CN1169240C - 具有与盖板电绝缘的集电器的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

提供了一种化学电池，包括：一用来盛装包括至少正极(115)，负极(120)和电解液的电化学活性材料的罐体(712)，该罐体(712)具有一敞开端和一封闭端；一横跨罐体(712)的敞开端设置并与罐体(712)相连接的盖板(745)，该盖板(745)具有一贯穿其中延伸的孔(751)；一集电器(740)，该集电器穿过该盖板(745)的孔(751)延伸并且在罐体(712)内向内延伸以便与正极(115)和负极(120)中的一电接触；以及一设置在集电器(740)与盖板(745)之间的第一绝缘材料(744)，用来使集电器(740)与盖板(745)电绝缘并且在集电器(740)与盖板(745)之间提供一密封。一减压机构(370)最好在罐体(712)的封闭端上形成。还提供了一种组装电化学电池的方法，包括以下步骤：在具有一封闭端和一敞开端的罐体(712)中供给电化学活性材料；穿过一在盖板(745)上形成的孔(751)设置一集电器(740)；在盖板(745)与集电器(740)之间提供一种电绝缘材料(744)，最好通过熔化绝缘材料(744)，使得熔化后的绝缘材料(744)在集电器(740)与盖板(745)之间再成形；以及把盖板(745)和集电器(740)组装在罐体(712)的敞开端上。该电池结构提供了一用来盛装电化学活性材料的更大的内部体积。

Description

具有与盖板电绝缘的集电器的电化学电池
技术领域
本发明一般涉及一种电化学电池结构。更具体说，本发明涉及用于电化学电池(如碱性电池)的容器和集电器组件。
背景技术
图1示出一个传统的C型尺寸碱性电池10的结构。如图所示，电池10包括一个具有一个敞开端和一个封闭端的圆柱形罐体12。罐体12最好用导电材料制造，这样在罐体12的封闭端处焊接在底面14上的一个外盖板11就用作电池的一个电接触终端。
典型地，电池10还包括一个第一电极材料15，它可用作正极(也可称为负极)。第一电极材料15可以被预先成形并插入罐体12，或者可以被就地模制以与罐体12的内表面接触。对于碱性电池，第一电极材料15一般包括MnO2。在第一电极设置在罐体12内之后，将一个分离器17插入由第一电极15限定的空间。分离器17最好是一种非织造织物。设置分离器17是为了维持第一电极材料15和电解液与一个第二电极材料20的混合物之间的物理分离，同时允许离子在电极材料之间传送。
一旦分离器17在由第一电极15限定的空间内就位，就将电解液连同电解液和第二电极材料的混合物20一起装入由分离器17限定的空间内，混合物20可以是负极(也可称为正极)。电解液/第二电极的混合物20最好包括胶凝介质。对于典型的碱性电池，混合物20由含水KOH电解液和锌的混合物形成，锌用作第二电极材料。在混合物20中也可以包括水和附加的添加剂。
一旦在罐体12内已经形成第一电极15，分离器17，电解液和混合物20，就可将一个预先组装的集电器组件25插入罐体12的敞开端。罐体12在其敞开端一般略微成锥形。在将集电器组件固定就位之前，该锥形用来以所需的取向支承该集电器组件。在将集电器组件25插入后，将一个外盖板45放置在集电器组件25上。通过把集电器组件25沿径向挤紧在罐体上而将集电器组件25固定就位。将罐体12的端部边缘13卷在集电器组件25的周边唇缘上，由此将外盖板45和集电器组件25固定在罐体12的端部上。如下面进一步描述的，由集电器组件25所起的一个功能是为电化学电池提供一个第二外部电触点。此外，集电器组件25必须密封罐体12的敞开端，以防止其中的电化学材料从该电池泄漏。此外集电器组件25必须具有足够的强度，以承受电池一般要遭受的机械损伤。而且，由于电化学电池可能产生氢气，集电器组件25可允许内部产生的氢气从其中穿过以逃逸到电化学电池的外部。而且，集电器组件25应当包括某种形式的减压机构，以便当电池内部产生的压力过大时，用以减压。当电化学电池以这样一个速率在内部产生氢气时就可能发生这种情况，即该速率超过了内部产生的氢气穿过集电器组件到电池外部的速率。
图1示出的集电器组件25包括一个密封30，一个集电器钉40，一个内盖板44，一个垫圈50，和一组支承片52。所示的密封30包括一个具有一个孔的中毂32，集电器钉40可穿过该孔插入。密封30还包括一个可接触第一电极15的上表面16的V形部分34。
密封30还包括一周向的直立壁36，其以环形的方式沿密封30的周边向上延伸。周向的直立壁36不仅用作集电器组件25和罐体12的界面之间的密封，而且也用作一个电绝缘器，用以防止在电池的正极罐体和负极触点之间发生短路。
设置由硬金属形成的内盖板44是为了增加刚性并承受集电器组件25的径向压力，由此改善密封效果。如图1所示，内盖板44被构造成接触中毂部分32和周向的直立壁36。通过以这种方式构成集电器组件25，内盖板44用来使集电器钉40能够加压于中毂部分32，同时也可承受罐体12的内表面对周向的直立壁36的压力。
外盖板45一般用镀镍的钢材制造，并被构造成从由密封30的环形周向直立壁36所限定的区域延伸且与集电器钉40的头部42电接触。外盖板45可被焊接在集电器钉40的头部42上，以防止任何接触损耗。如图1所示，当将集电器组件25插入罐体12的敞开端时，集电器钉40深深地插入电解液/第二电极混合物20内，以便与之建立充分的电接触。在图1所示的例子中，外盖板45包括一个沿外盖板45的圆周向上延伸的周边唇缘47。通过形成长度大于周边唇缘47的密封30的周向直立壁36，在卷边工艺期间可以将周向直立壁36的一部分在周边唇缘47上翻卷，从而防止罐体12的上边缘13的任何部分与外盖板45接触。
密封30最好由尼龙形成。在图1所示的构造中，设置有一减压机构，用以在压力过大时能够使内部压力减压。而且，内盖板44和外盖板45一般设有孔43，以允许氢气逃逸到电池10的外面。所示的机构包括一个环形金属垫圈50和一组设置在密封30和内盖板44之间的支承片52。各支承片52包括一个压靠在密封30的一个薄的中间部分38上的尖端53。支承片52被偏压在内盖板44的下面的内表面上，这样当电池10的内部压力增加并且结果使密封30由于向上压向内盖板44而变形时，支承片52的尖端53就穿透密封30的薄的中间部分38，由此刺破密封30并允许内部产生的气体通过孔43逃逸。
尽管上述集电器组件25可以令人满意地完成所有上述功能，但从其断面轮廓可以看出，这种特定的集电器组件占据了电池10内相当大的空间。应当注意图1所示的结构只是电池结构的一个例子。现有其他的集电器组件，可能有较低的轮廓并因此占据电池内的较小空间。但是，一般这种集电器组件在占据的体积上得以减小是以牺牲集电器组件的密封特性或者减压机构的性能和可靠性为代价的。
在本申请的优先权日在市场上可得到的几种电池的所测得的外部和内部体积列于图2A和图2B所示的表中。该表列出了D，C，AA，和AAA型尺寸电池的体积(cc)。在图2B中为图2A所列出的市场上可得到的这些电池提供了集电器组件体积和集电器组件占总的电池体积的百分比。图2A中还提供了用以容纳电化学活性材料的内部体积占总的电池体积的百分比。
“总的电池体积”包括电池的所有的体积，包括任何内部空间体积。对于图1所示的电池而言，总体积理论上应当包括图3A所示的所有画有阴影线的区域。电池的“内部体积”由图3B中所示的画有阴影线的区域表示。如这里所用的，“内部体积”是指电池内部容纳限制在电池密封体积内的电化学活性材料以及任何空隙和化学惰性材料(不包括集电器钉)的体积。这种化学惰性材料可包括分离器，导体和电极中的任何其他惰性添加剂。如这里所用的，术语“电化学活性材料”包括正极和负极和电解液。“集电器组件体积”包括集电器钉，密封，内盖板，垫圈，支承片和负极盖板的下表面与密封之间的任何空隙体积(在图3C中用阴影线区域表示)。“容器体积”包括罐体，标签，负极盖板的体积，标签和负极盖板，正极盖板之间的空隙体积，以及正极盖板和罐体之间的空隙体积(在图3D中用阴影线区域表示)。如果标签延伸到且接触负极盖板(外盖板45)，标签和负极盖板之间存在的空隙体积就被包括在容器体积中，并因此也被认为是总体积的一部分。否则，该空隙体积就既不包括在容器体积中也不包括在总体积中。
应当理解，“内部体积”，“集电器组件体积”和“容器体积”的总和等于“总体积”。因此，可以通过测量集电器组件体积和容器体积并从所测得的电池总体积中减去集电器组件体积和容器体积而确定用于容纳电化学活性材料的内部体积。
由于电化学电池的外部尺寸通常由美国国家标准局(ANSI)或其他标准组织决定，由集电器组件所占据的空间越大，电池内用于电化学材料的空间就越小。结果，减小在电池内设置的电化学材料的数量就导致电池的服务寿命缩短。所以，希望尽可能加大电化学电池内用于电化学活性组分的内部体积。
发明内容
我们现在发现通过构成一种电化学电池可以达到这一点，在该电池中使由集电器组件所占据的空间和由容器体积所占据的空间最小，同时仍然保持了充分的密封特性并具有一个可靠的减压机构。
因此，本发明的第一方面提供了一种电化学电池，包括：
一用来盛装包括至少正极，负极和电解液的电化学活性材料的罐体，该罐体具有一敞开端和一封闭端；
一横跨罐体的敞开端设置并与罐体直接接合的盖板，该盖板具有一贯穿其中延伸的孔；
一集电器，该集电器穿过该盖板的孔延伸并且在罐体内向内延伸，以便与正极和负极中的一电接触；以及
一设置在集电器与盖板之间的第一绝缘材料，用来使集电器与盖板电绝缘并且在集电器与盖板之间提供一密封；一个减压机构在罐体的一表面上形成。
本发明的第二方面提供了一种用来组装电化学电池的方法，包括以下步骤：
在具有一封闭端和一敞开端的罐体中供给电化学活性材料；
穿过一在盖板上形成的孔设置一集电器；
在盖板与集电器之间提供一种电绝缘材料，以便在其间形成电绝缘；以及
把盖板和集电器组装在罐体的敞开端上，使得盖板直接接合到罐体上。
减压机构最好在罐体的封闭端的一表面上形成。此外，电化学电池最好包括一与集电器电连接的接触终端和一设置在该接触终端与盖板之间的介电材料，以便使盖板与接触终端电绝缘。
有利的是，通过提供一个穿过盖板上的一个孔组装的集电器，可以使集电器组件具有一个相当低的轮廓并由此在电化学电池中只占有相当小的空间。此外，与现有组件相比，这种配置可以使电池结构随着时间所产生的水流失更少，由此增加了电池的储存寿命。本发明的另一个优点是可以设置一个不会占用较大百分比的电池有效体积的可靠的减压机构。另一个优点是这种电池结构的制造比较简单而且只需要较少的材料，由此可以使制造成本降低。此外，这种电池结构可以只需要由罐体作用较小的径向压力就能充分地使电池密封，由此允许使用具有更薄的侧壁的罐体，并且由此产生更大的电池的内部体积。
通过参照附图将可对本发明取得进一步的理解，附图中：
附图说明
图1是一个传统的C型尺寸碱性电化学电池的剖视图；
图2A是一个表，表中示出了对在本申请的优先权日市场上可买到的这些电池所测得的相对的总电池体积和用于电化学活性材料所用的内部电池体积；
图2B是一个表，表中示出了对如图2A所示的市场上可买到的这些电池所测得的相对的总电池体积和集电器组件体积；
图3A-3D是一个传统的C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，示出了总电池体积和各种部件的体积；
图4是一个具有一个在罐体的封闭端上形成的减压机构的电池的底视图；
图5是沿图4中所示的罐体通气口的X-X线所取的剖视图；
图6是一个C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，该电池具有一个饮料罐型结构；
图7A是图6中所示电池的局部分解透视图；
图7B和7C是图6中所示电池的一部分的剖视图，图中示出了形成该饮料罐型结构的过程；
图7D是图6中所示电池的一部分的放大剖视图；
图8是一个C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，该电池具有一个饮料型罐结构；
图9A是一个表，示出了各种电池的计算出的总体积和内部电池体积；
图9B是一个表，示出了各种电池的计算出的总体积和集电器组件体积；
图10是一个C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，该电池具有一个根据本发明的一个实施例构成的集电器直通结构；
图11是图10所示电化学电池的分解组装图；以及
图12是一个流程图，示出了在图10和11中所示电化学电池的组装方法。
具体实施方式
如上所述，本发明的一个主要目的是使在电池内用于容纳电化学活性材料的内部体积增加，而不致有害地减少设置在电池中的减压机构的可靠性，并且也不会增加电池泄漏的可能性。
该电化学电池包括一个封闭并密封罐体的敞开端的集电器组件。该集电器组件包括一个设置成与一个电极(例如负极)电接触的集电器(例如一个钉)。还包括在集电器内的是一个第一或内盖板，在该盖板的中心最好有一个孔。集电器就设置在盖板上的孔中并穿过该孔延伸。
一种介电绝缘材料设置在集电器与盖板之间，以便在其间提供电绝缘。因此，集电器钉与内盖板是电绝缘的。减压机构存在于罐体的一个表面上。介电绝缘材料可以是一种有机高分子材料，如有机聚合物。适当的材料包括环氧树脂，橡胶和尼龙。其他能抵抗所用的电解液的侵蚀的介电材料也可以使用。对于碱性电池来说，最好该介电材料可以抵抗氢氧化钾(KOH)的侵蚀并在有氢氧化钾时是非腐蚀性的。介电绝缘材料可以如下面所述地组装到集电器组件中。
更好是在罐体的一个表面上(最好在罐体的封闭端上)形成一个减压机构。结果，已知的复杂的集电器/密封组件就可以用根据本发明的一个使用较少体积并且具有较少的零件的集电器组件来代替。这样，可以显著改善内部电池的体积效率。
减压机构最好通过在罐体的表面上提供一个槽而形成。该槽例如可以通过在罐体的底面上进行压花，在该底面上切出一个槽，或在模压正极时在罐体的底面上模压该槽而制成。对于AA型尺寸的电池而言，在压花的槽的底部处的适当的金属厚度约为0.05mm(2mils)。对于D型尺寸的电池而言，在压花的槽的底部处的适当的金属厚度约为0.075mm(3mils)。该槽可以被成形为约300度的弧。通过保持由槽形成的形状略微是敞开的，该减压机构将具有一个有效的铰链。
减压机构最好设置在外盖板的下面，以防止在破裂时电化学材料从电池危险地直接向外溅出。而且，如果该电池与另一电池串联使用，即电池正极的端部压靠在另一电池的负极上，外盖板在减压机构上面这一措施允许该机构在正极凸起的下面向外弓起并最终破裂。如果在这种环境下不存在外盖板，两个电池之间的接触可能阻止减压机构破裂。而且，如果外盖板不是设置在减压机构的上面，在电池正极端处的该减压机构将更易于受损。外盖板还保护减压机构免受周围环境的腐蚀作用，从而减小了过早通气和/或泄漏的可能性。因此，最好减压机构在电池罐体的封闭端处的一个外盖板下形成。该外盖板最好用作电池外部的正极接头。
由槽所圈绕的区域的尺寸最好如此选择，使得由于过大内部压力而破裂时，在槽内的区域可以在外盖板的正极凸起之内在该铰链处摆动，而不会干涉外盖板。通常，由槽所限定的区域的尺寸，以及所选择的槽的深度，取决于罐体的直径和减压机构将要破裂并允许内部产生的气体逃逸时的压力。
集电器组件的盖板依次连接和密封在罐体的敞开的顶端。在罐体的一个表面上的减压机构的使用允许使用饮料罐型结构，以便形成一个双缝封闭结构。饮料罐型结构与其他形式的电池密封结构的不同之处是它不需要插入罐体敞开端内的任何形式的尼龙密封。相反，采用通常用来将一食品或饮料罐的顶部密封在罐体的圆柱形部分上的密封技术，将负极外盖板固定在罐体的敞开端上。
因此，在一个最佳实施例中，集电器组件的盖板通过一种饮料罐型密封工艺形成一个双缝封闭结构密封在罐体上。相应地，罐体最好具有一个在其敞开端处形成的向外延伸的凸缘。此外，盖板最好具有一个稍微弯曲的周边边缘，该边缘的形状与凸缘的形状相一致。在盖板放置在罐体的敞开端上以后，一个接缝压盘就可以用来形成一个双缝封闭结构。
例如，在一个实施例中，一个接缝压盘这样放置在盖板上，使得该接缝压盘的一个向下延伸的环形部分由在盖板上形成的一个环形槽所容纳。然后，将一个第一接缝辊沿着径向向着盖板的周边边缘移动。当第一接缝辊向着周边边缘和凸缘移动时，其曲面将使周边边缘围绕该凸缘折叠。此外，当第一接缝辊沿径向向内移动时，接缝压盘，罐体和盖板都围绕一条中心轴线转动，使得周边边缘围绕凸缘在罐体的整个圆周折叠。而且，随着第一接缝辊继续沿径向向内移动，该凸缘和周边边缘将被向下折叠。在周边边缘和凸缘被折叠到其位置以后，第一接缝辊就从罐体离开，此时一个第二接缝辊沿径向向内朝着凸缘和周边边缘移动。第二接缝辊具有一个与第一接缝辊不同的轮廓。第二接缝辊在凸缘和周边边缘上施加足够的力，以便把折叠的凸缘和周边边缘压缩并压平在由接缝压盘所支承的罐体的外表面上。该过程的结果是，罐体的周边边缘在凸缘的下面围绕着该凸缘折叠。这样，一个气密密封就通过该过程形成了。
为了说明这种类型的密封的气密性质，将一个根据本发明的该实施例结构的D型尺寸的罐体装满了水，同时也将如图1中所示出的具有传统的密封结构的一个D型尺寸的罐体装满了水。将这两种罐体保持在71℃下，并且经过一段时间称其重量，以便确定从罐中所损失的水的数量。传统结构每周损失270mg重量，而与本发明相一致的结构则在同样的时间周期内没有损失任何重量。使用KOH电解液同样证实了这种结果，传统结构每周损失50mg，而本发明结构仍然没有损失任何重量。
本技术领域的熟练技术人员可以明显看出，饮料罐型结构利用了电池内部的最小空间，减少了制造一个电池所需的工艺步骤的数量，显著地减少了材料的成本和制造过程的成本。而且，罐体壁的厚度可以被明显地减小到0.15mm(6mils)或更小。因此，用于容纳电化学活性材料的内部体积就可以增加。例如，对于根据本发明的一个D型尺寸的电池，可用来容纳电化学活性材料的总电池体积的百分比可高达96的体积百分比，而集电器组件体积可低至2.6的体积百分比。图9A和19B所示的表中包括了其他尺寸的电池的体积。
通过利用饮料罐型结构的密封结构，不仅可以减小罐体壁厚，而且可以增加用来形成罐体的可能材料的数量，这是由于罐体所必须具有的强度要求降低。例如，上述本发明的结构可以使得铝和塑料用于罐体，而非目前使用的镀镍钢。
在饮料罐型结构的一个变型方案中，电池罐体首先被成形为一个具有两个敞开端的管。该管可以采用传统技术，例如可以被挤压，缝焊，软焊或粘接等。该管例如可以用钢，铝和塑料制成。该管限定了罐体的侧壁。然后，采用上述饮料罐体的密封技术，通过将一个盖板固定在其上来密封该管的第一敞开端。一个正极触点可以被焊接在或者用其他方式固定在盖板的外表面上。然后可以充填电池并且可以用与上面所述的相同方式将集电器组件的盖板固定在罐体的第二敞开端上。或者，可以在该管被充填并且密封在另一个盖板上以前，将集电器组件的盖板密封在该管上。
虽然双缝的罐体对盖板封闭结构是优选的，但是应当理解，根据本发明，也可以使用其他的罐体对盖板封闭结构。
根据本发明的电化学电池允许罐体和盖板之间的直接连接，这最好在它们之间提供一压力密封，但不需要在盖板和罐体的侧壁之间的电绝缘。相反，使集电器(最好是一个钉)与内盖板电绝缘，以便电化学电池的正极和负极相互电绝缘。尽管没有要求在罐体和盖板之间保持电绝缘，但在连接罐体和盖板的封闭处最好施加密封胶以协助盖板对罐体的密封。一种传统的密封胶可以施加在盖板的周边边缘的底面上。在饮料型罐结构中，一旦密封步骤完成，该密封胶就移动到图7D中所示的位置。应当理解，密封的封闭结构与绝缘材料一起应当能够承受比通气压力大的内部压力积累，在该通气压力下减压机构释放压力。
为了根据广泛接受的电池标准提供一个合格的外部电池电极，电化学电池最好还包括一个与集电器电接触的外盖板。外盖板可以通过点焊焊接在或者通过其他方式电连接在集电器上。为了确保在外盖板和内盖板之间的电绝缘，最好将一介电材料如环形垫设置在外盖板和内盖板之间。适当的介电材料可以包括施加在内盖板的顶面上或外盖板的底面上的尼龙，其他弹性体材料，橡胶和环氧树脂。因此，可以在电化学电池的集电器端部处设置一个合格的标准的电池电极(最好作为负极)。
在组装视图11中说明了根据本发明的一个最佳实施例的电化学电池的组装，并在图12的流程图中进一步作了说明。该最佳组装方法包括提供一个形成有一个封闭的底端和一个敞开的顶端的罐体。将活性电化学材料设置在罐体内，该电化学材料包括负极，正极和电解液，以及分离器和其他电池添加剂。一旦将活性电化学电池材料设置在罐体内，就可准备对罐体进行封闭和用集电器组件密封。
在封闭罐体前，通过首先将集电器(最好是一个钉)最好与一个绝缘材料环或盘一起设置在于盖板上形成的孔内，而组装集电器组件，以便将集电器设置在绝缘环的孔内。该绝缘环最好由一种可以提供绝缘并且能被加热再成形并设置在内盖板和集电器之间的材料制成，例如环氧树脂。作为选择，可以采用其他有机高分子介电材料来代替环氧树脂，例如一个橡胶绝缘垫圈，一种弹性体材料，或者其他可在集电器和盖板之间形成充分绝缘的介电材料。
最好是，在盖板的顶面上形成有一个围绕盖板上的孔对中的槽。因此，可以将绝缘材料环设置在盖板的顶部上的该槽内，并将集电器钉的头部设置在其上方。从而可将绝缘环组装在集电器钉和盖板上，并再将绝缘环加热到足以熔化该环的高温，使得环再成形并流入盖板上的孔中，以便在集电器钉和盖板之间提供连续的介电绝缘。对于由环氧树脂构成的环，在几秒钟至24小时的时间内保持20℃至200℃的温度可能足以使绝缘材料再成形并固化。一旦介电材料在集电器钉和盖板之间形成充分的绝缘，最好对绝缘的材料进行冷却。在加热和冷却步骤进行期间，使集电器钉在孔中对中，以使集电器钉不会接触盖板。
随后，最好将一个介电绝缘垫(例如一个环形的介电垫)设置在盖板的顶部，以便沿径向从钉的周边向外延伸。然后，最好将一个导电的负极盖板设置在集电器钉的顶部和垫上，该盖板以焊接或以其他方式形成与集电器钉的电接触。
一旦集电器组件完全组装完毕，就将该集电器组件连接在罐体上，以便密封地封闭该敞开端。罐体封闭最好采用一种双缝封闭技术，虽然其他适当的罐体封闭技术也可以使用。此外，最好将一个第二盖板连接在罐体的封闭端上，该盖板最好覆盖在一个减压机构上。
在一个最佳实施例中，提供了一种方法，包括以下步骤：
制作一个具有一个敞开端和一个封闭端的罐体；
制作一个具有一个孔的盖板；
在该罐体中供给电化学活性材料；
组装一个穿过该盖板上的孔延伸的集电器；
将一种绝缘材料连续地设置在集电器与盖板之间；以及
将该盖板横跨罐体的敞开端设置，以便覆盖并密封罐体的敞开端。
在另一个实施例中，罐体可以成形为具有一个用来作为电池正极的凸起，该凸起是直接在罐体的封闭端上形成的。以这种方式，存在于罐体的封闭端和正极外盖板之间的空隙空间可用来容纳电化学活性材料，或者提供收集气体的空间，该空间否则必须在电池内提供。尽管图9A的表中没有提供通过在罐体底部直接形成凸起而获得的电池体积的增加，本技术领域的熟练技术人员应当理解，该内部体积一般比为该表中列出的具有直通式集电器的饮料罐型电池所列出的体积大1％，该表中所列的电池包括一个独立的盖板。
在另一个实施例中，可以将一个印刷层直接施加在电池体的外表面上，以便形成一个标签。通过把该标签作为一个印刷层直接施加在罐体的外部，而不是具有一个标签基片，电池的内部体积就可以进一步增加，因为设计者不需要考虑标签基片的厚度来制造一个符合ANSI或其他的外部尺寸标准的电池。“直接”的含义是指在印刷层与电池罐体之间不存在标签基片。目前的标签基片的厚度在0.075mm(3mils)的量级。由于这种标签基片叠置而形成一个沿电池的长度延伸的缝，这些传统标签对于电池直径有效地增加了约0.25mm(10mils)，并对电池的卷边高度增加了约0.33mm(13mils)。因此，电池罐体必须具有这样一个直径，该直径被选择来容纳标签缝的厚度，以便满足ANSI或其他的尺寸标准。但是，通过在罐体的外表面上直接印刷一个平版印刷的标签，罐体的直径可以被相应地增加约0.25mm(10mils)。在罐体直径上的这一增加显著地增加了电池的内部体积。因此，如果将标签直接印刷在罐体的外面，带有基片标签的电池的内部体积可以进一步增加，例如，对于一个D型尺寸的电池可增加2％(1.02cc)，对于一个C型尺寸的电池可增加2.6％(0.65cc)，对于一个AA型尺寸的电池可增加3.9％(0.202cc)，对于一个AAA型尺寸的电池可增加5.5％(0.195cc)。
也可以采用转移印刷技术将标签印刷在罐体上，在这种转移印刷技术中，标签图像首先被印刷在一个转移介质上，然后被直接转移到罐体的外面。也可以采用变形平版印刷术，由此将一个故意变形的图像印刷在一个平坦材料上，以便考虑到在该平坦材料随后被成形在电池罐体的管或者圆柱体上时所产生的应力变形。
在印刷平版印刷的标签之前，最好先清洗罐体的外表面。为了提高在罐体上印刷的附着力，可以在罐体的外表面上施加一个底层涂料。然后通过已知的平版印刷技术，将印刷层直接施加在罐体上底层涂料的顶面上。该标签还可以包括一个电绝缘的涂层。最好在印刷层上施加一个亮漆涂层，以覆盖和保护该印刷层，并且也可用来作为一个电绝缘层。该印刷标签可以用高温加热或者紫外线辐射技术来使它固化。
采用该印刷标签，与传统的在一个基片上的标签相比，标签的厚度显著减小到约0.013mm(0.5mils)的最大厚度。在一个特定的实施例中，该印刷标签的底涂层的厚度在约0.0025到0.005mm(0.1到0.2mil)的范围内，印刷层的厚度为约0.0025mm(0.1mil)，亮漆涂层的厚度在约0.0025到0.005mm(0.1到0.2mil)的范围内。
通过减小标签的厚度，罐体直径得以增加，因此增加了活性电池材料的可用体积，同时保持了电池的预定外径。
应当理解到，通过使用上述结构，可制造具有较薄的壁的电池，该壁在约0.10-0.20mm(4-8mils)的范围内，这是因为下面所描述的结构技术不需要较厚的壁，而在传统电池中则需要较厚的壁以确保足够的卷边和密封。此外，可将一个标签直接平版印刷在电池罐体的外表面上。通过可使罐体的壁较薄以及可将标签直接平版印刷在罐体的外表面上，电池的内部体积可以进一步增加，这是因为设计者不需要考虑标签基片的厚度来制造一个符合ANSI的外部尺寸标准的电池。
尽管在上面本发明被描述为主要应用于碱性电池，本技术领域的熟练技术人员应当理解，将本发明结构应用于采用其他电化学系统的电池可以获得类似的优点。例如，本发明的结构可以用在碳-锌和锂基电池之类的主系统中或者用在可充电电池上，如NiCd、金属氢化物、和锂基电池。而且，本发明的某些结构可以用在原始电池(即用在电池组或者多层电池中的无标签的电池)上。此外，尽管上面所描述的本发明电池与圆柱形电池有关，但本发明的某些结构可以用来构成棱柱形电池。
下面将参照示于图4至12中所示的实施例来进一步介绍本发明：
参照图10，图中示出了一个根据本发明的一个实施例构成的具有一个直通集电器的电化学电池700。类似于图6中所示的具有饮料罐型结构的电化学电池400，电化学电池700包括一个带有封闭端314和敞开端的导电罐体712，一个低体积集电器组件725和负极外盖板750组装在该敞开端内。一个与罐体712的内壁和分离器117相接触的正极115，该分离器处在一个正极115和一个负极120之间。一个减压机构370在罐体712的封闭端314上形成。减压机构370可以被成形为一个槽372，如结合图4和5所描述的。此外，正极外盖板311被连接于罐体712的封闭端并覆盖该减压机构370。集电器组件725封闭并密封了罐体712的敞开端。集电器组件725包括一个成与负极120电接触的集电器钉740。还包括在集电器组件725中的是一个第一或内盖板745，该盖板具有一个在其中形成的中心孔751。集电器钉740被设置在内盖板745上的孔751中并穿过该孔延伸出去。一个电绝缘材料744设置在集电器钉740与第一盖板745之间，以便在其是提供一个介电绝缘。内盖板745通过在周边边缘450和470处的一个双缝封闭结构连接并密封在罐体712的敞开端上。一个外盖板750与集电器钉740电接触。一个介电环形垫748设置在负极外盖板750与内盖板745之间。因此，一个电池的负极就由盖板750构成。
参照图7A-D所示的方法，可以制造根据本发明的一个最佳实施例的具有饮料罐型密封的电池。如图7B中所示，将盖板745(与图7A-D中的盖板445相当)放置在罐体712(与图7A-D中的罐体412相当)的敞开端上。罐体712具有在其敞开端上形成的向外延伸的凸缘750。而且，盖板745最好具有一个与凸缘450的形状相符的略微弯曲的周边边缘470。一旦将盖板745放置在罐体712的敞开端上，就将一接缝压盘500放置在盖板745上，这样接缝压盘500的环形的向下延伸的部分502由在盖板745上形成的环形凹槽472接纳。然后，朝盖板745的周边边缘470沿径向移动一个第一接缝辊510。随着朝周边边缘470和凸缘450移动第一接缝辊510，其弯曲的表面使得周边边缘470绕凸缘450折叠。而且，随着第一接缝辊510径向向内移动，使接缝压盘500，罐体412和盖板745绕一根中心轴线转动，使得周边边缘470在罐体712的整个圆周上绕凸缘450折叠。而且，随着第一接缝辊510继续沿径向向内移动，凸缘450和周边边缘470被向下折叠到图7C所示的位置。在周边边缘470和凸缘450已经被折叠到图7C所示的位置，使第一接缝辊510移动离开罐体712，然后使第二接缝辊520沿径向向内朝凸缘450和周边边缘470移动。第二接缝辊520具有不同于第一接缝辊510的轮廓。第二接缝辊520对凸缘450和周边边缘470施加一个足够的力，以抵着罐体712的外表面挤压和压平折叠的凸缘和周边边缘，该罐体712的外表面由接缝压盘500支承。作为这一过程的结果，使得罐体712的周边边缘470围绕并在凸缘450之下折叠，并在凸缘450和罐体712的壁的外表面之间卷边。如图7D和10中所示。这样通过该过程就形成一个气密密封。
在图8中示出了饮料罐型结构的一种变型方案。其中，电池罐体首先被成形为一具有两个敞开端的管。该管限定了罐体612的侧壁614。然后，采用上面所概述的饮料罐型密封技术，通过将一个内盖板616固定在其上来密封该管的第一敞开端，但是在内盖板616与侧壁614之间没有电绝缘。一个正极外盖板618可以被焊接在或者用其他方式固定在内盖板616的外表面上。然后可以充填电池并且可以用与上面所述的相同方式将一个集电器组件725(未示出)固定在罐体612的第二敞开端上。
在组装视图11中说明了根据本发明的一个实施例的电化学电池700的组装，并在图12的流程图中进一步作了说明。电化学电池700的组装方法770包括提供形成有一个封闭的底端和一个敞开的顶端的罐体712。步骤774包括将活性电化学材料设置在罐体712内，该电化学材料包括负极，正极和电解液，以及分离器和其他电池添加剂。一旦将活性电化学电池材料设置在罐体712内，就可准备对罐体712进行封闭和用集电器组件725密封。在封闭罐体前，根据步骤776，通过首先将集电器钉740与一个绝缘材料环一起设置在于内盖板745上形成的孔751内，而组装集电器组件。将集电器钉740设置在绝缘环744的孔742内，该绝缘环提供了介电绝缘并可被加热而再成形并设置在内盖板745和集电器钉740之间。将绝缘材料的环744设置在内盖板745的顶部上的凹槽755内，并将集电器钉740的头部设置在其上方。在步骤778中，将绝缘环744组装在集电器钉740和盖板745上，并将绝缘环744加热到足以熔化环744的高温，使得环744再成形并流入盖板745上的孔751中，以便在集电器钉740和内盖板745之间提供连续的介电绝缘。对于由环氧树脂构成的环744，在几秒钟至24小时的时间内保持20至200C的温度可能足以再成形并固化绝缘材料。一旦介电材料744在集电器钉740和内盖板745之间形成充分的绝缘，最好在步骤780使绝缘的材料冷却。在加热和冷却步骤778和780期间，使集电器钉740在孔751中对中，使得集电器钉740不会接触盖板745。随后，在步骤782中，将一介电绝缘垫748如一环形的介电垫设置在内盖板745的顶部，并且从钉740的周边向外径向延伸。在步骤784中，设置在集电器钉740的顶部和垫748上的是一个导电的负极盖板750，该盖板以焊接或以其他方式形成与集电器钉740的电接触。一旦集电器组件完全组装完毕，就将该集电器组件连接在罐体上以密封地封闭该敞开端，如在步骤786中所完成的。罐体封闭可以采用双缝封闭或者其他适当的罐体封闭技术。此外，组装方法770包括将一个第二外盖板连接在罐体封闭端的步骤788，该外盖板最好覆盖减压机构370。
应当指出，附图中所示的以及上面所描述的实施例只是出于说明目的，无意限制本发明的范围。
实例
通过观察一张计算机辅助设计(CAD)图纸，一张照片，或者已经封闭在环氧树脂中并且被纵向剖开的电池的实际断面，即可确定每个电池的总电池体积，集电器组件体积和电化学活性材料用的内部体积。采用一张CAD图纸，照片或实际的纵向断面来观察和确定电池的尺寸允许包括在电池内可能存在的所有空隙体积。为了测量总电池体积，可观察通过其中心纵轴线所取的电池的断面并通过几何计算确定总体积。为了确定电化学活性材料用的内部体积，可观察通过其中心纵轴线所取的电池的断面，并通过几何计算确定构成内部体积的各部件，包括限制在电池密封体积内的电化学活性材料，空隙体积和化学惰性材料(并非集电器钉)的体积。同样，为了确定集电器组件的体积，可观察通过其对称中心纵轴线所取的电池的断面，并通过几何计算确定构成集电器组件的部件，包括集电器钉，密封，内盖板和在负极盖板的底面和密封之间所限定的任何空隙体积。同样，通过观察电池的中心纵向断面并计算由罐体，标签，负极盖板，标签与负极盖板之间的空隙体积，正极盖板，以及正极盖板与罐体之间的空隙所占用的体积，可确定容器体积。
通过观察通过其对称的纵轴线所取的电池的一个断面，可对体积进行测量。由于电池及其部件通常是轴向对称的，所以这样做可以提供精确的测量体积。为了获得一个电池断面的几何视图，首先将电池封装在环氧树脂里，在环氧树脂固化后，将封装的电池和其部件向下研磨到通过对称轴线的中心断面。更具体说，首先将电池封装在环氧树脂内，然后研磨到接近中心断面。随后，取出所有的内部部件，如正极，负极和分离器纸，以便更好地测量最后的断面。然后，清除封装的电池上的任何剩余碎片，用空气干燥，并且用环氧树脂充填其余的空隙体积，以便在完成研磨和抛光至其中心之前赋予电池一定的整体性。然后再次研磨和抛光电池直至到达其中心断面为止，之后将其描绘成图，并由图测量体积。
在将电池封装在环氧树脂中之前，用卡尺对电池进行测量，以测量总高度，卷边高度和在顶部、底部和电池中部的外径。此外，分解一个相同的电池并测量其部件。对分解电池的部件的测量包括电流集电器钉的直径，电流集电器钉的长度，电流集电器钉到负极盖板的长度，和没有标签时电池的顶部、底部和中部的外径。
一旦将电池完全地封装在环氧树脂内并研磨到通过对称纵轴线的中心，就可用电池的断面作图。使用一个带有QC-4000软件的Mitutoyo光学比较仪来描绘电池的轮廓及其各个部件，以产生一张电池中心断面的图纸。在此过程中，将电池牢固地固定就位并以随后可在立体模拟软件中使用的格式储存电池各部分的轮廓，以计算有关的电池体积。但在进行任何体积测量之前，可调整图纸以补偿未通过电池中心精确对齐的任何电池部件。通过利用在剖开电池之前从电池所取的测量结果和从分解的相同电池所取的这些结果可实现这种调整。例如，通过调整图纸以包括相应的已知断面尺寸，可改变现在集电器钉的直径和长度和电池的最大外径，以便更精确地制出图纸，使得图纸可更精确地用来进行体积测量。当密封，盖板和卷边区域的细节在光学比较仪上绘出时，可使用它们。
为了进行体积计量，将图纸输入立体模拟软件。通过将在左和右两侧上的断面轮廓绕对称纵轴线转动180度，可产生一个三维的立体体积图像。因此，可通过该软件计算出有关各区域的体积，并且通过将左、右两侧转动180度并将左、右体积加在一起，就确定了一个平均的体积值，在电池具有非对称特征的情况下这可能是有利的。包括任何非对称特征的体积可以按需要进行调整以获得更精确的体积计量。
图9A和9B示出了各种不同类型的电池结构的体积，它们在1998年10月2日递交的美国专利US 60/102,951和1998年8月21日递交的美国专利US60/097,445中有更完全地公开。如图9A中所示，在称为“具有直通式集电器的饮料罐体”的该行中，采用图6中所示的结构构成的一个D型尺寸的电池，当罐体壁是0.20mm(8mils)厚时，具有一个为97.0体积百分比的内部体积。如图9B中所示，采用图6中所示的结构构成的一个D型尺寸的电池，当罐体壁是0.20mm(8mils)厚时，具有一个为总体积的1.6％的集电器组件体积。具有类似结构的C，AA和AAA型尺寸的电池在内部体积效率方面也有明显改善，这从图9A的表中可以清楚地看出。

Claims (24)

1.一种电化学电池，包括：
一用来容纳包括至少正极，负极和电解液的电化学活性材料的罐体，该罐体具有一敞开端和一封闭端；
一横跨罐体的敞开端设置并与罐体直接接合的盖板，该盖板具有一通过其延伸的孔；
一电流集电器，该集电器通过该盖板的孔延伸并且在罐体内向内延伸以便与正极和负极之一电接触；
一设置在集电器与盖板之间的第一绝缘材料，用来使集电器与盖板电绝缘并且在集电器与盖板之间提供一密封；以及
一在罐体的一表面上形成的减压机构。
2.权利要求1所述的电化学电池，其中，减压机构是在罐体的封闭端处的一表面上形成的。
3.权利要求2所述的电化学电池，其中，减压机构包括一在罐体的封闭端上形成的槽。
4.权利要求2或3所述的电化学电池，还包括一设置在罐体的封闭端上与其电接触的第一接触终端，其中第二接触终端覆盖在减压机构上。
5.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，还包括：
一与集电器电连接的第二接触终端；以及
一设置在第二接触终端与盖板之间的第二绝缘材料，用来使第二接触终端与盖板绝缘。
6.权利要求5所述的电化学电池，其中，第一接触终端与正极电连接，用来作为正的外部电池电极，以及第二接触终端与负极电连接，用来作为负的外部电池电极。
7.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，电解液包括KOH，以及第一绝缘材料包括能够抵抗KOH化学侵蚀的一有机高分子材料。
8.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，盖板是与罐体分开形成的。
9.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，集电器包括一钉。
10.权利要求5所述的电化学电池，其中，集电器包括一钉，并且该钉被焊接在第二接触终端上。
11.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，罐体具有一从罐体的敞开端朝着封闭端向外延伸的凸缘，以及盖板具有周边边缘，该周边边缘在该凸缘上并绕其延伸，且在凸缘与罐体的一外表面之间卷边。
12.权利要求11所述的电化学电池，还包括一设置在凸缘与盖板的外周边边缘之间的密封胶。
13.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，第一绝缘材料包括从环氧树脂，橡胶和尼龙中选出的一种材料。
14.权利要求1-3中任一项所述的电化学电池，其中，该电池是一圆柱形电池。
15.一种用来组装电化学电池的方法，包括以下步骤：
将电化学活性材料装在具有一封闭端和一敞开端的罐体中；
通过一在盖板上形成的孔设置一电流集电器；
在盖板与集电器之间提供一绝缘材料，以便在其间形成电绝缘；以及
把盖板和集电器组装在罐体的敞开端上，使得盖板直接接合到罐体。
16.权利要求15所述的方法，还包括在罐体的一表面上形成一减压机构的步骤。
17.权利要求16所述的方法，其中，减压机构在罐体的封闭端上形成。
18.权利要求17所述的方法，还包括使第一接触终端与罐体的封闭端电接触并且覆盖在减压机构上方的步骤。
19.权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，设置绝缘材料的步骤包括至少局部地熔化该绝缘材料使得熔化后的绝缘材料在电流集电器与盖板之间再成形。
20.权利要求15至17中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
将一外绝缘材料设置在盖板的顶部上，以及
将一第二接触终端连接在外绝缘材料的顶部上并且与电流集电器电接触。
21.权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，盖板是与罐体分开形成的。
22.权利要求15至17中任一项所述的方法，还包括在盖板与罐体之间形成一双缝封闭结构的步骤。
23.权利要求22所述的方法，其中，形成一双缝封闭结构的步骤包括的步骤为：放置盖板的一周边边缘以在罐体敞开端的一凸缘上且绕其延伸，以及将盖板的该周边边缘在凸缘与罐体的一外表面之间卷边。
24.权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，绝缘材料包括从环氧树脂，橡胶和尼龙中选出的一种材料。
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