CN102544599A - 镍锌电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一圆柱形镍锌电池，其包括一电池外壳，一电极组和电解液，该电解液被置于电池外壳内。该电极组包括一镍正极，一锌负极和位于两者之间的隔膜，其中其上端与盖帽相连。该镍正极和锌负极具有一个边侧部位，其外侧暴露并向内弯曲以分别形成正极和负极导电末端，且复合隔膜的侧边密封在一起因此该电极被容纳在该隔膜内。该电池具有结构简单、组装方便、成本低、安全性高、可长时间储存、可有效抑制枝晶的生长、较长的使用寿命、强抗震动能力和良好的大电流放电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种镍锌电池及一种该镍锌电池的制造方法，尤其涉及一种可充电圆柱形镍锌电池结构，该电池结构可有效抑制镍锌电池内的、与电流不平衡分布相伴而生的枝晶的生长和畸变问题。
背景技术
环境问题的不断增长和环境状况的不断恶化已促使很多国家出台了严格的环境法规，也使绿色和低碳经济成为时代趋势。由于在网络和电子产品的繁荣的同时，石油价格高企不下，以此使得可充电电池成为了新的不断增长的市场。尤其是混合电动车(HEV)，插入式混合电动车(PHEV)和电动车(EV)市场的迅猛增长导致人们迫切需要更高能效、更强动力、更稳定和对环境更加友好的电池。传统的电池技术，如铅酸电池和镍镉电池无法满足与新的环境标准相关的市场需求。另外，这些电池也不符合环境保护的要求。尽管锂电池在便携式电子产品领域的应用取得了非凡成功，但是因其含功率不足，价格高昂和安全风险较高而无法满足大型系统的要求。新兴的镍锌电池技术具有满足各种应用需求的潜力。一个传统的镍锌电池包括一电池外壳，一电极组和电解液，该电解液被置于电池外壳内。电极组包括一镍正极(nickel cathode)，一锌负极(zinc anode)和位于两者之间的隔膜。镍锌电池是一种大功率高能量可充电电池，其在具有高安全性和低制造成本的优势的同时还没有与铅、镉和/或汞相关的环境污染。
镍锌电池具有诸多优点，但也有着其不利的一面。例如，锌枝晶就是镍锌电池中的常见问题，也是一种常见的导致电池无法使用的原因。锌枝品产生在电池的再充电期间，也就是当活性材料锌从其氧化态(ZnO)在电极上被还原成金属锌的过程中(如电极被充电的过程中)。取决于充电情况，该金属可能会以枝晶的形式沉积下来。更重要的是所形成的枝晶可能会穿透隔膜将正极和负极连接在一起，因而使电池功能失效。因此，对镍锌电池，有必要解决枝晶生长这一问题。
另外，镍锌电池中的电流分布不均是导致电极变形和枝晶形成的另一原因。在传统的镍锌电池的结构设计中，使用一个或多个极耳(tab)作为电极导电导线，其常常与集流体衬底结合连接并与电池的盖帽和钢制外壳相连。这种方法所导致的问题是电流的不平衡分布，在距离极耳近的位置电流强度较高而距离极耳远的位置电流强度较低。以此所导致的结果是电极，尤其是锌负极很可能会在充电或放电过程中发生变形。这种由于电流的不平衡分布所引起的变形可能会导致枝晶的生长和电池短路，因此会大大降低电池的循环使用寿命。另外，在使用极耳的设计中，电流必须经过一个较长路径才能通过极耳到达电极的各个部分，因而降低了充电效率，增大了内阻和生成大量的热。
因此，传统的镍锌电池无法实现大电流放电，其应用也受到了限制。此外，一般情况下，隔膜的耐热性较差，很容易在极耳的焊接过程中被损坏。
在传统的镍锌电池中使用防枝膜是防止枝晶的一个手段。然而，防枝膜无法耐受较高温度，其常常在焊接过程中被损坏。换句话说，在传统的镍锌电池中使用防枝膜进一步导致因该精致隔膜所引起的制造装配困难并导致解决枝晶问题的失败。因此，对镍锌电池来说，目前存在克服电流的不平衡分布和电极变形的需要。
为了降低镍锌电池中的枝晶的形成，人们已经付出诸多努力。例如阿德列等(美国专利5,453,336和5,302,475)教导人们使用碱金属基的氟化盐和碳酸盐来降低重复充电过程中锌电极的形状改变。斯帕兹安特等(美国专利4,181,777)公开一种用添加剂如多聚糖或山梨醇来阻止电池放电过程中的锌枝晶的形成。比尔敕埃利等(美国专利4,041,221)公开了可用作为负极添加剂的无机钛酸盐。瑞姆佩欧等(美国专利3,954,501)公开了一种用非烧结不联接的疏水线性氟有机高分子化合物作纤维网络添加于电极中来增强电池中气体的复合、电池容量的增加和电池循环寿命的提高。克里恩等(美国专利6,087,030)公开了一种在锌负极中添加一种与与氢氧化钾水溶液一起使用的使反应速率加速的金属化合物如铟、镓、锗、锡化合物等。拉森等(美国专利4,857,424)公开了一种碱性锌电化学电池，其含有一种硅化的成膜有机润湿剂从而具有抑制锌腐蚀和氢气产生数量的功能。卡柯(美国专利4,022,953)公开了一种锌电极结构，该锌电极结构含有镉，如金属镉或可在锌原料中被电化学转为金属镉的镉化合物，该金属镉具有一定大小的粒子尺寸和比表面积。卡柯(美国专利5,863,676)公开了一种锌酸钙组分在锌电极中的应用。卡柯(美国专利5,556,720)公开了一种氢氧化钡或氢氧化锶材料和一种含有金属氧化物的导电基质的应用，该导电基质含有比锌更正的电位，如氧化铅、三氧化二铋、氧化镉、三氧化二镓或三氧化二铊。卡柯(美图专利5,556,720)公开了一种镉颗粒材料分散在锌负极的特殊镉材料。卡柯(美国专利4,332,871)公开了一种含有粘合添加剂的锌电极，该粘合添加剂分散分布于该电极中。谢林克等(美国专利4,791,036)公开了一种由硅铜合金制成的负极集电器在降低过充电期间的气体释出中的应用。季伯德等(美国专利4,552,821)公开了一种设于卷筒内的密封型可充电镍锌电池结构，以此使得该电池处于压缩状态。为阻止边沿部的枝晶的生成，带有纵向折叠隔膜装置的电池也有报道(美国专利20100062347)。虽然已有的各种各样的方法和步骤被用以阻止、延迟或消除镍锌电池中的枝晶生长，但仍没有有效的方法用于阻止枝晶在边缘的生长。在镍锌电池中，用在负极和正极之间的隔膜起到阻止枝晶生长的作用。一个好的隔膜可在阻止枝晶的生长方面起到非常好的作用，但是枝晶仍可在负极和正极的边缘处生长，在此处电极对电解液开放。一般而言，防枝隔膜或隔膜不会环绕电极密封，而是仅仅被置于正负极之间。在充电期间，电极的暴露部分会有更大的锌枝晶形成趋势，即锌枝晶更容易在负极的暴露部分生长而接触到邻近的正极或甚至是电池外壳。当正负极接触，电池就会发生短路。为了抑制边缘部位的枝晶的生长，可将防枝膜采用纵向折叠的方法，将其边缘折叠，但是这种方法将会导致组装上的困难和隔膜可能会被损坏。因此，人们需要有效的方法来阻止电极裸露部位的枝品的生长。
发明内容
本发明的优势在于其提供一种镍锌电池，该电池的结构配置可有效抑制枝晶的生长和为电池提供大电流放电下的良好性能，而该镍锌电池的制造方法简单，各部件的组装方便且不需要高难度的技巧和精度。
本发明的另一优势在于其提供一种镍锌电池，该电池可克服现有技术的缺点，其可解决镍锌电池的枝晶生长，电极变形和电流的不平衡分布问题。
本发明的另一优势在于其提供一种镍锌电池，该镍锌电池是一种可充电电池，其具有大电流放电能力以提供高的和足够的功率和能量且其不会产生与铅、镉和汞相关的环境污染，同时该电池还具有很高的安全标准(不易燃烧)和低的制造成本。
本发明的另一优势在于其提供一种圆柱形镍锌电池的制造方法，该方法对环境友好，且可避免使用有机溶剂和降低可能导致隔膜损坏的焊接风险。
本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过下述对所附权利要求中特地指出的手段和组合的详细说明得以实现。
依本发明，前述的和其他的目的和优势通过一种圆柱形镍锌电池的制造方法得以实现，其中该圆柱形镍锌电池包括一个壳体，该壳体有一个外壳腔并形成一个位于所述壳体低端的外壳开口，该镍锌电池制造方法包括以下步骤：
(a.1)准备镍正极，其中所述镍正极具有一个长的层状体以形成其主体部分，一个位于第一边缘的边沿部和一个位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处的折叠线，其中所述镍正极的边沿部在0.5～50毫米之间；
(a.2)准备锌负极，其中所述锌负极具有一个长的层状体以形成其主体部分，一个位于第一边缘的边沿部和一个位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处的折叠线，其中所述锌负极的边沿部在0.5～50毫米之间；
(b)准备微孔复合隔膜和电解液吸收纤维层并将电解液吸收纤维层设于该微孔复合隔膜上；
(c)将带有所述电解液吸收纤维层的所述复合隔膜设于所述镍正极和锌负极之间；
(d)将所述锌负极、所述镍正极和所述带有所述电解液吸收纤维层的复合隔膜卷制成一个电极组，以此方式所述镍正极的所述边沿部延伸至所述电极组的外部至一第一末端，所述锌负极的所述边沿部延伸至所述电极组的外部至一第二末端；
(e)从外向内将所述镍正极的所述边沿部压平以形成一个平的正极导电面并从外向内将所述锌负极的所述边沿部压平以形成一个平的负极导电面；
(f)将一负极集电器设于所述电极组的上端以此使得所述负极集电器与所述负极导电面之间形成一个物理性接触，并将一正极集电器设于所述电极组的低端以此使得正极集电器与所述正极导电面之间形成一个物理性接触；
(g)使用耐碱绝缘胶带将所述电极组的外侧外表面完全覆盖住以此使得所述锌负极与所述壳体完全隔离开来；和
(h)用镀镍底部单元将所述电极组密封在所述壳体的所述外壳腔中以形成所述圆柱形镍锌电池。
相应于本发明的另一方面，本发明包括一镍锌电池，其包括：
一壳体，所述壳体有一外壳腔并在所述壳体的低端形成一外壳开口，其中所述壳体包括一盖帽单元和一底部单元，其中所述盖帽单元位于所述壳体的上端，所述底部单元将位于所述壳体低端的所述外壳开口密封以形成一密封电池外壳；
一电极组，所述电极组被密封和容纳在所述壳体内，所述电极组包括一镍正极、一锌负极和一隔膜，其中所述锌负极具有一个长的层状体以形成一主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述长的层状体被卷成一个圆柱形结构从而确定一折叠状态，在所述折叠状态，所述边沿部沿折叠线向内折叠以形成一个平面，所述平面位于所述圆柱形结构的所述边沿部的所述侧边，其中所述隔膜设于所述镍正极和所述锌负极之间并将所述镍正极和锌负极物理性地隔开和
电解液，该电解液被置于所述外壳腔之内以沟通所述镍正极和锌负极。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。
附图说明
图1为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的图示说明。
图2A和2B为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的锌负极的图示说明。
图3为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的锌负极的折叠状态的图示说明。
图4A和4B为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的镍正极的图示说明。
图5为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的电极组的图示说明。
图6为对依本发明较佳实施例的镍锌电池的电极组的折叠状态的图示说明。
具体实施方式
如附图之图1所示，依本发明较佳实施例的镍锌电池包括一壳体10，一电极组30和电解液20。
该壳体10是一个具有一外壳腔11的电池外壳，该电池外壳包括一个位于其上端的盖帽单元12，一底部单元13，一负极集电器14，一正极集电器15和一与盖帽单元12相连的密封圈16，其中该底部单元13位于盖帽单元12的对面位置并与盖帽单元12相对，该负极集电器14将盖帽单元12与电极组30相连，该正极集电器15将底部单元13与电极组30相连接。
电极组30和电解液20均被容纳并密封在壳体10之内。该壳体10优选具有一个圆柱形结构体，该盖帽单元12自壳体10的上端突出，底部单元13自壳体10的底部一端突出。电极组30包括一镍正极31，一锌负极32和一隔膜33，该隔膜33将镍正极和锌负极分隔开来，该电极组进一步形成一第一末端34和一位于第一末端的对面位置并与之相对的第二末端35。电极组30优选具有一个由镍正极31，锌负极32和隔膜33形成的圆柱形结构体。
优选地，电极组30的第一末端34位于提供负极导电金属末端的上部一侧并被连接于负极集电器14，电极组30的第二末端35位于提供正极导电金属末端的底部一侧并被连接于正极集电器15。负极集电器14穿过密封圈16与盖帽单元12相连。优选地，该密封圈16具有一个由尼龙制成的层状体。
盖帽单元12包括一个上端元件121，低端元件123和一个中间防爆阀122。
上端元件121由不锈钢或镀有镍层的钢制成。上端元件121的表面镀有铜、镍、锡、银、铋、铟、铅铂、锑、硒、钛中的一种或其中的多种组成的合金以确保该电池不会受到外部环境的影响和腐蚀。
盖帽单元12的防爆阀122由丁腈橡胶，聚氨酯和三元乙丙橡胶制成，其被设于上端元件121和低端元件123之间，该盖帽单元防爆阀122具有一组通道1221，其为位于防爆阀122的空气释放孔，该空气释放孔以盖帽单元12为中心对称分布。防爆阀122的作用主要是在电池发生意外时释放其内部压力。防爆阀122的制造材料优选丁腈橡胶或三元乙丙橡胶。
低端元件123由不锈钢或镀有镍金属层的钢制成且其表面镀有银，铜，钢，铅，锡，锌中的一种或其中的多种组成的合金以阻止在盖帽单元12和负极之间形成微电池而析氢，尤其是防止在盖帽单元和负极之间的接触点形成微电池而析氢。
负极集电器14的制造材料为不锈钢、弹簧钢、镀有镍金属层的钢带、镀有镍金属层的铁、铜、黄铜、镍、铟、锡和银中的一种或其中的多种组成的金属合金制成的金属薄片，优选弹簧钢和铍-铜合金。负极集电器14的表面镀有由银、锡、铜、铋、铅、铟、镍、铂、锑、硒、钛、镓、铬、锗中的一种组成的镀层或其中的多种组成的合金镀层，其中优选银、铟和锡，以此使得来自负极集电器14的氢析出反应被抑制，且电池内部的压力被降低以确保锌电极的安全性、长时间储存能力、可恢复性和可逆性。负极集电器14与低端元件123结合连接，随后其与电极组30的第一末端34的表面(近负极一侧)发生物理性接触。负极集电器的制造材料应具有良好的柔韧性和弹性，以此使得在电极组30和盖帽单元12之间形成良好的接触从而可以大大降低电池的内电阻和提高电池的高倍率放电能力。
正极集电器15由不锈钢、弹簧钢、镀有镍金属层的钢带、镀有镍金属层的铁、铜、黄铜、镍、锡和银中的一种制成的薄片或其中的多种组成的合金制成的薄片制成，且该正极集电器15的表面镀有银、镍、锑、硒、钛、铜、锌、铟和锡中的一种组成的镀层或其中的多种组成的合金镀层。正极集电器15首先与壳体10结合连接，然后壳体10与电极组30的第二末端35的表面(近正极一侧)发生物理性接触。正极集电器的制造材料应具有良好的柔韧性和弹性，以此使得在电极组30和壳体10之间形成了良好的接触从而可以大大降低电池的内电阻和提高电池的高倍率放电能力。
密封圈16由聚丙烯、聚乙烯或其它耐碱且抗高温的材料制成，其被设于低端元件123和负极集电器14之间。密封圈16的表面镀有一种或几种密封化合物，其由改性电解沥青、航空石蜡油、液态石蜡和特殊密封胶中的一种或几种组成。密封圈16确保该电池不会因长时间的储存或使用而发生碱性电解液的泄露。优选的制造材料分别是聚丙烯和聚乙烯。
如附图之图2A和2B所示，该锌负极32有一个长的层状体，其形成一主体部分321、一边沿部322和一折叠线323，其中边沿部322位于一侧边，折叠线323位于主体部分321与边沿部322之间的连接线，其中该锌负极32的长的层状体被卷成一个折叠状态下的圆柱形结构，该边沿部322沿折叠线323向内折叠，以此方式边沿部322在该圆柱形结构的一端形成一个平面324并在此折叠状态下自主体部分321向内延伸。
尤其是，该边沿部322有一组间隙3223和一组连接边缘3221以此使得当边沿部322被向内折叠至折叠状态，两个相邻位置的连接边缘3221彼此相互契合以形成一个平面324。换句话说，这两个连接边缘3221在折叠状态下相互紧靠且形成的该平面324与该主体部分321相垂直。
值得注意的是，该边沿部322由一组边侧单元3224形成，其中每两个相邻的边侧单元3224形成一个间隙3223，每个边侧单元3224形成两个连接边缘3221。优选地，该边侧单元3224的形状为梯形，其形成一个第一边缘32241和一个第二边缘32242，其中该第一边缘32241位于折叠线323，第二边缘32242位于第一边侧32241的对面位置且与第一边侧32241相平行，其中第二边缘32242的长度小于第一边缘32241的长度，而连接边缘3221在第一边缘32241和第二边缘32242之间延伸。当边侧单元3224以90°向内折叠至其折叠状态时，每两个相邻的边侧单元3224各自通过相应的连接边缘3221相互契合形成一个厚度均匀的平面324。换句话说，边侧单元3224被设计成如图2A所示的式样，以此使得边侧单元3224在折叠状态下不会相互重叠，而平面324是一个由导电金属制成的平滑的平面层，其形成于电极组30的第一末端34。该设计模式较为重要，否则的话将会发生重叠和引起由弯曲层的厚度的增加所导致的短路。
优选地，镍正极31具有一个与锌负极相似的结构。
如附图之图4A和4B所示，镍正极31有一个长的层状体，形成一主体部分311、一边沿部312和一折叠线311，其中边沿部312位于一侧边，折叠线312位于主体部分313与边沿部312之间的连接线处，其中该镍正极31的长的层状体被卷成一个折叠状态下的圆柱形结构，该边沿部314沿折叠线313向内折叠，以此方式边沿部312在该圆柱形结构的一端形成一个平面314并在此折叠状态下自主体部分311向内延伸。
尤其是，该边沿部312有一组空隙3123和一组连接边缘3121以此使得当边沿部312被向内折叠至折叠状态，两个相邻位置的连接边缘3121彼此相互契合以形成一个平面324。换句话说，这两个连接边缘3121在折叠状态下相互紧靠且该平面324与主体部分311相垂直。
值得注意的是，该镍正极31的边沿部312由一组边侧单元3124形成，其中每两个相邻的边侧单元3124形成一个间隙3123，每个边侧单元3124形成两个连接边缘3121。优选地，该边侧单元3124的形状为梯形，其形成一个位于折叠线的第一边缘31241和一个位于第一边缘31241的对面位置且与第一边缘31241相平行的的第二边缘31242，其中第二边缘31242的长度小于第一边缘31241的长度，而连接边缘3121在第一边缘31241和第二边缘32242之间延伸。当边侧单元3124以90°角向内折叠至折叠状态时，每两个相邻的边侧单元3124各自通过相应的连接边缘3121相互契合形成一个厚度均匀的平面314。换句话说，边侧单元3124被设计成如图4A所示的模式，以此使得边侧单元3124在折叠状态下不会相互重叠，而平面314是一个由导电金属制成的平滑的平面层，其形成于第二末端35，该第二末端35位于电极组30的第一末端34的对面位置。该设计模式较为重要，否则的话将会发生重叠和引起由弯曲层的厚度的增加所导致的短路。
值得注意的是在电极组30中，负极32长于正极31以致负极32可完全覆盖正极31因此在充电期间正极产生的氧可被吸收。隔膜33设于镍正极31和锌负极32之间，其为将镍正极31和锌负极32物理性隔开的中间层，以一种密封方式将镍正极31和锌负极32物理性隔开。优选地，该隔膜33为一种具有电解液吸收能力的复合隔膜。
尤其是，该隔膜33具有两个通过粘合剂密封在一起的密封侧边331。换句话说，当隔膜33被组装时，两个相邻的隔膜33的侧边相互接近且隔膜33的表面涂有粘合剂以此使得两个相邻的隔膜33被密封在一起，从而使正极31和负极32被密封于隔膜33内。
优选地，在将隔膜33与负极32和正极31组装在一起之前，一粘合带333先被涂于隔膜33的密封侧边331，由此隔膜33、正极31和负极32一起组成一个电极组，在这个电极组被组装好后，在折叠处，相邻的两个隔膜被粘合在一起。这种方法的好处在于可以使负极32和正极31彼此完全绝缘。因此，负极32和正极31之间的相互污染被杜绝，从而减少了气体释出。
尤其是，隔膜33优选一种由聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)制成的多孔性隔膜，且在将该隔膜33与负极32和正极31组装在一起形成电极组30之前对其进行亲水处理，其中该粘合带333由甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PV)和聚四氟乙烯(PTFE)等粘合性材料中的一种或多种制成，该粘合带333被设于隔膜33的密封侧边331以将该两个相连的隔膜33粘合在一起。然后，由维尼纶(vinylon)、聚丙烯(polypropylene)或无纺布制成的一层电解液吸收材料334被结合连接或干燥粘附在隔膜33的一个侧边以形成一个具有电解液吸收能力的复合隔膜。
值得注意的是，该多孔性隔膜被用于阻止锌负极32的枝晶的生长。该隔膜33是一种防枝型隔膜，其可有效阻止锌负极32的枝晶生长。尽管该隔膜33对镍锌电池来说是其关键部件之一，但在目前的市场上不存在一种有效、简单和低制造成本的可有效抑制枝晶生长的隔膜。当前的市场上供应各种各样的隔膜，但它们中的绝大多数并不具有枝晶抑制作用。市场上也有一部分结构复杂的高端隔膜具有一定的枝晶抑制效果，但它们的价格非常昂贵，对枝晶的抑制也不是特别有效。此种隔膜的使用会使镍锌电池失去低成本优势。
优选地，该隔膜33是一种防枝膜，其被设计为包裹负极32。只要该防枝膜具有足够的能力来抑制枝晶的生长，枝晶将无法在该隔膜30的密封侧边331处生长。这种枝晶无法在侧边生长的密封非常重要，现有技术的主要缺点之一就是无法实现这一点。换句话说，本发明在简化了组装过程的同时还提高了电池的使用寿命。
用在本发明的镍锌电池中的作为枝晶抑制隔膜使用的隔膜33具有一定结构。
首先，该隔膜33必须具有微孔结构且要求该隔膜33具有气体和电解液渗透能力。该微孔的尺寸要小。当该微孔的尺寸太大时，它将很容易使枝晶穿过，当该微孔的尺寸太小时，将无法满足渗透性的要求。最合适的微孔尺寸为30～50微米且要求这些微孔均匀分布。
另外，该隔膜33必须具有一定的厚度。如果该隔膜33太薄，枝晶可很容易地穿透过去。当该隔膜33太厚时，将导致内阻过大，即导致电解液渗透的过小和过慢。最合适的厚度为30～60微米。因此该隔膜33优选具有30～60微米的厚度以在保持渗透性的同时阻止枝晶的生长。
在本发明中，对疏水隔膜进行亲水处理以使其具有亲水性，对其在本发明中的应用很重要。为使这些疏水隔膜具有亲水性，传统的处理工艺采用的是辐射处理或接枝技术。然而，使用这些方法有以下缺点：(1)它们比较昂贵；(2)隔膜的亲水性不够好；和(3)导致内阻相对较高。因此，需要一种简单，低成本和可获得高质量处理结果的处理方法来使疏水性隔膜33变得具有亲水性。
处理疏水性隔膜以使其具有亲水性的技术已有多种。如美国专利4359510、4438185、6479190和20050208372教导了一种将疏水性的锂离子隔膜放在含有有机溶剂如丙酮的液体系统中处理以使其具有亲水性的方法。这些液体系统使用大量的有机溶剂，这就要求在处理期间具有高水平的预防措施，且该有机液体系统使用不便和对人体有害。本发明处理方法使用水作为溶剂。水系统容易操作且其对人体无害。另外，相关的制造成本也很低。更重的是，经水系统处理后的隔膜33更适于用在镍锌电池中。换句话说，本发明进一步提供了一种低成本高效率的隔膜33的制造方法。
该经水系统处理的隔膜33在本发明镍锌电池中使用时更加理想，因为该镍锌电池中的电解液为碱性水溶液，该隔膜33经水处理之后具有更好的电解液渗透性且其各部分分布均匀，因此该隔膜33与经有机溶剂处理的隔膜相比具有分布更加均匀的电流和更小的内阻，以此使得本发明的隔膜33适用于大功率放电。相应地，经水系统处理的该隔膜33成本较低，易于操作和生产效率高。
该复合隔膜33通过将微孔膜和电解液吸收膜粘连或干燥贴附在一起而形成，粘连剂或贴附剂为甲基纤维素(MC)、羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PV)和聚四氟乙烯(PTFE)等材料中的一种或几种，微孔膜由聚丙烯和/或聚乙烯经亲水处理制得，吸液膜由维尼纶、聚丙烯或无纺布制成。这种方法的优势在于复合膜相当于单层结构从而使该电池的组装操作更加容易，同时该方法可以保证电池的一致性和提升电池的生产效率5％～100％。
该微孔膜优选由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或两者的复合膜制成。无纺布优选由无纺的聚丙烯制成。将两种膜复合的方法优选用高频焊接。
优选地，镍正极31由氢氧化亚镍、金属镍粉和一粘合剂组成。二氧化钌和/或其它过渡金属氧化物作为添加剂添加到正极中。含有稀土氧化物的金属氧化物或氢氧化物也可能被加到正极中以改善电极的容量和存储寿命。可选地，锌的氧化物也可加到正极中以促进电荷的传递和改善高倍率放电的性能。本发明所得的正极31大大增强了传荷的效率，提高了析氧过电位，以及增强了放电深度。
优选地，锌负极32由氧化锌、金属锌粉和一粘合剂组成。三氧化二铋和/或三氧化二铟作为添加剂添加到负极中。金属氧化物或氢氧化物，如三氧化二铝，可被加到负极中而改善电极的容量和存储寿命。可选地，氢氧化钙也可加到负极中以促进电荷的传递以及改善负极的循环寿命。这样的该负极能大大地降低枝晶的产生以及增加电池的循环寿命。
尤其是，包括一壳体的该圆柱形镍锌电池的制造方法包含下述步骤：
(a)准备一镍正极和一锌负极；
(b)准备微孔复合隔膜和电解液吸收纤维层并将电解液纤维吸收层设于该微孔复合膜上；
(c)将带有该电解液吸收纤维层的该隔膜置于该正极和该负极之间；
(d)将该负极、正极和带有该电解液吸收纤维层的该复合隔膜卷制成一个电极组，其中该镍正极具有一个延伸至该电极组之外0.5～50毫米的裸露侧边且该锌负极也具有一个延伸至该电极组之外0.5～50毫米的裸露侧边；
(e)施加从外向内的压力于所述镍正极的所述裸露侧边以形成一个平的正极导电面并施加从外向内的压力于所述锌负极的所述裸露侧边以形成一个平的负极导电面；
(f)通过与负极导电面的物理性接触将一负极集电器设于该电极组的上端且通过与正极导电面的物理性接触将一正极集电器设于该电极组的低端；
(g)使用耐碱绝缘胶带将所述电极组的外侧外表面完全覆盖住以此使得所述锌负极与所述壳体完全隔离开来；和
(h)将镀有镍金属层的壳体密封起来以形成该电池。
碱性绝缘胶带由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)和尼龙(nylon)等材料中的一种或多种制成，优选由聚丙烯(PP)和/或聚乙烯(PE)制成。胶带的一侧边缘具有粘附性，其另一侧边缘非常光滑。另外，该胶带在置于80℃温度条件和40％KOH溶液中12小时，其保持稳定且其在40％KOH中的变形比例小。它可有效地使钢制外壳与负极相绝缘而避免短路和氢析出反应。
值得注意的是正负电极集电器是整合在一起的，该整合通过将负极集电器与盖帽单元相结合连接和将正极集电器与电池外壳相连接得以实现。随后该电极组和集电器或压力弹簧被压在一起。以此使得所组装的电池使整个电极组在电流传输的电流分布非常均匀，这在大功率放电中起到重要作用而非常适于高功率放电。
由于电流的均衡分布，采用这种组装方法的电池可以避免由于电流的不均衡分布所导致的极化产生。该方法可大大降低电池在充放电过程中电极的变形，同时电流的均衡分布将大大降低枝晶的产生。相应地，电池的寿命也得到极大地提高。
值得注意的是，由于在制造过程中隔膜，尤其是防枝膜，其与焊接过程相分开，这样在制造过程中隔膜层将不会被破坏或损坏。在该电池的组装过程中，隔膜和电极被一起卷绕以形成该电极组，而电极组与盖帽单元或电池外壳之间的连接将通过将集电器带突刺的面插入到该电极组中得以实现。
镍锌电池中的电流平衡是降低负极的形状改变和抑制枝晶生长的关键因素之一。其可通过电极组表面与集电器之间的良好接触得以实现。优选地，具有一定式样的镍片被设计用作正极集电器以将镍正极与该壳体相连接。而铍-铜片被设计具有一个弹簧形状以用作传输负极表面与盖帽之间的电子的桥梁。铍-铜片表面镀有一抗腐蚀镀层，该镀层由锡、锡-铜合金、银、铅和铋等抗腐蚀材料中的一种或其中的多种组成的合金组成。
值得注意的是该电极的侧边，尤其是负极的侧边，其设计式样在防止压平时的重叠而造成的厚度的增加所导致的短路中起到重要作用。在组装过程中，两个相邻的隔膜在其侧边处彼此接近并将粘合剂涂在该隔膜的表面以此使得两个相邻的隔膜被密封在一起从而使正极和负极容纳在密封性隔膜内。这种密封方式非常重要因为这样枝晶将不会在侧边生长。
本领域技术人员会明白附图中所示的内容和以上所描述的本发明实施例仅是对本发明的示例而不是限制。
由此可以看到本发明目的可被充分有效完成。用于解释本发明功能和结构原理的所述实施例已被充分说明和描述，且本发明不受基于这些实施例原理基础上的改变的限制。因此，本发明包括涵盖在附属权利要求书的权利范围和精神之内的所有修改。
Claims (20)
1.一种镍锌电池，其特征在于，包括：
一壳体，所述壳体有一外壳腔并在所述壳体的低端形成一外壳开口，其中所述壳体包括一盖帽单元和一底部单元，其中所述盖帽单元位于所述壳体的上端，所述底部单元位于所述壳体的低端将位于所述壳体低端的所述外壳开口密封以形成一密封电池外壳；
一电极组，所述电极组被密封和容纳在所述壳体内，所述电极组包括一镍正极、一锌负极和一隔膜，其中所述锌负极具有一个长的层状体以形成一主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述长的层状体被卷成一个圆柱形结构从而确定一折叠状态，在所述折叠状态，所述边沿部沿折叠线向内折叠以形成一个平面，所述平面位于所述圆柱形结构的所述边沿部的所述侧边，其中所述隔膜设于所述镍正极和所述锌负极之间并将所述镍正极和锌负极物理性地隔开；和
电解液，所述电解液被置于所述外壳腔之内以沟通所述镍正极和锌负极。
2.根据权利要求1的镍锌电池，其特征在于，所述负极的所述边沿部有一组间隙和一组连接边缘，以此使得当所述边沿部被向内折叠至所述折叠状态，所述相邻位置的连接边缘中的两个彼此相互契合以形成所述平面。
3.根据权利要求2的镍锌电池，其特征在于，所述边沿部由一组边侧单元组成，以在两个相邻的所述边侧单元之间形成一个所述间隙并在一个所述边侧单元上形成两个所述连接边缘，其中每个所述边侧单元的形状均为梯形以形成一个位于所述折叠线的第一边缘和一个位于所述第一边缘对面位置且与所述边侧单元的所述第一边缘相平行的第二边缘，其中所述第二边缘的长度小于所述边侧单元的所述第一边缘的长度，且两个所述连接边缘在每个相应的所述边侧单元的所述第一边缘和所述第二边缘之间延伸。
4.根据权利要求2的镍锌电池，其特征在于，每个所述边侧单元均以一个90度角向内折叠，以此使得所述平面在所述锌负极具有一个均匀厚度，且每个所述边侧单元的高度，其为所述边侧单元的所述第一边缘和所述第二边缘之间的距离，为0.5～50毫米。
5.根据权利要求2的镍锌电池，其特征在于，所述隔膜为一复合隔膜，所述复合隔膜有两个密封侧边，所述两个密封侧边被密封在一起以容纳所述锌负极，以此使得所述锌负极被容纳包围在所述隔膜内且所述锌负极和所述镍正极彼此完全绝缘。
6.根据权利要求4的镍锌电池，其特征在于，所述隔膜为一复合隔膜，所述复合隔膜有两个密封侧边，所述两个密封侧边被密封在一起以容纳所述锌负极，以此使得所述锌负极被容纳包围在所述隔膜内且所述锌负极和所述镍正极彼此完全绝缘。
7.根据权利要求4的镍锌电池，其特征在于，所述镍正极具有一个长的层状体以形成一主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述长的层状体被卷成一个圆柱形结构从而确定一折叠状态，在所述折叠状态，所述边沿部沿折叠线向内折叠以形成一个平面，所述平面位于所述圆柱形结构的所述边沿部的所述侧边。
8.根据权利要求5的镍锌电池，其特征在于，所述镍正极具有一个长的层状体以形成一主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述长的层状体被卷成一个圆柱形结构从而确定一折叠状态，在所述折叠状态，所述边沿部沿折叠线向内折叠以形成一个平面，所述平面位于所述圆柱形结构的所述边沿部的所述侧边。
9.根据权利要求8的镍锌电池，其特征在于，所述镍正极的每个所述边侧单元均以一个90度角向内折叠以此使得所述正极的所述平面在所述镍正极具有一个均匀厚度，且每个所述镍正极的所述边侧单元的高度，其为所述镍正极的所述边侧单元的所述第一边缘和所述第二边缘之间的距离，为0.5～50毫米。
10.根据权利要求6的镍锌电池，其特征在于，进一步包括一个连接位于所述盖帽单元和所述锌负极之间的负极集电器和一个连接所述底部单元和所述镍正极的止极集电器。
11.根据权利要求9的镍锌电池，其特征在于，进一步包括一个连接位于所述盖帽单元和所述锌负极之间的负极集电器和一个连接所述底部单元和所述镍正极的正极集电器。
12.根据权利要求10的镍锌电池，其特征在于，进一步包括一个密封圈，所述负极集电器穿过所述密封圈与所述盖帽单元相连接。
13.根据权利要求11的镍锌电池，其特征在于，进一步包括一个密封圈，所述负极集电器穿过所述密封圈与所述盖帽单元相连接。
14.根据权利要求5的镍锌电池，其特征在于，所述隔膜为通过水系统处理得到的亲水性隔膜。
15.根据权利要求8的镍锌电池，其特征在于，所述隔膜的厚度为30～60微米且所述隔膜有一组均匀分布于其上的孔，其中所述孔的孔径为30～50微米，其中所述隔膜为通过水系统处理得到的亲水性隔膜。
16.根据权利要求12的镍锌电池，其特征在于，所述隔膜的厚度为30～60微米且所述隔膜有一组均匀分布在所述隔膜的孔，其中所述孔的孔径为30～50微米，其中所述隔膜为通过水系统处理得到的亲水性隔膜。
17.一种圆柱形镍锌电池的制造方法，其中所述圆柱形镍锌电池包括一个壳体，所述壳体有一个外壳腔并形成一个位于所述壳体低端的外壳开口，所述圆柱形镍锌电池的制造方法包括以下步骤：
(a.1)准备一镍正极，其中所述镍正极具有一个长的层状体以形成一个主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述镍正极的所述边沿部为0.5～50毫米；
(a.2)准备一锌负极，其中所述锌负极具有一个长的层状体以形成一个主体部分，一边沿部和一折叠线，其中所述边沿部位于一第一边缘，所述折叠线位于所述主体部分和所述边沿部之间的连接处，其中所述锌负极的所述边沿部为0.5～50毫米；
(b)准备一微孔复合隔膜和一电解液吸收纤维层并将所述电解液吸收纤维层设于所述微孔隔膜上；
(c)将带有所述电解液吸收纤维层的所述复合隔膜设于所述镍正极和锌负极之间；
(d)将所述锌负极，所述镍正极和所述带有电解液吸收纤维层的复合隔膜卷成一个电极组，以此方式所述镍正极的所述边沿部延伸出所述电极组至一第一末端，且所述锌负极的所述边沿部延伸出所述电极组至一第二末端；
(e)从外向内将所述镍正极的所述边沿部压平以形成一个平的正极导电面并从外向内将所述锌负极的所述边沿部压平以形成一个平的负极导电面；
(f)将一负极集电器设于所述电极组的上端，以此使得所述负极集电器与所述负极导电面之间形成一个物理性接触，并将一正极集电器设于所述电极组的低端以此使得正极集电器与所述正极导电面之间形成一个物理性接触；
(g)使用耐碱绝缘胶带将所述电极组的外侧外表面完全覆盖住，以此使得所述锌负极与所述壳体完全隔离开来；和
(h)用镀镍底部单元将所述电极组密封在所述壳体的所述外壳腔中以形成所述圆柱形镍锌电池。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于，所述壳体包括一个位于所述壳体的上端的盖帽单元，其中在步骤(h)，所述负极集电器与所述盖帽单元相结合且所述正极集电器与所述底部单元相结合，且所述电极组和所述正负极集电器被压在一起。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述隔膜为通过水系统处理得到的亲水性隔膜。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，所述隔膜的厚度为30～60微米且所述隔膜有一组均匀分布于其上的孔，其中所述孔的孔径为30～50微米。
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