CN114639901A - 用于纽扣电池电极的保持件和设有这种保持件的电池 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，提供了适用于接收纽扣电池的片电极（10）的导电保持件（1）。该保持件（1）包括底部部分（3），该底部部分（3）优选为圆形形状的，以便能够同轴地装配在纽扣电池（11）的罐形端子（12）内。保持件还包括直立的壁部分（2）。底部部分（3）是平的并且设有穿过底部部分的整个厚度的多个孔（4）。根据优选实施例，至少一组孔（4）绕底部部分的中心在360°的跨度上以规则的角度间隔分布。优选地，两个相邻孔之间的底部部分的固体材料条与相邻孔的尺寸相比是窄的，以便为片电极提供机械支撑，并且还能够在电极（10）的体积膨胀的影响下变形。本发明同样涉及设有根据本发明的保持件（1）的纽扣电池（11）。
Description
技术领域
本发明涉及纽扣形电池，特别是用于这样的电池的阴极的支撑装置。
背景技术
纽扣形电池是众所周知的，其也简称为“纽扣电池”或“纽扣电池单体（buttoncell）”。使用各种各样的类型的纽扣电池，其区别在于各种各样的尺寸，以及在于用于电极和电解质的材料。用于诸如腕表等低压电器的通常使用的类型常称为“CR”型电池，C表示电极的化学性质，而R表示电池的圆形形状。CR电池包括锂基阳极和包含作为活性材料的二氧化锰的阴极。电解质可是固体或液体有机材料。其他材料组合是已知的，其具有各种各样的其他字母代码，诸如BR、SR等。
CR电池的阴极通常是以通过压紧粉末混合物制造的片（tablet）形式，该粉末混合物包括活性材料、粘剂（binder）、碳和/石墨以降低内阻、以及其他添加剂。根据一项众所周知的技术，将混合物压制成在底部处带有网的片形状。添加网以增加片的强度，并且以提供在片和金属罐之间的更好的电接触，该金属罐位于片下方并且其形成电池的正极端子。
在放电期间，由于从阳极迁移的锂离子的进入，片膨胀。随着片中锂离子的量的增加，片在所有方向上膨胀。这种膨胀导致的问题包括：
- 失去与网的接触：网压制到片上而没有任何粘合剂。随着片的膨胀，粉末在网上的抓持变得较松，并且两者最终发生分离。
- 当片在放电期间膨胀时，消耗由金属锂制成的阳极。在理想情况下，阴极片在高度方向上的膨胀速度大于锂阳极缩退的速度，从而维持两个电极之间的导电通路。但是，由于就片的膨胀方向不存在限制，片不仅在高度方向上增长，而且在径向方向上也增长。这导致朝向锂阳极的膨胀速度减慢，最终导致失去电极之间的导电通路。
这些问题的已知解决方案是应用金属环而不是网，其中片被压制在环内。在放电期间，环形成壁，该壁引导片仅在高度方向上朝向阳极膨胀，从而保持阳极和阴极之间的导电通路。然而，由于环仅沿其圆周支撑片，因此现在片在放电期间更可能朝向正极罐在远离阳极的方向上向膨胀。这种膨胀将片自身推靠着罐，将环抬离罐，导致失去阴极和罐之间的电接触。
已经提出了其他环设计以缓解这些特定问题，包括不具有开口底部但在环的底部上设有格栅的环，例如在专利公开文本CN103606684和CN203553277中公开的。在这些稍后的示例中，由平行的条组成的格栅呈现出交错的图案，该条相对于环的底部平面反复向内和向外弯曲。在片压制期间，条的向内弯曲的部分自身可嵌入到粉末中，从而增加片的强度。条的向外弯曲部分与罐直接接触并表现出一定程度的弹性，这使得片和罐之间能够保持良好的接触。然而，在放电期间片的膨胀仍然可能引起问题。而且，当在制造工艺期间将片压制到这种类型的环中时，将粉末压制在一起所需的力直接施加在向内和向外弯曲的部分上。除非环是由具有非常高强度的金属制成的，否则这些部分可变平，从而减少或消除交错图案的预期有益效果。另一问题在于，当片的材料以粉末形式应用并压制到环中时，交错的图案可导致粉末混合物的填充不佳，从而导致片中的空隙。此外，交错的条呈现3D形状，这需要复杂的冲压工艺来制造环，这可增加制造工艺的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供对上述问题的解决方案。该目的通过根据所附权利要求的电极保持件和电池实现。
根据本发明，提供了一种导电保持件，其适用于接收被压制到该保持件中的纽扣电池的片电极。保持件包括底部部分，该底部部分优选为圆形形状，以便能够同轴地装配在纽扣电池的罐形端子内。保持件还包括直立的壁部分，该壁部分执行与现有技术的环型保持装置相同的功能。底部部分是平的并且设有穿过底部部分的整个厚度的多个孔（aperture）。根据优选实施例，至少一组孔绕底部部分的中心在360°的跨度上以规则的角度间隔分布。优选地，两个相邻孔之间的底部部分的固体材料条与相邻孔的尺寸相比是窄的，以便为片电极提供机械支撑，并且还能够在电极的体积膨胀的影响下变形。本发明同样涉及设有根据本发明的保持件的纽扣电池，以及包括根据本发明的保持件和被压制到该保持件中的电极片的组件。
根据本发明的保持件是易于制造的并且能够压紧电极片而不产生空隙。窄条的变形改善了保持件和电池的罐形端子之间的接触。孔确保液体电解质的优化吸收。
附图说明
图1图示了根据本发明实施例的用于CR电池的阴极片的保持件。
图2a和2b图示了图1的保持件，其带有插入于其中的阴极片。
图3a和3b图示了CR电池，其配备有图1和图2的保持件和片。
图4a至4d示出了根据本发明的保持件的替代设计。
图5a至5c示出了根据本发明实施例的另外的替代保持件设计。
具体实施方式
图1图示了根据本发明实施例的用于纽扣电池的片形阴极的保持件1。保持件包括壁部分2和底部部分3，底部部分是平的并且是圆形形状的，并且设有5个具有相等直径的圆孔4，这些孔4绕底部部分3的中心5在360°的跨度上以规律的角度间隔分布。壁部分和底部部分二者均由导电材料形成，优选地为在电池内环境下机械、化学和电化学稳定的金属，例如，不锈钢（诸如304、316）、铝、镍和大多数贵金属。底部部分3和壁部分2形成一体件，其例如可通过本领域已知的冲压技术制造。
壁部分2从底部部分3的边缘升起，并且优选地相对于底部部分3的平面垂直定向。因此壁部分2呈现为环，该环配置为将阴极片的材料保持在其内部中。底部部分3的直径具有与标准CR型电池的尺寸一致的量级，例如在1和2 cm之间。在示出的实施例中，孔4的直径使得在相邻孔之间的固体材料区域与孔的尺寸相比是窄的。根据优选实施例，并且如图1中图示的，在两个相邻孔4之间的每个区域包括至少一个位置或子区域，其中在两个相邻孔之间的最短距离小于沿与所述最短距离相同的方向测量的两个孔的宽度。在图1的实施例中，在每对圆孔4之间的最短距离是恒定值，在图中以w1指示。在这种情况下，上述条件是w1小于沿与w1相同的方向测量的距离w2。优选地，w1显著小于w2，例如小于w2的一半、或小于w2的1/3、或小于w2的1/4。该特定特征的优点将在本文中进一步解释。
使用用于压制粉末混合物（如介绍中所描述的，粉末混合物包含活性阴极材料、粘剂和其他添加剂）的压紧技术，阴极片被压制到保持件中。可应用本领域已知的用于将片压制到上文描述的网或环型保持装置之一中的压紧技术。结果图示在图2中。在所示实施例中，压紧的片10填满壁部分2的内部空间并被压制到孔4中，使得片材料基本上与保持件1的底部表面齐平。如图示的，片10可稍微延伸到壁部分2的上缘之上。
图3a和3b示出了配备有阴极保持件1的CR电池11，其中阴极片10被压制在保持件1中。该图表示电池11在其电池寿命开始时，即在电极发生任何显著体积变化之前。保持件1位于形成电池正极端子的罐12内，其中保持件1的底部部分3接触罐12的底部。如上文描述的，压紧的片材料填充孔4，并且因此与罐12的底部物理接触。然而这不是本发明的要求。尤其是当应用较小的孔4时，片材料可以不完全填充孔，使得片不与罐12直接接触。在任何情况下，主要是片保持件1的导电材料保证了片10和罐12之间的电传导。如附图中示出的实施例中的情况，在孔4中的片材料和罐12之间可发生直接电传导，但这不是必需的。
在片10之上是分隔件板13，其将阴极片10与位于分隔件板13上方的锂阳极14隔开。阳极14覆盖有金属盖15，金属盖15形成电池的负极端子。电绝缘垫圈16插入在罐12的外缘和盖15之间，有效地将正极端子和负极端子分开并使电池11的内部与外部大气隔绝。
分隔件13可是层压到片10上的固体电解质板，在这种情况下，片10还包括与活性材料混合在一起的固体电解质。替代地，电池可包括液体电解质。在这种情况下，片10浸在这种液体电解质中并且分隔件13可是多孔聚合物膜，该分隔件13本身是电绝缘的，但可吸收液体电解质以便将锂离子从阳极14传导到阴极10.
分隔件板13、罐12和盖15、垫圈16以及用于电极10和14的材料的细节可是依照已知电池类型的。然而，如下文所述的，阴极保持件1与已知电池相比是新颖的并且提供了许多非显而易见的优点。
保持件1不包括3D图案，诸如在CN103606684和CN203553277中描述的交错图案。这允许使用更简单的冲压技术来制造保持件，而3D图案则需要多步冲压方法。缺乏3D图案还保证了压紧步骤中片形状和尺寸的一致性。此外，光滑的底部部分避免了不同保持件纠缠在一起，使保持件在制造工艺中更容易处理。可通过本领域已知的切割技术制造孔4。
而且，提供带有孔4的底部部分3的平的表面不会导致在压制片期间压紧的粉末混合物不完全填充保持件1。片由此一致地填充保持件1并且没有空隙的出现。
如上所述，在底部部分3的相邻孔4之间，该底部部分3优选地包括导电材料条，该条与孔4本身的尺寸相比是窄的。根据优选实施例，这种“窄”由图1中图示的距离w1和w2量化，其中w1<w2，或w1<1/2w2、或w1<1/3w2、或w1<1/4w2。一方面，孔4之间的窄条支撑片并保持其机械稳定性。另一方面，由于这些条与底部部分的其他部分相比是窄的，其最有可能在放电期间发生的片体积膨胀的影响下变形。这种变形是有利的，因为这使条朝向罐12弯曲，并且由此使其推靠着罐，确保保持良好的电接触。考虑到片10的直径和厚度以及所应用的材料，设计孔4的尺寸和形状是简单的，使得在放电期间发生上述条朝向罐12的弯曲。w1的最小值由保持件的材料的强度和弹性决定。材料必须能够在放电期间拉伸并保持与杯（cup）的接触而不会破裂。
当使用液体电解质时，在安装在罐12中之前片10可浸在电解质中，然后添加过量的液体电解质。保持件1的底部部分3中的孔4允许该过量电解液由片10不仅从顶部而且从底部和侧面吸收（如在图1至图3中，如果片在壁部分之上延伸），从而确保电解质优化地吸收到片中。
本发明不限于图1至图3中所示的实施例。孔4的形状可不同于圆形，并且孔的数量可是在两个和考虑到片的尺寸可适用的任何实际数量之间的任何数量。图4a至4b图示了替代实施例，每次示出保持件的底部部分3的平面图。在图4a中，孔4是派（pie）形的，在每对相邻孔之间具有恒定宽度的窄条。清楚的是，该实施例反映了至少在一个位置处两个相邻孔之间的最短距离w1显著小于在相同方向上测量的距离w2的特征。图4b图示了具有梯形孔4的实施例。再次指示了距离w1和w2，示出在相邻孔之间的区域在至少一个位置中是窄的。在图4c和4d中，在角度间隔开的孔4之外，还存在位于中心的孔4'。在中心孔4'和其他孔4中的一个之间的固体材料条的“窄”是通过距离w1'与周围孔4和4'的直径w2'相比确定的。
本发明也不限于CR电池，而是可应用于本领域已知的任何类型的纽扣电池。
根据已经描述的实施例，至少一组孔4绕底部部分3的中心5在360°的跨度上以相等的角度间隔规则分布，而中心孔4'可添加或不添加到角度间隔开的孔。虽然这代表了优选实施例组，但本发明还包括其中孔随机分布、以及随机定形状、或以矩形阵列而不是角度阵列布置的实施例。在这些实施例中，优选地也是在相邻孔之间的材料条是窄的，更优选地在至少在一个位置处在两个相邻孔4之间的最小距离较小，优选地显著小于沿与所述最小距离相同的方向测量的孔的尺寸。图5a和5b图示了多个这样的替代布置的孔组。然而，本发明还覆盖其中不满足窄条（w1<w2）的特征的实施例，例如如在图5c中那样。在这种情况下，保持件仍然表现出许多上述优点，诸如更容易制造，以及与使用液体电解质相关的优点。
技术上详述的示例和对比试验
示例1
CR电池制备有由电解二氧化锰、石墨、炭黑、氢氧化锂、聚四氟乙烯和其他添加剂组成的阴极。在阴极充分混合后，将其压制成片。制备两组片，一组带有不锈钢制成的网，而另一组带有如图1中示出的不锈钢保持件。片的厚度控制在彼此的±2%以内。
然后使用完全相同的组装过程将这些阴极组装成电池。电池单体组装之后，这些电池使用3.32 kOhm电阻器放电直到2.0 V的终止电压。
带有不锈钢网的电池每克阴极活性材料释放245.7 mAh的容量，而构筑有保持件的电池每克阴极活性材料产生285.0 mAh的容量。（通过150 Ohm电阻的电阻器的1秒脉冲所测量的）初始内阻在使用网时为18.8 Ohm，而在使用保持件时为10.1 Ohm。
示例2
CCR电池制备有由电解二氧化锰、石墨、炭黑、氢氧化锂、聚四氟乙烯和其他添加剂组成的阴极。在阴极充分混合后，将其压制成片。制备两组片，一组带有不锈钢制成的网，而另一组带有如图1中示出的不锈钢保持件。片的重量控制为尽可能接近。片的重量之间的差异控制为不超过±2%。
然后使用完全相同的组装过程将这些阴极组装成电池。电池单体组装之后，这些电池使用3.32 kOhm电阻器放电直到2.0 V的终止电压。
带有不锈钢网的电池每克阴极活性材料释放256.4 mAh的容量，而构筑有保持件的电池每克阴极活性材料产生264.3 mAh的容量。（通过150 Ohm电阻的电阻器的1秒脉冲所测量的）初始内阻在使用网时为15.4 Ohm，而在使用保持件时为13.3 Ohm。
从这些示例中清楚的是，使用根据本发明的保持件降低了电池的内阻。因此，活性物质可以更高的效率放电，并且实现更好的利用。
尽管在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述认为是说明性的或示例性的而不是限制性的。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可理解和实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除复数。仅凭某个措施记载在互不相同的的从属权利要求中这一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应解释为对保护范围的限制。
Claims (9)
1.一种导电的保持件（1），其用于保持被压制到所述保持件中的纽扣电池的片形电极（10），所述保持件包括底部部分（3）和从所述底部部分的边缘区域向上升起的环形的壁部分（2），其特征在于，所述底部部分（3）是平的并且包括多个孔（4、4'）。
2.根据权利要求1所述的保持件（1），其包括至少一组孔（4），所述孔（4）的形状和大小相等并且绕所述底部部分（3）的中心（5）在360°的跨度上以规则的角度间隔分布。
3.根据权利要求2所述的保持件（1），其还包括与所述底部部分（3）的所述中心（5）重叠的孔（4'）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的保持件（1），其中位于两个相邻孔（4；4、4'）之间的所述底部部分（3）的固体材料区域与所述两个相邻孔的尺寸相比是窄的。
5.根据权利要求4所述的保持件（1），其中位于两个相邻孔（4；4、4'）之间的所述底部部分（3）的每个区域包括至少一个位置或子区域，在所述至少一个位置或子区域中，在所述两个相邻孔之间的最短距离（w1）小于在与所述最小距离相同的方向上测量的所述两个相邻孔的每一者的宽度（w2）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的保持件（1），其中至少若干所述孔（4、4'）具有圆形形状。
7.一种组件，其包括根据前述权利要求中任一项所述的保持件（1）和被压制到所述保持件中的电极片（10）。
8.一种纽扣电池（11），其包括根据前述权利要求中任一项所述的保持件（1），所述保持件包括被压制到所述保持件中的片形阴极（10），所述电池包括罐（12）、盖（15）、分隔件板（13）和阳极（14），并且其中所述保持件（1）放置成其底部部分（3）与所述罐（12）的底部物理接触，而所述分隔件板（13）和所述阳极（14）放置在所述阴极（10）上方。
9.根据权利要求8的纽扣电池，其中所述电池是锂离子电池。
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