CN113454834A - 电化学电池垫环 - Google Patents
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Abstract
用于电化学钮扣电池中以便将该钮扣电池的阳极壳与阴极壳电绝缘的垫环包括大致管状的侧壁和多个突起。该大致管状的侧壁具有围绕纵向轴线延伸的上部和下部。该上部从该下部远离该下部地向外和向上地锥化。所述多个突起彼此间隔开并且从所述大致管状的侧壁的上部朝向所述纵向轴线径向向内地延伸。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年12月14日提交的、名称为“电化学电池垫环(ElectrochemicalCell Grommet)”的美国临时专利申请第62/780,162号的权益和优先权，该申请的内容通过引用整体结合于此。
背景技术
机电纽扣电池通常是小型单体电池，适用于电池可用空间最小的应用，如助听器、手表、计算器、起搏器和其他小型电动设备。“纽扣电池”是与电池形状相关的一般描述性术语，它是圆盘形的，像衣服的纽扣。
金属-空气电池是一种常用的钮扣电池，其具有高能量密度。金属-空气电池具有含金属的阳极和空气阴极。由待供电设备的尺寸或连接位置产生的尺寸限制会影响钮扣电池的允许尺寸，这又会限制每个电池的总容量。因为阴极的尺寸和形状在每个相应封装尺寸分类中的所有钮扣电池中通常是一致的，所以包括电介质和阳极在内的内部部件的形状和尺寸被操控以调节钮扣电池的能量容量。即使能量密度相对较高，金属-空气电池中电化学反应材料的小尺寸和有限数量也限制了电池的使用寿命。为了克服这些限制，金属-空气电池被制造成是易于更换的且是可大规模生产的。
发明内容
本发明总体上涉及一种垫环和具有垫环的机电钮扣电池。垫环用于将钮扣电池中的阳极壳和阴极壳电绝缘。垫环由介电材料构成，并包括大致管状的侧壁和从侧壁径向向内延伸的不连续的拉环。不连续的拉环阻止部件堆叠/层叠，并克服了与垫圈的大规模生产相关的几个问题，包括部件堆叠和异常的模具取出/移除。当部件在模制操作后被处理时，不连续的拉环更有效地阻止部件在彼此内的堆叠或嵌套。因为突起在单个点处具有最大的向内凸起，所以与连续的拉环相比，在电池闭合过程中需要压缩或移位的塑料量大大减少。这种结构减少了在金属壳体和金属顶部之间提供更大间隙的需求，这又使内部电池体积最大化。不连续的拉环也足以用作模制辅助物，使得当注射模具分离时，用于形成向内的突起的芯销内的金属棘爪将垫环与芯销一起拉动，使得每个垫环在完全模具分离后保持完全附接到芯销。然后可以很容易地将垫环从芯销中取出，以便进一步处理。
在一些实施例中，提供了一种用于电化学钮扣电池的垫环。垫环具有大致管状的侧壁。侧壁具有围绕纵向轴线延伸的上部和下部。上部远离下部向外和向上地锥化。多个突起从大致管状的侧壁的上部朝向纵向轴线径向向内延伸。多个突起成角度地彼此隔开。在一些示例中，所述多个突起包括至少四个突起，这些突起围绕垫环的周向成角度地与相邻突起均匀间隔开。
在一些实施例中，提供了一种电化学电池。电化学电池包括阴极、阳极和垫环。阴极包括导电的阴极壳，该阴极壳具有底壁和从底部向上延伸的侧壁。底壁和侧壁一起限定了阴极壳的空腔。阳极包括具有顶壁和从顶壁延伸的侧壁的导电的阳极壳。阳极壳的顶壁和侧壁一起限定了阳极壳的空腔。阳极壳至少部分布置在阴极壳中。阳极壳的侧壁的至少一部分与阴极壳的侧壁的至少一部分大致成相对关系。垫环具有大致管状的侧壁。侧壁具有围绕纵向轴线延伸的上部和下部。上部远离下部向外和向上地锥化。多个突起从大致管状的侧壁的上部朝向纵向轴线径向向内延伸。多个突起成角度地彼此隔开。垫环的侧壁布置在阳极壳侧壁和阴极壳侧壁的相对部分之间。
在一些实施例中，提供了一种电化学电池。电化学电池包括阴极、阳极、电化学材料和垫环。阴极包括导电的阴极壳。阳极包括至少部分布置在阴极壳内的导电的阳极壳。电化学材料设置在阳极壳内。垫环位于阴极壳和阳极壳之间，并且包括围绕纵轴延伸的大致管状的侧壁。多个彼此隔开的突起从大致管状的侧壁朝向纵向轴线径向向内地延伸。
附图说明
图1A是根据本公开的实施例的电化学钮扣电池的俯视图。
图1B是沿图1A的线1B-1B截取的图1A的电化学钮扣电池的剖视图。
图2A是存在于图1A的电化学钮扣电池中的垫环的透视图。
图2B是图2A的垫环的俯视图。
图2C是沿着图2B中的线2C-2C截取的图2A的垫环的剖视图。
图2D是图2C的剖视图的透视图。
图3A是相互堆叠的两个现有技术垫环的剖视图。
图3B是沿图3A中虚线框3B-3B截取的图3A的现有技术垫环之间相互作用的详细剖视图。
图4是图2A所示的两个垫环之间的抵抗堆叠的相互作用的详细剖视图。
图5是可以结合到图1A的电化学钮扣电池中的另一个垫环的俯视图。
具体实施方式
在转向详细示出某些示例性实施例的附图之前，应当理解，本公开不限于说明书中阐述或附图中示出的细节或方法。还应当理解，这里使用的术语仅仅是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。
参考图1A和1B，示出了根据本公开的实施例的电化学钮扣电池100。钮扣电池100是金属-空气钮扣电池，其包括容纳在导电阴极壳104中的导电阳极壳102。空气阴极组件106在电池100内覆盖/叠置阴极壳104的底壁108，并与阴极壳104电接触。可以是金属粉末(例如，锌、锂)和电解质(例如，氢氧化钾和水的溶液)的混合物的阳极材料110包含在阳极壳102内并与该阳极壳电接触。分隔件112将空气阴极组件106与阳极材料110分隔。例如，阳极壳102的顶壁114和阴极壳104的底壁108可以被电子设备的一个或多个端子接合。
阳极壳102具有顶壁114和侧壁116，侧壁116从顶壁114沿远离顶壁的方向延伸(例如，在所示的方向上向下)。在一些实施例中，侧壁116可沿远离顶壁114的方向向下和向外延伸，以限定可以接收和/或存储阳极材料110的空腔118。侧壁116和顶壁114可以一起限定大致钟形的阳极壳102。阳极壳102至少部分容纳在阴极壳104的空腔120中。在一些实施例中，阴极壳104具有大致平坦的底壁108和侧壁122，侧壁122从底壁108沿远离底壁的方向延伸(例如，在所示的方向上向上)，以限定空腔120。例如，侧壁122可与底壁108正交地远离底壁108延伸。侧壁122可以卷曲，使得侧壁122的上部124径向向内弯曲，并在底壁108的一部分的上方延伸，以将阳极壳102和垫环200保持在空腔120内，并帮助将电化学阳极材料110密封在钮扣电池100内，如下所述。
呈大致圆筒形，更具体地说呈环形的薄壁介电的(例如，不导电的)垫环200(通常也称为“垫圈”或“密封件”)使阳极壳102与阴极壳104电绝缘，以防止阳极壳102与阴极壳104直接电接触。例如，垫环200可分别设置在阳极壳102和阴极壳104的相对侧壁116、122之间。垫环200于是可在阳极壳102和阴极壳104之间形成密封，以将反应性材料封闭和固定在电池100内。在图2A-2D中更详细地示出的垫环200具有围绕纵向轴线X-X延伸的环形或大致管状侧壁202。一体形成的支脚204从管状侧壁202径向向内延伸，以限定环形肩部206，当组装电池100时，环形肩部206可以支撑阳极壳102的终端(例如，下端)126。阴极壳104的终端(例如，上)端128在阳极壳102顶部的边缘上方卷曲，以将电池100固定在其组装构型中。垫环200和钮扣电池100通常可以使用名称为“ELECTROCHEMICAL CELL GROMMET HAVING ASIDEWALL WITH A NONUNIFORM THICKNESS”的美国专利第8,003,251号中示出和描述的制造方法来形成，该专利文献的全部内容通过引用结合于此。
当电池100放电时，电池100通过形成在阴极壳104底部的开口130吸收大气氧，并通过与电解质的相互作用在空气阴极组件106中将氧转化为羟基离子。然后，羟基离子迁移到阳极材料110，在那里离子与金属阳极材料110相互作用，金属阳极材料110经历氧化反应，形成例如氧化锌，同时释放能量。氧化反应期间释放的能量可以通过阳极壳102传递到电池端子(未示出)，例如，以便为电子设备供电。
因为能量释放过程依赖于氧化电池100内包含的金属阳极材料110，所以电池100的总容量(例如，使用寿命)通常与电池100内部包含的电化学反应材料的数量(例如，阳极材料的体积)相关。由阴极壳104尺寸限制规定的每个电池单元100的有限阳极材料110储存限制使得电池单元100可能不会比它打算供电的设备寿命更长。由于可能需要几个电池单元100来在单个电子设备的寿命期间为其供电，所以电池单元100被设计成是可拆卸的、可更换的和可大规模生产的。
电池单元100的可制造性与垫环200的设计密切相关，这在图2A-2D中以附加细节示出。垫环200的轮廓被设计成便于通过注射成型工艺快速大量生产垫环200。例如，两件式芯销模具可用于由介电材料如尼龙-6,6(例如，可从杜邦公司购得的Zytel 101)制造垫环200。如下所述，可以将附加特征结合到垫环200中，以帮助有效地从模具中取出每个垫环200，并消除或减少垫环批量生产期间经常遇到的其他问题，包括部件堆叠。垫环200的前述和以下结构描述也适用于图5所示的垫环200’，其仅通过不同构造的拉环214、214’与垫环200不同，如下所述。
如前所述，垫环200具有围绕纵向轴线X-X延伸的大致管状侧壁202。大致管状侧壁202包括下部208和从下部208沿远离下部208的方向延伸的上部210。随着上部210远离下部208轴向(例如，向上)延伸，上部210远离纵向轴线X-X向外成锥形。相反，除支脚204之外，下部208可由接近恒定的半径限定。下部208的接近恒定的横截面可以在下部208和上部210之间产生拐折部212，该上部210由随着远离下部208延伸而尺寸变化(例如增加)的半径来限定。上部210相对于下部208的锥化有助于从注射成型设备中取出垫环200，并有助于在电池100组装期间将阳极壳102引导到垫环200中。在一些实施例中，侧壁202的材料厚度随着上部210远离下部208向上和向外延伸而增加，如上文讨论的且已在之前通过引用了结合到本文中的‘251专利中详细解释的那样。
不连续的拉环214形成在侧壁202的上部210中，以进一步便于从注射模具中移除垫环200。拉环214可以为芯销(未示出)提供接合点，以始终从每个注射模具的相同部分接合和取出垫环200。例如，拉环214可以接合形成在芯销中的金属棘爪。当注射成型过程完成时，沿远离模具的型腔侧的方向拉动芯销。拉环214和芯销中的金属棘爪之间的接合将每个垫环与芯销一起从模腔拉到共同的成品零件位置。垫环200然后可以从芯销中取出。成型的垫环200然后可以更容易地被收集、分类和运输，以用于钮扣电池100的组装。
不连续的拉环214由一组从管状侧壁202朝向纵向轴线X-X径向向内延伸的突起216形成。拉环214中的突起216围绕上部210与其他突起216成角度地间隔开。在一些实施例中，拉环216包括从上部210向内延伸的两个或多个突起216。例如，四个突起216可以围绕侧壁202的上部210彼此均匀隔开。可选地，如图5所示，拉环214’可以包括围绕垫环200’间隔开的六个突起216’。在一些实施例中，拉环214、214’中的每个突起216、216’的尺寸一致，并且与拉环214、214’中的每个其他突起216、216’轴向对齐。
突起216可以由具有第一端220和第二端222的基部218限定。基部218可与侧壁202的内表面重合/相符地在第一端220和第二端222之间延伸。在一些实施例中，突起216包括凸形的下表面224和凸形的上表面226。凸形的下表面224和凸形的上表面226中的每一者都在第一端220和第二端222之间延伸。下表面224从第一端220远离第一端220地延伸，并朝向管状侧壁202的下部208轴向向下弯曲。在第一端220和第二端222之间的中点228处，下表面224可以达到对应于突起216的最低点的最小值。随着下表面224从中点228向第二端222延伸，下表面224可以轴向向上弯曲，直到到达第二端222。以相反的方式，上表面226可以从第一端220远离第一端220地延伸，并且朝向垫环200的顶表面230轴向向上弯曲。在第一端220和第二端222之间的中点232处，上表面226可以达到对应于突起216的最高点的最大值。随着上表面226从中点232向第二端222延伸，上表面226轴向向下弯曲，直到到达第二端222。
边缘234可以在上表面226和下表面224之间的接合处形成在每个突起216中。在一些实施例中，边缘234由具有凸形形状的弧限定。例如，边缘234可从第一端220远离第一端地朝着纵向轴线X-X径向向内地并朝着第二端222地弯曲。边缘234向内延伸至局部最大值处236，其可形成在第一端220和第二端222之间的中点处。局部最大值处236可以对应于突起216上的最内点(例如，最靠近纵向轴线)。边缘234然后可以远离局部最大值处236地弯曲，径向向外地弯曲到第二端222。在一些实施例中，突起216的边缘234在第一端220和第二端222之间形成弦。
下表面224、上表面226和边缘234的组合可以使每个突起216具有大致三角形的横截面。如果边缘234具有凸形的形状，如上所述，每个突起216的横截面随着其从侧壁202远离侧壁202地向内延伸而变化。每个突起216的横截面随着其从第一端220远离第一端220地延伸而尺寸增加，直到其达到局部最大值处236。突起216的横截面在局部最大值处236处最大，这也在侧壁202的上部210上产生了最大材料厚度的位置。例如，最大材料厚度的位置的厚度可以是上部210上除突起216之外的任何位置的厚度的约1.2至2.0倍，或者约1.4至1.7倍。当接近第二端222时，突起216的横截面尺寸减小。
不连续的拉环214中的每个突起216之间的角间距可以取决于每个突起的尺寸。在一些实施例中，每个突起216的第一端220和第二端222围绕侧壁202成角度地彼此间隔开约5度至约60度。例如，每个端部220、222可以成角度地间隔开20度至40度，或者约30度。例如，当四个突起216组成不连续的拉环214时，每个局部最大值处236可以与每个相邻的最大值处236成角度地间隔开大约90度。如果六个突起216’组成不连续的拉环214’，如图5所示，每个局部最大值处236可以与每个相邻的最大值处成角度地间隔大约60度。在一些实施例中，不连续的拉环214中的突起216可以与相邻的突起216可变地/距离不同地间隔开。
突起216可以减少或防止部件的嵌套，否则当从注射模具中取出垫环200时，或者当运输或以其他方式准备用于钮扣电池100组装的垫环200时，可能会发生部件的嵌套。如图3A和3B所示，嵌套是制造现有技术垫环和钮扣电池时经常遇到的问题。即使拉环304从侧壁302远离侧壁302地延伸出，垫环300的下部306也有卡在另一个垫环300的上部308中或与之嵌套的趋势。嵌套的垫环300导致制造和组装过程的效率低，因为在纽扣电池可以组装之前必须花费时间来单独分离垫环300。
嵌套通常发生在现有技术的垫环300内，因为在连续的拉环304的直径和每个垫环300的下部306之间存在最小量的干涉(例如，重叠)。增加拉环304的尺寸不是可行的解决方案，因为连续的拉环304的直径限制了可容纳在垫环300内的阳极壳102的尺寸，这又限制了使用垫环300生产的最终纽扣电池的容量。拉环304的连续性质也加强了整个拉环304和垫环300的侧壁302，这降低了每个垫环300的弹性/灵活性，并进一步限制了阳极壳(例如阳极壳102)的可用尺寸。通过围绕整个垫环300延伸，拉环304还增加了每个垫环300的上部308的圆度。每个垫环300的上部308和下部306两者中的圆度产生了近乎互补(near-complimentary)的形状，这甚至进一步增加了组件嵌套发生的可能性。
突起216可以通过在垫环200之间产生额外的干涉来防止或大大降低嵌套在垫环200中的可能性，而不会显著牺牲垫环200内的阳极壳容量。如图4所示，突起216位于顶面230附近，这限制了另一个垫环200能够进入每个垫环200的上部210的程度。突起216径向向内延伸，以在每个局部最大值处236处产生与另一个垫环200的支脚204的最大干涉的离散的点。每个局部最大值处236产生垫环200之间的最大干涉点，该最大干涉点是连续的拉环304与现有技术垫环300之间的干涉的2.5到3.0倍。例如，垫环200、300各自具有大致相同的阳极壳容量，而垫环200提供大约0.0081英寸的干涉，而垫环300仅提供0.0030英寸的干涉。
通过突起216的轮廓保持了垫环200的阳极壳容量，该轮廓提供比拉环304更大的屈曲。因为拉环214是不连续的，所以在电池闭合(即钮扣电池100组装)期间需要压缩的介电材料(例如尼龙-6,6)的总体积被明显最小化，并且不会影响阳极壳102和阴极壳104之间所需的间隙。每个突起216中的材料没有被围绕整个垫环200的连续的环加强，因此压缩每个突起216可以被局部化，从而不压缩侧壁202的围绕每个相应突起216的部分。通过从垫环200的上部210去除连续的加强环，上部210作为一个整体在垫环300上保持了额外的弹性/灵活性，这允许拉环214之间明显更大的干涉，而基本上不牺牲阳极壳102的容量。
拉环214的不连续性质还在上部210中引入或允许有限量的椭圆度(即，非圆形度)，以进一步防止嵌套。因为每个突起216彼此隔开，所以上部210的延伸部分没有被加强，这可以允许上部2110松弛成比使用连续拉环304的现有技术垫环300更椭圆的形状。通过在每个垫环200的下部208和上部210之间产生稍微不匹配的垫环200形状，上部210的椭圆度可以进一步防止与其他垫环200嵌套，否则可能易于嵌套。更圆形的下部208和更椭圆形的上部210之间的差异在每个垫环200的更圆形的下部208和上部210之间产生额外的干涉，这进一步阻止嵌套。使用不连续的拉环214，垫环200可以被有效地制造、运输和组装到钮扣电池100中，同时降低了部件嵌套的可能性。
如在此所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似的术语旨在具有与本公开主题所属领域的普通技术人员共同接受的用法相一致的广义含义。阅读本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许说明描述的和要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限制在所提供的精确数值范围内。因此，这些术语应被解释为表明所描述和要求保护的主题的非实质性或非重要性的修改或变更被认为在所附权利要求中所述的公开内容的范围内。应该注意的是，这里用来描述各种实施例的术语“示例性的”及其变体旨在表示这些实施例是可能的实施例的可能的示例、表示或说明(并且这些术语并不意味着这些实施例必然是特别的或最高级的示例)。这里使用的术语“联接”及其变体是指两个构件直接或间接地彼此连接。这种连接可以是静止的(例如，永久的或固定的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种连接可以通过两个构件直接相互联接来实现，其中两个构件使用单独的干涉构件和相互联接的任何附加的中间构件相互联接，或者两个构件使用干涉构件相互联接，该干涉构件与两个构件中的一个整体形成为单个整体。如果“联接”或其变体被附加术语修改(例如，直接联接)，则上面提供的“联接”的一般定义被附加术语的普通语言含义修改(例如，“直接联接”意味着两个构件在没有任何单独的干涉构件的情况下被连接)，导致比上面提供的“联接”的一般定义更窄的定义。这种联接可以是机械的、电的或流体的。这里对元件位置(例如，“顶部/上”、“底部/下”、“上方”、“下方”)的引用仅用于描述附图中各种元件的取向。应当注意，根据其他示例性实施例，各种元件的取向可以不同，并且这种不同旨在被本公开所包含。
Claims (20)
1.一种垫环，该垫环用于电化学钮扣电池中，以便将该钮扣电池的阳极壳与阴极壳电绝缘，该垫环包括:
大致管状的侧壁，该大致管状的侧壁具有围绕纵向轴线延伸的上部和下部，该上部从该下部远离该下部地向外和向上地锥化；和
多个突起，所述多个突起彼此间隔开并且从所述大致管状的侧壁的上部朝向所述纵向轴线径向向内地延伸。
2.根据权利要求1所述的垫环，其中，所述多个突起包括四个突起。
3.根据权利要求2所述的垫环，其中，所述多个突起包括六个突起。
4.根据权利要求2所述的垫环，其中，所述多个突起中的每个突起均与相邻的两个突起成角度地间隔开大致相等的量。
5.根据权利要求1所述的垫环，其中，每个突起均从所述上部向内凸出地延伸。
6.根据权利要求5所述的垫环，其中，每个突起均朝向所述纵向轴线向内地延伸，以限定顶点，该顶点位于距所述纵向轴线的局部最小距离处。
7.根据权利要求1所述的垫环，其中，所述多个突起中的至少一个突起由三角形横截面形状限定。
8.根据权利要求7所述的垫环，其中，所述多个突起中的每一者的横截面均随着其远离该大致管状的侧壁地向内延伸而变化。
9.根据权利要求1所述的垫环，其中，支脚从该大致管状的侧壁的下部向内地延伸。
10.根据权利要求1所述的垫环，其中，所述垫环由介电材料形成。
11.根据权利要求1所述的垫环，其中，所述上部的材料厚度随着其远离所述下部地延伸而增大。
12.根据权利要求11所述的垫环，其中，每个突起的顶点的轴向位置限定出所述上部中的最大材料厚度位置。
13.根据权利要求1所述的垫环，其中，所述多个突起中的每个突起均彼此轴向对齐。
14.根据权利要求1所述的垫环，其中，每个突起均包括外边缘，所述外边缘限定位于所述大致管状的侧壁中的弦。
15.根据权利要求1所述的垫环，其中，每个突起均由包括第一端和第二端的基部限定，该第一端和该第二端沿该大致管状的侧壁的上部成角度地间隔开约15度至约45度。
16.根据权利要求15所述的垫环，其中，所述第一端和所述第二端成角度地间隔开约30度。
17.一种电化学电池，其包括:
阴极，其包括导电的阴极壳，该阴极壳具有底壁和从该基底向上延伸的侧壁，该底壁和该侧壁一起限定该阴极壳的空腔；
阳极，其包括导电的阳极壳，该阳极壳具有顶壁和从该顶壁远离该顶壁地延伸的侧壁，该阳极壳的顶壁和侧壁一起限定该阳极壳的空腔，该阳极壳至少部分地布置在该阴极壳中，该阳极壳侧壁的至少一部分与该阴极壳的侧壁的至少一部分大致成相对关系；和
位于该阴极壳的侧壁和该阳极壳的侧壁之间的垫环，该垫环包括：
大致管状的侧壁，该大致管状的侧壁具有围绕纵向轴线延伸的上部和下部，该上部从该下部远离该下部地向外和向上地锥化；和
多个突起，所述多个突起彼此间隔开并且从所述大致管状的侧壁的上部朝向所述纵向轴线径向向内地延伸。
18.根据权利要求17所述的电化学电池，其中，所述多个突起包括四个突起。
19.根据权利要求18所述的电化学电池，其中，所述多个突起包括六个突起。
20.一种电化学电池，其包括:
阴极，该阴极包括导电的阴极壳；
阳极，该阳极包括导电的阳极壳，该阳极壳至少部分地布置在该阴极壳内；
布置在该阳极壳内的电化学材料；和
位于该阴极壳和该阳极壳之间的垫环，该垫环包括:
大致管状的侧壁，该大致管状的侧壁围绕纵向轴线延伸；和
多个突起，所述多个突起彼此间隔开并且从所述大致管状的侧壁朝向所述纵向轴线径向向内地延伸。
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