CN101385188A - 圆柱形锌空气电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱形锌空气电池及其制造方法。所述锌空气电池包括含有空气阳极膜和隔离物的膜层和适应于容纳所述膜层两端的连接件，所述膜层为基本圆柱形弯曲的形状。将所述连接件至少部分地变形以加压所述膜层的两端使其与膜层相接合。通过如上步骤，锌凝胶的泄漏在制造上述圆柱形锌空气电池中可以很容易地被防止，从而扩展了上述锌空气电池的应用领域。

Description

圆柱形锌空气电池及其制造方法

技术领域

本发明公开了一种符合圆柱形标准规格的锌空气电池及其制造方法，更具体地说，涉及一种包含在锌空气电池中的膜层的密封结构。

背景技术

电子装置的小型化已经取得了很长时间的成功，且已经开发出了很多便携式电子装置。然而，近来随着移动通讯的迅速发展和一种新的模式所谓无处不在的网络的引进，小且易携带的电子装置的发展已经成为重点关注的对象。大部分电子装置例如MP3播放器、数码相机、移动电话、PDA和笔记本电脑等被制造得越来越小型，并且正逐渐发展成易携带形式。此外，随着电子装置的这种小型化，也在尝试将多种功能集成到单一装置例如MP3播放器、数码相机等中。这种尝试给使用者提供了使用的方便和移动的自由，但电力的稳定供应也成为了一个新的难题。

当前，电池已被广泛地用作向电子装置提供电力的手段。例如，原电池例如锰电池、碱锰电池、锌空气电池等，二次电池例如镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-H)电池、锂离子电池等被用作供电手段。其中所述锌空气电池具有的优点是其提供相对较高的1.4V的电压并且具有高的能量密度和大的放电容量。此外，由于上述锌空气电池直到电池放电结束都呈现出几乎一致的放电特性，因此其被认为有能力替代由于重金属含量而被限制使用的水银电池。

参考图8，常规的钮扣式锌空气电池包括作为阳极的膜14、作为阴极的锌凝胶12和置于所述述膜和锌凝胶之间的用于隔离膜和锌凝胶的隔离物(separator)16。膜和锌凝胶被分别安置在导电阳极室20和导电阴极室22中以形成锌空气电池。

所述膜14是含有水分子的可渗透膜，其与空气中的氧气接触以产生氢氧离子(OH^-)。该反应可用如下的化学公式来表示：

化学公式1

在如上的反应中，电子经由上述阳极室20被供应到膜14中。碳是典型的用于上述膜的材料，但根据所需要的电压或应用的领域，可以选用合适的材料。

例如，在上述阳极中的反应中需要氧气，因此该阳极需要有通路可以与空气接触。所以阳极室20在其底部具有气孔28。当电池在不使用的状态时，所述气孔28被密封起来以抑制阳极中的反应。

在上述化学反应中产生的氢氧离子通过所述隔离物16而被转移到锌凝胶，即阴极上。隔离物16对氢氧离子具有渗透性且具有防止锌凝胶泄漏和将锌凝胶与膜隔离的功能。

锌凝胶主要含有锌粉末并含有添加剂和电解液的混合物。通常，使用氢氧化钾(KOH)水溶液作为所述电解液。当氢氧离子转移到锌凝胶的内部时，锌粉末与氢氧离子反应以被氧化。该反应可用如下的化学公式来表示：

化学公式2

通过该反应，电子从阴极产生并且通过阴极室22转移。通过这样的化学反应，理论上可产生1.65V的最大电压。

常规的锌空气电池大部分情况下都仅用于钮扣式，在这样的钮扣式锌空气电池中用所述室的弯曲来对其进行密封。一种制造常规锌空气电池的方法在日本专利特开平2002-373711有描述。

下面将参考图9来说明上述制造常规锌空气电池的方法。参考图9，锌空气电池包括作为阴极的锌凝胶12、作为阳极的阳极膜14和置于所述膜和锌凝胶之间的用于隔离膜和锌凝胶的隔离物16。分别与所述锌凝胶12和阳极膜14相接触的阴极室22和阳极室20容纳锌凝胶和阳极膜。同时，阳极室20在其底部具有穿孔28以使阳极膜14与空气相接触。

垫片26置于阴极室22和远端的阳极室20之间，且阳极室20和所述垫片26向阳极室22弯曲以达到电池的密封。

这样的锌空气电池在电压、能量密度、放电容量和放电特性方面等具有优势。但该锌空气电池的应用仅仅局限于特殊的领域例如助听器、相机等。特别是，锌空气电池只以钮扣式电池来销售，不符合圆柱形标准规格例如AAA、AA等。为了使圆柱形锌空气电池商业化，要求应该使生产出的锌空气电池产生可适用于圆柱形电池的应用领域的电压和电流，并且应该发展制造圆柱形锌空气电池的方法本身。

下面参照图10将说明与上述圆柱形锌空气电池制造方法相关的问题。图10是示出虚拟的圆柱形锌空气电池的横截面图。在图10中，相同的参考数字指代与图8相同的元件。该锌空气电池包括作为阴极的锌凝胶，因此必须防止锌凝胶的泄漏。在上述图8所示的常规的钮扣式锌空气电池中，由于阳极膜14和隔离物16置于锌凝胶的下部使得可以防止锌凝胶的泄漏，因此钮扣式锌空气电池很容易制造。然而，如图10所示的圆柱形锌空气电池的结构是隔离物16和阳极膜14容纳锌凝胶12。在这种情况下，阳极膜14和隔离物16在形成圆柱形状时有一接口30，因此不容易避免锌凝胶的泄漏。

因此，为了制造这样的圆柱形锌空气电池，需要一种粘合阳极膜14和隔离物16的接口同时防止锌凝胶的泄漏的方法。

发明内容

因此，作出本发明是为了解决上述现有技术中存在的问题，且本发明的目的是提供一种圆柱形锌空气电池和包含在所述锌空气电池中的膜密封结构以防止锌凝胶的泄漏。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种锌空气电池，其包括：包含空气阴极膜和隔离物的膜层，该膜层为基本圆柱形弯曲的形状；和适应于容纳所述膜层两端的连接件，所述连接件至少部分变形以加压膜层的两端使其与膜层相接合。

优选的是，所述连接件为H状，在其两侧具有开口以容纳所述膜层的两端。

优选锌空气电池还包括密封件置于膜层和连接件之间以增强密封效果。优选的是所述连接件包括两部分，分别置于圆柱形膜层的外周和内周部分。

同时，所述膜层包括膜电极组件(MEA)。

为了实现上述目的，根据本发明的另外一个方面，还提供了一种制造锌空气电池的方法，其中所述锌空气电池包括含有空气阴极膜和隔离物的膜层和适应于容纳所述膜层两端的连接件，所述膜层为基本圆柱形弯曲形状，所述方法包括如下步骤：(a)使膜层的一端容纳在所述连接件中；(b)使连接件至少部分变形以使连接件与膜层的一端相接合；(c)使膜层的另外一端容纳在连接件中；和(d)使连接件至少部分变形以使连接件与膜层的另外一端相接合。

优选上述方法在上述步骤(a)之前还包括在膜层的一端的表面上安置密封件以增强密封效果，其中步骤(a)包括使膜层的一端和所述密封件容纳在连接件中。

同时，该方法在上述步骤(c)之前还可包括在膜层的另外一端的表面上安置密封件以增强密封效果，其中步骤(c)包括使膜层的另外一端和密封件容纳在连接件中。

除此之外，优选所述连接件包括两部分，分别置于圆柱形膜层的外周和内周部分。所述步骤(b)可在步骤(c)之后进行。

根据本发明，提供的简单的密封结构实现了圆柱形锌电池的制造同时防止锌凝胶的泄漏，使得以低成本生产出符合标准规格的锌空气电池。

附图说明

图1示出根据本发明的第一个实施方案的锌空气电池的横截面图；

图2至图4是根据本发明的第一个实施方案的制造锌空气电池的方法的示意图；

图5示出根据本发明的第二个实施方案的锌空气电池的横截面图；

图6至图7是根据本发明的第二个实施方案的制造锌空气电池的方法的示意图；

图8示出根据现有技术常规的钮扣式锌空气电池的横截图；

图9示出根据现有技术常规的钮扣式锌空气电池的密封结构的横截面图；

图10示出虚拟的圆柱形锌空气电池的横截面图。

具体实施方式

结合附图对本发明的优选实施方案进行详细描述。本领域技术人员将明白说明书中所述的实施方案仅是示例性的，本发明并不限于此。

图1示出根据本发明的第一个实施方案的锌空气电池的横截面图。在此实施方案中，根据本发明的锌空气电池包括作为阴极的锌凝胶130、具有圆柱形状以容纳所述锌凝胶130且作为与空气相接触的阳极的空气阳极膜112、和防止所述空气阳极膜112与锌凝胶130相接触的隔离物114。所述空气阳极膜112和隔离物114可构成单一膜层110。而且，所述膜层110可以是膜电极组件(MEA)且执行与膜层相同的功能。本领域的技术人员很容易理解的是膜层110除了空气阳极膜112和隔离物114之外还可以包含其它组件以提高其功能。

绝缘体140隔离膜层110。外壳150被安置在膜层110的外周用来保持电池的形状和保护电池不受外界的伤害。所述外壳150和绝缘体140在其上面具有多个开口160以允许内部的阳极膜112与空气相接触。但上述外壳150也可以由绝缘材料形成而不包括绝缘体140。

所述膜层110通过连接件120在其两端被粘合并且密封以防止锌凝胶泄漏到外面。所述连接件120可以由树脂或金属材料形成，但优选由树脂材料形成以增强密封效果。连接件120可以通过注模形成或者可以通过切割由挤压或拉伸而延长的部件。

连接件120采用H形状以填充膜层110两端之间的空间，且膜层110可以容纳在连接件120的两端形成的开口中。使连接件120至少部分变形来加压膜层110的两端以使得膜层和连接件120的内表面紧密地接合在一起。此时，可以将连接件120压制到膜层110上。

下面将结合图2—图4说明制造根据本发明的第一实施方案的锌空气电池的方法。

参考图2，首先制备膜层110和连接件120。连接件120具有H形状且在两端都有开口122。然后，如图3所示，将膜层110的两端容纳在连接件120的开口122中。紧接着，使连接件120的至少一部分124变形且使膜层受压，使得膜层110和连接件120可以彼此接合起来同时密封圆柱形膜层110的内部。此时，可以将连接件120压制到膜层110上。上述连接件120和膜层110之间的接合可以通过所谓捻缝的方法来实现。

或者，在将膜层110的一端容纳在连接件120的一个开口122中后，进行连接件120与膜层110的一端之间的接合，然后在将膜层110的另外一端容纳在连接件120的另一个开口122中后，进行连接件120与膜层110的另外一端之间的接合。本领域技术人员可以清楚地明白该过程的顺序可根据与填充锌凝胶、外壳与膜层的连接等相关的方法步骤而改变。

图5示出根据本发明的第二个实施方案的锌空气电池的横截面图。

在该实施方案中，根据本发明的锌空气电池具有与本发明上述第一实施方案中相同的构造，不同之处是有关用来密封膜层110的连接件120和密封件128的构造。因此详细的说明在此将会被省略。

在该实施方案中，锌空气电池还包括密封件128置于连接件120和膜层110之间。所述密封件128的目的是防止锌凝胶130泄漏到膜层110和连接件120之间，其可以由弹性材料形成以增加密封效果，所述弹性材料包括橡胶。

由于上述密封件128的插入消除了填充膜层110两端之间的空间的需要，所以连接件120可以不采用H形状。或者，连接件可以包括两部分，分别置于圆柱形膜层110的外周和内周部分。使连接件120的每一部分在圆柱形膜层110的外周和内周上至少部分变形以使密封件128和膜层110及连接件120彼此接合以密封圆柱形膜层的内部。

在该实施方案中，密封效果由于使用密封件128而得到了提高，因此除了树脂材料，连接件120也可以由金属材料来制成。

下面将结合图6和图7对制造根据本发明的第二个实施方案的锌空气电池的方法进行详细的描述。

首先，提供膜层110、密封件128和连接件120。然后，分别将密封件128置于膜层110两端的上表面和下表面，且将膜层110的两端和密封件128都容纳在连接件120中。如图6所示，连接件120包括两部分，分别置于圆柱形膜层110的外周和内周部分，可将膜层110和密封件128置于连接件120的上述两部分中。接着，使连接件120的至少一部分变形且使密封件128和膜层110受压，以使密封件128、膜层110和连接件120可以互相接合同时密封圆柱形膜层110的内部(图7)。此时，连接件120的上述变形可以通过捻缝方法来进行。

同时，本领域的技术人员会清楚地明白膜层110、密封件128和连接件120之间的接合对于膜层的两端可以单独地进行，且方法步骤的顺序也可以改变。

已经描述了本发明连同其具体的实施方案，但要明白的是这些实施方案仅是示例性的，本发明并不仅限于公开的这些实施方案。因此本领域技术人员根据本发明的原理可以进行各种改变和修改。例如，本领域技术人员可以为每个元件选择最好的材料以提高电池的性能，或选择更好的方法制造每个元件。本领域的技术人员也可以修改前述的步骤或添加其它的步骤。但所有的变化和修改都是基于本发明的精神因此不超出本发明的范围。本发明的范围应当由所附权利要求和其等同形式来限定。

Claims (10)

1、一种锌空气电池，其包括：

含有空气阳极膜和隔离物的膜层，所述膜层为基本圆柱形弯曲的形状；和

适应于容纳所述膜层两端的连接件，其中，将所述连接件至少部分变形以加压所述膜层的两端使其与所述膜层相接合。

2、如权利要求1所述的锌空气电池，其中所述连接件是H状，在其两端具有开口以容纳所述膜层的两端。

3、如权利要求1所述的锌空气电池，其还包括密封件置于所述膜层和连接件之间以增强密封效果。

4、如权利要求3所述的锌空气电池，其中所述连接件包括两部分，分别置于所述圆柱形膜层的外周和内周部分。

5、如权利要求1所述的锌空气电池，其中所述膜层包括膜电极组件(MEA)。

6、一种制造锌空气电池的方法，其中所述锌空气电池包括含有空气阳极膜和隔离物的膜层、和适应于容纳所述膜层两端的连接件，所述膜层为基本圆柱形弯曲的形状，所述方法包括如下步骤：

(a)使所述膜层的一端容纳在所述连接件中；

(b)使所述连接件至少部分变形以接合所述连接件和膜层的一端；

(c)使所述膜层的另外一端容纳在所述连接件中；和

(d)使所述连接件至少部分变形以接合所述连接件和膜层的另外一端。

7、如权利要求6所述的方法，其在所述步骤(a)之前还包括在所述膜层的一端的表面上安置密封件以增强密封效果，其中所述步骤(a)包括使所述膜层的一端和所述密封件容纳在所述连接件中。

8、如权利要求6所述的方法，其在所述步骤(c)之前还包括在所述膜层的另外一端的表面上安置密封件以增强密封效果，其中所述步骤(c)包括使所述膜层的另外一端和所述密封件容纳在所述连接件中。

9、如权利要求7或8所述的方法，其中所述连接件包括两部分，分别置于所述圆柱形膜层的外周和内周部分。

10、如权利要求6所述的方法，其中所述步骤(b)在所述步骤(c)之后进行。

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