CN114514630A - 具有高功率密度的小形状因子电池 - Google Patents

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Abstract

一种基本单元结构包括界定延伸穿过其的开口的容纳环。容纳环的内壁界定基本单元容积体的周边界限。容纳环在周边界限处提供液体不可渗透的外壳。第一组活性颗粒被设置在第一基本单元结构的基本单元容积体中以形成阳极单元。第二组活性颗粒被设置在第二基本单元结构的基本单元容积体中以形成阴极单元。阳极单元和阴极单元被组装在一起，其中隔板被设置在阳极单元和阴极单元之间。在组件上设置两个电极板，一个电极板邻近阳极单元并且一个电极板邻近阴极单元，以分别提供阳极电极板和阴极电极板，阳极电极板和阴极电极板被设置在组件的相对外侧面上。

Description

具有高功率密度的小形状因子电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月25日提交的且题为SMALL FORM-FACTOR BATTERY WITHHIGH POWER DENSITY的美国临时专利申请第62/905,950号的优先权和权益，该美国临时专利申请为了所有目的通过引用以其整体并入本文。
背景
领域。本说明书的实施方案涉及电池。更具体地，本说明书的实施方案涉及电池和用于制造具有小形状因子(form factor)和高的每单位容积容量的电池的方法。
在许多应用中，特别是那些用于小型或难以导航的环境中的应用中，期望具有拥有小形状因子的便携式电源(例如，电池)。然而，在减小电池尺寸的同时保持电池容量是持续的挑战。此外，制造具有小形状因子的电池的方法面临许多挑战。
简述
本说明书的实施方案提供了用于具有高容量的小形状因子电池的装置、系统和制造方法。该电池包括至少一个阳极和至少一个阴极。
在本说明书的方面中，电池由具有包括活性颗粒的活性部件(active component)的多层结构构成。
在实施方案中，活性颗粒是超细的。可以使用具有小于500nm的平均活性颗粒尺寸的纳米粉末来形成活性部件。活性颗粒被高度压实，就像在制造的电池中呈现的那样。
在实施方案中，基本单元结构(base cell structure)包括容纳环(containmentring)，所述容纳环界定延伸穿过容纳环的开口。容纳环可以具有环形形状。围绕开口的容纳环的内壁界定基本单元容积体的周边界限。容纳环在基本单元容积体的周边界限处提供液体不可渗透的外壳。第一组活性颗粒被设置在第一基本单元结构的基本单元容积体中以形成阳极单元。第二组活性颗粒被设置在第二基本单元结构的基本单元容积体中以形成阴极单元。阳极单元和阴极单元被组装在一起，其中隔板被设置在阳极单元和阴极单元之间。在组件上设置两个电极板，一个电极板邻近阳极单元并且一个电极板邻近阴极单元，以分别提供阳极电极板和阴极电极板，阳极电极板和阴极电极板被设置在组件的相对外侧面上。
在实施方案中，阴极容纳环和/或阳极容纳环包括聚合物层，该聚合物层提供水分屏障，同时为生物化学惰性的和耐化学性的。
在实施方案中，基本单元结构包括容纳环和在容纳环的每个侧面上的粘着剂层的环形层压体。环形层压体的内壁界定基本单元容积体的周边界限。
在实施方案中，基本单元结构界定基本单元容积体，该基本单元容积体可以填充有活性颗粒以形成阳极单元或形成阴极单元。换句话说，阳极单元是包含与阳极相关联的颗粒的基本单元结构，并且阳极单元界定其中设置有活性颗粒的阳极单元容积体；类似地，阴极单元是包含与阴极相关联的活性颗粒的基本单元结构，并且阴极单元界定其中设置有活性颗粒的阳极单元容积体。
在实施方案中，电池被构造为干燥组件，并且包括一个或更多个开口，以允许在构造干燥组件之后将电解质溶液注入或输注到电池中。为了方便起见，阳极单元和阴极单元在已经添加电解质之后在本文中分别被称为阳极和阴极。
在实施方案中，可以在干燥组件储存一段时间后添加电解质，以保持保存期限。
在实施方案中，包含在阳极单元内的活性颗粒和包含在阴极单元内的活性颗粒具有小于1μm的平均粒度。
在实施方案中，包含在阳极单元内的活性颗粒和包含在阴极单元内的活性颗粒具有小于500nm的平均粒度。
在实施方案中，包含在阳极单元和/或阴极单元内的活性颗粒具有小于100nm的平均粒度。
在实施方案中，包含在阳极单元和/或阴极单元内的活性颗粒具有小于50nm的平均粒度。
在实施方案中，包含在阳极单元内的活性颗粒包含氧化银，并且包含在阴极单元内的活性颗粒包含锌。
在实施方案中，包含在阴极单元内的活性颗粒包含聚合物粘合剂。聚合物粘合剂的实例是聚环氧乙烷。
在实施方案中，包含在阴极单元内的活性颗粒包含90％-99％的锌，其中活性颗粒的其余部分为聚合物粘合剂。
在实施方案中，电池是高消耗氧化银电池(high-drain silver oxide battery)，其具有包括平均粒度小于100nm的锌纳米粉末的阴极和包括平均粒度小于500nm的氧化银纳米粉末的阳极。
在实施方案中，阳极活性颗粒和阴极活性颗粒的总颗粒质量等于或小于4mg，并且阳极和阴极的容纳环或环形层压体的内壁(界定相应的单元容积体)具有约1.27mm(或约0.05英寸)的高度和横跨相应单元容积体的约3.81mm(或约0.15英寸)的测量值(例如，直径)。
在实施方案中，阳极活性颗粒和阴极活性颗粒的总颗粒质量等于或小于4mg，并且阳极和阴极的容纳环或环形层压体的内壁(界定相应的单元容积体)具有约101μm(或约0.004英寸)的高度和横跨相应单元容积体的约3.81mm(或约0.15英寸)的测量值(例如，直径)。
在实施方案中，阳极活性颗粒和阴极活性颗粒中的每一个的颗粒质量等于或小于4mg，并且阳极和阴极的容纳环或环形层压体的内壁(界定相应的单元容积体)具有约101μm(或约0.004英寸)的高度和跨过相应单元容积体的约3.81mm(或约0.15英寸)的测量值(例如，直径)。
在实施方案中，粘着剂层被设置在阴极容纳环的相对侧面和阳极容纳环的相对侧面上。粘着剂层促进阴极容纳环和阳极容纳环与隔板(例如，薄膜隔板)的相应侧面以及相应的阴极电极板和阳极电极板的结合。多种结合部可以作为单元在组件上基本上同时形成，或者可以在制造期间在一系列步骤中形成。
在实施方案中，热活化的粘着剂层被设置在阴极容纳环的相对侧面和阳极容纳环的相对侧面上。热活化的粘着剂层促进阴极容纳环和阳极容纳环与薄膜隔板的相应侧面以及相应的阴极电极板和阳极电极板的结合。多种结合部可以通过将热量施加到组件而作为单元基本上同时形成，或者可以通过将热量单独施加到组件的部分而在一系列步骤中形成。
在实施方案中，压力活化的粘着剂层被设置在阴极容纳环的相对侧面和阳极容纳环的相对侧面上。压力活化的粘着剂层促进阴极容纳环和阳极容纳环与薄膜隔板的相应侧面以及相应的阴极电极板和阳极电极板的结合。多种结合部可以通过将压力施加到组件而作为单元基本上同时形成，或者可以通过将压力单独施加到组件的部分而在一系列步骤中形成。
在实施方案中，在一个侧面上具有耐化学粘着剂的绝缘封装层可以被附接至每个电极板。每个绝缘封装层比电极板大，使得在向电池添加电解质之后，可以通过将绝缘封装层(其重叠)彼此联接来密封电池的周边。
在实施方案中，端盖被定位成邻近电极板。在实施方案中，端盖大于电极板，使得端盖可以在电池的其余部分上弯曲并围绕电池的其余部分形成，以封装电池。在实施方案中，不是使用端盖来形成封装物，而是在端盖上和在电池的其余部分上施加单独的封装物。
在实施方案中，阳极电极板和/或阴极电极板包括镍，粘着剂层是热活化的并且包括乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，并且隔板包括Cellophane P00。
在实施方案中，电池的形状因子具有小于5.08mm(或约0.20英寸)的外周边直径和小于0.38mm(或约0.015英寸)的厚度。
在实施方案中，根据本公开内容的实施方案的小形状因子电池通过以下来制造：提供具有共同界定第一单元容积体的内周边和高度的第一容纳环，将粘着剂层设置在第一容纳环的相对侧面上并且将第一电极板设置成邻近粘着剂层中的一个；将活性颗粒填充到第一单元容积体中；提供具有共同界定第二单元容积体的内周边和高度的第二容纳环，将粘着剂层设置在第二容纳环的相对侧面上并且将第二电极板设置成邻近粘着剂层中的一个；将活性颗粒填充到第二单元容积体中；以及将具有相应的粘着剂层的第一容纳环和第二容纳环组装在隔板的相对侧面上，使得第一电极板和第二电极板在组件的相对侧面上。
在实施方案中，根据本公开内容的实施方案的小形状因子电池通过以下来制造：提供第一环形层压体，该第一环形层压体包括第一容纳环，该第一容纳环具有共同界定第一单元容积体的内周边和高度，并且还包括在第一容纳环的相对侧面上的粘着剂层；将第一电极板设置成邻近第一环形层压体；将活性颗粒填充到第一单元容积体中；提供第二环形层压体，该第二环形层压体包括第二容纳环，该第二容纳环具有共同界定第二单元容积体的内周边和高度，该第二容纳环具有在该第二容纳环的相对侧面上的粘着剂层；将第二电极板设置成邻近第二环形层压体；将活性颗粒填充到第二单元容积体中；以及将第一环形层压体和第二环形层压体组装在隔板的相对侧面上，使得第一电极板和第二电极板在组件的相对侧面上。
下面参照所附附图更全面地描述本发明的这些以及其他实施方案和方面的另外的细节。
附图简述
图1图示出了根据实施方案的利用本说明书的技术的电池的分解配置的透视图。
图2图示出了根据实施方案的呈组装配置的图1的电池的透视图。
图3A图示出了根据实施方案的如沿着线A-A观察的图2的电池的截面侧视图。
图3B图示出了根据实施方案的图3A的区域B的放大视图。
图4A至图4O图示出了根据实施方案的用于图1、图2、图3A和图3B的电池的制造工艺的示意图。
图5是图示出根据本公开内容配置的电池的台架性能(bench performance)的图。
具体实施方式
在讨论本公开内容的高容量小形状因子电池的细节之前，为了读者方便，提供了一些约定。
在本文中，对于标准单位可以使用多种缩写，诸如分升(dl)、毫升(ml)、微升(μl)、国际单位(IU)、厘米(cm)、毫米(mm)、纳米(nm)、英寸(in)、千克(kg)、克(gm)、毫克(mg)、微克(μg)、毫摩尔(mM)、摄氏度(℃)、华氏度(℉)、毫托(mTorr)、小时(hr)或分钟(min)。
当在本公开内容中使用时，术语“例如(e.g.)”、“诸如(such as)”、“例如(forexample)”、“对于一个实例(for an example)”、“对于另一个实例(for anotherexample)”、“...的实例(examples of)”、“通过实例的方式”和“等”指示一个或更多个非限制性实例的列表在前面或后面；应当理解，未列出的其他实例也在本公开内容的范围内。
如本文使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”、和“该(the)”可以包括复数指示物。除非明确说明，否则以单数提及一个对象并不意图意指“一个或仅一个”，而是意指“一个或更多个”。
术语“在实施方案中”或其变形(例如，“在另一种实施方案中”或“在一种实施方案中”)在本文中是指在一种或更多种实施方案中使用，并且在任何情况下都不将本公开内容的范围限于仅如图示的和/或描述的实施方案。因此，本文关于实施方案图示和/或描述的部件可以被省略，或者可以在另一种实施方案中使用(例如，在本文图示和描述的另一种实施方案中，或者在本公开内容的范围内并且在本文中未图示和/或描述的另一种实施方案中)。
术语“部件(component)”在本文中是指共同构成所讨论的装置、配制物或系统的一组一个或更多个项目中的一个项目。部件可以呈固体、粉末、凝胶、等离子体、流体、气体或其他形式。例如，装置可以包括组装在一起以构造装置的多个固体部件，并且还可以包括设置在装置中的液体部件。对于另一个实例，配制物可以包括两种或更多种粉末部件和/或流体部件，它们混合在一起以制成配制物。
术语“设计(design)”或其语法变形(例如，“设计(designing)”或“设计的(designed)”)在本文中是指有意并入到设计中的特性，例如，基于与设计有关的公差的估计(例如，部件公差和/或制造公差)和预期设计所遇到的环境条件的估计(例如，温度、湿度、外部环境压力或内部环境压力、外部机械压力或内部机械压力、外部机械压力应力或内部机械压力应力、产品的年龄或保存期限，或者，如果设计被引入到体内，生理、身体化学、流体或组织的生物组成、流体或组织的化学组成、pH、物种、饮食、健康、性别、年龄、祖先、疾病或组织损伤)；应当理解，在递送之前和/或之后的实际公差和环境条件可以影响这样的设计特性，使得具有相同设计的不同部件、装置、配制物或系统可以相对于那些设计的特性具有不同的实际值。设计还涵盖对设计的变化或修改，以及在制造后实施的设计修改。
与部件、装置、配制物或系统相关的术语“制造(manufacture)”或其语法变形(例如，“制造(manufacturing)”或“制造(manufactured)”)在本文中是指制造或组装部件、装置、配制物或系统。制造可以全部或部分地通过手工和/或全部或部分地以自动化方式进行。
术语“构造(structured)”或其语法变形(例如，“结构(structure)”或“构造(structuring)”)在本文中是指根据概念或设计或其变形或其修改(无论这样的变形或修改发生在制造之前、制造期间还是制造之后)制造的部件、装置、配制物或系统，无论这样的概念或设计是否被记载在书面材料中。
术语“基本上”和“约”在本文中被用来描述和说明小的变化。例如，当与数值结合使用时，该术语可以指小于或等于±10％，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％或小于或等于±0.05％的值的变化。
如本文使用的，数字范围包括在该范围内的任何数字，或者如果子范围内的最小数字和最大数字落在该范围内，则包括任何子范围。因此，例如，“<9”可以指任何小于9的数字，或任何子范围的数字，其中子范围的最小值大于或等于零，而子范围的最大值小于9。在本文中还可以以范围格式呈现比率。例如，在约1至约200的范围内的比率应被理解为包括约1和约200的明确列举的限值，并且还包括诸如约2、约35和约74的单独的比率，以及诸如约10至约50、约20至约100等等的子范围。
现在继续关于高容量小形状因子电池的讨论。本说明书的实施方案提供了用于具有高的每单位容积容量的小形状因子电池的装置、系统和制造方法。电池使用呈干燥形式的纳米粉末来实现。如本文使用的术语纳米粉末是指包含纳米尺度的纳米颗粒(例如，无定形或结晶形式)的粉末材料。
干燥形式的纳米粉末可以在将纳米粉末设置在电池中之前被压实成期望的形状，可以在将纳米粉末设置在电池中之前被部分压实和在将纳米粉末设置在电池中期间或之后被部分压实，或者可以在将纳米粉末设置在电池中期间或之后被压实。
图1图示出了利用本说明书的技术的电池10的分解配置的透视图。如图1中图示的电池10包括13层；然而，可以使用更多或更少的层。图2图示出了呈组装配置的电池10的实施方案。图3A和图3B以截面图图示出了电池10的配置的实施方案。
电池10优选地被设定尺寸以具有紧凑的形状因子(例如，对于图2中图示的实施方案，厚度为约0.5mm并且直径为约5mm)。应当理解，根据特定的应用或用途，本说明书的电池10可以被缩放到任何数目的尺寸。
在图1、图2、图3A和图3B中图示的电池10的圆形外部形状可以是如特定用途所需的另一种形状。其他形状的实例包括矩形、六边形、八边形、具有或不具有相等长度侧面的其他多边形形状、椭圆形或其他规则或不规则形状。在实施方案中，以类似于电池10的方式构造的电池包括延伸穿过整个组件的开口，使得电池可以围绕柱或其他突起定位，或者使得部件可以移动到开口中或移动通过开口。
参照图1，电池10包括由屏障层隔开的阳极单元和阴极单元。阳极单元和阴极单元各自由界定基本单元容积体的基本单元结构形成，并且干燥的、压实的活性颗粒被设置在基本单元容积体中。在图1的实施方案中的基本单元结构是容纳环20。阳极单元包括其中设置有活性颗粒的第一基本单元结构12。阴极单元包括其中设置有活性颗粒的第二基本单元结构14。对于每个基本单元结构，内部粘着剂层18a和外部粘着剂层18b被定位在容纳环20的相对侧面上。
在实施方案中，每个基本单元结构被设置为由粘着在容纳环20的相对侧面上的内部粘着剂层18a和外部粘着剂层18b形成的环形层压体，并且环形层压体界定基本单元容积体，活性颗粒被设置在基本单元容积体中以形成阳极单元或阴极单元。
隔板16提供在阳极单元和阴极单元之间的屏障层。第一电极板22被定位成邻近阳极单元的外部粘着剂层18b，并且第二电极板22被定位成邻近阴极单元的外部粘着剂层18b。端板24被定位成邻近每个电极板22。
在实施方案中，隔板16包括多孔材料以允许离子在阳极和阴极之间通过。在实施方案中，隔板16包括多孔材料以允许电解质在阳极和阴极之间通过。在实施方案中，隔板16包括亲水性材料。在实施方案中，隔板16包括非常薄的膜(例如，25.4μm或0.001英寸厚)，该薄膜包含亲水性的多孔材料。在实施方案中，隔板16包括Cellophane P00(来自Futamura,USA Inc.)。隔板16可以包括上文描述的材料之外的另外的材料或替代材料。
第一基本单元结构12或第二基本单元结构14的活性颗粒在如所制造的电池10内形成活性部件形状(如图1的分解图中的相应盘形状所指示的)，并且活性部件形状具有将与电解质接触的表面积。
通常，可以通过增加活性部件形状的表面积，诸如通过增大单元容积体，来增加电池的容量；然而，这对于降低电池的尺寸的目标来说将是相反的。
如在本公开内容中所提供的，可以在不增大单元容积体的情况下增加电池10的容量。由如设置在电池10中的活性颗粒12或14形成的活性部件形状受所使用的基本单元结构的单元容积体的限制；然而，如本公开内容中所描述的，第一基本单元结构12和/或第二基本单元结构14的单独的活性颗粒的表面积与容积的比率本身可以增加电池10的容量。因此，第一基本单元结构12和第二基本单元结构14的活性颗粒为非常细的颗粒，这提供相应的电解质将接触的表面积的显著增加。在实施方案中，第一基本单元结构12和第二基本单元结构14的活性颗粒是具有小于1μm的平均粒度的干燥的压实颗粒。
第一基本单元结构12和第二基本单元结构14的活性颗粒可以在被设置在基本单元容积体中之前和/或之后被压实，以获得相应的阳极单元或阴极单元。
在实施方案中，阳极的第一基本单元结构12的活性颗粒包括具有小于500nm的平均粒度的氧化银(例如，Ag(I)O)粉末。虽然500nm是目前通常可在商业上获得的Ag(I)O的最小平均粒度，但应当理解，Ag(I)O的替代形式可以变成在商业上获得，或者可以开发一种工艺，以获得具有小于500nm以及甚至显著更小的平均粒度的Ag(I)O。除了Ag(I)O之外或Ag(I)O的替代形式，还可以适当地使用其他阳极材料，特别是那些可用于或可加工到纳米粉末粒度的阳极材料。粒度越小，每个颗粒的表面积与体积的比率变得越大，并且在给定容积中可以设置的颗粒越多。因此，纳米颗粒的使用提供了活性部件和电解质之间的总接触表面积的增加，并且因此电池的容量越高。
在实施方案中，阴极的第二基本单元结构14的活性颗粒包括具有小于100nm的平均粒度的锌粉。与第一基本单元结构12的活性颗粒一样，可以在可用时和在可用的情况下使用更小的平均粒度的纳米颗粒(例如，小于50nm)。
在实施方案中，阴极的第二基本单元结构14的活性颗粒包括与聚合物粘合剂混合的锌粉，以帮助粘合锌粉并且有助于处理和压缩该粉末。在实施方案中，第二基本单元结构14的活性颗粒的组合物为90％-99％的锌，其余部分为聚合物粘合剂。例如，在实施方案中，第二基本单元结构14的活性颗粒的组合物为95％的锌和5％的聚合物粘合剂；在实施方案中，这样的活性颗粒的组合物为95％的锌和5％的聚环氧乙烷(PEO)。在制造方法的实例中，将PEO添加到呈干燥形式的锌粉中并与该锌粉混合，并且然后对混合物施加压力，产生锌粉和PEO粉末的压力诱导的结合。除了锌和PEO之外或锌和PEO的替代形式，还可以适当地使用其他阴极材料，特别是那些可用于或可加工到纳米粉末粒度的阴极材料。
本文公开的电池配置和制造方法，尽管适合于形成许多类型的电池和使用许多类型的活性部件，但特别适于容纳小于50nm的干燥纳米颗粒。例如，本文公开的制造方法特别适合于压实和限制呈干燥形式(例如，不在浆料中或不在液体或电解质的存在下)的纳米颗粒，以用致密堆积的纳米颗粒填充阳极单元和阴极单元。
电池10的层状结构被配置成有助于制造工艺，并且特别是有助于阳极和阴极的纳米粉末在电池10的形状因子的小限制内的分布和压实。
在实施方案中，一个或两个容纳环20包括薄的聚合物层，该聚合物层提供也是生物化学惰性和耐化学的水分屏障。
在实施方案中，一个或两个容纳环20包括聚氯三氟乙烯(PCTFE)膜(例如，诸如由HONEYWLL INTERNATIONAL,INC.以商品名ACLAR制造的)。
在实施方案中，容纳环20各自具有101μm(或约0.004英寸)的设计高度，并且活性颗粒12或14被示出大致延伸到相应容纳环20的高度。在其他实施方案中，容纳环20具有小于101μm或大于101μm的高度，以适应第一基本单元结构12或第二基本单元结构14的活性颗粒的期望的质量和密度。在实施方案中，阳极单元的容纳环20具有与阴极单元的容纳环20不同的高度。
阴极单元和阳极单元由容纳环20界定，并且还由在一个侧面(内侧面)上的共用隔板16和在相对侧面(外侧面)上的一对电极板22界定。在实施方案中，隔板16具有25.4μm的设计厚度。在实施方案中，每个电极具有25.4μm的设计厚度。还预期了隔板16和电极板22的其他厚度。
在实施方案中，容纳环20具有如图1图示的环形形状、阳极活性颗粒和阴极活性颗粒共同的设计的总颗粒质量为4mg，容纳环20的内壁(界定相应的单元容积体)具有d＝3.81mm(或约0.15英寸)的设计直径，并且阳极单元和阴极单元中的每一个具有h＝101μm的设计高度(例如，阳极单元和阴极单元中的每一个的设计容积V为V＝πr2h＝π(d/2)2h，并且第一基本单元结构12或第二基本单元结构14的活性颗粒的平均密度为D＝质量/2V)。该实施方案通过实例的方式被提供，并且平均密度将取决于第一基本单元结构12和第二基本单元结构14的活性颗粒的特定材料、用于阳极单元的基本单元结构的尺寸和形状、用于阴极单元的基本单元结构的尺寸和形状、以及用于第一基本单元结构12和/或第二基本单元结构14的活性颗粒的压缩量、以及其他变量而变化。此外，取决于多种相同或不同的变量，第一基本单元结构12的活性颗粒的密度可以显著不同于第二基本单元结构14的活性颗粒的密度，并且第一基本单元结构12和第二基本单元结构14的活性颗粒的密度可以显著不同于平均密度。
在实施方案中，电极板中的至少一个包括镍。可以另外地或可选择地使用其他金属或金属合金或其他导电材料。在实施方案中，电极板中的至少一个包括在至少一个侧面上包覆有银的镍。
在实施方案中，内部粘着剂层18a和外部粘着剂层18b被定位在容纳环20的相对表面上。在图1中所示的实施方案中、粘着剂层18a和18b具有环形形状。在实施方案中，粘着剂层18a和18b具有25.4μm(或约0.001英寸)的设计厚度；还预期了其他厚度。如图1所示，内部粘着剂层18a界定一个或更多个槽或端口26，该槽或端口26有助于将电解质插入到单元中，所述插入可以在电池10的制造期间进行，或者可以在省略电解质的电池10结构的制造之后进行。
粘着剂层18a被配置成使容纳环20相对隔板16的移动最小化。粘着剂层18b被配置成使容纳环20相对电极板22的移动最小化。在实施方案中，粘着剂层18a和/或18b中的一个或更多个的一个或更多个侧面具有高摩擦表面以使移动最小化。在实施方案中，粘着剂层18a和/或18b中的一个或更多个的一个或更多个侧面包括粘着剂，该粘着剂可以包括热活化的粘着剂或压力活化的粘着剂。在实施方案中，粘着剂层18a和/或18b中的一个或更多个的一个或更多个侧面包括乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)。
电池10用端板24加盖，端板24可以是电绝缘的和液体不可渗透的。在图1的实施方案中所示的配置中，每个端板24包括孔28，以提供与电极板22的电接触，并且在该实施方案中，端板24是环形的，使得孔28大致居中。还预期了其他配置。尽管在每个端板24中示出了孔28，但在其他实施方案中，导电片(未示出)可以从电极板22中的一个沿着电池10的壳体或封端物(例如，在外部、内部或内)延伸到邻近电极板22中的另一个的端板24，使得可以通过单个端板24经由一个或更多个孔28与两个电极板22接触。
图2图示出了电池10包括封端物30的实施方案，封端物30可以由单独的部件形成，或者可以由端板24形成。在实施方案中，端板24可以包括具有粘着剂背衬(未示出)的绝缘层或者已经附接该绝缘层，其中绝缘层具有比电极板22和容纳环20更大的直径，使得它可以覆盖在电池10的多个层上并且可以被形成为用于电池10的绝缘屏障。在实施方案中，两个端板24包括这样的绝缘层或已经附接这样的绝缘层，并且当覆盖时，绝缘层彼此重叠并彼此粘着和/或粘着到电池10的层，以形成用于电池10的绝缘屏障。如所形成的绝缘屏障，无论形成何种形式，可以是柔韧的，或者可以是非柔韧的(例如，坚固的或固体的)。在实施方案中，绝缘屏障形成密封电池10的封端物。在实施方案中，在绝缘屏障上形成封端物。封端物30可以包括相同或不同材料的一层或多个层。在实施方案中，封端物的材料包括具有包覆有耐化学粘着剂层的一个侧面的聚(偏氯乙烯)层。封端物30优选地具有高的液体不可渗透性，并且是化学惰性的，以便在化学品的存在下不分解。在实施方案中，电池10被配置成植入体内或在身体的腔内行进，并且因此被配置成承受体液并与体液生物相容，所述体液包括胃肠道系统中发现的酸或其他流体。
图3A图示出了根据一种或更多种实施方案的电池10沿图2的线A-A的截面图。图3B是图3A的区域B的放大图。如图3A和图3B所示，电池10包括层的堆叠同心对齐。端板24可以形成外层，并且端板24中的一个或两个可以被进一步成形或以其他方式构造(例如，与其他材料结合)以形成包覆物，以便包覆整个结构的厚度。隔板16将形成阳极单元的电池10的层与形成阴极单元的层隔开。阳极单元包括同心地设置在容纳环20内的第一基本单元结构12。内部粘着剂层18a被设置在阳极单元的容纳环20和隔板16之间。外部粘着剂层18b被设置在用于阳极单元的容纳环20和电极22之间。如由一些实施方案所描述的，阳极单元的端板24包括孔28，以提供到22的电通路。
阴极单元包括与容纳环20同心地设置的第二基本单元结构14。阴极单元还包括设置在相应的容纳环20和隔板16之间的外部粘着剂层18b。另外，相应的内部粘着剂层18a被设置在阴极单元的容纳环20和电极22之间。如由一些实施方案所描述的，阴极单元的端板24还可以包括孔28，以提供到相应电极22的电通路。
参照图3A，电池10的各层的同心布置由所指示的长度图示。容纳环20包括长度(或直径)35，其中长度37表示容纳环20的内部的空隙。电极22可以包括长度36，以便在容纳环的一部分上延伸。用于保持相应的阳极活性颗粒和阴极活性颗粒的第一基本单元结构12和第二基本单元结构14具有长度39，该长度39小于空隙的长度37，使得每个基本单元结构被同心地保持在相应的阳极单元和阴极单元的相应容纳环内。
如所提到的，颗粒可以在被设置在基本单元结构中之前或之后被压实，以形成阳极单元或阴极单元。层状结构诸如图1、图3A或图3B中图示的电池10特别适合于任一种技术。在实施方案中，颗粒被压实到期望的形状和尺寸，并且被设置在基本单元容积体中。在实施方案中，颗粒被压实到中间形状和尺寸，被设置在基本单元容积体中，并且在基本单元容积体内被进一步压实以符合基本单元容积体的尺寸和形状。在实施方案中，颗粒被设置在基本单元容积体中，并被压实一次或更多次以获得在基本单元容积体内颗粒的期望密度；在实施方案中，颗粒可以在压实之间添加。
图4A-图4O图示出了可以被实施用于制造本说明书的电池10的实施方案的制造工艺的实施方案的示意图。
图4A图示出在框410处，提供了粘着剂层的两个片40、45和结构材料的片50(其将形成容纳环20，例如，诸如由FIONEYWLL INTERNATIONAL,INC以商品名ACLAR制造的材料)。从俯视图示出了片40、45和50。尽管从俯视图示出为具有大致相同的尺寸，但片40、45、50可以不具有相同的尺寸；在实施方案中，片40、45、50不具有相同的尺寸；在实施方案中，片40、45、50不具有相同的尺寸，并且在进行工艺400之前被切割成具有相同的尺寸；在实施方案中，片40和片45表示粘着剂层的单个片的不同部分。尽管示出为矩形并且具有比宽度尺寸大得多的长度尺寸，但是片40、45、50可以是任何形状并且具有任何尺寸。
图4B图示出了在框415处，将槽60切割(例如，通过激光切割工艺)到片45的一个侧面(槽60将变成电池10的孔26)。片45在俯视图中示出。槽60可以部分地或完全地延伸穿过片45。虚线环形环65表示将在工艺400期间形成的多个基本单元结构中的一个(参见例如图示出基本单元结构85的框435)。尽管示出为环形环65的一行乘八列阵列，但更一般地，可以存在多行和多列，它们可以对齐或可以不对齐。槽60可以完全地延伸穿过待形成的基本单元结构，如关于环形环65所指示的(以便在电池10的相对侧面上形成两个孔26)，或者可以替代地仅延伸到环形环的中心部分中(以便在电池10中形成单个孔26)。还预期了槽60的其他形状(以便形成一个或更多个孔26)。例如，槽60可以是Y形或T形(以便在电池10中形成三个孔26)、十字形或X形(以便在电池10中形成四个孔26)、星形或任何其他形状。
图4C图示出了在框420处，为了有助于防止槽60在进一步加工期间被填充，耐热材料46的薄片可以被定位成覆盖槽。如果需要，可以在电池10的制造期间的稍后时间去除材料46。片45和材料46的组合形成中间结构70。在实施方案中，材料46包括聚(乙烯醇)(PVA)，其是亲水性的，因此可以用作芯以促进电解质的进入。
图4D图示出了在框425处，如在侧视图中看到的，片40被定位成邻近片50。本实施方案中的片40包括背衬41和粘着剂42。在实施方案中，粘着剂42是热活化的粘着剂，并且将热量施加到背衬41以将片40粘着到片50。在实施方案中，粘着剂42是压力活化的粘着剂，并且将压力施加到背衬41以将片40粘着到片50。片40和片50的组合形成中间结构75。
图4E图示出了在430处，中间结构75被翻转，并且中间结构70被定位成邻近中间结构75。在该实施方案中，并入到中间结构70中的片45包括背衬43和粘着剂44(例如，包括EVA)。在实施方案中，粘着剂44是热活化的粘着剂，并且将热量施加到背衬43以将中间结构70粘着到中间结构75。在实施方案中，粘着剂44是压力活化的粘着剂，并且将压力施加到背衬43以将中间结构70粘着到中间结构75。中间结构70和中间结构75的组合形成中间结构80。
图4F图示出了在框435处，中间结构80被切割以形成多个基本单元结构85。在实施方案中，背衬41和/或43在切割之前被去除。在实施方案中，背衬41和/或43在切割之后被去除，直接在工艺400之后或在稍后阶段。
图4G图示出了在框440处，一个基本单元结构85在左侧的透视图中被示出，并且示出在右侧的平面图中通过线86被翻转。基本单元结构85包括容纳环20(由片50形成)，在一个侧面上具有内部粘着剂层18a(由中间结构70形成)和在另一个侧面上具有外部粘着剂层18b(由片40形成)。一个孔26(由槽60形成)从内部粘着剂层18a的外侧周边向内侧周边延伸。对于上下文示出了单个孔26；然而，如上文讨论的，可以根据需要包括另外的孔26。在该实施方案中，孔26不延伸穿过内部粘着剂层18a的厚度。
图4H图示出了在框445处，电极板22被粘着到第一基本单元结构85。
图4I图示出了在框450处，端板24被定位成邻近电极板22或粘着到电极板22附近以形成子组件95。在工艺400的实施方案中，将使用子组件95的两个实例来形成电池10，被称为子组件95和子组件96。在其他实施方案中，子组件95和子组件96不是按照相同的设计构造的。在实施方案中，如框450所示，获得已经组装的子组件95和/或子组件96，并且然后组合以形成电池10。
图4J图示出了在框455处，子组件95和96被倒置。子组件95界定空腔97，并且子组件96界定空腔98。
图4K图示出了在框460处，空腔97填充有活性颗粒(例如，氧化银的纳米粉末)以形成阳极单元，并且空腔98填充有活性颗粒(例如，包括锌的纳米粉末)以形成阴极单元。如果以粉末形式设置，则用于阳极单元的活性颗粒和/或阴极单元的活性颗粒被夯实和/或压实以大致均匀地填充相应的空腔97和/或空腔98。
图4L图示出了在框465处，在与电极板22相对的侧面上，在子组件95或子组件96的粘着剂层18a上设置隔板16，并且可以将隔板粘着到该粘着剂层18a。
图4M图示出了在框470处，子组件95和子组件96以这样的方式在它们之间用隔板16连接在一起，使得两个子组件95、96的粘着剂层18a邻近隔板16，以形成电池10’。
对于热活化的或压力活化的粘着剂层18a、18b，当需要时，包括在框470处，可以在工艺400的一个或更多个阶段分别使用热量或压力。
图4N图示出了在框475处，将电解质99a引入到阳极单元中以获得阳极，并且将电解质99b引入到阴极单元中以获得阴极。电解质99a和电解质99b可以是相同或不同的物质。在实施方案中，电解质99a和电解质99b是相同的物质，氢氧化钾薄片(干燥的苛性钾无水KOH，84％-92％)与水以100μl水对82g的KOH的比率混合。
在实施方案中，电解质99a和/或电解质99b通过注入被引入。在实施方案中，电池10’的干燥组件(框470)经历真空，并且然后当真空被去除时浸入电解质99a或99b，使得电解质99a或99b被吸取到阳极单元和/或阴极单元中。
在粘着剂层18a是亲水性材料(例如，粘着剂层18a包括PVA)或者包括亲水性材料(例如，粘着剂层18a包括PVA)的实施方案中，亲水性材料可以通过芯吸作用经由孔26的小限制促进电解质99a和/或电解质99b的进入。
电池10’可以任选地在没有电解质99a的情况下和/或在没有电解质99b的情况下在干燥状态下储存持续一段时间。在使用之前，然后引入电解质。
图4O图示出了在框480处，诸如关于图2描述的封装物30被设置在电池10’上以形成电池10。电池10可以包括端口(未示出)以允许进入孔26，以在封装之后引入电解质99a和/或99b。
如通过工艺400可以看到的，多个(例如，n＝36、n＝64、n＝80、n＝500或更多个)隔板部件或多个基本单元结构的产生可以(但不一定)同时形成。
工艺400可以被改变或修改。例如，可以在粘着剂层18a或18b中的任一层中产生孔26，可以顺序地或同时地产生阴极单元或阳极单元，或者可以在被填充有活性颗粒之前将基本单元结构附接到隔板。
图5示出了电池放电曲线的实例，其图示出了根据本说明书构造的电池的台架性能。电池的开路电压为1.56V。图5中的曲线示出了跨过500欧姆负载的1.47伏(V)的稳定电压持续约30分钟的时间段，指示约1.47毫安时(mA-h)或约5.29库仑的电池容量。这些结果是在具有约5.08mm直径和约381μm高度的微小外部尺寸的小形状因子电池(省略端盖22和封端物或壳体)中实现的。
在根据本说明书构造的另一个电池的台架测试中，在具有约5.08mm直径和约381μm高度的微小外部尺寸的小形状因子电池(省略端盖22和封端物或壳体)中，电池输出为约10mA。
根据本说明书构造的电池的实施方案满足对于特定应用给出的以下要求：电压等于或大于1.2伏，电流等于或大于10mA，负载为500欧姆，容量为0.5mA-h或更大，并且形状因子小于5.08mm直径和小于381μm高度。
为了说明和描述的目的，已经呈现了对本发明的多种实施方案的前述描述。不意图将本发明限制于所公开的精确形式。对本领域技术人员来说，许多修改、变化和改进将是明显的。例如，装置的实施方案可以被设定尺寸并以其他方式适于多种应用。此外，本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规的实验确定本文描述的特定的装置和方法的许多等效物。这样的等效物被认为是在本发明的范围内并且被以下所附权利要求覆盖。
来自一种实施方案的元件、特性或作用可以容易地与来自其他实施方案的一个或更多个元件、特性或作用重新组合或替换，以形成在本发明的范围内的许多另外的实施方案。此外，在多种实施方案中，示出或描述为与其他元件组合的元件可以作为独立元件存在。因此，本发明的范围不限于所描述的实施方案的细节，而是仅由所附权利要求限制。

Claims (25)

1.一种小形状因子电池，包括：
阳极单元，其包括界定穿过其的开口的第一容纳环，且围绕所述开口的所述第一容纳环的壁界定阳极单元容积体，所述第一容纳环包括液体不可渗透的材料；
阴极单元，其包括界定穿过其的开口的第二容纳环，且围绕所述开口的所述第二容纳环的壁界定阴极单元容积体，所述第二容纳环包括液体不可渗透的材料；
阳极活性颗粒，其被设置在所述阳极单元容积体中并且具有小于1μm的平均粒度；
阴极活性颗粒，其被设置在所述阴极单元容积体中并且具有小于1μm的平均粒度；
隔板，其被设置在所述阳极单元和所述阴极单元之间；和
两个电极板，一个电极板被设置在与所述隔板相对的所述阳极单元上并且一个电极板被设置在与所述隔板相对的所述阴极单元上。
2.根据权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性颗粒和所述阴极活性颗粒具有小于500nm的平均粒度。
3.根据权利要求2所述的电池，其中所述阳极活性颗粒或所述阴极活性颗粒具有小于100nm的平均粒度。
4.根据权利要求2所述的电池，其中所述阳极活性颗粒或所述阴极活性颗粒具有小于50nm的平均粒度。
5.根据权利要求2所述的电池，其中所述阳极活性颗粒包含氧化银。
6.根据权利要求2所述的电池，其中所述阴极活性颗粒包含锌。
7.根据权利要求6所述的电池，其中所述阴极活性颗粒还包含聚合物粘合剂。
8.根据权利要求7所述的电池，其中包含在所述阴极单元容积体内的所述活性颗粒包含90％-99％的锌，其中其余部分为聚合物粘合剂。
9.根据权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性颗粒或所述阴极活性颗粒被压实并且呈干燥形式。
10.根据权利要求1所述的电池，其中所述阳极活性颗粒和所述阴极活性颗粒的总颗粒质量等于或小于4mg，并且由所述第一容纳环和所述第二容纳环界定的所述开口各自具有3.81mm的直径和约101μm的高度。
11.根据权利要求1所述的电池，还包括用于添加电解质的一个或更多个端口。
12.根据权利要求1所述的电池，还包括绝缘封装层。
13.根据权利要求1所述的电池，其中所述阴极容纳环和/或所述阳极容纳环包括聚合物层，所述聚合物层提供水分屏障，同时为生物化学惰性的和耐化学性的。
14.根据权利要求13所述的电池，其中所述聚合物层包括聚氯三氟乙烯(PCTFE)膜。
15.根据权利要求1所述的电池，其中所述电池的所述形状因子包括小于约5.1mm的外周边直径和小于381μm的厚度。
16.一种制造小形状因子电池的方法，包括：
提供第一环形层压体，所述第一环形层压体包括第一容纳环，所述第一容纳环具有共同界定第一单元容积体的内周边和高度，并且还包括在所述第一容纳环的相对侧面上的粘着剂层；
将第一电极板设置成邻近所述第一环形层压体；
将第一活性颗粒填充到所述第一单元容积体中；
提供第二环形层压体，所述第二环形层压体包括第二容纳环，所述第二容纳环具有共同界定第二单元容积体的内周边和高度，所述第二容纳环具有在所述第二容纳环的相对侧面上的粘着剂层；
将第二电极板设置成邻近所述第二环形层压体；
将第二活性颗粒填充到所述第二单元容积体中；和
将所述第一环形层压体和所述第二环形层压体组装在隔板的相对侧面上，使得所述第一电极板和所述第二电极板在组件的相对侧面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一活性颗粒和所述第二活性颗粒具有小于500nm的平均粒度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一活性颗粒或所述第二活性颗粒具有小于100nm的平均粒度。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一活性颗粒或所述第二活性颗粒具有小于50nm的平均粒度。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一活性颗粒包含氧化银。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二活性颗粒包含锌。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第二活性颗粒还包含聚合物粘合剂。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第二活性颗粒包含90％-99％的锌，其中其余部分为聚合物粘合剂。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括将呈干燥形式的所述第一活性颗粒和所述第二活性颗粒压实。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一活性颗粒和所述第二活性颗粒的总颗粒质量等于或小于4mg，并且所述第一单元容积体和所述第二单元容积体由3.81mm直径的单元周边和127μm的单元高度界定。
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