專(zhuān)利名稱(chēng)：具有改善的分隔體的堿性電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于堿性電池的分隔體。本發(fā)明涉及堿性電池，尤其是具有包含鋅的陽(yáng)極和包含二氧化錳的陰極以及介于陽(yáng)極和陰極之間的改善的分隔體的堿性電池。
背景技術(shù)：
一次堿性電池通常具有包含鋅陽(yáng)極活性材料的陽(yáng)極、包含二氧化錳陰極活性材料的陰極、堿性電解質(zhì)、以及電解質(zhì)可滲透的隔板。所述分隔體通常是單層的非織造材料的， 所述非織造材料包含纖維素纖維或聚乙烯醇纖維或者纖維素纖維和聚乙烯醇纖維的共混物。一種通常用于堿性電池的現(xiàn)有技術(shù)的分隔體可由一片分隔體材料構(gòu)成，所述分隔體材料自身卷繞以產(chǎn)生雙重分隔體層，其中每層是相同材料組成的。用于堿性電池的現(xiàn)有技術(shù)的分隔體可具有兩層不同的材料，其被膠粘在一起。在美國(guó)專(zhuān)利4，361，632中，公開(kāi)了雙層分隔體，其中一層是包含聚乙烯醇的涂層，其粘附到基部吸收層上。用于堿性電池中的另一種雙層分隔體可包含玻璃紙的外層和由非織造人造絲和聚乙烯醇纖維的共混物構(gòu)成的內(nèi)層。通常使用聚丙烯酸來(lái)將玻璃紙層膠粘到由人造絲和聚乙烯醇纖維構(gòu)成的層上以制備雙層層壓的分隔體，如美國(guó)專(zhuān)利4，902，590中所述。所述玻璃紙層具有小孔，其旨在防止鋅枝狀體在正常的電池使用期間從其中通過(guò)。如果鋅枝狀體通過(guò)分隔體，它們能夠?qū)е码姵囟搪?。在采用玻璃紙作為一個(gè)層的常規(guī)的雙層分隔體中，將所述膜片彼此膠粘或粘合是必須的，因?yàn)椴ＡЪ埛浅Ｒ姿椴⑶胰绻徽澈系搅硪粚由蠈?huì)破損或斷裂。然而，在分隔體卷繞成管狀構(gòu)型期間，膠粘的層經(jīng)歷卷曲。使用膠水來(lái)粘結(jié)分隔體層相面對(duì)的表面還具有這樣的缺點(diǎn)膠水或其它粘結(jié)材料能夠延遲電解質(zhì)離子傳送通過(guò)分隔體主體的速率，其繼而能夠降低電池在高功率應(yīng)用中的性能。具有整體層壓到浸漬層上的致密層的分隔體公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利6，379，836中。兩層都包含防堿性纖維素纖維，其可包括木漿。所述纖維可用氫氧化鈉處理，以便使它們?cè)趬A性電解質(zhì)存在下不收縮。用于圓柱形堿性電池的分隔體通?？赏ㄟ^(guò)以直角交叉兩個(gè)平直的分隔體材料條而制備，因此在兩個(gè)交叉的條的中心有重疊部分。(每一條可由單層或雙層的如上所述的材料構(gòu)成。)然后可通過(guò)將兩個(gè)交叉的條插入管道中并且熱密封底部(即兩條已交叉的部分) 而形成分隔體管道。還可熱密封側(cè)邊，從而形成具有封閉端和相對(duì)的開(kāi)口端的分隔體管道。 可將這樣的分隔體管道通常以它的外表面緊靠陰極的內(nèi)表面的排列方式插入堿性電池圓柱形殼體的開(kāi)口端中。定型用于堿性電池的分隔體的其它方法描述在例如U. S 4，669，183 和 US 2008/0124621A1 中。所述陽(yáng)極活性材料包含與氧化鋅和常規(guī)的膠凝劑(如羧甲基纖維素或丙烯酸共聚物)以及電解質(zhì)混合的鋅粒。所述膠凝劑將鋅粒保持在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑶冶舜私佑|。通常將導(dǎo)電金屬釘(稱(chēng)為陽(yáng)極集電器)插入陽(yáng)極材料中與端帽接觸，其形成電池的負(fù)端子。所述堿性電解質(zhì)通常是氫氧化鉀的水溶液，但是也可使用氫氧化鈉或氫氧化鋰的其它堿性溶液。
所述陰極材料通常是二氧化錳顆粒的并且可包含少量的碳或粒狀石墨以增加導(dǎo)電性。由于電解MnO2 (EMD)的高密度并且其可方便地用電解方法以高純度獲得，所以其是堿性電池優(yōu)選的二氧化錳形式。可將粒狀石墨和KOH水溶液添加到二氧化錳中以形成陰極混合物。此類(lèi)混合物形成濕的固體混合物，其能夠被完全壓實(shí)到電池殼體中?？蓪㈥帢O材料預(yù)成型成盤(pán)形以形成以堆疊排列方式插入電池中的環(huán)形圈(例如，如美國(guó)專(zhuān)利5，283，139 中所示)，然后重新壓實(shí)。由于商業(yè)電池尺寸是固定的，已期望通過(guò)增加電極活性材料的表面積和通過(guò)裝填更大量的活性材料到電池中而嘗試增加容量，即電池有用的使用壽命。該方法具有實(shí)踐上的限制。如果將活性物質(zhì)太緊密地裝填到電池中，這能夠降低放電期間電化學(xué)反應(yīng)的速率， 繼而縮短使用壽命?？沙霈F(xiàn)其它的有害效應(yīng)如極化，尤其是在高耗用電流(高功率應(yīng)用) 時(shí)。極化限制離子在電極活性材料中和在電解質(zhì)中的遷移率，其繼而減少了使用壽命。MnO2 陰極活性材料和堿性電池的電池殼體之間的接觸電阻也減少了使用壽命。這種接觸電阻損耗通常增加，尤其是當(dāng)電池在高功率應(yīng)用(介于約0. 5和1瓦特)期間放電時(shí)。有增加的制備更好適用于高功率應(yīng)用的一次堿性電池的商業(yè)需求。現(xiàn)代電子器件如蜂窩式電話、數(shù)字照相機(jī)和玩具、便攜式閃光裝置、遙控玩具、攝像機(jī)和高強(qiáng)度燈是此類(lèi)高功率應(yīng)用的實(shí)例。此類(lèi)裝置需要介于約0. 5和2安培之間，更通常介于約0. 5和1. 5安培之間的高電流耗用速率，通常是脈沖的耗用電流。相應(yīng)地，它們需要在介于約0. 5和2瓦特之間的功率需量下進(jìn)行操作。在高功率應(yīng)用時(shí)，當(dāng)電池使用一段時(shí)間，儲(chǔ)存，然后再次使用，可提高鋅枝狀體形成的幾率。已確定當(dāng)電池已在高功率應(yīng)用下頻繁使用時(shí)，常規(guī)的堿性電池分隔體在防止鋅枝狀體顆粒偶爾穿過(guò)分隔體材料方面不那么有效。當(dāng)被堿性電解質(zhì)潤(rùn)濕時(shí)，常規(guī)的分隔體還趨于溶脹至可通常超過(guò)300微米，或甚至超過(guò)約350微米的厚度。因此，期望降低分隔體厚度從而為陽(yáng)極和陰極材料提供更多的電池體積。能夠適應(yīng)高離子透過(guò)率的分隔體還能夠更加適用于用于高功率用途的堿性電池中。總之，希望改善分隔體，以便可增加常規(guī)的一次堿性電池有用的使用壽命，尤其是對(duì)于要用于高功率應(yīng)用中電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及具有改善的分隔體的堿性電池。所述堿性電池通常具有包含鋅的陽(yáng)極、包含二氧化錳的陰極、以及堿性電解質(zhì)(如含水氫氧化鉀)。所述堿性電池可通常具有圓柱形殼體(外殼)，所述圓柱形殼體具有開(kāi)口端和相對(duì)的封閉端。在加入電池內(nèi)容物之后，可將端帽組件卷曲在適當(dāng)?shù)奈恢靡苑忾]殼體開(kāi)口端。在一個(gè)主要方面，本發(fā)明改善的分隔體是雙層分隔體。本發(fā)明的分隔體由兩片不同組成的材料構(gòu)成，所述材料一片覆蓋在另一片上面并且卷繞成管狀。將卷繞的分隔體的底端折疊封閉并且加熱密封。不將所述分隔體的剩余部分(即形成分隔體主體的兩個(gè)卷繞的膜片相面對(duì)的表面)彼此膠合或換句話講彼此粘合。因此，相面對(duì)的膜片沒(méi)有彼此化學(xué)或物理結(jié)合并且未層壓或膠合在一起，而是通過(guò)折疊和封閉的底端簡(jiǎn)單地一片覆蓋在另一片上面而被保持在合適的位置。如果將分隔體的封閉端切開(kāi)，那么兩片分隔體膜片容易剝離。已確定以此方式形成的具有兩片重疊的不同材料的膜片(每片相面對(duì)的表面未膠合并且未結(jié)合在一起)的分隔體，導(dǎo)致改善的用于堿性電池的分隔體。具體地講，當(dāng)電池用于高功率應(yīng)用中例如給數(shù)字照相機(jī)等供電時(shí)，本發(fā)明的分隔體提供具有較長(zhǎng)使用壽命的堿性電池。本發(fā)明的分隔體提供更大的設(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)閺牟煌牟牧线x擇每一層。例如，膜片中的一片可具有高離子傳輸特性，其由此允許在高功率應(yīng)用中有優(yōu)異的電解質(zhì)的離子傳輸。然而，此類(lèi)膜片可能不是足夠剛性的，以便以單層分隔體的形式使用。因此，在繼續(xù)本發(fā)明的構(gòu)思中，可將不同材料的第二分隔體膜片覆蓋到該第一膜片上，從而為卷繞的分隔體提供更大的剛度和結(jié)構(gòu)完整性。選擇兩種分隔體材料，以便使將兩個(gè)膜片相面對(duì)的表面結(jié)合在一起的需要成為不是必需的。在本發(fā)明中，使兩個(gè)膜片相面對(duì)的表面未結(jié)合并且未層壓在一起。這降低了通過(guò)分隔體的阻力并且由此改善了電解質(zhì)離子傳輸，繼而改善了電池的倍率性能。在一個(gè)方面，本發(fā)明的分隔體由兩片分隔體膜片構(gòu)成，即第一膜片覆蓋在第二膜片上，并且將兩片重疊的膜片卷繞成管狀。當(dāng)平躺著觀察時(shí)，每片膜片具有矩形或大致矩形的構(gòu)型。當(dāng)平躺著觀察時(shí)，每片膜片具有一對(duì)相對(duì)的垂直邊緣(一個(gè)形成前緣而另一個(gè)形成后緣)和一對(duì)橫向邊緣(形成頂部邊緣和相對(duì)的底部邊緣)。(所述前緣是在卷繞方向上居前的邊緣)兩片膜片中的一片例如第一膜片形成卷繞的分隔體的外層或部分外層，而另一片膜片例如第二膜片形成卷繞的分隔體的內(nèi)層或部分內(nèi)層。通過(guò)將兩片膜片中的一片重疊在另一片上而形成分隔體。將重疊的膜片圍繞芯軸放置，將所述芯軸旋轉(zhuǎn)以形成管狀分隔體。(放置上述膜片前緣，以便使它們?cè)谒鲂据S旋轉(zhuǎn)的引導(dǎo)方向上。)將卷繞的分隔體的底部邊緣折疊并且加熱密封閉合，形成底端封閉并且相對(duì)端開(kāi)放的管型。如上所述，使形成分隔體主體的兩片膜片相面對(duì)的表面不結(jié)合在一起。兩片分隔體膜片中的一片例如第一膜片理想地由聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的共混物形成。(人造絲是由再生纖維素所構(gòu)成的或由再生纖維素構(gòu)成的人造纖維所構(gòu)成的半合成材料，所述再生纖維素中取代基已取代了不超過(guò)15%的纖維素羥基中所含的氫。) 纖維質(zhì)的人造絲纖維趨于吸收電解質(zhì)，并且聚乙烯醇纖維對(duì)堿性電解質(zhì)是親水性的并因此易于被電解質(zhì)潤(rùn)濕。聚乙烯醇纖維還向分隔體提供結(jié)構(gòu)完整性，并且在堿性電解質(zhì)的存在下不降解。在所述第一膜片中，聚乙烯醇纖維可占膜片重量的約20%和80%重量之間，通常約80%重量，而人造絲纖維可占膜片重量的約80%和20%重量之間，通常約20%重量。 包含聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的此類(lèi)膜片是優(yōu)選的，并且理想地具有介于約30和120微米(干燥)之間的厚度，和介于約20和40g/m2(干燥)之間的基重，以及介于75%和85% (孔體積/總體積X 100)(干燥)之間的孔隙率。作為另外一種選擇，第一膜片可由100% 的纖維素材料構(gòu)成，而不是包含聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的共混物。用于第一膜片的其它合適的材料可以是100%的聚乙烯醇或100%的尼龍66纖維，但是聚乙烯醇和人造絲纖維的共混物是優(yōu)選的。另一片(第二)分隔體膜片理想地由包含木漿和聚乙烯醇纖維的材料形成。所述木漿(干燥)基本上由木質(zhì)纖維素纖維構(gòu)成，但還可包含某些通常存在于通過(guò)化學(xué)制漿法處理的木料中的殘余的紙漿化合物。所述木漿可由樹(shù)木制成，所述樹(shù)木是針葉樹(shù)或者具有小葉片或大葉片的樹(shù)，并且優(yōu)選由硬木樹(shù)制成。所述第二膜片中采用的木漿優(yōu)選是堿化過(guò)的，即用氫氧化鈉處理過(guò)的木漿，以有助于溶解殘余物，增強(qiáng)纖維，并且使纖維更加耐堿性電解質(zhì)侵蝕。此類(lèi)殘余的化合物可包括例如木質(zhì)素、樹(shù)脂、以及半纖維素。所述殘余的化合物通常按重量計(jì)占用于所述(第二)分隔體膜片的干燥木漿小于約3%。因此，如本文所用，術(shù)語(yǔ)“木漿”理解為干燥的木漿纖維素纖維，其按重量計(jì)包含至少約97 %的木質(zhì)纖維素纖維，殘余物包含按重量計(jì)小于約3%的殘余化合物。用于該(第二)分隔體膜片中的木漿纖維與人造絲纖維的區(qū)別在于人造絲纖維由以下物質(zhì)形成通過(guò)纖維素硝酸酯纖維的脫硝作用(Chardonette方法)形成的再生纖維素 (化學(xué)改造的纖維素材料)，或者其中取代基已取代纖維素羥基中不超過(guò)約15%的氫的再生纖維素，或者通過(guò)粘膠方法形成的再生纖維素。此類(lèi)再生方法賦予物理特性，具體地講， 與人造絲纖維相關(guān)的物理特性。術(shù)語(yǔ)“再生纖維素”是指這樣的纖維素，其已經(jīng)歷化學(xué)改變而產(chǎn)生可溶解的纖維素化學(xué)衍生物，并且纖維素纖維由其中再生。例如，在用于制備人造絲纖維的粘膠方法中，將還可包含木質(zhì)素的木漿用強(qiáng)堿(氫氧化鈉)處理以形成堿性纖維素，其繼而通過(guò)與二硫化碳(( )反應(yīng)而被轉(zhuǎn)化成纖維素黃原酸酯。將反應(yīng)產(chǎn)物通常保持在25-35°C數(shù)小時(shí)，除去過(guò)量的二硫化碳。然后將產(chǎn)物溶解在稀釋的氫氧化鈉中，其中它首次被完全溶解。該溶液被稱(chēng)為粘膠。使新鮮的粘膠溶液熟化幾天，以便其通過(guò)逐漸的分解反應(yīng)(涉及水解和皂化)開(kāi)始凝結(jié)。然后將凝結(jié)的粘膠溶液通過(guò)噴絲頭(具有小孔的板或頭部)擠出。當(dāng)粘膠離開(kāi)噴絲頭時(shí)，其穿入硫酸(H2SO4)浴中，得到再生的纖維素材料，即人造長(zhǎng)絲的形成。然后通過(guò)拉成人造絲纖維而拉伸人造長(zhǎng)絲。可將人造絲纖維切割至期望的長(zhǎng)度。相反，第二分隔體膜片中所提及的“木漿”不是再生纖維素的，并因此未經(jīng)歷與人造絲的制造具體相關(guān)的處理。該第二膜片中的木漿優(yōu)選是堿化的木漿，即其已用氫氧化鈉充分處理以釋放并且溶解木漿殘余物，主要是包含在所述漿狀物中的木質(zhì)素、樹(shù)脂、以及半纖維素材料。木漿纖維素纖維本身的化學(xué)組成基本上未變，雖然可出現(xiàn)某些結(jié)晶結(jié)構(gòu)上的變化。用于該第二分隔體膜片中的堿化的木漿具有小于約3%重量，優(yōu)選小于約重量的殘余物含量。所述堿化的木漿中的木質(zhì)素含量為優(yōu)選小于1 %重量，通常小于約500ppm(木質(zhì)素重量份數(shù)/百萬(wàn)份堿化的漿狀物)。因此，用于第二分隔體膜片中的堿化的木漿基本上由包含小于約重量，優(yōu)選小于500ppm的木質(zhì)素的木漿纖維素纖維構(gòu)成。第二分隔體膜片中堿化的木漿含量理想地介于約75%和82%重量之間，同時(shí)所包含的聚乙烯醇纖維占所述膜片重量的約18%和25%重量之間，通常約18%重量。用于該膜片的優(yōu)選的組成為 82%重量的木漿和18%重量的聚乙烯醇纖維。用于該第二膜片的另一優(yōu)選的組成為75% 重量的木漿和25%重量的聚乙烯醇纖維。包含木漿和聚乙烯醇纖維的此類(lèi)膜片所期望的厚度可介于約30微米和50微米(干燥)之間，基重可介于約20g/m2和32g/m2 (干燥)之間， 而孔隙率可介于約50%和70% (干燥)之間。因此，優(yōu)選的是所述第一和第二膜片中的至少一種，其中包含與另一膜片中不同并且不包含在另一膜片中的材料。所述兩片分隔體膜片的特征還能夠在于它們能夠阻止氣流的優(yōu)點(diǎn)。富含木漿的膜片(第二膜片)當(dāng)通過(guò)其Gurley透氣率數(shù)值(ASTM D-737)(在Gurley透氣度儀(低壓型、 標(biāo)準(zhǔn)壓型和高壓型)上測(cè)定)確定時(shí)具有低的氣流(滲透性)。這些裝置指示一定體積的空氣通過(guò)分隔體膜片(使用限定的氣流孔口尺寸)所需的時(shí)間。所述透氣度儀被設(shè)計(jì)來(lái)測(cè)量較低透氣率的紙材和非織造材料。低氣流紙材能夠具有對(duì)氣流值的阻力，例如約20、30 或50水平的Gurley數(shù)(使用4150高壓透氣度儀)。如本文所用和所定義，術(shù)語(yǔ)Gurley數(shù)為每平方英寸面對(duì)進(jìn)來(lái)的氣流的膜片表面，10立方厘米(cm3)體積大氣壓下的空氣通過(guò)分隔體膜片以秒計(jì)所用的時(shí)間(使用4150高壓透氣度儀)。術(shù)語(yǔ)Gurley秒數(shù)可與Gurley 數(shù)互換使用。有直接的計(jì)算來(lái)將一臺(tái)儀器上以一定的空氣體積和孔口尺寸測(cè)量的Gurley 秒數(shù)轉(zhuǎn)換成在其它透氣度儀上以不同體積和孔口測(cè)量的值。包含介于約75%和82%重量之間的木漿并且聚乙烯醇纖維占膜片重量約18%和25%重量之間的第二分隔體膜片具有介于約20和60秒之間的所測(cè)得的Gurley透氣率數(shù)值。高滲透性的富含聚乙烯醇的紙材如以上提及的優(yōu)選的第一膜片(例如包含80% 重量的聚乙烯醇和20%重量的人造絲纖維)需要不同的儀器來(lái)測(cè)量它們的透氣率。此類(lèi)膜片具有非常高的透氣率。測(cè)量此類(lèi)高聚乙烯醇含量的膜片的氣流滲透性的合適儀器為GUrley4301織物透氣性測(cè)試儀或Frazier織物透氣性測(cè)試儀。當(dāng)使用此類(lèi)織物透氣性測(cè)試儀來(lái)測(cè)量高滲透性的膜片時(shí)，結(jié)果以大氣壓下的氣流的立方英尺數(shù)/分鐘/平方英尺面對(duì)流入的空氣的材料報(bào)道。這些儀器以立方英尺/分鐘/平方英尺面對(duì)流入的空氣的材料測(cè)量實(shí)際的流量(假定有0. 5psi的壓降)。(高滲透性的紙材的透氣率值可通常在10至200立方英尺/分鐘 (以及更高)/平方英尺面對(duì)流入的空氣的材料的范圍內(nèi)。當(dāng)通常使用織物透氣性測(cè)試儀測(cè)量時(shí)，包含80%重量的聚乙烯醇和20%重量的人造絲的優(yōu)選的第一膜片具有大于100，通常介于約100和200之間立方英尺通過(guò)的大氣壓下的空氣/分鐘/平方英尺面對(duì)流入的空氣的膜片的透氣率。以上兩片膜片的第一或第二膜片可形成卷繞的分隔體的內(nèi)層或者內(nèi)層的至少一部分。另一膜片可形成卷繞的分隔體的外層或外層的至少一部分。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，卷繞的分隔體的內(nèi)層由包含聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的共混物的膜片形成。在那種情況下，卷繞的分隔體的外層由包含木漿和聚乙烯醇纖維的共混物的膜片形成。包含聚乙烯醇纖維和木漿的共混物的膜片表現(xiàn)出高的離子遷移率，即使得堿性電解質(zhì)在其中非常良好的離子傳輸，尤其是與玻璃紙相比。然而，這種包含聚乙烯醇纖維和木漿的膜片具有典型曲折的小孔結(jié)構(gòu)，所述小孔結(jié)構(gòu)用來(lái)抑制鋅?；蜾\枝狀體從其中通過(guò)， 即使電池被用于高功率應(yīng)用中并且在應(yīng)用期的之間被間歇貯存。包含聚乙烯醇和人造絲纖維的重疊膜片改善了分隔體的結(jié)構(gòu)完整性。該后來(lái)的膜片還表現(xiàn)出使堿性電解質(zhì)離子易于從其中通過(guò)的良好的分隔體特性。該膜片向卷繞的分隔體提供必需的結(jié)構(gòu)完整性和回彈力。這種回彈力有助于保持卷繞的分隔體的頂部邊緣緊靠著用于密封電池殼體開(kāi)口端的密封盤(pán)的底部表面。在一個(gè)重要的方面，本發(fā)明的分隔體由不同的材料的兩片重疊的膜片(第一和第二膜片)形成，使所述膜片的相面對(duì)的表面不互相結(jié)合。將重疊的膜片在芯軸上卷繞以形成管狀，并且如上所述將卷繞的分隔體的底部邊緣封閉并且加熱密封。(當(dāng)以豎直位置觀察電池，殼體封閉端在底部時(shí)，如本文所用的分隔體的底部邊緣應(yīng)理解為最接近電池殼體封閉的底端的邊緣。)彼此相對(duì)的每片膜片的位置的各種方位是可能的并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。所述兩片分隔體膜片可橫向重疊，以便每片膜片的一部分形成分隔體外表面的不同部分。在該后來(lái)的實(shí)施方案中，每片膜片的一部分還形成分隔體內(nèi)表面的不同部分。作為另外一種選擇，分隔體可由兩片膜片形成，其中第一膜片形成外層，其完整地覆蓋在第二膜片上。在這些實(shí)施方案的任何一個(gè)中，第一和第二膜片中的一個(gè)的頂部邊緣可在豎直方向延伸超過(guò)另一膜片的頂部邊緣。(當(dāng)電池保持在豎直位置，殼體開(kāi)口端在頂部時(shí)，如本文所用的分隔體‘頂部邊緣’應(yīng)理解為指最接近電池殼體開(kāi)口端的分隔體邊緣。)反之，第一和第二膜片中的一個(gè)的底部邊緣可在豎直方向延伸超過(guò)另一膜片的底部邊緣。


圖1是代表性的堿性電池的繪畫(huà)剖面圖，其顯示本發(fā)明分隔體的位置。圖IA為電池底部的正視剖面圖。圖2是示出了構(gòu)成分隔體的兩片膜片在卷繞前的布置的一個(gè)實(shí)施方案。圖2A是用于圖2中所示的膜片按順時(shí)針卷繞的芯軸。圖2B是由圖2中所示的膜片卷繞的分隔體的繪畫(huà)視圖。圖2C是圖2B中所示的卷繞的分隔體的頂視圖。圖2D是圖2B的底視圖，其示出了圖2B中所示的卷繞的分隔體的封閉折疊的底端。圖3是示出了構(gòu)成分隔體的兩片膜片在卷繞前的布置的一個(gè)實(shí)施方案。圖3A是用于圖3中所示的膜片按順時(shí)針卷繞的芯軸。圖IBB是由圖2中所示的膜片卷繞的分隔體的繪畫(huà)視圖。圖3C是圖;3B中所示的卷繞的分隔體的頂視圖。圖3D是圖;3B的底視圖，其示出了圖中所示的卷繞的分隔體的封閉折疊的底端。圖4是示出了構(gòu)成分隔體的兩片膜片在卷繞前的布置的一個(gè)實(shí)施方案。圖4A是用于圖4中所示的膜片按順時(shí)針卷繞的芯軸。圖4B是由圖4中所示的膜片卷繞的分隔體的繪畫(huà)視圖。圖4C是圖4B中所示的卷繞的分隔體的頂視圖。圖4D是圖4B的底視圖，其示出了圖4B中所示的卷繞的分隔體的封閉折疊的底端。圖5示出了如圖2B中的分隔體構(gòu)型，不同的是形成分隔體的膜片中的一片在豎直方向延伸到另一膜片的頂部邊緣之上。圖5A是圖5中所示分隔體的頂視圖。圖6示出了如圖2B中的分隔體構(gòu)型，不同的是形成分隔體的膜片中的一片在豎直方向延伸到另一膜片的底部邊緣之下。圖6A是圖6中所示分隔體的頂視圖。圖7示出了如圖;3B中的分隔體構(gòu)型，不同的是內(nèi)部膜片在豎直方向延伸到外部膜片的頂部邊緣之上。圖7A是圖7中所示分隔體的頂視圖。圖8示出了如圖;3B中的分隔體構(gòu)型，不同的是外部膜片在豎直方向延伸到內(nèi)部膜片的頂部邊緣之上。圖8A是圖8中所示分隔體的頂視圖。圖9示出了如圖4B中的分隔體構(gòu)型，不同的是內(nèi)部膜片在豎直方向延伸到外部膜片的頂部邊緣之上。圖9A是圖9中所示分隔體的頂視圖。
圖10示出了如圖4B中的分隔體構(gòu)型，不同的是外部膜片在豎直方向延伸到內(nèi)部膜片的頂部邊緣之上。圖IOA是圖10中所示分隔體的頂視圖。
具體實(shí)施例方式具體的堿性電池10的構(gòu)型示于圖1中，其中可有利地采用本發(fā)明的分隔體。在共同轉(zhuǎn)讓的專(zhuān)利公布US-2008-0102365-A1中也說(shuō)明了示于圖1中的堿性電池10(但未用本發(fā)明的分隔體)。本發(fā)明的分隔體對(duì)于堿性電池具有廣泛的應(yīng)用，尤其是具有包含鋅的陽(yáng)極和包含二氧化錳的陰極以及堿性電解質(zhì)的電池。當(dāng)應(yīng)用于圖1的電池時(shí)，本發(fā)明的分隔體的應(yīng)用經(jīng)由具體使用的實(shí)例給出，并且不旨在限于圖1中所示的電池結(jié)構(gòu)。在圖1的電池10實(shí)施方案中，有端帽組件14和具有開(kāi)口端15和相對(duì)的封閉端17 的圓柱形外殼70，其中端帽組件14被插入到所述開(kāi)口端15中以密封電池。端帽組件14尤其適用于標(biāo)準(zhǔn)AAAG4mmX9mm)、AA09mmX 12mm)、C(49mmX25mm)和 D(58mmX32mm)型號(hào)的圓柱形堿性電池。端帽組件14尤其可用于較小尺寸的堿性電池如AAA和AA型號(hào)的電池， 但是也可有利地用于C和D型號(hào)的電池。此類(lèi)堿性電池，如電池10(圖1和1A)理想地具有包含鋅的陽(yáng)極140、包含Mn02的陰極120，其中本發(fā)明的電解質(zhì)可滲透的隔板130位于其間。陽(yáng)極140和陰極120通常包括含水氫氧化鉀電解質(zhì)。作為另外一種選擇，陽(yáng)極140可包含鋅，陰極120可包含羥基氧化鎳，并且電解質(zhì)通常包含含水氫氧化鉀。陰極120可堆積成盤(pán)120a，每個(gè)具有用于陽(yáng)極材料140插入的中心開(kāi)口，其中分隔體130埋入陽(yáng)極140和陰極120之間(圖1和1A)。端帽組件14包括金屬支撐盤(pán)40、下面的密封盤(pán)20、集流體80，所述集流體80穿過(guò)密封盤(pán)20的中心孔M并且接觸陽(yáng)極140。如圖1所示，單獨(dú)的金屬末端端帽60疊在金屬支撐盤(pán)40之上。電池的中心縱向軸線190穿過(guò)集流體80 (圖1)。陰極集流體80是黃銅的，優(yōu)選鍍錫或鍍銦以有助于抑制放氣?？蓪⒓黧w80的頭部87直接焊接到端帽60的下側(cè)。本發(fā)明的分隔體130具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性和回彈力，其能夠使分隔體頂部邊緣 132保持緊靠著密封盤(pán)20的底部表面220。分隔體130頂部邊緣132保持緊靠著密封盤(pán) 20的底部表面220并且不會(huì)移位，即使電池不注意被從1米的高度掉落到硬質(zhì)表面上。這種性質(zhì)防止任何陽(yáng)極140材料通過(guò)分隔體邊緣132進(jìn)入陰極120中，其將導(dǎo)致立即的電壓下降或電池短路，使電池不能使用。本發(fā)明的分隔體130優(yōu)異的回彈力保持邊緣132緊壓在密封盤(pán)20的底部表面220上是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在陰極120之后，分隔體130和陽(yáng)極 140被插入外殼70中，端帽組件14被插入外殼開(kāi)口端15中。將外殼70的周邊邊緣72卷曲在絕緣密封盤(pán)20的周邊邊緣28之上。繼而將絕緣密封盤(pán)20的周邊邊緣觀卷曲在端帽 60的周邊邊緣66和金屬支撐盤(pán)40的邊緣49兩者之上。優(yōu)選地，在組裝期間，絕緣盤(pán)20的向下延伸的壁26緊靠著金屬支撐盤(pán)40的向下延伸的壁45的內(nèi)表面。金屬支撐盤(pán)40 (圖1)優(yōu)選地具有基本平坦的中部43，其中孔41居中其中心。金屬支撐盤(pán)40優(yōu)選地由具有回旋表面的單件金屬構(gòu)造的盤(pán)形成。金屬支撐盤(pán)40的一部分具有向下傾斜的壁45，并且具有至少一個(gè)穿過(guò)其的破裂孔48。金屬支撐件40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?、不銹鋼或低碳鋼。
當(dāng)以與端帽組件14成豎直位置俯視電池時(shí)，金屬支撐盤(pán)40的向下延伸的壁45由所述支撐盤(pán)40的壁45上的高點(diǎn)4 面向電池內(nèi)部向下延伸至所述壁45上的低點(diǎn)45b。支撐盤(pán)40的向下延伸的壁45優(yōu)選在向下傾斜的方向上平直，或者當(dāng)由電池外部觀察時(shí)可以具有稍微凸起的表面輪廓(向外膨脹)。向下延伸的表面45終止于周邊邊緣49。絕緣密封盤(pán)20(圖1)具有包括向下延伸的壁沈的回旋表面，其中當(dāng)以與端帽組件14成豎直位置俯視電池時(shí)，其表面的一部分位于金屬支撐盤(pán)40中的孔48之下并鄰接所述孔。當(dāng)以與端帽組件14成豎直位置俯視電池時(shí)，密封盤(pán)20的壁沈由其表面上的高點(diǎn) 26a向下延伸至其表面上的低點(diǎn)^b。絕緣盤(pán)20的表面沈優(yōu)選在斜往下的方向上是直的 (即不往里或往外凸)，但從電池外面觀察時(shí)，還可具有稍微凸起的表面輪廓。向下延伸的表面沈終止于向上延伸的周邊邊緣28。金屬支撐盤(pán)40 (圖1)中所述孔48下面向下延伸的表面沈的部分具有底切凹槽 210，其形成薄的可破裂膜23。可破裂膜23鄰接金屬支撐盤(pán)40中的孔48。當(dāng)電池中的氣壓升高時(shí)，所述可破裂膜23穿過(guò)所述孔48并且破裂，從而釋放氣體到膜23上方的頂部空間18中，即介于膜23和上覆的端帽60之間的空間。然后氣體穿過(guò)端帽60(圖1)中的排氣小孔65到外部環(huán)境中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，分隔體130可具有圖2B中所示的構(gòu)型。在該實(shí)施方案中，分隔體130由兩個(gè)層130a和130b形成，其中所述層橫向重疊，以便每層的一部分形成完整的分隔體130的外表面的一部分，并且每層的一部分形成內(nèi)表面的一部分，如圖2B 中最佳地所示。即，分隔體層130a的一部分和分隔體層130b的部分形成完整的卷繞的分隔體130的外表面(圖2B)。相反，分隔體層130a的另一部分和分隔體層130b的另一部分形成完整的卷繞的分隔體130的內(nèi)表面(圖2B)。這種分隔體構(gòu)型(圖2B)可通過(guò)以下步驟形成將第一(頂部)膜片130a置于下面的第二膜片130b之上，以便以圖2中所示的方式第一膜片130a的暴露的垂直前緣133a覆蓋下面的膜片130b的下面的前緣13北。如圖 2中所示，第一膜片130a的后緣133al和下面的膜片130b的后緣133bl也都是暴露的。兩片膜片130a和130b可以是矩形構(gòu)造的并且是相同尺寸的?？赏ㄟ^(guò)將所述兩片重疊的膜片 130a和130b (圖2)靠著不銹鋼芯軸200的外表面201放置并且如圖2A中所示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)芯軸而將它們卷繞?？墒褂肏ibar卷繞器例如S0548型(Hibar Systems Limited, Toronto Canada)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述卷繞。在卷繞期間，不向分隔體膜片130a和130b進(jìn)行加熱。分隔體層 130a和130b可通過(guò)送料鼓(未示出)提起并且通過(guò)部分真空被抓到其上合適的位置處，然后傳遞至卷繞芯軸表面201。在這種情況下，內(nèi)部的膜片必須具有足夠的透氣率以使真空能夠?qū)⑼獠康募埐淖サ剿土瞎纳?。作為卷繞過(guò)程中的最后一步，分隔體底部邊緣131可通過(guò)以下步驟封閉向內(nèi)折疊每個(gè)膜片130a和130b的底部邊緣以形成褶疊部份135，然后熱密封褶疊部份135以形成如圖2D中所示的封閉的底部131a。在褶疊部份135的熱密封之前， 可向分隔體130的底部邊緣131處的分隔體褶疊部份135施加水薄霧以促進(jìn)折疊的底部的熱密封以形成封閉的底部131a。當(dāng)卷繞的分隔體130仍在芯軸表面201上時(shí)，可通過(guò)向褶疊部份135壓上溫度介于約180和340°C之間的熱壓板而實(shí)現(xiàn)熱密封。優(yōu)選的是在卷繞過(guò)程期間，無(wú)膠水被嵌入到兩個(gè)分隔體層130a和130b的相面對(duì)的表面之間。并因此，所述分隔體層相面對(duì)的表面(即介于頂部邊緣132和底部邊緣131之間)不是化學(xué)或物理粘合在一起的，并且不是層壓在一起的。所述分隔體層相面對(duì)的表面在頂部邊緣132和底部邊緣131之間是彼此接觸的，但是不粘合在一起。而是，所述分隔體層相面對(duì)的表面主要由于封閉的底部131a而被保持在一起，所述封閉的底部131a是僅有的被熱密封的分隔體部分以封閉分隔體的底部邊緣131。所述分隔體層是足夠耐用的，以便它們不斷裂或破損，雖然它們?cè)谶吘?31和132之間未粘合在一起。有利的是在兩個(gè)分隔體層之間不使用膠水，因?yàn)檫@種膠水或其它粘合材料能夠延緩電解質(zhì)離子傳輸通過(guò)完整的分隔體130的速率，尤其是當(dāng)電池用于高功率應(yīng)用中時(shí)。一旦封閉的底部131a被打開(kāi)或者從剩余的分隔體材料上切除， 能夠容易地將兩個(gè)層130a和130b剝離。因此，保持層130a和130b相面對(duì)的表面未膠合并且未熱密封或化學(xué)層壓在一起，只是將底部邊緣131熱密封以形成封閉的底部131a。所完成的卷繞的分隔體130具有圖2B和2C中所示的構(gòu)型。在陰極盤(pán)120a已被置于外殼70 中之后，可將所完成的分隔體130(圖2B)插入電池外殼70中，以便分隔體130的外表面緊靠著陰極盤(pán)120a的內(nèi)表面(圖1和1A)。如圖1和IA所示，分隔體頂部邊緣132保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220，而封閉的底部131a保持靠著殼體70的封閉端17。然后插入陽(yáng)極材料140，以便分隔體130緊位于陰極盤(pán)120a和陽(yáng)極140之間。頂部邊緣132是足夠有彈力的，以便在電池壽命期間其保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，分隔體130可具有圖;3B中所示的構(gòu)型。在該實(shí)施方案中，分隔體130由兩個(gè)層130c和130d形成，其中第一層130c形成外層，其完全覆蓋第二層130d，即下面的內(nèi)層130d，如圖;3B中最佳地所示。這種分隔體構(gòu)型(圖3B)可通過(guò)以下步驟形成將第一(頂部)膜片130c置于下面的第二膜片130d之上，以便以圖2中所示的方式第一(頂部)膜片130c所暴露的垂直后緣133cl覆蓋下面的膜片130d的下面的后緣133dl。如圖3中所示，下面的膜片130d的前緣133d還延伸超過(guò)第一(頂部)膜片 130c的前緣133c。所述兩個(gè)膜片130c和130d可以是矩形構(gòu)型的并且是相同尺寸的。可通過(guò)將所述兩片重疊的膜片130c和130d(圖3)靠著不銹鋼芯軸200的外表面201放置并且如圖3A中所示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)芯軸而將它們卷繞。可使用Hibar卷繞器例如S0548型(Hibar Systems Limited, Toronto Canada)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述卷繞。作為卷繞過(guò)程中的最后一步，分隔體底部邊緣131可通過(guò)以下步驟封閉向內(nèi)折疊每個(gè)膜片130c和130d的底部邊緣以形成褶疊部份135，然后熱密封褶疊部份135以形成如圖3D中所示的封閉的底部131a。優(yōu)選的是在卷繞過(guò)程期間，無(wú)膠水被嵌入到兩個(gè)分隔體層130c和130d的相面對(duì)的表面之間。并因此，所述分隔體層相面對(duì)的表面(即介于頂部邊緣132和底部邊緣131之間)不是化學(xué)或物理粘合在一起的，并且不是層壓在一起的。所述分隔體層相面對(duì)的表面在頂部邊緣132和底部邊緣131之間是彼此接觸的，但是不粘合在一起。而是，所述分隔體層相面對(duì)的表面主要由于封閉的底部131a而被保持在一起，所述封閉的底部131a是僅有的被熱密封的分隔體部分以封閉分隔體的底端。所述分隔體層是足夠耐用的，以便它們不斷裂或破損，雖然它們?cè)谶吘?31和132之間未粘合在一起。有利的是在兩個(gè)分隔體層之間不使用膠水，因?yàn)檫@種膠水或其它粘合材料能夠延緩電解質(zhì)離子傳輸通過(guò)完整的分隔體130的速率，尤其是當(dāng)電池用于高功率應(yīng)用中時(shí)。一旦封閉的底部131a被打開(kāi)或者從剩余的分隔體材料上切除， 能夠容易地將兩個(gè)層130c和130d剝離。因此，保持層130c和130d相面對(duì)的表面未膠合并且未熱密封或化學(xué)層壓在一起，只是將底部邊緣131熱密封以形成封閉的底部131a。所完成的卷繞的分隔體130具有圖;3B和3C中所示的構(gòu)型。在陰極盤(pán)120a已被置于外殼70 中之后，可將所完成的分隔體130(圖3B)插入電池外殼70中，以便分隔體130的外表面緊靠著陰極盤(pán)120a的內(nèi)表面(圖1和1A)。如圖1和IA所示，分隔體頂部邊緣132保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220，而封閉的底部131a保持靠著殼體70的封閉端17。然后插入陽(yáng)極材料140，以便分隔體130緊位于陰極盤(pán)120a和陽(yáng)極140之間。頂部邊緣132是足夠有彈力的，以便在電池壽命期間其保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，分隔體130可具有圖4B中所示的構(gòu)型。在該實(shí)施方案中，分隔體130由兩個(gè)層130e和130f形成，其中所述層可以是相同尺寸和形狀的，并且被置于彼此直接覆蓋在一起，以便如圖4中所示每個(gè)膜片相應(yīng)的邊緣彼此重合。在該實(shí)施方案中，分隔體130由兩個(gè)層130e和130f形成，其中第一層130e形成外層，其覆蓋第二層130f，即下面的內(nèi)層130f，如圖;3B中最佳地所示。這種分隔體構(gòu)型(圖4B)可通過(guò)以下步驟形成簡(jiǎn)單地將第一(頂部)膜片130e置于下面的第二膜片130f之上，以便以圖4中所示的方式第一(頂部)膜片130e所暴露的垂直前緣13 與下面的膜片130f的下面的前緣133f重合。并且如圖4中所示，第一(頂部)膜片130e的后緣133el和下面的膜片 130f的后緣133fl重合。所述兩個(gè)膜片130e和130f可以是矩形構(gòu)型的并且是相同尺寸的?？赏ㄟ^(guò)將所述兩片重疊的膜片130e和130f (圖4)靠著不銹鋼芯軸200的外表面201 放置并且如圖4A中所示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)芯軸而將它們卷繞?？墒褂肏ibar卷繞器例如S0548型 (Hibar Systems Limited, Toronto Canada)來(lái)實(shí)現(xiàn)所述卷繞。在卷繞期間，不向分隔體層 130e和130f進(jìn)行加熱。作為卷繞過(guò)程中的最后一步，分隔體底部邊緣131可通過(guò)以下步驟封閉向內(nèi)折疊每個(gè)膜片130e和130f的底部邊緣以形成褶疊部份135，然后熱密封褶疊部份135以形成如圖4D中所示的封閉的底部131a。優(yōu)選的是在卷繞過(guò)程期間，無(wú)膠水被嵌入到兩個(gè)分隔體層130e和130f的相面對(duì)的表面之間。并因此，所述分隔體層相面對(duì)的表面 (即介于頂部邊緣132和底部邊緣131之間)不是化學(xué)粘合在一起的，并且不是層壓在一起的。所述分隔體層相面對(duì)的表面在頂部邊緣132和底部邊緣131之間是彼此接觸的，但是不粘合在一起。而是，所述分隔體層相面對(duì)的表面主要由于封閉的底部131a而被保持在一起，所述封閉的底部131a是僅有的被熱密封的分隔體部分以封閉分隔體的底端。所述分隔體層是足夠耐用的，以便它們不斷裂或破損，雖然它們?cè)谶吘?31和132之間未粘合在一起。有利的是在兩個(gè)分隔體層之間不使用膠水，因?yàn)檫@種膠水或其它粘合材料能夠延緩電解質(zhì)離子傳輸通過(guò)完整的分隔體130的速率，尤其是當(dāng)電池用于高功率應(yīng)用中時(shí)。一旦封閉的底部131a被打開(kāi)或者從剩余的分隔體材料上切除，能夠容易地將兩個(gè)層130e和130f 剝離。因此，保持層130e和130f相面對(duì)的表面未膠合并且未熱密封或化學(xué)層壓在一起，只是將底部邊緣131熱密封以形成封閉的底部131a。所完成的卷繞的分隔體130具有圖4B 和4C中所示的構(gòu)型。在陰極盤(pán)120a已被置于外殼70中之后，可將所完成的分隔體130 (圖 4B)插入電池外殼70中，以便分隔體130的外表面緊靠著陰極盤(pán)120a的內(nèi)表面(圖1和 1A)。如圖1和IA所示，分隔體頂部邊緣132保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220，而封閉的底部131a保持靠著殼體70的封閉端17。然后插入陽(yáng)極材料140，以便分隔體130緊位于陰極盤(pán)120a和陽(yáng)極140之間。頂部邊緣132是足夠有彈力的，以便在電池壽命期間其保持緊靠著絕緣盤(pán)20的底部表面220。可修改圖2B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸分隔體膜片130b的頂部邊緣，使得其比分隔體膜片130a的頂部邊緣更高。這種構(gòu)型示于圖5中，其中分隔體膜片130b的頂部邊緣130bl延伸超過(guò)，即高于分隔體膜片130a的頂部邊緣130al。如圖5中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖2B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視5A與圖2C中所示的頂視圖相同?？蓪D5中所示的分隔體的底部邊緣131折疊并且熱密封以形成圖2D中所示的折疊的底部。還可修改圖2B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸分隔體膜片130b的底部邊緣，使得其比分隔體膜片130a的底部邊緣更低。這種構(gòu)型示于圖6中，其中分隔體膜片130b的底部邊緣13(Λ2延伸超過(guò)，即低于分隔體膜片130a的底部邊緣130a2。如圖6中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖2B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視6A與圖2C中所示的頂視圖相同。可將圖6中所示的分隔體的底部邊緣131折疊并且熱密封以形成圖2D中所示的折疊的底部。可修改圖;3B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸內(nèi)部分隔體膜片130d的頂部邊緣，使得其比外部分隔體膜片130c的頂部邊緣更高。這種構(gòu)型示于圖7中，其中內(nèi)部分隔體膜片 130d的頂部邊緣130dl延伸超過(guò)，即高于外部分隔體膜片130c的頂部邊緣130cl。如圖7 中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖3B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視7A與圖3C中所示的頂視圖相同?？蓪D7中所示的分隔體的底部邊緣131折疊并且熱密封以形成圖3D中所示的折疊的底部?？尚薷膱D;3B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸外部分隔體膜片130c的頂部邊緣，使得其比內(nèi)部分隔體膜片130d的頂部邊緣更高。這種構(gòu)型示于圖8中，其中外部分隔體膜片 130c的頂部邊緣130cl延伸超過(guò)，即高于分隔體膜片130d的頂部邊緣130dl。如圖8中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖3B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視8A與圖3C中所示的頂視圖相同?？蓪D8中所示的分隔體的底部邊緣 131折疊并且熱密封以形成圖3D中所示的折疊的底部?？尚薷膱D4B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸內(nèi)部分隔體膜片130f的頂部邊緣，使得其比外部分隔體膜片130e的頂部邊緣更高。這種構(gòu)型示于圖9中，其中內(nèi)部分隔體膜片 130f的頂部邊緣130fl延伸超過(guò)，即高于外部分隔體膜片130e的頂部邊緣130el。如圖9 中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖4B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視9A與圖4C中所示的頂視圖相同?？蓪D9中所示的分隔體的底部邊緣131折疊并且熱密封以形成圖4D中所示的折疊的底部?？尚薷膱D4B中所示的實(shí)施方案，以便可延伸外部分隔體膜片130e的頂部邊緣，使得其比內(nèi)部分隔體膜片130f的頂部邊緣更高。這種構(gòu)型示于圖9中，其中外部分隔體膜片 130e的頂部邊緣130el延伸超過(guò)，即高于內(nèi)部分隔體膜片130f的頂部邊緣130fl。如圖9 中所示的卷繞的分隔體的構(gòu)型在其它方面與針對(duì)圖4B所示和所述的相同。因此，卷繞的分隔體膜片的頂視IOA與圖4C中所示的頂視圖相同?？蓪D10中所示的分隔體的底部邊緣131折疊并且熱密封以形成圖4D中所示的折疊的底部。以下是用于堿性電池10的陽(yáng)極140、陰極120的代表性化學(xué)組成的描述，所述化學(xué)組成可不考慮電池尺寸而被采用。以下化學(xué)組成為可用于具有本發(fā)明的分隔體130的電池中的代表性基本組成，并且同樣不旨在成為限制性的。在上述實(shí)施方案中，有代表性的陰極120可包含二氧化錳、石墨和含水的堿性電解質(zhì)；陽(yáng)極140可包含鋅和含水的堿性電解質(zhì)。含水電解質(zhì)包含常規(guī)的Κ0Η、氧化鋅和膠凝劑的混合物。陽(yáng)極材料140可以為包含無(wú)汞(零加入汞)的鋅合金粉末的膠凝混合物形式。換句話講，電池可具有每一百萬(wàn)份的電池總重量中小于約50份，優(yōu)選每一百萬(wàn)份的電池總重量中小于20份的總汞含量。電池優(yōu)選也不包含任何添加量的鉛，因此基本上是無(wú)鉛的，換句話講，總鉛含量小于陽(yáng)極的總金屬含量的30ppm，理想地小于15ppm。此類(lèi)混合物通常可包含含水的KOH電解質(zhì)溶液、膠凝劑(例如，可以商品名CARB0P0L C940購(gòu)自B. F. Goodrich的丙烯酸共聚物)、以及表面活性劑(例如，可以商品名GAFAC RM510購(gòu)自Rh5ne Poulenc的有機(jī)磷酸酯類(lèi)表面活性劑)。僅給出這種混合物作為說(shuō)明性的實(shí)施例，并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制。用于鋅陽(yáng)極的其它有代表性的膠凝劑公開(kāi)于美國(guó)專(zhuān)利 4，563，404 中。陰極120可理想地具有以下組成87-93%重量的電解二氧化錳(例如，來(lái)自Kerr-McGee的Trona D)，2-6%重量的石墨，5-7%重量的7-10當(dāng)量的含水KOH溶液(具有約30-40%重量的KOH濃度)；以及 0. 至0. 5%重量的任選的聚乙烯粘合劑。電解二氧化錳的平均粒度典型地介于約1和 100微米之間，理想地介于約20和60微米之間。石墨通常呈天然石墨或膨脹石墨或它們的混合物的形式。石墨也可包括單獨(dú)的或與天然或膨脹石墨混合的石墨類(lèi)碳鈉米纖維。這種陰極混合物旨在說(shuō)明性的，并不意味著對(duì)本發(fā)明的限制。陽(yáng)極材料150包含60%至73%重量的鋅合金粉末(99. 9%重量純度的鋅，其包含200至500ppm的銦作為合金和電鍍材料)、包含約35%重量的KOH和約2%重量的ZnO 的含水KOH溶液；可以商品名“CARB0P0L C940”商購(gòu)自B. F. Goodrich的交聯(lián)的丙烯酸聚合物膠凝劑(例如0.5%至2%重量)以及可以商品名“WATERLOCK A-221 ”商購(gòu)自Grain Processing Co.的接枝到淀粉主鏈上的水解的聚丙烯腈(介于0. 01%和0. 5%重量之間)； 可以商品名“冊(cè)-510”商購(gòu)自Rhone-Poulenc的二壬基磷酸酯表面活性劑(50ppm)。鋅合金的中值平均粒度理想地介于約30微米和350微米之間。陽(yáng)極中的鋅的堆積體積密度(陽(yáng)極孔隙度)介于每立方厘米陽(yáng)極約1. 75克鋅和2. 2克鋅之間。優(yōu)選陽(yáng)極中的電解質(zhì)水溶液的體積百分?jǐn)?shù)按陽(yáng)極體積計(jì)為約69. 2%至75. 5%。電池可以常規(guī)方式平衡，以便MnA 的毫安-小時(shí)容量(基于308毫安-小時(shí)/克MnO2)除以鋅合金的毫安-小時(shí)容量(基于 820毫安-小時(shí)/克鋅合金)所得的商值為約1。本發(fā)明優(yōu)選的分隔體130可具有如本文圖2-10中所示和所述的構(gòu)型。分隔體130 是電解質(zhì)可滲透的，可被堿性電解質(zhì)如含水氫氧化鉀滲透。然而，當(dāng)電池被主要或間歇用于高功率應(yīng)用中，即用于為數(shù)字照相機(jī)等供電中時(shí)，分隔體130阻止鋅枝狀體平穩(wěn)地從其中通過(guò)。本發(fā)明的分隔體130是如上所述易于制造的。本發(fā)明的分隔體130由兩個(gè)非織造的分隔體材料的膜片構(gòu)成，例如(130a和130b)或(130c和130d)或(130e和130f)，能夠參照本文的圖2-10將其卷繞成如上所述的管狀構(gòu)型。所述兩個(gè)膜片是不同材料的。所述兩個(gè)分隔體膜片相面對(duì)的表面未膠合在一起。而是，使用如上所述的Hibar卷繞器將兩個(gè)分隔體膜片相面對(duì)的表面壓在一起，未在兩個(gè)相面對(duì)的表面之間應(yīng)用任何膠水。然而，如上所述將卷繞的分隔體的底部邊緣131折疊封閉并且熱密封。所述封閉且熱密封的底部邊緣131 防止兩個(gè)卷繞的分隔體膜片相分離，即使它們相面對(duì)的表面未粘合在一起。關(guān)于如圖2-10中其中具有第一和第二層的有代表性的分隔體構(gòu)型，第一層理想地由聚乙烯醇纖維和人造絲(纖維素)纖維的共混物形成。(人造絲是由再生纖維素所構(gòu)成的或由再生纖維素構(gòu)成的人造纖維所構(gòu)成的半合成材料，所述再生纖維素中取代基已取代了不超過(guò)15%的羥基中所含的氫。)一種優(yōu)選的組成是由聚乙烯醇纖維(80%重量)和人造絲纖維(20%重量)的共混物形成的膜片，其可以商品名PA25A材料得自Papeterie de Mauduit。這種相同的材料可被壓延或壓縮，并且同樣可以商品名PA25AC材料獲得。由 PA25A或PA25AC材料構(gòu)成的第一層理想地具有介于約30和120微米(干燥)之間的厚度， 和介于約20和40g/m2(干燥)之間的基重，以及介于75%和85% (孔體積/總體積X 100) 之間的孔隙率?？刹捎锰娲牧稀＠?，第一層可由100%的纖維素材料構(gòu)成，而不是包含聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的共混物。用于第一層的另一種合適的材料可以是100%尼龍 66纖維的。關(guān)于如本文圖2-9中的分隔體構(gòu)型，用于第二層的優(yōu)選的組成是由木漿纖維和聚乙烯醇纖維的共混物構(gòu)成的材料。用于第二層的優(yōu)選的組成是82%重量的木漿和18%重量的聚乙烯醇纖維的共混物，其可以商品名BH30片材購(gòu)自NKK Nippon Kodoshi Corp.。此類(lèi)材料形成第二層的理想厚度可以為約30微米(干燥)。由此類(lèi)材料形成的第二層可具有約20gm/m2的基重(干燥)和介于約50%和70%之間的孔隙率。用于第二層的替代材料可由75%重量的木漿和25%重量的聚乙烯醇纖維的共混物形成，其可以商品名BF50材料購(gòu)自NKK Nippon Kodoshi Corp.。由該后者材料形成的第二層理想地具有約50微米的厚度、約32g/m2的基重和約65%的孔隙率。用于根據(jù)本文圖2-10中所示的優(yōu)選構(gòu)型構(gòu)成本發(fā)明分隔體130的第一層和第二層的上述優(yōu)選的組成是可互換的。即，可采用第一層來(lái)形成分隔體130的內(nèi)層，并且可采用第二層來(lái)形成分隔體130的外層，或者反之亦然。例如，在圖2B中所示的分隔體130的構(gòu)型中，上述第一層的組成可以是分隔體膜片130a，而上述第二層的組成可以是分隔體膜片 130b。作為另外一種選擇，上述第二層的組成可以是分隔體膜片130a，而上述第一層的組成可以是分隔體膜片130b。同樣適用于圖5和6中所示的分隔體構(gòu)型，其具有與圖2B中相同的分隔體構(gòu)型，不同的是所述層中的一層是如圖所示在豎直方向延伸的。在圖;3B中所示的分隔體130的構(gòu)型中，上述第一層的組成優(yōu)選地形成內(nèi)部分隔體膜片130d，而上述第二層的組成優(yōu)選地形成外部分隔體膜片130c。然而，上述第一層的組成可用于形成外部分隔體膜片130c，而上述第二層的組成可用于形成內(nèi)部分隔體層130d。 同樣適用于圖7和8中所示的分隔體構(gòu)型，其具有與圖:3B中相同的分隔體構(gòu)型，不同的是所述層中的一層是如圖所示在豎直方向延伸的。類(lèi)似地，在圖4B中所示的分隔體130的構(gòu)型中，上述第一層的組成優(yōu)選地形成內(nèi)部分隔體膜片130f，而上述第二層的組成優(yōu)選地形成外部分隔體膜片130e。然而，上述第一層的組成可用于形成外部分隔體膜片130e，而上述第二層的組成可用于形成內(nèi)部分隔體層130f。同樣適用于圖9和10中所示的分隔體構(gòu)型，其具有與圖4B中相同的分隔體構(gòu)型， 不同的是所述層中的一層是如圖所示在豎直方向延伸的。性能測(cè)試實(shí)施例1制備采用常規(guī)的堿性電池分隔體的比較的AA尺寸的堿性電池10和采用本發(fā)明的雙層分隔體130的測(cè)試電池10。所述電池在各方面是相同的，不同的是測(cè)試電池采用本發(fā)明的分隔體130，而比較電池采用常規(guī)的分隔體。如上所述，陽(yáng)極140包含鋅，而陰極堆疊盤(pán) 120a包含二氧化錳。用于比較電池和測(cè)試電池的相應(yīng)的陽(yáng)極和陰極組成是相同的，并且用于每個(gè)電池中的電解質(zhì)即含水氫氧化鉀也是相同的。用于比較電池中的分隔體130包含典型的現(xiàn)有技術(shù)的堿性電池分隔體，其形成玻璃紙的外部膜片和由非織造的人造絲和聚乙烯醇纖維的共混物構(gòu)成的內(nèi)部膜片。所述兩個(gè)膜片是相同尺寸和形狀的，并且一片重疊在另一片之上。使用聚丙烯酸將兩個(gè)膜片膠合在一起以形成雙層分隔體膜片，使用Hibar卷繞器(型號(hào)S0M8)將其在芯軸表面201上卷繞 1. 25圈。使用Hibar卷繞器將卷繞的分隔體的底部邊緣折疊并且熱密封，從而形成完整的管狀比較分隔體130。將該比較分隔體130插入電池10中，以便其如圖IA中所示處于陽(yáng)極 140和陰極120之間，從而形成比較的AA尺寸的堿性電池。測(cè)試電池中采用的分隔體130由雙分隔體膜片130e和130f構(gòu)成，形成如圖 4B中所示的本發(fā)明的分隔體實(shí)施方案130。內(nèi)層130f由75%重量的木漿纖維和25% 重量的聚乙烯醇纖維的共混物構(gòu)成，其可作為膜片以商品名BF50片材購(gòu)自NKK Nippon Kodoshi Corp. 0外層130e由聚乙烯醇纖維構(gòu)成以形成膜片，其可以商品名PA25A片材購(gòu)自Papeterie de Mauduit。將所述兩個(gè)膜片如圖4中所示一片置于另一片之上，并且使用 Hibar卷繞器卷繞1. 25圈。將卷繞的分隔體的底部邊緣131折疊，然后熱密封以形成具有圖4B中所示構(gòu)型的測(cè)試分隔體130。膜片130e和130f相面對(duì)的表面，即介于頂部邊緣132 和底部邊緣131之間相面對(duì)的表面，保持彼此未粘合并且未膠合。將具有圖4B中所示構(gòu)型的該測(cè)試分隔體130插入測(cè)試電池10中，以便其如圖IA中所示處于陽(yáng)極140和陰極120 之間，從而形成AA尺寸的堿性測(cè)試電池。然后使對(duì)照的AA尺寸的電池和測(cè)試的AA尺寸的電池的組經(jīng)歷數(shù)字照相機(jī)測(cè)試 (DIGICAM測(cè)試)，所述測(cè)試由以下脈沖測(cè)試規(guī)程組成，其中通過(guò)向電池應(yīng)用脈沖的放電循環(huán)而將每個(gè)電池耗盡每個(gè)循環(huán)由兩部分組成1. 5安培脈沖2秒，隨后立即進(jìn)行0. 65安培脈沖28秒。在每10個(gè)脈沖循環(huán)之后(消耗時(shí)間5分鐘)，使電池休息55分鐘。繼續(xù)進(jìn)行這些循環(huán)直至達(dá)到1.05V的截止電壓。記錄下達(dá)到截止電壓所需的循環(huán)數(shù)。使用數(shù)字照相機(jī)來(lái)模擬為典型的數(shù)字照相機(jī)供電的一般的電池的使用。當(dāng)使用上述DIGICAM測(cè)試將兩組電池放電至1. 05伏的截止電壓時(shí)，測(cè)試電池一致地顯示出比比較電池更好的性能。測(cè)試電池在達(dá)到截止電壓之前平均進(jìn)行了約91個(gè)脈沖循環(huán)，而比較電池在達(dá)到1.05伏的相同截止電壓之前平均進(jìn)行了約83個(gè)脈沖循環(huán)。這表示與采用常規(guī)分隔體的比較堿性電池相比，采用本發(fā)明分隔體的測(cè)試堿性電池有9. 6%的性能提升。實(shí)施例2制備采用本發(fā)明的雙層分隔體130的測(cè)試AA尺寸堿性電池10。陽(yáng)極140包含鋅， 而陰極堆疊盤(pán)120a包含二氧化錳。所述電解質(zhì)為含水氫氧化鉀。所述測(cè)試電池在所有方面是相同的并且采用具有圖2B中所示構(gòu)型的本發(fā)明的分隔體130。用于測(cè)試電池中的分隔體130由雙重分隔體膜片130a和130b構(gòu)成，將其重疊以形成如圖2B中所示的本發(fā)明的分隔體實(shí)施方案130。第一膜片130a由82%重量的木漿纖維和18%重量的聚乙烯醇纖維的共混物構(gòu)成，其可作為膜片以商品名BH30片材購(gòu)自NKK Nippon Kodoshi Corp.。第二膜片130b由聚乙烯醇纖維和人造絲纖維構(gòu)成以形成膜片，其可以商品名PA25A片材購(gòu)自Papeterie de Mauduit。將所述兩個(gè)膜片如圖2中所示一片置于另一片之上，并且使用 Hibar卷繞器卷繞。將卷繞的分隔體的底部邊緣131折疊，然后熱密封以形成具有圖2B中所示構(gòu)型的測(cè)試分隔體130。膜片130a和130b相面對(duì)的表面，即介于頂部邊緣132和底部邊緣131之間相面對(duì)的表面，保持彼此未粘合并且未膠合。將具有圖2B中所示構(gòu)型的測(cè)試分隔體130插入測(cè)試電池10中，以便其如圖IA中所示處于陽(yáng)極140和陰極120之間，從而形成AA尺寸的堿性測(cè)試電池。測(cè)試大量(數(shù)打)的新鮮測(cè)試電池由于電池跌落至硬質(zhì)表面上而造成的任何電壓不穩(wěn)定跡象。將測(cè)試電池從1米的高度跌落至混凝土上面。使所述電池從該高度跌落6次。 當(dāng)處于豎直位置時(shí)使它們跌落4次，并且當(dāng)處于水平位置時(shí)使它們跌落2次。然后測(cè)量電池的開(kāi)路電壓。所測(cè)得的開(kāi)路電壓為約1.6伏，并且在使電池跌落到混凝土上之前和之后開(kāi)路電壓沒(méi)有變化。在使許多測(cè)試電池跌落到混凝土上之后，還隨機(jī)選擇它們，然后切開(kāi)并且檢查。所述分隔體的頂部邊緣132保持緊靠著密封盤(pán)20的底部表面。沒(méi)有分隔體的任何部分已經(jīng)移位或者任何陽(yáng)極材料已進(jìn)入陰極區(qū)域的跡象。雖然已參照具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)意識(shí)到，在本發(fā)明原則以內(nèi)的變化也是可行的。因此，本發(fā)明并不旨在限于本文所述的具體的實(shí)施方案，而是由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)電池，所述電池包括外殼，所述外殼具有第一端部、相對(duì)的第二端部和位于所述第一端部和第二端部之間的圓筒形側(cè)壁、以及封閉所述外殼的插入到所述端部的一個(gè)中的端帽組件，其中所述電池具有包含鋅的陽(yáng)極材料、含水堿性電解質(zhì)溶液、包含二氧化錳的陰極材料、以及介于所述陽(yáng)極和陰極之間的分隔體，其中所述分隔體包括第一和第二單獨(dú)的膜片，其中所述膜片中的每一個(gè)具有前緣和相對(duì)的后緣，其中所述第一和第二膜片中的一個(gè)的前緣延伸超過(guò)所述膜片中的另一個(gè)的前緣，其中將所述膜片以一個(gè)疊置在另一個(gè)之上的方式應(yīng)用，以便所述第一膜片的至少大部分面對(duì)并且接觸所述第二膜片的大部分，并且將所述膜片卷繞以形成具有管狀形狀的所述分隔體，所述膜片中的每一個(gè)的所述前緣被定義為所述膜片中的每一個(gè)的在卷繞方向上居前的邊緣。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第一和第二膜片中的一個(gè)的后緣在與卷繞方向相對(duì)的方向上延伸超過(guò)另一個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的電池，其中以第一膜片放置到第二膜片之上的方式卷繞所述膜片，以便在卷繞方向上所述第一膜片的前緣延伸超過(guò)所述第二膜片的前緣，并且在與所述卷繞方向相對(duì)的方向上所述第二膜片的后緣延伸超過(guò)所述第一膜片的后緣。
4.如權(quán)利要求1所述的電池，其中以第一膜片放置到第二膜片之上的方式卷繞所述膜片，以便在卷繞方向上所述第二膜片的前緣延伸超過(guò)所述第一膜片的前緣，并且在與所述卷繞方向相對(duì)的方向上所述第一膜片的后緣延伸超過(guò)所述第二膜片的后緣。
5.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第一和第二膜片中的至少一個(gè)包含不同于并且未被包含在所述膜片中的另一個(gè)中的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述卷繞的分隔體具有外表面和內(nèi)表面，并且將所述卷繞的分隔體插入到所述電池中，以便所述外表面的大部分接觸所述陰極材料，并且所述內(nèi)表面的大部分接觸所述陽(yáng)極材料。
7.如權(quán)利要求6所述的電池，其中所述第一和第二膜片中的至少一個(gè)包含堿化的木漿或人造絲。
8.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述第一和第二膜片中的每一個(gè)包含聚乙烯醇纖維。
9.如權(quán)利要求6所述的電池，其中所述第一膜片包含聚乙烯醇纖維和堿化的木漿，并且所述第二膜片包含聚乙烯醇纖維。
10.如權(quán)利要求6所述的電池，其中所述第一膜片包含聚乙烯醇纖維和堿化的木漿，所述第二膜片包含聚乙烯醇纖維和人造絲纖維。
11.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第一膜片基本上由聚乙烯醇纖維和堿化的木漿組成，并且所述第二膜片基本上由聚乙烯醇纖維和人造絲纖維組成。
12.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述卷繞的分隔體具有頂部邊緣和相對(duì)的底部邊緣，將所述底部邊緣折疊并且熱密封以形成所述卷繞的分隔體的封閉底端，其中當(dāng)以豎直位置并且所述開(kāi)口端部在頂部來(lái)觀察所述卷繞的分隔體時(shí)，所述頂部邊緣限定所述卷繞的分隔體的開(kāi)口端部，其中彼此相面對(duì)的所述第一和第二膜片的剩余部分彼此接觸但是彼此未膠合并且未粘合，所述第一和第二膜片的所述相面對(duì)的部分形成所述分隔體主體。
13.如權(quán)利要求12所述的電池，其中將所述分隔體插入所述電池外殼中，以便將所述分隔體主體緊緊地保持在所述陽(yáng)極和陰極之間，并且所述分隔體的封閉的底部邊緣鄰接所述外殼的與所述端帽組件相對(duì)的端部。
14.如權(quán)利要求12所述的電池，其中所述第一膜片的至少一部分形成所述卷繞的分隔體的外表面的一部分，并且所述第二膜片的一部分形成所述卷繞的分隔體的外表面的至少另一部分。
15.如權(quán)利要求14所述的電池，其中所述第一膜片的頂部邊緣在豎直方向延伸高于所述第二膜片的頂部邊緣，或者所述第二膜片的頂部邊緣在豎直方向延伸高于所述第一膜片的頂部邊緣。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了具有改善的分隔體的堿性電池。所述分隔體由兩個(gè)膜片(130a，130b)形成。將兩個(gè)膜片卷繞成管狀并且將卷繞的分隔體的底部邊緣折疊并且熱密封。形成分隔體主體的兩個(gè)膜片相面對(duì)的表面未膠合或粘合在一起。所述兩片分隔體膜片可橫向重疊以便每片膜片的一部分形成分隔體外表面的不同部分。作為另外一種選擇，分隔體可由兩片膜片形成，其中第一膜片形成外層，其完整地覆蓋在第二膜片上。一個(gè)膜片優(yōu)選由聚乙烯醇纖維和人造絲纖維的共混物構(gòu)成，而另一個(gè)膜片由聚乙烯醇纖維和木漿纖維構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01M6/06GK102203982SQ200980143996
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日
發(fā)明者A·B·謝萊克辛, D·L·安格林, D·W·吉本斯, J·J·塞維拉, R·M·史密斯, T·L·漢密爾頓 申請(qǐng)人:吉列公司