(nèi)表面上。
49.權(quán)利要求48的電池，其中該金屬罩是矩形板。
50.權(quán)利要求42的電池，其中該凹槽走向平行于電池的密閉端。
51.權(quán)利要求42的堿性電池，其中外殼包括壁厚度為約0.30mm-0.50mm的金屬。
52.權(quán)利要求42的堿性電池，其中該電池的總厚度為約5-10mm，其中該總厚度定義為在該外殼的相對(duì)側(cè)的外表面之間的距離，其限定該外殼的短尺寸。
53.一種密閉堿性電池的外部外殼的方法，該外部外殼具有密閉端和相對(duì)開(kāi)放端和至少一個(gè)平表面，該方法包括將金屬罩靠近其開(kāi)放端插入外殼使得該金屬罩的邊緣鄰接外殼和暴露至少一部分該金屬罩；施加導(dǎo)熱介質(zhì)到一部分該金屬罩；和激光焊接該罩的邊緣到外殼以密閉該開(kāi)放端；其中該導(dǎo)熱介質(zhì)吸收至少一部分在該激光焊接期間產(chǎn)生的熱量。
54.權(quán)利要求53的方法，其中該金屬罩的一部分暴露表面彎曲，形成溝槽，和該方法進(jìn)一步包括將該導(dǎo)熱介質(zhì)放入該溝槽。
55.權(quán)利要求53的方法，其中由該焊接產(chǎn)生的足夠熱量由該導(dǎo)熱介質(zhì)吸收使得金屬罩在該焊接期間不達(dá)到大于約100℃的溫度。
56.權(quán)利要求53的方法，其中該導(dǎo)熱介質(zhì)包括固體或液體。
57.權(quán)利要求53的方法，其中該導(dǎo)熱介質(zhì)包括金屬。
58.權(quán)利要求53的方法，進(jìn)一步包括在焊接該金屬罩到該外殼之后，在該金屬罩上放置非金屬密封構(gòu)件使得該密封構(gòu)件接觸至少一部分該金屬罩。
59.權(quán)利要求53的方法，其中該導(dǎo)熱介質(zhì)包括施加到該金屬罩的暴露部分的去離子水。
60.權(quán)利要求53的方法，其中該導(dǎo)熱介質(zhì)包括水溶液，該水溶液包括聚乙烯醇和氫氧化鉀，其中該聚乙烯醇涂覆該金屬罩的暴露部分。
61.權(quán)利要求53的方法，其中該導(dǎo)熱介質(zhì)包括水溶液，該水溶液包括膠凝劑，其中該膠凝劑涂覆該金屬罩的暴露部分。
62.權(quán)利要求58的方法，進(jìn)一步包括在該金屬罩上放置該密封構(gòu)件之前，采用膠凝劑涂覆一部分該非金屬密封構(gòu)件。
63.權(quán)利要求58的方法，其中該密封構(gòu)件包括塑料。
64.權(quán)利要求58的方法，其中該密封構(gòu)件包括紙。
65.權(quán)利要求53的方法，其中該激光焊接采用Nd:Yag激光器完成。
66.權(quán)利要求53的方法，其中該密閉的外殼為立方體形狀。
67.權(quán)利要求53的方法，其中該外殼的總厚度為約5-10mm，其中該總厚度定義為在該外殼的相對(duì)側(cè)的外表面之間的距離，其限定該外殼的短尺寸。
68.一種密閉堿性電池的外部外殼的方法，該外部外殼具有密閉端和相對(duì)開(kāi)放端和至少一個(gè)平表面，該方法包括將金屬罩靠近其開(kāi)放端插入外殼使得該金屬罩的邊緣鄰接外殼和暴露至少一部分該金屬罩；冷卻金屬罩到低于環(huán)境室溫的溫度；和激光焊接該罩的邊緣到外殼以密閉該開(kāi)放端。
69.權(quán)利要求68的方法，其中將金屬罩冷卻到足夠低于環(huán)境室溫的溫度，使得金屬罩在該焊接期間不達(dá)到大于約100℃的溫度。
70.權(quán)利要求68的方法，進(jìn)一步包括在焊接該金屬罩到該外殼之后，在該金屬罩上放置非金屬密封構(gòu)件使得該密封構(gòu)件接觸至少一部分該金屬罩。
71.權(quán)利要求68的方法，其中通過(guò)施加去離子水到該金屬罩的暴露部分冷卻該金屬罩。
72.權(quán)利要求68的方法，其中通過(guò)對(duì)其施加包括聚乙烯醇和氫氧化鉀的水溶液冷卻該金屬罩，其中該聚乙烯醇涂覆該金屬罩的暴露部分。
73.權(quán)利要求68的方法，其中通過(guò)施加包括膠凝劑的水溶液冷卻該金屬罩，其中該膠凝劑涂覆該金屬罩的暴露部分。
74.權(quán)利要求70的方法，進(jìn)一步包括在該金屬罩上放置該密封構(gòu)件之前，采用膠凝劑涂覆一部分該非金屬密封構(gòu)件。
75.權(quán)利要求70的方法，其中該密封構(gòu)件包括塑料。
76.權(quán)利要求70的方法，其中該密封構(gòu)件包括紙。
77.權(quán)利要求68的方法，其中該激光焊接采用Nd:Yag激光器完成。
78.權(quán)利要求68的方法，其中該密閉的外殼為立方體形狀。
79.權(quán)利要求78的方法，其中該外殼的總厚度為約5-10mm，其中該總厚度定義為在該外殼的相對(duì)側(cè)的外表面之間的距離，其限定該外殼的短尺寸。
全文摘要
具有平外殼，優(yōu)選具有立方體形狀的堿性電池。電池可具有包括鋅的陽(yáng)極和包括MnO
文檔編號(hào)H01M10/24GK1886846SQ200480035015
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者D·安格林, M·阿什伯爾特, D·博博維克, R·S·費(fèi)林, A·馬爾焦利奧, B·梅里爾, A·舍列欣, S·J·施佩希特, M·西爾維斯特里, P·特雷納, R·A·約波洛 申請(qǐng)人:吉萊特公司