CN1153309C - 电化学电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种电化学电池，包括：具有闭合底端和开口顶端的容器；位于容器内的第一电极，第一电极具有基本上与容器内壁相一致的外圆周且具有设在其中的非圆柱形空腔；位于第一电极的非圆柱形空腔内的第二电极，第一、第二电极提供形状沿电池长度变化的界面面积；位于第一和第二电极之间的隔板；及装配到容器开口顶端的盖密封组件。本发明还涉及一种电化学电池的制造方法，包括以下步骤：提供具有开口端的外壳；把第一电极设置在外壳内，该电极内具有空腔以容纳全部或部分第二电极，该空腔的形状使得在电极之间的界面处比相同体积的规则柱体产生更大的表面面积；及在电极之间设置隔板。

Description

电化学电池及其制造方法
技术领域
本发明总体涉及电化学电池，尤其涉及增大了阳极-阴极界面面积的电化学电池。
背景技术
通常采用电化学电池来为电动装置、特别是便携式电动装置提供电压。目前，较普遍的传统碱性电池是工业标准尺寸的、大体为圆柱形的市售电池，包括D-，C-，AA-，AAA-，AAAA-型号电池以及其它型号和结构。例如上述圆柱形的电化学电池通常用于提供预定的开路电压。
传统的圆柱形碱性电池通常具有圆柱形钢外壳，在一端设有正极盖而在相对端设有负极盖。圆柱形电池具有正极，通常称为阴极，通常由二氧化锰、氢氧化钾溶液、水和其它添加剂形成，形成在圆柱形钢外壳的内侧表面周围。杯形隔板围绕阴极内侧表面位于外壳内部圆柱形体积的中心。负极，通常称为阳极，由锌粉末、胶凝剂和其它添加剂形成，与电解液一起位于隔板内。上述圆柱形电池通常称为筒管形电池，其例子之一已在US-A-5501924中披露。
上述圆柱形电池的传统筒管形电池具有包含在钢外壳内的且由杯形隔板隔开的单个圆柱形阳极和单个阴极。阴极通常布置成相邻于钢外壳的内侧壁，同时阳极位于阴极内的圆柱形空腔中。相应地，传统电池具有通常由阳极和阴极的形状和尺寸限定的圆柱形阳极-阴极界面表面面积。对于传统圆柱形电池，阳极-阴极界面面积近似等于在阴极内形成的圆柱形空腔的表面面积，隔板位于其中。此外，阳极通常呈圆柱体形状，具有通常平行于容器壁形成的均匀弯曲的外表面，这样阴极不易于产生会导致电池内离子和电中断的断裂。
设计碱性电池的主要目的是提高使用性能，使用性能是在给定负载下电池放电到不能再用于其使用目的的特定电压时的时间长度。设计碱性电池的再一目的是提高电池的高速率性能。市售碱性电池通常具有由工业标准限定的外部尺寸，由此限制了提高能利用的活性材料数量的能力。因此，寻找能提高使用性能的新途径仍是电池设计者的首要目的。
令人惊奇地发现，外电极中不规则形状的空腔能提供更大的内电极界面，具有增加电流密度和性能的效果。
发明内容因此，本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供改进的电化学电池及其制造方法。
根据本发明的第一方面，提供一种外壳的电化学电池，外壳包括由隔板隔开的第一和第二电极，第一电极具有容纳全部或部分第二电极的空腔，其中空腔的形状为：在电极之间的界面处比相同体积的规则圆柱体产生更大的表面面积。
应当理解，在通常是碱性电池阴极的第一电极中的空腔可以是任何合适形状的，通常除了制造方面的考虑外对其结构没有特别限定。例如，大量的角度在第二电极材料的充填期间会导致气腔形成，但更重要的是会导致无效的隔板衬里。
空腔以例如具有角状或圆形沟纹的手风琴的形式形成。优选圆形沟纹。但制造的优选形式是提供阴极环。使该环的拐角变圆(下面将描述)会涉及多余的处理步骤，这样，成本效率低。
也应当牢记使用隔板不应当非常困难。困难的是在本发明电池中使用标准隔板。因此，通常优选使用在现场成形的隔板，例如喷射隔板。在采用隔板后，充填第二电极。
一般地，本发明通过提供增大了阳极-阴极界面面积的电池来改进电化学电池的性能，尤其是高速率性能，该电池具有低电流密度并且得到增强的使用性能。在另一方面，本发明提供一种电化学电池，该电池包括：具有闭合底端和开口顶端的容器，以及位于容器内、紧靠容器内壁的第一电极。第一电极具有非圆柱形空腔并且第二电极位于非圆柱形空腔内的中心。第一、第二电极的构成为：它们相互界面的形状沿电池长度在一个或多个位置处变化。隔板位于第一电极和第二电极之间。盖密封组件装配到容器的开口顶端。相应地，电池具有的非圆柱形第一电极与第二电极的界面面积大于圆柱形界面面积，并且电池还提供基本上圆弧形的径向电极界面。
“非圆柱形”是指不是规则柱体的任何形状，例如，斜柱体或沿其长度具有不规则横截面的柱体。
根据本发明的另一方面，提供一种电化学电池，包括：
具有闭合底端和开口顶端的容器；
位于容器内的第一电极，第一电极具有基本上与容器内壁相一致的外圆周并且还具有设在其中的非圆柱形空腔；
位于第一电极的非圆柱形空腔内的第二电极，其中第一、第二电极提供形状沿电池长度变化的界面面积；
位于第一电极和第二电极之间的隔板；以及
装配到容器开口顶端的盖密封组件。
在一优选实施例中，界面面积具有基本上圆形的径向横截面。在另一实施例中，第一电极具有限定非圆柱形空腔的台阶形内表面。在再一实施例中，第一电极具有限定非圆柱形空腔的锥形内表面，锥形表面的径向宽度朝容器底端减小。
还提供一优选实施例，其中第一电极具有在其内壁上形成的波纹，内壁提供非圆柱形空腔。在该实施例中，波纹优选提供尺寸变化的空腔径向横截面。另一方面，波纹优选提供在整个非圆柱形空腔中的基本相等的径向横截面。
通常，优选第一电极由阴极构成，第二电极由阳极构成。集电体优选连接到第一电极。
以喷射材料方便地提供隔板，特别是当喷射材料包括浆糊(starch)时。
在一个实施例中，第一电极优选包括具有至少两个不同大小内径的多个阴极环，阴极环在容器内一个层叠在另一个之上。在另一个实施例中，提供一种电化学电池，包括：
具有闭合底端和开口顶端的导电外壳；
位于容器内的第一电极，第一电极具有与容器内壁相一致的外圆周并且还具有设在其中的非圆柱形空腔，非圆柱形空腔沿电池长度具有基本圆形的径向横截面；
位于第一电极的非圆柱形空腔内的第二电极；
位于第一电极和第二电极之间的隔板；以及
装配到容器开口顶端的盖密封组件。
根据本发明的又一方法，提供了一种电化学电池的制造方法，包括以下步骤：提供具有开口端的外壳；把第一电极设置在外壳内，该电极内具有空腔以便容纳全部或部分第二电极，该空腔的形状使得在电极之间的界面处比相同体积的规则柱体产生更大的表面面积；以及在电极之间设置隔板。
还提供一种形成电化学电池的方法，包括以下步骤：
提供具有闭合底端和开口项端的容器；
在容器内设置第一电极，使第一电极具有基本上与容器内壁相一致的外圆周并且还具有设在其中的非圆柱形空腔；
把第二电极设置在第一电极的非圆柱形空腔内，其中第一、第二电极提供形状沿电池长度变化的界面面积；
在第一电极和第二电极之间形成隔板；以及
把盖密封组件装配到容器的开口顶端。
在另一实施例中，提供一种形成电化学电池的方法，包括以下步骤：
提供具有闭合底端和开口顶端的容器；
在容器内设置第一电极，使第一电极具有基本上与容器内壁相一致的外圆周并且还具有设在其中的非圆柱形空腔，非圆柱形空腔在电池的整个长度上具有基本上圆形的径向横截面；
把第二电极设置在第一电极的非圆柱形空腔内；
在第一电极和第二电极之间形成隔板；以及
把盖密封组件装配到容器的开口顶端。
在另一方面，设置第一电极和容器的步骤优选还包括设置至少两个不同内径的多个阴极环。另一方面，在容器中设置第一电极的步骤还包括形成具有锥形内表面的第一电极，锥形内表面限定了非圆柱形空腔，使锥形表面的径向宽度朝向容器的底端减小。
还提供一种优选方法，在容器中设置第一电极的步骤还包括在提供非圆柱形空腔的第一电极的内壁中形成波纹。
通常，在本发明的方法中，形成隔板的步骤优选包括在第一电极的内壁上喷射液体隔板材料。
应当理解本发明有利地提供了增加的阳极-阴极界面表面面积，该界面面积提供低的总电流密度，并且产生更高的电池效率，尤其是高速率电池性能。也应当理解，能提供其它结构来实现增加的阴极-阳极、阳极-阴极界面表面面积。
相应地，本发明的电化学电池提供非圆柱形阴极，有效地增加阳极-阴极表面界面面积，实现低电流密度，产生更高的电池效率并且提高高速率电池性能。这通过例如以台阶状结构、V形结构、波状结构、或提供具有沿电池长度变化的非圆柱形形状的阳极-阴极界面的其它阴极结构来实现。
附图说明
现参照附图来进一步示意说明本发明，其中：
图1是通过纵向中心轴线剖开的本发明电化学电池的正向截面图；
图2是示意说明本发明电池组件的部分装配电池的正向截面图；
图3是通过图2的线III-III剖开的部分装配电池的径向截面图；
图4是根据通过纵轴线剖开的本发明第二实施例的电化学电池的正向截面图；
图5是根据通过纵轴线剖开的本发明第三实施例的电化学电池的正向截面图；
图6是根据通过纵轴线剖开的本发明第四实施例的电化学电池的正向截面图。
具体实施方式
参照图1，示出了总体改进的筒管形电化学电池，具有按照本发明一个实施例的增大的阳极-阴极界面表面面积。电化学电池10包括在此被称为阴极的正极和在此被称为阳极的负极，其构形成能实现大的阳极-阴极界面面积。而且，在此示出和描述的电化学电池10是圆柱形电池，但应当明白本发明的教导类似地适用于具有各种尺寸和结构的其它电化学电池。
电化学电池10包括导电容器，例如圆柱形钢外壳12，容器具有闭合底端14和与盖和密封组件16密封地接合的开口顶端。收缩管状绝缘薄层18围绕除了钢外壳12顶端和底端之外的外表面形成。外壳12的闭合底端14还可以包括由电镀钢板形成的正极盖(未示出)，正极盖在其中心区域具有凸块，凸块形成电池10的正极接触端子。形成电池10负极接触端子的盖密封组件16装配到钢外壳12的开口端。
被称为阴极20的正极和被称为阳极24的负极容纳在钢外壳12内，隔板22与阴极20和阳极24邻接并且位于阴极20和阳极24之间。阴极20可以由二氧化锰、石墨、氢氧化钾溶液、水和其它添加剂形成。阳极24包括凝胶型阳极，由锌粉末、胶凝剂和其它添加剂形成，并且可以与由氢氧化钾、氧化锌和水形成的电解液混合。集电体32位于阳极24内，与阳极24中的锌颗粒接触。隔板22起界面作用，防止阴极20和阳极24之间的固体颗粒迁移。
盖密封组件16对电化学电池10的组件提供密封，并且包括密封体28和压缩件30。密封体28通常形状象盘并且由非导电材料制成。压缩件30是管状金属元件，绕集电体32压缩密封体28。盖密封组件16还包括外负极盖26，外负极盖26焊接到集电体32的暴露端。钢外壳12的边缘朝电池主体向内卷边形成密封。具有盖26的盖密封组件16可以包括传统的圆形组件，如US-A-5422201中所公开的。
本发明的电化学电池10采用非圆柱形阴极-阳极界面，与具有连续的圆柱形阳极-阴极界面的传统电池相比，阳极-阴极界面表面面积整体增大了。阳极-阴极界面面积是非圆柱形的且不均匀，与连续的圆柱形相比，界面面积的形状沿电池长度在一个或多个位置处变化。当阳极-阴极界面面积是非圆柱形时，阳极-阴极界面面积的径向横截面在容纳阳极和阴极材料的整个电池长度上是大致圆形的。
按照第一实施例，阴极20的结构为：提供至少两个不同尺寸内径所组合的多个阴极环。阴极环具有恒定外径并且厚度变化以提供不同内径。第一实施例提供台阶形阴极结构，通过纵向截面图可见。
特别参照图2，所示出的钢外壳12具有相互层叠的多个阴极环20A-20D组合的阴极20。按照环状模压阴极电池组件构成阴极环20A-20D。对于环状模压阴极电池组件，形成具有至少两个不同尺寸内径的多个环状模压阴极，例如阴极环20A-20D。形成环状模压阴极的工艺一般包括把测量好的阴极混合物填料加入到环状模组件中，利用冲模把阴极化合物模压成环形。形成环状模压阴极的工艺在本领域广泛公知。通过把底阴极环20A压配合到钢外壳12的底部来完成把环状模压阴极20A-20D插入到外壳12中。接着，将第二阴极环20B压配合到钢外壳12中并且在阴极环20A的上面。然后，将第三阴极环20C插入在阴极环20B上面，并且将第四阴极环20D插入在阴极环20C上面。阴极环20A-20D优选通过上冲模被压入钢外壳12并且布置成相邻的环具有不同尺寸的内径。
参照图3，在此示出两个下阴极环20A、20B。底阴极环20A具有由内径DA的圆形径向横截面限定的内表面，隔板22和阳极24将位于内表面中。阴极环20A基本上与钢外壳12的底部形状相一致。反之，与底阴极环相邻的第二个阴极环20B具有由内径DB的圆形径向横截面限定的内表面，直径DB大于DA。与连续圆柱形阳极-阴极界面相反，直径DA和DB的差值在阴极环20A和20B之间提供台阶界面，由此增加在阴极20和阳极24之间得到的界面表面面积量。应当理解阴极环20A-20D中的每一个优选提供基本上圆形的径向横截面。通过提供阴极20内表面的基本上圆形的径向横截面，得到平行于外壳12内壁的均匀连续表面，这使得放电时阴极20膨胀，同时均匀地保持阴极20的形状以防阴极断裂。在所示的径向横截面基本上为圆时，阴极20沿其纵轴线剖开具有非圆柱形结构，从而实现阳极24和阴极20之间的界面表面积增大。
阳极-阴极界面表面积是非圆柱形，界面面积包括纵向延伸的界面面积以及相邻阴极环之间内接的区域形成的径向延伸界面面积。按照在此示出的四个阴极环实施例，阳极-阴极界面表面面积等于各阴极环20A-20D的内表面面积总和，并且还与相邻阴极环的两个内径之间内接的径向表面面积求和，径向表面面积包括阴极环20A和20B之间的径向表面面积、阴极环20B和20C之间的径向表面面积、以及阴极环20C和20D之间的径向表面面积。相应地，径向表面面积加入到本发明得到的总的阳极-阴极界面面积中。
再参照图2，也示出了把液体喷射隔板22施加在阴极20内壁上的工艺。用盘形液体隔板分配器34或其它适当的隔板涂覆装置施加喷射隔板22。液体隔板分配器34包括与盘形喷嘴连接的管，喷嘴旋转通过离心力施加液体隔板材料，以涂覆阴极20的内表面。液体喷射隔板材料可以包括按照例子1的浆糊。另一方面，液体喷射隔板可以包括聚苯乙烯隔板，例如在出版的US-A-4315062中所公开的。喷射隔板22优选涂覆阴极20的内壁，以提供在阴极20和阳极24之间形成界面的基本均匀的隔板22。
一旦隔板22形成在阴极20的内表面上，阳极24设置在阴极20提供的空腔内。阳极24与空腔的形状相一致以便占有阴极20内表面中的剩余体积。一旦包括阳极24、阴极20、隔板22和电解液的电池材料布置在钢外壳12内，集电体32装配成与阳极24接触，并且盖密封组件16被装配到开口顶端以密封外壳12。
在结合由四个阴极环20A-20D形成的阴极20描述电池10的第一实施例时，应当理解，类似地可以提供不同数量的环来实现增大表面面积的非圆柱形阴极-阳极、阳极-阴极界面，从而实现低电流密度和更高的电池效率。按照AA型电池的一个实施例，提供具有内径0.250英寸(0.635厘米)的阴极环20A和20C，同时提供具有内径0.427英寸(1.085厘米)的阴极环20B和20D，从而提供全部总的阴极表面面积2.026平方英寸(13.073平方英寸)。根据上述例子，具有所构成阳极和阴极的电池其表面面积比具有0.350英寸(0.889厘米)圆柱形阴极内径的传统圆柱形电池提高12.4％。基于圆柱形环的平均数量，对于每附加两个环，阳极-阴极界面表面面积能增加约11％。已发现与四个环均匀内径的电池结构得到的本发明最佳性能相比，在四个环处具有台阶形布置的每个电池其进行同样高速率测试的性能为两倍。应当明白可以采用更多数量的环，例如六个、八个和十个环或更多。随着每个电池的环数量增加，阳极-阴极界面表面积类似增大。然而，有一个折衷方案：环越薄，涂覆隔板22以及提供阳极24的适当位置越困难。
参照图4，在此示意说明电化学电池10的第二实施例，其中阴极20以锥形结构形成。阴极20具有锥形内表面，锥形隔板22和阳极24设置在其中。由具有锥形的内表面形成阴极20，锥形从电池纵轴线剖开其锥角优选大于两度。由第二实施例得到的锥形阳极-阴极界面面积类似地是非圆柱形并且具有基本上圆形的径向横截面。
在图5中，在此示出电化学电池10的第三实施例。根据第三实施例，构成的阴极20具有沿电池长度连续变化的内径，并且在通过电池剖开的所有截面处具有径向横截面。从纵向截面图可见，阳极-阴极界面表面具有波纹或波状图形，与圆柱形阴极相比，增大了阳极-阴极界面表面面积。
如图6所示，示出电池10的第四实施例，其中阴极20保持在整个电池10的长度上均匀径向横截面的内径。根据该第四实施例，阳极-阴极界面表面是非圆柱形并且沿电池长度连续变化，从而阳极-阴极表面面积增大。然而，阳极24设在其中的阴极20的内径保持均匀的直径，使阳极容易组装。

Claims (14)

1.一种包括外壳的电化学电池，外壳包含由隔板隔开的第一、第二电极，第一电极具有容纳全部或部分第二电极的空腔，其中空腔的形状能够在电极之间的界面处比相同体积的规则柱体产生更大的表面面积。
2.一种电化学电池，包括：
具有闭合底端和开口顶端的容器；
位于容器内的第一电极，第一电极具有基本上与容器内壁相一致的外圆周并且还具有设在其中的非圆柱形空腔；
位于第一电极的非圆柱形空腔内的第二电极，其中第一、第二电极提供形状沿电池长度变化的界面面积；
位于第一电极和第二电极之间的隔板；以及
装配到容器开口顶端的盖密封组件。
3.根据权利要求1的电池，其特征在于，界面面积具有大致圆形的径向横截面。
4.根据权利要求1的电池，其特征在于，第一电极具有限定了空腔的台阶形内表面。
5.根据权利要求1的电池，其特征在于，第一电极具有限定了非圆柱形空腔的锥形内表面，锥形表面的径向宽度朝向容器底端减小。
6.根据权利要求1的电池，其特征在于，第一电极具有形成在内壁上的径向波纹，以便提供空腔。
7.根据权利要求6的电池，其特征在于，波纹为空腔提供变化尺寸的径向横截面。
8.根据权利要求6的电池，其特征在于，波纹在整个非圆柱形空腔上提供基本上相等的径向横截面。
9.根据权利要求1的电池，其特征在于，隔板以喷射材料提供。
10.根据权利要求9的电池，其特征在于，喷射材料包括浆糊。
11.根据权利要求4的电池，其特征在于，第一电极包括具有至少两个不同尺寸内径的多个阴极环，该阴极环相互层叠在容器中。
12.一种电化学电池的制造方法，包括以下步骤：
提供具有开口端的外壳；
把第一电极设置在外壳内，该电极内具有空腔以便容纳全部或部分第二电极，该空腔的形状使得在电极之间的界面处比相同体积的规则柱体产生更大的表面面积；
以及在电极之间设置隔板。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，把第一电极设置在外壳内的步骤包括设置至少两个不同内径的多个阴极环。
14.根据权利要求12的方法，其特征在于，形成隔板的步骤包括在第一电极的内壁上喷射液体隔板材料的步骤。
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