CN101295790B - 碱性干电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及防漏碱性干电池，其包括电池壳和用于封闭电池壳开口的密封元件。该密封元件包括：负极端板；电连接到该端板的负极集电体爪；以及树脂密封元件。所述树脂密封元件包括：具有开口的中央筒部，所述负极集电体主体通过所述开口插入；插在负极端板的周缘和电池壳的开口边之间的外围筒部；连接中央筒部和外围筒部的连接部；和形成于连接部中且设置为可因气压破裂的薄壁部。负极集电体爪主体以特定的嵌合关系与中央筒部的开口相嵌合，以长时间防漏。

Description

碱性干电池
技术领域
本发明涉及碱性干电池，特别地，涉及用于碱性干电池的密封元件。
技术背景
碱性干电池当前被广泛用作日用品、玩具、喜好物(hobby goods)、游戏机、便携式音乐播放器、电子设备等的主电源。碱性干电池用于多种环境，且可使用多年。因此，要求它们具有较高的防漏性以便在长时间内即使在热和湿的环境中也不漏。
普通的碱性干电池的电解液有三种渗漏路径。通过结合图6描述这些电解液的渗漏路径，图6为典型的AA尺寸碱性干电池的密封部分的主体部分的放大剖视图。
在图6的电池中，正极盒31的开口边向内弯曲呈拱形以形成卷曲面31a，以便密封元件39附着于该正极盒31的开口处以密封该开口。该密封元件39通过预先将负极集电体爪36焊接到负极端板37的中心，然后为了整合，通过树脂密封元件35的中央筒部35a的开口(未显示)有力地插入负极集电体爪36的主体36a而制备。此时，树脂密封元件35的外围筒部35d夹在负极端板37和正极盒31之间。
在该碱性干电池中，电解液渗漏的第一条路径是碱性电解液在正极盒31的开口边的内表面和树脂密封元件35的外围筒部35d的外表面之间的渗漏。然而，通过此路径的渗漏已经被多种密封剂的开发和对刚性密封结构的研究解决，因此市售干电池目前具有较高的可靠性。
第二条路径是碱性电解液在负极集电体爪36的主体36a和树脂密封元件35的中央筒部35a之间的渗漏路径。负极集电体爪36通过中央筒部35a的开口有力地插入，因此碱性电解液密封在内。
当负极集电体爪36宽松地嵌合中央筒部35a时，碱性电解液从它们之间慢慢渗漏(下文又称“缓渗(creeping)”)，从而导致渗漏。另一方面，当二者之间嵌合过紧时，中央筒部35a会由于压力破裂，使得密封损坏，从而导致碱性电解液渗漏。特别地，当树脂密封元件35由聚酰胺组成时，由于被碱性电解液水解它趋向于破裂并随时间劣化。
为预防通过第二条路径的渗漏，已有多种建议(例如，日本特开2007-80574和日本特开平8-124544)，但仍需进一步完善。
至于第三条路径，树脂密封元件35的连接部35c的一部分由于压力破裂而损坏，且碱性电解液通过该破坏部分渗漏。这一现象尤其在薄壁部35e中容易发生，因为作用在树脂密封元件35的外围筒部35d的使密封元件39附着到正极盒31的开口上的压力或张力趋向于集中在薄壁部35e。特别地，当树脂密封元件35由聚酰胺组成时，由于被碱性电解液水解它趋向于破裂并随时间劣化。
为了解决这一问题，比如日本特开2005-79021和日本特开平10-162800公开了改进该密封元件39的形状或结构以减少应力或吸收应力的传导的技术。依据这种传统技术，比如连接部具有冗长的构造(redundant structure)，从而防止为了附着密封元件而产生的应力施加在连接部上。
然而，广泛用作上述多种设备的电源的碱性干电池，要求不仅要有防漏性而且要有更高的容量以提供更长的电池寿命。因此必需在电池壳中装入更大量的发电单元并减小密封元件的尺寸。因此，在上述传统技术中为连接部提供冗长的构造，不但增加材料成本而且还成为提高干电池容量的障碍。
如上所述，关于碱性干电池的防漏性，尤其是通过第二及第三路径的渗漏，仍存在很多技术问题。
本发明基于上述问题旨在提供防漏碱性干电池，其中碱性电解液即使在长期储存期间也几乎不会在树脂密封元件的中央筒部和负极集电体之间渗漏，并可防止由应力破裂和树脂密封元件的薄壁部的破坏引起的渗漏。
发明简述
为了实现上述目标，本发明碱性干电池包括：带开口电池壳，该电池壳用于容纳包括碱性电解液的发电元件；和用于封闭电池壳开口的密封元件。所述密封元件包括：负极端板；具有圆柱状主体并电连接到负极端板的负极集电体；和树脂密封元件。所述树脂密封元件包括：具有开口的中央筒部，所述负极集电体主体通过所述开口插入；插入到负极端板的周缘和电池壳的开口边之间的外围筒部；连接中央筒部和外围筒部的连接部；和形成于连接部中且设置为可因气压破裂的薄壁部。所述密封元件附着于电池壳的开口，通过将电池壳的开口边弯曲越过密封元件的外围筒部的上缘并向内卷曲以挤压负极端板的周缘，以密封电池壳的开口，并且所述负极集电体和树脂密封元件满足下式1和2：
1.02≤Rc/Rb≤1.08          (1)
7.7≤3.14×Rc×L≤f(Rc/Rb) (2)
其中Rc表示该负极集电体主体的直径(mm)，Rb表示该树脂密封元件中央筒部的开口的直径(mm)，L表示该树脂密封元件中央筒部的开口的长度(mm)，和
f(Rc/Rb)：f(Rc/Rb)＝2048.4(Rc/Rb)2-4473(Rc/Rb)+2456.9。
在该结构中，式1定义了嵌合率(Rc/Rb)的上下限值，式2定义了嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限和下限值。如此处使用的，嵌合率(Rc/Rb)指的是负极集电体主体的直径Rc和树脂密封元件的中央筒部的开口的直径Rb的比值。嵌合面积(3.14×Rc×L)，如此处使用的，指的是当负极集电体有力地通过该开口插入时负极集电体主体的外表面和中央筒部的开口的内表面相接触的面积。
随着嵌合率(Rc/Rb)的值的增大，在负极集电体通过开口插入时施加在中央筒部的应力也增大。因此，随着嵌合率的增大，中央筒部因应力而破裂的可能性也增大。本发明发明人用实验证实当嵌合率(Rc/Rb)超过式1的上限值1.08时，树脂密封元件的中央筒部在，比如80℃的环境下在3个月内因应力而破裂的可能性显著增大(参见下述实施例)。
反之，如果嵌合率(Rc/Rb)太小，开口和负极集电体主体之间的嵌合变宽松，碱性电解液在中央筒部和负极集电体之间慢慢渗漏的可能性增大。当嵌合率(Rc/Rb)小于式1的下限值1.02时，由于中央筒部和负极集电体之间的缓渗在，比如60℃和90％的湿度的环境下在3个月内发生渗漏的可能性显著增大。
此外，如果嵌合面积(3.14×Rc×L)太小，由于缓渗而发生渗漏的可能性也增大。本发明发明人通过实验证实当嵌合率(Rc/Rb)满足式1且嵌合面积(3.14×Rc×L)等于或大于式2的下限值7.7时，在比如60℃和90％的湿度的环境下，由于缓渗发生渗漏的可能性在3个月内明显较低(参见下述实施例)。
反之，如果嵌合率(Rc/Rb)太高或嵌合面积(3.14×Rc×L)太大，薄壁部可因应力破裂并损坏，除非树脂密封元件的连接部具有冗长的构造。也就是说，当密封元件附着于电池壳的开口以密封开口时，树脂密封元件的外围筒部被拉，因此应力施加在连接部上。当树脂密封元件能沿着负极集电体主体的轴线方向容易地活动时，树脂密封元件沿着减少应力的方向活动。从而，应力得以释放或减少，薄壁部损坏的可能性变低。
树脂密封元件能否或如何沿着负极集电体主体的轴线方向活动决定于嵌合率(Rc/Rb)和嵌合面积(3.14×Rc×L)，假设静摩擦系数为给定值。具体地说，当嵌合率(Rc/Rb)变高时，树脂密封元件活动变难，薄壁部损坏的可能性增大。同样，当嵌合面积(3.14×Rc×L)变大时，树脂密封元件活动变难，薄壁部损坏的可能性增大。
因此，防止薄壁部在预定的环境中和预定的期间内破损的嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限可通过嵌合率(Rc/Rb)的函数表示。上限的函数f(Rc/Rb)预计描绘凸起向下的下斜的曲线。考虑到上限f(Rc/Rb)可能可通过二次函数近似，本发明发明人基于大量试验结果确定了上限f(Rc/Rb)的各项的系数，以便最小化薄壁部在比如80℃的环境下至少3个月发生破损的可能性(参见下述实施例)。
在本发明的优选实施方式中，碱性干电池为AA或AAA尺寸，且当密封元件附着于电池壳的开口时，树脂密封元件的中央筒部沿着负极集电体主体的轴线方向移动0.1到0.4mm的距离。
也就是说，当负极集电体和树脂密封元件满足式1和2时，当密封元件附着于电池壳的开口时，树脂密封元件的中央筒部沿着负极集电体主体的轴线方向移动0.1到0.4mm的距离，除非连接部具有冗长的构造(参见下述实施例)。从而，可防止薄壁部的破损。
在本发明另一个优选实施方式中，碱性干电池为AA或AAA尺寸，且树脂密封元件的中央筒部的开口具有1.05到1.45mm的直径。
在本发明另一个优选实施方式中，碱性干电池为AA或AAA尺寸，且树脂密封元件的中央筒部的开口具有2.2到3.8mm的长度。
在本发明进一步的优选实施方式中，碱性干电池为AA或AAA尺寸，且负极集电体主体具有1.08到1.57mm的直径。
在本发明更进一步的优选实施方式中，树脂密封元件的薄壁部在80℃的环境中至少3个月不会破裂，且碱性电解液在60℃和90％的湿度环境中至少3个月，不会在树脂密封元件的中央筒部和通过中央筒部的开口插入的负极集电体之间泄漏。
本发明可提供防漏碱性干电池，其中碱性电解液即使在长期保存期间也几乎不会在树脂密封元件的中央筒部和负极集电体之间渗漏，并可防止由应力破裂和树脂密封元件的薄壁部的破坏引起的渗漏。
尽管本发明的创新特点在所附权利要求中详细阐明，通过结合附图阅读下列详细说明，将可以更好地理解本发明的其他目的和特点，无论从结构上还是内容上。
附图简述
图1是根据本发明一个实施例的碱性干电池的部分剖视图；
图2是图1碱性干电池的密封部分结构的剖视图；
图3A是密封元件拆开后的结构的剖视图；
图3B是密封元件组装后的结构的剖视图；
图4是显示根据本发明的AA尺寸碱性干电池的嵌合率和嵌合面积的范围的图表；
图5是显示根据本发明的AAA尺寸碱性干电池的嵌合率和嵌合面积的范围的图表；
图6是典型的AA尺寸碱性干电池的密封部分的剖视图。
本发明详细说明
下面参考图1到3B描述本发明的一个实施方案。
图1是本发明一个实施例中的AA尺寸碱性电池的部分剖面正视图。图2是图1的碱性干电池的密封部分主体的放大的剖视图。图3A是拆开后的密封元件的结构的剖视图。图3B是组装后的密封元件的结构的剖视图。
如图1所示，带底圆柱形电池壳1含有中空圆筒状正极混合物2。电池壳1充当正极端并和正极混合物2接触。同时，胶状负极3置于正极混合物2的中空部分中，带底圆筒状隔离物4插入两者之间。正极混合物2、隔离物4和胶状负极3包含碱性电解液。隔离物4为，比如主要由聚乙烯醇纤维和人造丝纤维构成的无纺布。电池壳1通过，比如将镀镍钢板根据已知方法例如在日本特开昭60-180058和日本特开平11-144690中描述的方法冲压成预定的尺寸和形状而制备。
正极混合物2是，比如正极活性物质(包括二氧化锰粉末)、导电剂(如石墨粉)和碱性电解液(如氢氧化钾水溶液)的混合物。胶状负极3是，比如负极活性物质(例如锌粉或锌合金粉)、胶凝剂(如聚丙烯酸钠)和碱性电解液(如氢氧化钾水溶液)的混合物。负极活性物质优选为具有较好耐腐蚀性的锌合金粉。根据环境条件，负极活性物质更优选为不含汞、镉或铅、或它们中的任何一种的材料。锌合金可以是，比如含铟、铝和铋的锌合金。
如图2所示，发电元件如正极混合物2位于电池壳1中，电池壳1中靠近开口处形成台阶1a。电池壳1的开口用密封元件9密封，其由负极端板7和树脂密封元件5组成，负极集电体爪6焊至负极端板7。负极集电体爪6插入胶状负极3的中心。
如图3A和3B所示，树脂密封元件5由下列部分组成：具有开口10的中央筒部5a，负极集电体爪6通过开口10插入；置于负极端板7的周缘7a和电池壳1的开口边之间的外围筒部11；和连接中央筒部5a和外围筒部11的连接部5c，该连接部5c具有充当安全阀的薄壁部5e。外围筒部11由下列部件组成：承受负极端板7的周缘7a的环形水平部5f；从水平部5f的外侧周缘向上竖立的上部筒部5d；和向下延伸并从水平部5f的内侧周缘倾斜的下部筒部5g。电池壳1的开口边弯曲越过上部筒部5d的上缘并向内卷曲以形成卷曲，以便将负极端板7的周缘7a压在卷曲和台阶1a之间。电池壳1的外表面覆有外部标签12。
树脂密封元件5通过将聚酰胺、聚丙烯等等注模成预定的尺寸和形状而制备，尤其优选使用耐碱和热的6，6-尼龙、6，10-尼龙或6，12-尼龙。同时，存在两种注模法，即冷流道法(cold runner method)和热流道法(hot runnermethod)。当使用相对较贵的6，12-尼龙时，优选使用其中不提供流道且材料损失最小的热流道法。
关于用于树脂密封元件5的注射模塑中的模具中设置的树脂注射进口(树脂注射门)的位置，没有特别限制。然而，在接近模具的树脂注射进口处注塑制品由于注模引起的残余应力趋向于破裂。如果这样的应力破裂发生在树脂密封元件5的胶状负极3侧面(电池的内侧)，树脂密封元件5由于被胶状负极3中含有的碱性电解液和其它成分水解，而随着时间劣化。为了避免这样的水解带来的不良效果，优选将模具的树脂注射进口设置在树脂密封元件5的负极端板7侧。
不过，考虑到注模生产和维护的便利，最好将模具的树脂注射进口设置在树脂密封元件5的胶状负极3侧。更具体地说，模具最好以在相当于胶状负极3侧的开口10的边缘的位置(即，图3A和3B中中央筒部5a的开口10的下端)具有树脂注射进口的方式制造。当进口在这样的位置提供时，模具很容易制造，且树脂可以可靠的方式填入模具的相当于上部筒部5d的端部部分。
出于这些原因，即使当模具的树脂注射进口设置于树脂密封元件5的胶状负极3侧，通过将本发明应用于负极集电体爪6和树脂密封元件5的形成，如下所述，可防止树脂密封元件5在接近模具的树脂注射进口处的应力破裂，尤其是，中央筒部5a的应力破裂。因此，当模具的树脂注射进口置于树脂密封元件5的胶状负极3侧时本发明尤其必要且有效。也就是说，根据本发明，当模具的树脂注射进口置于树脂密封元件5的胶状负极3侧，即使在长期保存期间，在树脂密封元件的中央筒部和负极集电体爪之间，几乎不发生碱性电解液的泄漏，且可防止因树脂密封元件的薄壁部的应力破裂和破损引起的渗漏。
同时，树脂密封元件5在必要时还可包含其他已知功能材料如增塑剂、晶体成核剂、抗氧化剂、脱模剂、润滑剂、和抗静电剂，除非上述方面效果被削弱。有必要说明，本发明在使用，比如包含某些金属盐或金属氧化物，特别是钼基脱模剂或铜基抗氧化剂，的功能材料时效果会被削弱。
如果树脂密封元件5包含这样的金属盐或金属氧化物，其可能溶解在碱性电解液中。尤其当钼溶入碱性电解液时，即使是痕量的，胶状负极3中的锌粉或锌合金粉会产生气体，从而导致渗漏。此外，如果铜溶于碱性电解液，溶解的铜可沉积在，比如锌合金粉的表面上并穿透隔离物4，从而引起内部短路。因此优选在树脂密封元件5中不使用包含钼或铜的功能材料。
负极集电体爪6通过将由，比如银、铜、或黄铜制成的线棒冲压成具有长针状主体6a和凸缘6b的预定尺寸的爪状。同时，与主体6a相反的凸缘6b的另一侧是头部6d，负极集电体爪6和负极端板7通过头部6d连接。负极集电体爪6的表面优选镀有锡或铟以去除其生产时附着的杂质并获得隐蔽效果。负极集电体爪6由在，比如日本特开平5-283080和日本特开2001-85018中描述的已知方法制造。
当比较镀锡和镀铟时，镀锡更为优选因为它便宜且通用。然而，当使用市售镀液镀锡时，应注意其中的锑含量。即使碱性干电池的胶状负极3中只含有痕量的锑，锌合金粉也会产生气体，从而导致渗漏。
因此有必要选择含锑量为0.3ppm或更少的镀液或精炼镀液使其含锑量为0.3ppm或更少。通过这样做，每平方厘米负极集电体爪6的表面积的含锑量可降至0.015μg或更少。从而，可抑制因负极产生气体导致的电解液渗漏以及树脂密封元件5导致的电解液渗漏。
在通过树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10有力地插入负极集电体爪6时，最好预先在负极集电体爪6的主体6a上涂抹密封剂。密封剂最好是具有较好抗碱性的高粘度树脂，尤其优选使用，比如具有50到200胺值的聚酰胺树脂。
如图3A和3B所示，负极端板7是帽状元件，其具有平环状周缘7a、中心平坦部7c以及连接周缘7a的内周缘和平坦部7c外周缘的筒部7b。此外，负极端板7在周缘7a中具有多个气孔(未显示)，以便在树脂密封元件5的薄壁部5e(充当安全阀)损坏时释放压力。负极端板7通过将，比如镀镍板或镀锡钢板冲压成预定的尺寸和形状而制成。
在本实施方案中具有上述结构的碱性干电池中，密封元件9的树脂密封元件5和负极集电体爪6满足下式1和2：
1.02≤Rc/Rb≤1.08            (1)
7.7≤3.14×Rc×L≤f(Rc/Rb)   (2)
其中Rc表示负极集电体爪主体6的直径(mm)，Rb表示树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10的直径(mm)，L表示树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10和负极集电体爪6的主体6a接触部分的长度(mm)，并且f(Rc/Rb)：f(Rc/Rb)＝2048.4(Rc/Rb)2-4473(Rc/Rb)+2456.9。从而，可防止树脂密封元件5的中央筒部5a的应力破裂，树脂密封元件5的连接部5c的薄壁部5e的应力破裂，以及由于树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间的缓渗造成的碱性电解液的渗漏。
在上式1中，“Rc/Rb”指的是负极集电体爪主体6的直径Rc和树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10的直径Rb之间的比值。该比值在下文中称作嵌合率。在图1的电池中，树脂密封元件5和负极集电体爪6满足如式1所示的嵌合率(Rc/Rb)为1.02到1.08。
此外，在式2中，“3.14乘以Rc乘以L”指的是通过使负极集电体爪6的主体6a的周长(3.14×Rc)与树脂密封元件5的开口10和主体6a接触部分的长度L相乘得到的值。也就是说，该值相当于当负极集电体爪6通过开口10有力地插入时，负极集电体爪6的主体6a和开口10的内表面实际接触的面积。该面积在下文中称作嵌合面积。根据式2，在图1的电池中，树脂密封元件5和负极集电体爪6满足嵌合面积(3.14×Rc×L)至少为7.7mm2或更大。
根据式2，嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限由上限f(Rc/Rb)给出。上限f(Rc/Rb)由嵌合率(Rc/Rb)的二次函数表示，并描绘成式1的嵌合率(Rc/Rb)范围内的向下凸起的下斜曲线(参见图4)。
当嵌合面积在较高的嵌合率时极大时，树脂密封元件5的中央筒部5a很难移动，因此施加在薄壁部5e上的应力很难降低。另一方面，当嵌合面积在较小的嵌合率(Rc/Rb)时太小时，不能有效地抑制碱性电解液的缓渗。基于这样的嵌合面积和嵌合率之间的关系的发现，本发明发明人进行了若干下列实施例所示的试验，发现实现某一水平的防漏性的嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限描绘了由f(Rc/Rb)表示的曲线，并推断树脂密封元件5和负极集电体爪6应满足式1和2。通过这样做，即使在碱性干电池的长期保存期间，碱性电解液也几乎不会在树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间渗漏，并可改良由树脂密封元件5的薄壁部5e的应力破裂和破损引起的渗漏。因此，防漏性得以提高。
此外，就AA尺寸碱性干电池而言，当树脂密封元件5和负极集电体爪6满足式1和2时，当附着有密封元件9时，树脂密封元件5的中央筒部5a沿着负极集电体爪主体6移动的距离为0.1到0.4mm。也就是说，如果移动距离为0.1到0.4mm，可断定树脂密封元件5和负极集电体爪6满足式1和2。
同样，就AAA尺寸碱性干电池而言，当附着有密封元件9时，树脂密封元件5的中央筒部5a沿着负极集电体爪主体6移动的距离同样是0.1到0.4mm。也就是说，如果移动距离为0.1到0.4mm，可断定树脂密封元件5和负极集电体爪6满足式1和2。
移动距离进一步通过图3A和3B描述。当附着有密封元件9时，应力或张力施加至树脂密封元件5的外围筒部11。该拉力或张力然后通过连接部5c施加在中央筒部5a上，以便中央筒部5a沿着负极集电体爪6的轴线方向移动一段距离。该距离为移动距离并可通过，比如下列方法测量。
(1)如图3B所示，负极集电体爪6通过树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10插入，测量负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件5的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C(C1)；
(2)负极端板7的周缘7a的下表面位于树脂密封元件5的水平部5f上，密封元件9通过卷曲附着；
(3)附着密封元件9后，再次测量距离C(C2)并根据附着前的距离C(C1)计算差ΔC(ΔC＝|C2-C1|)。
通过这种方法，可测量移动距离。距离C可通过用环氧树脂等浸透整个密封元件9或整个电池，由固定剂固定环氧树脂，并将其切割而直接测量。
更具体地说，图1的碱性干电池的各个部件的尺寸设置如下。当图1的电池为AA或AAA尺寸时，树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10满足直径Rb为1.05到1.45mm。同时，树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10满足负极集电体爪6的主体6a的外表面的接触部分的长度L为2.2到3.8mm。同时，负极集电体爪6的主体6a满足直径Rc为1.08到1.57mm。
用于正极混合物2和胶状负极3中的碱性电解液是氢氧化钾的浓度为30到40重量％且氧化锌浓度为0.5到3重量％的水溶液。更优选地，水溶液的氢氧化钾浓度为32到35重量％。在这种情况下，可抑制聚酰胺制成的树脂密封元件5由于水解引起的劣化并抑制碱性电解液的缓渗。也就是说，在包含氢氧根离子(OH-)作为催化剂的碱性电解液中，水的供应较容易。因此，更低的氢氧化钾浓度促进聚酰胺在碱性电解液中的水解。然而，由于电毛细管现象及氢氧根离子(OH-)在电池内外的浓度差异导致的影响，更高的氢氧化钾浓度促进碱性电解液的缓渗。
如上所述，通过使树脂密封元件5和负极集电体爪6满足式1和2，可提供树脂密封元件5的薄壁部5e在80℃的环境下至少3个月不会破损且碱性电解液在60℃和90％的湿度的环境下至少3个月不会在树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间渗漏的碱性干电池。
下面将详细描述本发明实施例，但不应视为本发明仅限于下列实施例。
实施例1
在实施例1中，制造了大量具有多种嵌合率和嵌合面积的AA尺寸碱性干电池，并对它们进行试验以检验嵌合率、嵌合面积和防漏性之间的关系。用于试验的电池按照下列方式制造。
由6，6尼龙制备树脂密封元件5。此时，使用在相当于胶状负极侧的开口的边缘的位置(即，图3A和3B中中央筒部的开口的下端)具有树脂注射进口的模具注模树脂密封元件。所有电池中的中央筒部5a的开口10的直径Rb设为1.20mm。开口10和负极集电体爪6的主体6a的接触部分的长度L在2.0到6.3mm的范围内变化以提供七种长度。负极集电体爪6的主体6a的直径Rc在1.22到1.31的范围内变化以提供十种直径。以这种方法，制备总共26种密封元件9。在各个密封元件9中，负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件5的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C(C1)为0.2mm。按照和上述实施方案所述相同的方式使用这些密封元件9制备No.1到No.16和No.21到No.30的AA尺寸碱性干电池。对各种电池，制备100个试样，KOH浓度为33重量％的氢氧化钾水溶液用作正极混合物和胶状负极的碱性电解液。
实施例2
在实施例2中，制造了大量具有多种嵌合率和嵌合面积的AAA尺寸碱性干电池，并对它们进行试验以检验嵌合率、嵌合面积和防漏性之间的关系。用于试验的电池按照下列方式制造。
由6，6尼龙制备树脂密封元件5。此时，使用在相当于胶状负极侧的开口的边缘的位置(即，图3A和3B中中央筒部的开口的下端)具有树脂注射进口的模具注模树脂密封元件。所有电池中的中央筒部5a的开口10的直径Rb设为1.20mm。开口10和负极集电体爪6的主体6a的接触部分的长度L在2.0到6.3mm的范围内变化以提供七种长度。负极集电体爪6的主体6a的直径Rc在1.22到1.31的范围内变化以提供十种直径。以这种方式，制备总共26种密封元件9。在各个密封元件9中，负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件5的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C(C1)为0.15mm。按照和上述实施方案所述相同的方式使用这些密封元件9制备No.101到No.116和No.121到No.130的AAA尺寸碱性干电池。对各种电池，制备100个试样，KOH浓度为33重量％的氢氧化钾水溶液用作正极混合物和胶状负极的碱性电解液。
这些试样进行下列试验1和2.
(试验1)
对No.1到No.16、No.21到No.30、No.101到No.116和No.121到No.130的52种电池的每一种，在80℃的高温环境保存50个试样3个月。该试验环境意在促进对树脂密封元件5的薄壁部5e的损伤。每月都观察每个试样，并记录在所有渗漏的电池中由于薄壁部5e的破损而渗漏的试样的数目。试验后，拆开各试样，测量负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C(C2)。然后，计算距离C(C1)和距离C(C2)之间的差C和各种电池的ΔC的平均值以获得树脂密封元件5的移动距离。
(试验2)
对No.1到No.16、No.21到No.30、No.101到No.116和No.121到No.130的52种电池的每一种，在60℃和90％的湿度的湿热环境中保存50个试样3个月。该试验环境意在促进碱性电解液由于在树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间的缓渗引起的渗漏。每月都观察每个试样，并记录在所有渗漏的电池中由于碱性电解液在中央筒部5a和负极集电体爪6之间的缓渗而引起渗漏的试样的数目。试验后，拆开各试样，测量负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C(C2)。然后，计算距离C(C1)和距离C(C2)之间的差ΔC和各种电池的ΔC的平均值以获得树脂密封元件5的移动距离。
上述试验1和2的结果显示于下列表1A、表1B和表1C中。此外，试样No.1到No.16和No.21到No.30的嵌合率和嵌合面积绘制在图4中，试样No.101到No.116和No.121到No.130的嵌合率和嵌合面积绘制在图5中。图4和图5是以嵌合率为横坐标并以嵌合面积为纵坐标的直角坐标，且满足式1和2的范围以被粗实线围绕的范围表示。此外，在图4和图5中，△表示渗漏的试样，●表示不漏的试样。
[表1A]
[表1B]
[表1C]
Figure G2008101289028D00151
如表1B、表1C、图4和图5所示，试样No.1、No.9、No.10、No.101、No.109和No.110中无一在试验1和2中渗漏，而试样No.29、No.30、No.129和No.130中的多个在试验2中渗漏。这说明当嵌合率小于1.025时，很可能由于碱性电解液的缓渗而发生渗漏。
此外，试样No.5、No.6、No.7、No.105、No.106和No.107中无一在试验1和试验2中渗漏，而试样No.25、No.27、No.28、No.125、No.127和No.128中的几个或多个在试验1中渗漏。这表明当嵌合率超过1.083时，由于薄壁部5e的破损引起的渗漏很可能发生。
因此，优选的嵌合率在1.025到1.083的范围内。
下面，用术语嵌合面积来解释试验结果。即使当嵌合面积相对较小时，较高的嵌合率允许防止缓渗引起的渗漏，但较低的嵌合率增大缓渗的可能性。根据试样No.9和No.109无一在试验2中渗漏的结果，本发明发明人发现当嵌合面积至少为7.7mm2或更大时，即使在1.025的嵌合率也不可能发生缓渗。
另一方面，当嵌合面积较大，认为中央筒部5a的滑动被负极集电体爪6和树脂密封元件5的中央筒部5a之间增大的摩擦阻止。此外，当嵌合率较高时，认为中央筒部5a的滑动同样被阻止。
基于这样的发现，本发明发明人在实施例1中进行了细致的检查并发现在嵌合率(Rc/Rb)和嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限值之间存在特定的关系以实现某一水平的防漏性。图4中的曲线f(Rc/Rb)表示嵌合面积(3.14×Rc×L)的上限，在该上限内薄壁部5e的破损和沿着中央筒部5a的缓渗均不可能发生。也就是说，通过最小二乘法通过二次曲线近似在试验1和2中不漏的No.1到No.5的试样的嵌合率(Rc/Rb)和嵌合面积(3.14×Rc×L)之间的关系，确定了上述f(Rc/Rb)的各项的系数。在No.21到No.24的试样的试验1和2的结果中，作为嵌合率(Rc/Rb)的函数的嵌合面积(3.14×Rc×L)超过上限f(Rc/Rb)。对这些结果的比较表明当树脂密封元件5和负极集电体爪6满足嵌合面积(3.14×Rc×L)在上限f(Rc/Rb)的范围内时可有效地防止渗漏。
上述结果显示当满足式1和2时，可以有效地抑制树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间的缓渗引起的渗漏和树脂密封元件5的薄壁部5e的应力破裂和破损引起的渗漏。
下面，根据树脂密封元件5的中央筒部5a由于附着而引起的移动距离，描述碱性干电池的防漏性。当移动距离较大时，中央筒部5a的滑动性较高，但嵌合度可能太低。反之，当移动距离较小时，嵌合度较高，但滑动性可能太低。
就AA尺寸的情况而言，在具有0.1mm或更小的移动距离的试样(试样No.21到No.28)中，在试验1中发生渗漏。就AAA尺寸的情况而言，同样，在具有0.1mm或更小的移动距离的试样(试样No.121到No.128)中，在试验1中发生渗漏。这大概是因为中央筒部5a的滑动性较低，尽管嵌合度较高。另一方面，在移动距离大于0.4mm的AA尺寸试样(试样No.29和No.30)和移动距离大于0.4mm的AAA尺寸试样(试样No.129和No.130)中，在试验2中发生渗漏。这大概是因为中央筒部5a的嵌合度较低，尽管滑动性较高。
因此，显示于表1A和表1B中的试样No.1到No.16的试验1和2的结果表明AA尺寸的优选的移动距离在0.1到0.4mm的范围内。显示于表1A和表1C中的试样No.101到No.116的试验1和2的结果表明AAA尺寸的优选的移动距离同样在0.1到0.4mm的范围内。在这种情况下，可以有效地抑制由于碱性电解液在树脂密封元件5的中央筒部5a和负极集电体爪6之间的缓渗引起的渗漏和由于树脂密封元件5的薄壁部5e的应力破裂和破损引起的渗漏。
实施例3
在实施例3中，检验AA尺寸碱性干电池的部件的实际尺寸。
如下列表格2A所示，6，6尼龙树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10的直径Rb变化为1.05mm、1.25mm和1.45mm以提供三种直径。此外，长度L变化为2.2mm、3.0mm和3.8mm以提供三种长度，负极集电体爪6的主体6a的直径Rc变化为1.08mm、1.11mm、1.14mm、1.27mm、1.31mm、1.35mm、1.47mm、1.52mm和1.57mm以提供九种直径。以这种方法，制备总共27种密封元件9。按照和上述实施方案所述相同的方式使用这些密封元件9制造AA尺寸碱性干电池No.51到No.77。对于各种这些电池，制备100个试样，对这些试样进行上述试验1和2。结果显示于表2B中。此外，对各个试样的计算值f(Rc/Rb)＝2048.4(Rc/Rb)2-4473(Rc/Rb)+2456.9同样显示于表2A。
此外，在该实施例中，使用在相当于胶状负极侧的开口上的边缘的位置(即，在图3A和3B中的中央筒部的开口的下端)具有树脂注射进口的模具注塑树脂密封元件5。负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件5的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C为0.2mm。此外，KOH浓度为33重量％的水溶液用作正极混合物和胶状负极的碱性电解液。
实施例4
在实施例4中，检验AAA尺寸碱性干电池的部件的实际尺寸。
如下列表格2A所示，6，6尼龙树脂密封元件5的中央筒部5a的开口10的直径Rb变化为1.05mm、1.25mm和1.45mm以提供三种直径。此外，长度L变化为2.2mm、3.0mm和3.8mm以提供三种长度，负极集电体爪6的主体6a的直径Rc变化为1.08mm、1.11mm、1.14mm、1.27mm、1.31mm、1.35mm、1.47mm、1.52mm和1.57mm以提供九种直径。以这种方法，制备总共27种密封元件9。按照和上述实施例所述相同的方式使用这些密封元件9制造AAA尺寸碱性干电池No.151到No.177。对于各种这些电池，制备100个试样，对这些试样进行上述试验1和2。结果显示于表2C中。此外，对各个试样的计算值f(Rc/Rb)＝2048.4(Rc/Rb)2-4473(Rc/Rb)+2456.9同样显示于表2A。
此外，在该实施例中，使用在相当于胶状负极侧的开口上的边缘的位置(即，在图3A和3B中的中央筒部的开口的下端)具有树脂注射进口的模具注塑树脂密封元件5。负极集电体爪6的凸缘6b的下表面6c和树脂密封元件5的中央筒部5a的上表面5b之间的距离C为0.15mm。此外，KOH浓度为33重量％的水溶液用作正极混合物和胶状负极的碱性电解液。
[表2A]
Figure G2008101289028D00191
[表2B]
Figure G2008101289028D00201
[表2C]
就AA尺寸的情况而言，在开口10的直径Rb从1.05到1.45mm变化，长度L从2.2到3.8mm变化，且主体6a的直径Rc从1.08到1.57mm变化的表格2中的试样中，满足式1和2的试样No.52，No.55，No.56，No.58到No.61，No.63到No.65，No.67到No.70，No.72，No.73和No.76中无一在试验1和2中发生渗漏。此外，在所有这些不漏的试样中，移动距离在0.1到0.4mm的范围内。
同样，就AAA尺寸的情况而言，在开口10的直径Rb从1.05到1.45mm变化，长度L从2.2到3.8mm变化，且主体6a的直径Rc从1.08到1.57mm变化的表格2中的试样中，满足式1和2的试样No.152、No.155、No.156、No.158到No.161、No.163到No.165、No.167到No.170、No.172、No.173和No.176中无一在试验1和2中发生渗漏。此外，在所有这些不漏的试样中，移动距离在0.1到0.4mm的范围内。
此外，本发明发明人获得了市售AA尺寸碱性干电池A到G和AAA尺寸碱性干电池H到M，并进行了和实施例1和2中相同的试验1和2，除了每种电池的试样数为10个。这些结果显示于表3和表4中。
[表3]
Figure G2008101289028D00221
[表4]
Figure G2008101289028D00231
所有这些市售干电池均在试验1和2中显示了渗漏，这证实本发明具有优异的效果。
本发明碱性干电池具有优异的防漏性并可优选用作任何装置的电源。
尽管根据目前的优选实施例描述了本发明，应理解为这样的公开不是限制。对于本发明所属领域的技术人员而言，在阅读了上述公开后，多种变化和修改无疑是明显的。因此，所附权利要求应理解为意在覆盖所有落入本发明实质和范围的变化和修改。

Claims (10)

1.碱性干电池，其包含：带开口的电池壳，该电池壳用于容纳包括碱性电解液的发电元件；和用于封闭电池壳开口的密封元件，
其中所述密封元件包括：负极端板；具有圆柱状主体并电连接到负极端板的负极集电体；和树脂密封件，
所述树脂密封件包括：具有通孔的中央筒部，所述负极集电体主体插入所述通孔；插在负极端板的周缘和电池壳的开口边之间的外围筒部；连接中央筒部和外围筒部的连接部；和形成于连接部中且设置为可因气压破裂的薄壁部，
通过将电池壳的开口边弯曲越过密封件的外围筒部的上缘并向内卷曲以挤压负极端板的周缘，以用所述密封元件密封电池壳的开口，并且
所述负极集电体和树脂密封件满足下式1和2：
1.02≤Rc/Rb≤1.08            (1)
7.7≤3.14×Rc×L≤f(Rc/Rb)   (2)
其中Rc表示所述负极集电体主体的直径，Rb表示所述树脂密封件中央筒部的通孔直径，L表示所述树脂密封件中央筒部的通孔的长度，并且
f(Rc/Rb)＝2048.4(Rc/Rb)2-4473(Rc/Rb)+2456.9，
其中所述直径和长度的单位是mm。
2.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述碱性干电池为AA或AAA尺寸，通过用密封元件密封电池壳的开口，所述树脂密封件的中央筒部可以沿负极集电体主体的轴向移动0.1到0.4mm的距离。
3.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述碱性干电池为AA或AAA尺寸，且所述树脂密封件的中央筒部的通孔具有1.05到1.45mm的直径。
4.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述碱性干电池为AA或AAA尺寸，且所述树脂密封件中央筒部的通孔具有2.2到3.8mm的长度。
5.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述碱性干电池为AA或AAA尺寸，且所述负极集电体的主体具有1.08到1.57mm的直径。
6.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述树脂密封件的薄壁部在80℃的环境中至少3个月不会破裂，且所述碱性电解液在60℃和90％的湿度的环境中至少3个月不会在树脂密封件的中央筒部和其主体插入该中央筒部的通孔中的负极集电体之间渗漏。
7.如权利要求1所述的碱性干电池，其中所述碱性电解液中，氢氧化钾浓度为32到35重量％。
8.如权利要求1到7任意一项所述的碱性干电池，其中所述树脂密封件通过模具成型，该模具在某一位置形成树脂注射门，该位置与在用所述密封元件密封了所述电池壳开口的状态下该树脂密封件的位于所述电池壳外部的部位相对应。
9.如权利要求1到7任意一项所述的碱性干电池，其中所述树脂密封件通过模具成型，该模具在某一位置形成树脂注射门，该位置与在用所述密封元件密封了所述电池壳开口的状态下该树脂密封件的位于所述电池壳内部的部位相对应。
10.如权利要求9所述的碱性干电池，其中所述树脂密封件通过模具成型，该模具在所述中央筒部的通孔的、与所述电池壳的内侧开口周缘相对应的位置形成树脂注射门。
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