CN1155126C - 具有大口开启筒的电化学电池和其装配方法 - Google Patents

Abstract

一种可显著节约堆放空间的电池的装配方法，从一个非圆筒形的筒(10)开始，其开启端有一过大的口(18)，该口在该筒至少部分被填充后可被卷缩，最后被密封。

Description

具有大口开启筒的电化学电池和其装配方法

技术领域

本发明一般地涉及电化学电池，更具体点说涉及一种具有非圆筒形容器的电化学电池的装配方法。

背景技术

传统的碱性电池通常采用圆筒形的钢筒，在其一端设有一个通正电的盖而在另一端设有一个通负电的盖。该钢筒能容纳一个被称为阴极的正电极，正电极最好由二氧化锰、石墨、氢氧化钾溶液、去离子水和其他添加剂的混合物制成，通常设在钢筒内侧表面的周围。有一杯状隔离器通常设在阴极内表面的周围。一个通常由锌粉、胶凝剂和其他添加剂制成的被称为阳极的正电极连同电解溶液设在隔离器内。

传统的圆筒形电池广泛可供的大小有AAAA、AAA(R03)、AA(R6)、C(R14)和C(R20)几种以便用作各种电动器件的电源。尽管传统的圆筒形电池被普遍使用，曾经发现非圆筒形电池具有潜在需要。一种这样的潜在需要存在于使用多电池的电池组如9伏电池组，通常是将六个1.5伏的电池在电路上串联。在过去，多个圆筒形电池曾在一个长方形容器内被装配在一起，从而在相邻的电池之间及在每一个电池和电池组容器的内壁之间造成未使用的空间。另外曾经发现，许多电池组操作的电器能够使用非圆筒形电池而得到增加的服务效能。非圆筒形电池的范例曾在共同未决的美国专利申请No.09/110119中公开过，该申请的标题为“电化学电池和电池组”，于1998.04.02提出申请，申请人Lewis Urry。

设计碱性电池组的主要目的是要增加电池的服务效能。另一个目的是要得到高质量的电池装配技术。服务效能为在给定的负载下电池放电到特定电压的时间长短，在该电压电池不再能使用于其预期目的。商业上可供碱性电池和电池组的外廓大小通常是由工业标准限定的，从而限制其在给定电池内增加活性材料数量的能力并限制其可供售电池的体积。因此，需要找出新的途径来提高服务效能并需要提供合适的装配技术便成为电池设计师的主要目的。

US-A-5,490,867曾公开一种电化学电池，该电池具有一个长方形的筒，筒上有一长方形的、尺寸加大的开口。筒的开口的尺寸随后被缩小，使它不大于筒的任何一个最大的径向尺寸以便提供一个长方形的尺寸缩小的开口。

发明内容

现在发现废弃空间相当小的电池是有可能提供的，只要采用一个开启端具有超大口的非圆筒形筒，在将该筒至少部分填充后，将它卷边，最后就可将它密封。

本发明可改进具有非圆筒形的角柱筒如长方形筒的电池的装配，办法是在该筒上设有一个扩大的开启端来将活性材料装配到电池内，然后将扩大的开启端缩小成一个尺寸缩小的圆形开启端使它能有效地与一小巧的圆形盖配合。

因此在第一方面，本发明提供的是一种装配电化学电池的技术或方法，该电池使用一个具有开启端的非圆筒形的筒，最好沿着其长度具有基本固定的横截面，开启端的口一般是圆的，该口没有一处的尺寸比该筒的径向横截面的任何一个尺寸小，并且该口的尺寸在装载其他元件之时或之后能被缩小，然后被密封。这样，装载电池的组成部分时就不会有阻力，并且端基可方便地采用圆形。

具体来说，提出一种装配电化学电池的方法，包括以下步骤：提供一个带开启端的、非圆筒形的筒，该筒具有一个非圆筒形部分和一个带开口的开启端，该开口为圆形并且具有一个不小于该筒的非圆筒形部分的最大径向截面尺寸的最小径向截面尺寸；通过该开口，将阴极、阳极和隔离器装载在筒内；在装载阴极、阳极和隔离器之时或之后，缩小筒的开口尺寸；在缩小筒的开口尺寸后，用端盖密封该开口。

还包括：使该筒的非圆筒形部分为具有一个棱柱段和封闭底端的筒，该开启顶端的直径等于或大于棱柱段横截面内最大宽度；通过开启顶端将阴极装载到棱柱段内；在该阴极内的中央处制有一个凹坑，使该阴极在凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个容积；该隔离器放置在凹坑内；该阳板放置在凹坑内的隔离器内。

一般地说，该口最好与筒体的其余部分同轴，这样可容易制造，并在构造筒口时极少废弃材料。

筒体可具有任何一种一般的形状如方形、长方形、或椭圆形，或可具有不规则的形状，但为了填充的目的，沿着电池的长度，横截面一般最好一致。其时筒口不能有一个尺寸比筒的最大的横截面尺寸小，并且筒口最好基本上为圆形。

对本发明来说，从筒的开启端到筒口的过渡部并不太重要。过渡部可以突变或渐变。但一般较偏爱渐变，为的是可尽量减少废料，无论从构造观点看，还是从缩小筒口尺寸时所需被压缩或卷曲的材料数量看都适宜用渐变。

筒口在收缩后不一定需要是圆的，但其他形状通常较难可靠地制造，并会导致将盖装配在其上的问题。因此收缩后的筒口最好基本上为圆形。

因此，在另一方面，本发明提供一种电化学电池，该电池具有一个非圆筒形的筒，筒上有一超大尺寸的口，其尺寸大于该筒其余部分的径向截面尺寸，其特征为，大尺寸口在后来被缩小到一个比该筒任何一个最大径向尺寸小的尺寸，并且尺寸缩小的口基本上为圆形。

应该知道，虽然筒口的开始尺寸一般比筒身大，但最终尺寸最好与筒身一般小，或小于筒身的总的径向面积，筒口最好没有一个尺寸超过筒身径向截面的任何一个尺寸。

一般地说，电池可用本行业已知的方法构造如同下面的说明。

一般地说，本发明提供的装配电化学电池的方法包括下列步骤：提供一个具有棱柱段的筒，该筒有一封闭的底端和一个圆形大口的开启的顶端，圆形大口的直径至少与棱柱段横截面内部最大宽度一样宽。接下来通过大口开启的顶端将阴极放置到棱柱段内，在阴极的内部制有一个凹坑，阴极被放置到筒内使阴极在其凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个相当大的体积。接下来将一个隔离器放置到凹坑内，还将一个阳极放置到凹坑内的隔离器内，接下来将大口开启的顶端的尺寸缩小得出一个直径缩小的开启的顶端，在其上装上一个圆形的盖。

在另一方面，本发明提供一种装配电化学电池的方法，该方法包括下列步骤：

提供一个具有棱柱段的筒，该筒有一封闭的底端和一个大口的开启顶端，该大口基本上为圆的，其直径等于或大于棱柱段横截面内部的最大宽度；

通过大口开启的顶端将阴极放置到棱柱段内，该阴极有一个在其内中央制出的凹坑，阴极的放置使阴极在其凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个相当大的体积；

将一个隔离器设置在凹坑内；

将一个阳极设置在凹坑内的隔离器内；

将筒的大口开启的顶端的尺寸缩小得出一个尺寸缩小的开启的顶端；及

将一个盖装在尺寸缩小的开启顶端上。

一般地说，所提供的装配电化学电池的方法包括下列步骤：

提供一个具有非圆筒形段的筒，该筒有一个封闭的底端和一个大口开启的顶端，该大口基本上为圆形，其直径等于或大于非圆筒形段横截面内的最大宽度；

通过大口开启的顶端将第一电极放置到非圆筒形段内，第一电极有一个在其内中央制出的凹坑，第一电极的放置使它在其凹坑和筒的内壁之间占去非圆筒形段的一个相当大的体积；

将一个隔离器放置到凹坑内；

将第二电极放置到凹坑内的隔离器内；

将筒的大口开启的顶端的尺寸缩小得到一个尺寸缩小的圆形开启的顶端；及

将一个盖装在尺寸缩小的圆形开启的顶端上。

在一较优的实施例中提供的装配电化学电池的成环模压法包括下列步骤：

提供一个具有棱柱段的筒，该筒有一个封闭的底端和一个大口开启的基本上为圆形的顶端，其直径等于或大于棱柱段横截面内最大宽度；

制出一个或多个模压的阴极环，每一个阴极环的外形都能与筒的棱柱段的内侧配合并且还在其内制出一个凹坑；

通过大口开启的顶端将一个或多个阴极环放置到棱柱段内使它在凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个相当大的体积：

将一个隔离器放置在凹坑内；

将一个阳极放置在凹坑内的隔离器内；

将筒的大口开启的顶端的尺寸缩小得到尺寸缩小的圆形的开启顶端；及

将一盖装到尺寸缩小的圆形的开启顶端上。

在一可替代的实施例中提供的装配电化学电池的方法包括下列步骤：

提供一个具有棱柱段的筒，该筒有一个封闭的底端和一个大口开启的基本上为圆形的顶端，其直径等于或大于棱柱段横截面内最大宽度；

将一个阴极放置到棱柱段内；

将一个阳极放置到棱柱段内；

将一个隔离器插置在阳极和阴极之间；

将筒的大口开启的顶端的尺寸缩小得到一个尺寸缩小的圆形的开启顶端；及

将一个盖装在尺寸缩小的圆形的开启顶端上。

最好制出的筒包括一个圆筒形段以资提供大口开启的顶端。最好还在棱柱段和圆筒形段之间制出一个倾斜的过渡部。

一般地说，最好将大口的顶端这样缩小使缩小的开启顶端的直径小于或等于棱柱段横截面的最小宽度。使尺寸缩小的较优技术为旋转锻造。

在一较优的实施例中，棱柱段具有一个基本上为长方形的截面。

最好将阴极放置到筒内的步骤包括一个阴极环的模压过程，特别是在该阴极环模压过程中还包括插置多个阴极环使它们叠置的情况下。

一般地说，最好配置一个与阳极接触的电流收集器。该筒最好为钢筒。

非圆筒形段最好为棱柱段。

最好这样将阳极和阴极设置在棱柱段内使棱柱段基本上被阳极和阴极占用。

将阴极设置在棱柱段内的步骤最好包括在阴极内的中央制出一个凹坑并且阴极被这样设置使它在凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个相当大的体积，其时阳极和隔离器被设置在凹坑内。

本发明还提供一种电化学电池，该电池具有：

一个具有棱柱段的容器，该容器有一封闭的底端和一个圆形开启的顶端，该容器在初始时有一个大口开启的顶端，其直径大于或等于棱柱段横截面内最大宽度；

基本上设置在棱柱段内的第一电极；

基本上设置在棱柱段内的第二电极；

设置在第一电极和第二电极之间的隔离器；及

一个圆形盖，其时筒的大口开启的顶端的尺寸在第一电极插置后被缩小成为尺寸缩小的圆形开启端，其直径小于或等于棱柱段横截面内最小宽度，可将盖装在其上。这种电池的一般较优的特点如同上面就方法所作的说明。

筒的大口开启的顶端能有效地进行阴极的装配，特别是对于成环模压的组合件，而在阴极插置后大口开启顶端的缩小使小尺寸的顶盖能够装配在其上。

下面本发明将结合附图进行说明，其中：

附图说明

图1为用于本发明电池组合件的、具有大口开启顶端的圆筒形段的棱柱形钢筒的透视图；

图2为图1中棱柱形筒的顶端视图；

图3为具有大口开启端并包括一个按照另一个实施例的倾斜过渡部的棱柱形钢筒的侧视图；

图4为阐明按照本发明的电化学电池的装配方法的流程图；

图5为阐明成环模压阴极组合件的一个部分装配的电池的分解视图；

图6为阐明棱柱形筒有一个按照本发明的尺寸缩小的圆形开启端的一个部分装配的电池的侧视图；

图7为进一步阐明筒的尺寸缩小的圆形开启端的图6中部分装配的电池的顶端视图；

图8为完全装配好的电池通过其纵向轴线切开的剖视图；及

图9为完全装配好的电池通过图8中的1X-1X线切开的径向剖视图。

具体实施方式

参阅图1和2，其中示出按照本发明用于电化学电池装配的、具有一个扩大开启端即本文称为大口开启端18的棱柱形钢筒10。钢筒10包括一个非圆筒形的棱柱段12，图中所示为长方形截面的外形，该筒有一封闭的底端16。与底端16相对，钢筒10有一个从棱柱段12过渡到大口开启顶端18的圆筒形段14。电池10的棱柱段12设有四个基本上为平面的、成长方形的侧壁，侧壁的邻接边可倒成圆角，这样便可得到带有圆角的基本上为长方形的径向横截面。

特别请参阅图2，筒10的圆筒形段14设有一个可导引到棱柱段12内部的扩大的开口。圆筒形段14所提供的大口圆形开口18的直径D1大于在棱柱段12两个相对壁之间的横截面宽度W1。另外，最好圆筒形段14的大口直径D1等于或大于棱柱段12内部的最大横截面宽度W2，使电池材料能容易地装配到钢筒10内而不会被圆筒形段14的形状所阻碍。

按照另一个实施例，钢筒10可如图3那样成形，即还包括增添的带平直斜度的过渡部20以倾斜角从棱柱段12的每一个平面侧壁过渡到圆筒形段14。倾斜角大于0°不超过90°。倾斜的过渡部20可导致闭合，有助于平滑地缩小圆筒形段14的尺寸。另外，倾斜的过渡部20能使搬运方便并能用于滚轮输送器和其他在电池生产中出现的装配设备。

具有大口开口18的棱柱形钢筒10在按照本发明的装配电化学电池的方法中被采用。参阅图4，其中示出电池的装配方法。该方法从制出如上结合图1-3说明的具有大口开启端18的棱柱形钢筒10的步骤26开始。钢筒10可用深拉筒成形技术、冲压、液压成形或其他各种钢筒制造技术制出棱柱段和圆筒形段。本发明的装配方法一般要求钢筒10具有一个非圆筒形的棱柱段和一个大口的圆形开口18，其直径D1等于或大于棱柱段12横截面内的最大宽度W2使电池的内部材料容易装配。这一点对成环模压阴极的插置特别有用，其时被称为阴极的正电极以预制的环状被配置在筒内。

对于成环模压阴极的电池组合件，电池装配方法24提供步骤28用来制出一个或多个成环模压阴极。制作过程一般包括将一个量好的阴极混合物配料加入到一个环形的模具组内，使用压力机将阴极混合物模压成环状。这种过程是本行业众所周知的。只是本发明的模压阴极环的形状最好基本上符合棱柱段12内侧的形状和尺寸并具有一个在中央贯穿延伸的圆筒形坑。

接下来，步骤30用来将一个或多个成环模压的阴极插置到钢筒10内。这工作可这样完成，将一个固定数目的一个或多个阴极环装到一根心轴上，然后将心轴降下到筒10内，再用一个上冲头将阴极环压入到筒内。插置到一特定电池内的阴极环的数目可根据电池的大小而变化。对于长度和宽度可与AAA和AAAA大小的碱性电池比拟的电池，三个或四个阴极模压环可合适地形成每一个电池的阴极。

简要地参阅图5，该图可用来说明将成环模压的阴极插置到钢筒10内的步骤30。每一个模压阴极环40都有一个长方形的外形，基本上与棱柱段12的内壁所形成的尺寸和形状符合，而且最好成为适贴配合使每一个阴极环与筒10内侧每一个环绕的壁对接。形成每一个阴极环周边的外壁还可用碳浸渍。另外，每一个阴极环包括一个在其内中央贯通延伸的圆筒形孔42。当装配在筒10内时，这些圆筒形孔42对齐便形成阳极凹坑，隔离器和阳极便可设置在其内。

返回到图4的装配方法，在将成环模压阴极插置到筒10的棱柱段内以后，一个内部的圆筒形的凹坑便通过筒10的中央纵向轴线而延伸，其时阴极基本上占有棱柱段12的其余容积。按照步骤34，一个杯状的隔离器被设置在内部的圆筒形凹坑内。而被称为阳极(包括上胶的阳极)的负电极则被设置在杯状的隔离器内。另外，电解溶液还被放置在筒10内。

一旦上面确定的电池材料被放置到筒10内，便可按照电池装配方法24的步骤36缩小圆筒形段14的尺寸来缩小大口开启端18的尺寸。在图6和7中示出在装配步骤36之后但在完全装配好之前形成的具有尺寸缩小的圆形开启端的部分装配好的筒10。大口开启端18在尺寸上最好被缩小成直径D2小于或等于筒10棱柱段12横截面最小宽度W1的圆形开启端55。这个尺寸缩小的开启端55是在径向上向内挤压圆筒形段14得到的。这样做最好形成一个从棱柱段12转变为尺寸缩小的圆形开启端55的瓶颈54。

最好大口开启端的缩小不超过最大直径在直径上(线性的)的30％的缩小或在横截面积上的70％的缩小。另外，缩小的圆形顶端可包括一个导向圆形开启端的基本上为圆筒形的段。该圆筒形段最好具有短的长度使圆形盖能够密封地接合在圆形开启端上。

直径为D1的大口开口18的缩小到直径为D2的尺寸缩小的开启端可用多种筒闭合技术中的任何一种来完成，在这些技术中包括冲击闭合、卷边闭合、旋转锻造和滚轮闭合但并不仅限于这些。有一种这样的技术可用来闭合在电化学电池上的开口曾在US-A-3,069,489中公开，标题为“容器的闭合”。

再请参阅图4，装配方法24还包括步骤38，在该步骤中，电流收集器被装配得与阳极接触，而密封和盖组合件被装配到尺寸缩小的圆形开启的顶端55上。这个步骤38将筒10封闭并密封。总之，采用含有大口开启端18的筒可使电池材料容易插入；而将开启端在尺寸上缩小到一个尺寸缩小的开启端可使传统型式的圆形盖和密封组合件能将筒封闭并密封。缩小开启端可有效地使多个电池能互相邻接而不会干扰。

按照另一个实施例，电化学电池的装配方法24还可在将成环模压阴极插置到筒内的步骤30之后包括一个部分缩小圆形大口开启端的步骤32。这个中间的缩小步骤32可提供一个部分缩小的圆形开启端，通过该端，隔离器、阳极和电解质可在随后的步骤34中插置到筒内。按照这种方法，步骤36用来将圆形开启端的尺寸缩小到其完全缩小的尺寸，然后将密封和盖组合件装配在其上。

参阅图8和9，其中示出按照本发明的装配方法24装配的完全装配好的电化学电池50。活性电池材料基本上被放置在筒10的棱柱段12内。有一圆形的盖和密封组合件56装在筒10的尺寸缩小的开启端上。由于开启端的尺寸缩小得合适，使盖和密封组合件56的直径等于或小于棱柱段12的横截面宽度W1。因此盖和密封组合件56能够较好地在径向上确保不伸出到形成棱柱段12的侧壁之外。圆形的盖和密封组合件56能够容易地焊接、用胶粘剂连结或用其他方法装到尺寸减小的圆形的顶端上。

如图所示，盖和密封组合件56被装配在电池50的顶端。有一层薄的收缩管状绝缘膜72覆盖着钢筒的侧边以资使电池的金属壳体与外界电绝缘。最好由二氧化锰、石墨、氢氧化钾溶液、去离子水和其他添加剂的混合物制成的阴极40被设置在隔离器40和筒10的内壁之间基本上遍及整个棱柱段12。杯状的隔离器44最好由能够阻止电池内任何固体微粒迁移的非织造织物制成。如图所示，电池50的活性材料，包括阳极46和阴极40基本上都被放置在棱柱段12内。

给电池50的组合件提供封闭的盖和密封组合件56包括一个密封体76和压紧件74。密封体的形状一般如一盘，由不导电的材料制成。压紧件74为一管状金属构件可环绕电流收集器70压紧密封体76。密封组合件还包括一个外面的通负电的盖62，该盖被焊接到电流收集器70的露出端上构成电池的负终端。钢筒10的边缘被卷缩构成密封。密封组合件56和盖62可包括传统的圆形组合件如同在US-A-5,422,201中公开的。

电池50的底端16用作通正电的盖给电池提供正的终端。而盖和密封组合件56中的盖62则构成电池的负终端。当采用棱柱形筒10时，与传统的直径等于电池50壁间宽W1的圆筒形电池相比，电池50在棱柱段12内的容积可增加，因此其内存储的活性电池材料亦可增加，同时由于具有圆形的顶端55，仍可容易地接纳标准的圆形的通负电的盖和密封组合件55。

应该知道，被称为阳极的负电极46最好设置在筒10棱柱段12内部的圆筒形容积内，而被称为阴极的正电极则填充着在隔离器44和钢筒10内壁之间的容积，包括筒10的所有角落。由于采用长方形的外形，在电池50的棱柱段12内的容积要比尺寸能配装在电池50的长方形壁内的传统的圆筒形电池的容积大，这样便可以增加阴极46和阳极40的体积。另外，杯状隔离器44可进一步从电池50的纵向轴线沿径向向外设置以资提供将阳极46和阴极40互相分开的较大的阳极对阴极邻接表面的面积。应该知道，增添的活性材料包括那些在阴极40的角落内的，都能放电而可增加电池50的容量。

本发明的电池50可有效地利用具有非圆筒形的棱柱段12的钢筒10，它在一端设有大口的开口18可用来接电池的活性材料，并且能特别好地适用于成环模压阴极的装配。但应知道，本发明的装配方法同样可应用于其他阴极装配技术如冲击模压。另外，本发明的教导并不仅限于筒管式的电池，它也可应用于其他电池组合件如具有果酱卷外形的或叠置板的电池组合件。

Claims (14)

1.一种装配电化学电池的方法，包括以下步骤：

提供一个带开启端的、非圆筒形的筒，该筒具有一个非圆筒形部分和一个带开口的开启端，该开口为圆形并且具有一个不小于该筒的非圆筒形部分的最大径向截面尺寸的最小径向截面尺寸；

通过该开口，将阴极、阳极和隔离器装载在筒内；

在装载阴极、阳极和隔离器之时或之后，缩小筒的开口尺寸；

在缩小筒的开口尺寸后，用端盖密封该开口。

2.如权利要求1的装配电化学电池的方法，其特征在于：

使该筒的非圆筒形部分为具有一个棱柱段和封闭底端的筒，该开启顶端的直径等于或大于棱柱段横截面内最大宽度；

通过开启顶端将阴极装载到棱柱段内；

在该阴极内的中央处制有一个凹坑，使该阴极在凹坑和筒的内壁之间占去棱柱段的一个容积；

该隔离器放置在凹坑内；

该阳板放置在凹坑内的隔离器内。

3.按权利要求1的方法，其特征为，筒沿着其长度有一个不变的横截面。

4.按权利要求1的方法，其特征为，所说开口与筒的非圆筒形部分同轴。

5.按权利要求1的方法，其特征为，所说筒的开口在准备密封之前具有一个不大于该筒的非圆筒形部分的最大径向截面尺寸的最大径向截面尺寸。

6.按权利要求1的方法，其特征在于，提供筒的步骤还包括：将该筒形成一个提供该开口的圆筒形段。

7.按权利要求1的方法，其特征在于，提供筒的步骤还包括从筒的非圆筒形部分到开口制出一个锥形过渡段。

8.按权利要求1的方法，其特征为，缩小开口尺寸的步骤包括旋转镦粗该筒的开口。

9.按权利要求1的方法，其特征为，提供筒的步骤包括提供为长方形的截面的筒。

10.按权利要求2的方法，其特征为，装载阴极、阳极和隔离器的步骤包括用阴极环模压法将阴极装载在筒内。

11.按权利要求10的方法，其特征为，阴极环模压法包括插置多个叠置的阴极环。

12.按权利要求1的方法，其特征在于还包括配置一个电流收集器与阳极接触的步骤。

13.按权利要求1的方法，其特征为，提供筒的步骤包括提供一个钢筒。

14.一种具有一个筒的电化学电池，该筒有一加大尺寸的开口，其尺寸比该筒其余部分的径向截面尺寸都大，其特征为，大尺寸的开口能缩小到比该筒任何一个最大径向尺寸小的尺寸，并且尺寸缩小的开口为圆形。

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