CN1171332C - 卷绕式电极组件及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有导电接片的转绕式电极组件，将导电接片连接到转绕式电极的方法以及使用这种组件的电化学电池。在本发明的方法中，涂敷有活性材料的电极板(1)的导电接片区域用具有隆起的表面探针(3)的相互错开的刺孔平板(2)刺孔，所述探针刺穿该导电接片区域。所形成的区域去除活性材料，并且导电接片被焊接到如此处理的区域，得到带有坚固的一体化接片组件的电极板。

Description

卷绕式电极组件及其生产方法
技术领域
本发明涉及具有导电接片的卷绕式电极组件、将导电接片连到卷绕式电极的方法以及使用这种组件的电化学电池。
背景技术
使用卷绕式电极组件的电化学电池在技术上是广泛知道的。在许多这种电池结构中，卷绕式电极组件被插在用作电池的电流传导端子的复合外壳中。组装这种型式的电池时，导电接片必须首先通过适当的办法例如焊接固牢到电极上。
使用卷绕式电极组件的电池可以使用例如镍金属氢化物、镍镉、镍锌等等各种不同的电化学方式生产。当使用镍金属氢化物电池时，镍金属氢化物电池的负电极一般是形式为金属氢化物的氢存储电极。正电极一般为氢氧化镍。正如这一技术中众所周知的一样，这些电池还包含有一个隔离物和电解液。
正电极带通常是用于镍金属氢化物电池的最外层卷绕式电极，并有一个一端固牢到载体的一个选定区域、另一端固牢到电池外壳上的导电接片。在将导电接片固牢到电极之前，导电载体的选定区域必须清除任何活性电极材料。常规的办法是，这种清除系通过诸如风吹、擦拭、抽气、超声清除等等工艺过程进行。但是，使用这些方法的载体(基片)既依赖于从基片上清去活性材料的效率又依赖于导电接片对基片的最终焊接强度。
随着毡毛、泡沫材料及其他脆性材料基片制作的导电载体的开发，从基片上除去活性材料和连接导电接片的任务变得越来越困难了。人们已使用了各种不同的方法从基片上碎裂或松脱活性材料例如从所要求的区域超声去除活性材料、沿着电极的整个边沿去除基片活性材料、连接“t”、“v”或“h”形的导电接片以加强接片区域的强度等等。
虽然从电极的整个长度去除活性材料有助于提高这种型式电池的制造效率，但当今的趋势却是借助在电化学电池中存在尽可能多的活性材料的反应作用使容量达到最大。因此，对仅从脆性材料基片的一小部分基本上去除活性材料而不致减弱或损坏基片并且允许将导电接片连接到已如此清除的基片的制造卷绕电极组件的方法仍存在需要。
发明内容
本发明涉及卷绕式电极组件和卷绕式电极组件的生产方法。更具体地说，本发明涉及一种用于生产具有一个导电接片区域的电极板的方法，包括的步骤是：a.通过在一个导电多孔的基片的暴露的表面上涂覆活性材料层形成一个电极板；b.使用具有隆起表面探针的互相对置的错开刺孔板，通过将所述对置的刺孔板施加到活性材料层上，使得隆起表面探针刺穿活性材料层，并且也刺入所述底层的导电基片，刺进所述电极板的一个区域；c.清除所得区域以露出底层的多孔性基片，形成一个导电接片区域；以及d.将导电接片连接到所述露出的底层多孔性基片。
本发明的第一步骤是刺孔步骤，用互相对置的错开刺孔平板从两侧压向电极板的导电接片区。刺孔平板具有隆起的表面探针刺穿活性材料并在被处理区域形成一个针孔图案。下一个步骤清除被处理区，得到基本没有活性材料的导电接片区域。通过使用本发明的工艺过程之后，各种型式的导电接片便可连接到已清除区域，结果便得到坚固的一体化接片组件。
还发现，用本发明工艺方法制备的电极由于接片区相对较平的关系很容易组装成适用于电化学电池的卷绕式组件。此外，本工艺方法允许在电化学电池成品中包含有更多的活性材料，结果便获得较高的容量。
附图说明
图1是电极板与具有隆起探针的刺孔板接触的侧视图；
图2是具有隆起的表面探针的刺孔板的正视图；
图2a是刺孔板的隆起表面探针的分解侧视图；
图3是一个照片，示出本发明的刺孔步骤后的电极板导电接片区域；
图4是一个照片，示出经本发明的刺孔步骤和超声清除所得区域之后的电极板导电接片区域；
图5是未经本发明的刺孔步骤的对比电极板接片区域在超声清除接片区之后的照片。
具体实施方式
在本发明工艺方法的第一步骤，用互相对置的具有隆起表面探针的错开刺孔板刺入电极的导电接片区。在下一步骤，所得区域被清除活性材料以露出底层基本没有活性材料的多孔性基片。然后，将导电接片连接到已露出的底层多孔性基片上。
在根据本发明制造的电化学电池中可用于制备正电极的基片包括任何具有低机械强度的高多孔率基片例如泡沫材料、毛毡等等。基片被覆盖上适合于所要求的电化学方式的活性材料。
在镍金属氢化物电池的情形，正电极的活性材料包括一种或几种镍化合物(例如氢氧化镍)的混合物。活性材料还可包括这一技术中所知道的其他化合物，包括导电率增强到(例如氧化钴)、导电材料(例如碳黑)、增稠剂、粘结剂等等。金属粉和其他成分用水混合形成一种湿性浆料，可以用任何已知的方法例如刮浆刀法、滚涂法、溅射涂覆等等涂覆到多孔的基片上。然后，已涂覆的基片可以使用这一技术中已知的方法干燥并经过砑压工艺形成一个光滑的硬化电极板。电极板的最终厚度通常为0.6至0.7mm左右的范围，最好是0.63至0.67mm。然后，将电极板切割成所需的尺寸用在电化学电池中。
已经发现，通过用互相对置的错开刺孔板刺入电接片区域，可以基本清除掉导电接片区的活性材料，而不致损坏底层的多孔脆性基片。被清除活性材料的导电接片区可以稍稍大于要接到已清除区域的导电接片的宽度。
图1是在刺孔步骤中电极板(1)与对置的刺孔板(2)接触的正视图。电极板(1)受到来自具有错开的隆起表面探针(3)(端部为一个点)的对置刺孔板(2)大约20至110磅/平方英寸的压力。隆起的表面探针错开是为了在对置的刺孔板接触电极板时，隆起的表面探针的尖端刺入底层的多孔基片而不致互相碰触。在一个最佳实施例中，隆起的表面探针刺入电极板的底层基片而不会透出电极板的另一表面。
图2示出具有错开的隆起表面探针(3)的刺孔板(2)的正视图。表面探针与相邻探针错开一个距离(4)，与下一行表面探针错开一个距离(5)为的是在压向电极板时避免对置的表面探针互相碰触。如图2a-一个表面探针的分解侧视图所示，表面探针最好是与表面探针之底至表面探针尖端的垂直线成20度以下(最好等于18至22度)的锐角(6)。表面探针有一个0.4mm左右的底(7)，高度(8)约为0.6mm，随电极板的厚度而定。表面探针的底和高可以从这些尺寸变化以避免损坏底层的多孔性基片。例如，如使用较窄的表面探针，探针就可能透出电极板的另一侧面而不致损坏底层的多孔性基片。如果使用较宽的表面探针，表面探针穿入电极板的深度应当使底层的多孔性基片不受损坏。
图1是已经用本发明的上述刺孔步骤处理过的电极导电接片区域的一个照片，所得区域在电极表面上具有钻石形的针孔。随着所用基片型式和活性材料厚度的不同，可以使用一次或一次以上的刺孔步骤，以使下一个清除步骤期间基本去掉活性材料更容易些。
在工艺过程的下一步骤，使用常规方法清除导电接片区域的活性材料。在一个优选实施例中，系使用超声处理来去除活性材料。可以认为本发明的刺孔步骤还降低了从被处理区域基本除去活性材料所需要的超声剂量，其结果是更少损坏底层的脆性基片。用于将超声波施加到被处理区域的设备型式可以变化并且一般包括一个带有光滑或隆起表面的角形超声辐射体和一个具有光滑或隆起表面的砧座。在本发明的一个最佳实施例中，角形超声辐射体具有一个光滑的表面而砧座则由一个带有钻石形钝尖(为了防止损坏基底)的隆起表面的可移动滚轮组成。所施加的超声剂量一般在至少20kHz左右百分之百幅度的范围(约204焦耳的能量)，持续时间约0.5至1秒。
图4是经过本发明的刺孔步骤处理及其后面的超声清除步骤的导电接片区域的照片，示出在导电接片区域基本没有活性材料的底层多孔性基片。照片示出事实上仍然保持脆性基片的完整性。
图5是仅使用超声清理而没有用本发明的刺孔步骤清除导电接片区域的对比方法的照片，示出底层脆性多孔基片的纤维损坏情况。超声清除导电接片区域而不使用至少一次本发明的刺孔步骤损害了将导电接片焊接到基片的被清除导电接片区域的能力。
在除去已处理区域的活性材料之后，就可以使用超声或电阻焊接法将导电接片连接到基片上。导电接片可以是镍或者被镍的钢，可以有任何需要的形状例如双层接片(v形或h形)或者矩形的平滑单层接片。在本发明的优选实施例中，使用超声焊接法将矩形单层接片连接到基片上。使用这一技术中已知的方法完成超声焊接。在一个优选实施例中，角形超声辐射体具有隆起的表面，而砧座则具有平滑的表面。为了在基片和导电接片之间形成切向熔焊，沿平行被焊表面的方向(180°)以大约30磅/平方英寸的焊接压力施加20kHz百分之百幅值的超声振动。根据所用导电接片的型式不同，焊接能量可以从对单层接片的大约18焦耳到双层接片的大约30至45焦耳，焊接时间大约0.5至1秒。
在本发明的一个最佳实施例中，使用具有隆起表面的角形超声辐射体和具有平滑表面的砧座将单层导电接片连接到已清除的脆性基片上。出乎预料的是，使用平滑砧座时单层导电接片与脆性基片可形成充分的切向熔焊。一般，导电接片与脆性基片的超声焊接还包括使用双层导电接片例如h接片和v接片。这种型式的双层接片便于使用具有隆起表面的砧座和具有隆起表面的角形超声辐射体，因为基片被插在两个金属层之间，不接触角形超声辐射体也不接触砧座。使用具有隆起表面的砧座会在焊接单层导电接片时损坏基片露出的脆性纤维。已经发现，通过使用本发明的方法，所有形状的接片都可使用平滑的砧座成功地焊接到脆性多孔基片的导电接片区域上。
然后，具有上述连接导电接片的正电极可以用常规步骤处理。这些步骤可包括在电极边缘上方的接片部分设置一个冲孔以改善柔韧性和便于接片与电池盖帽连接；和/或用胶带粘贴导电接片和导电接片区域以确保附加焊接强度和防止内部短路。
与双层导电接片相反，使用单层导电接片能通过消除一般与具有双层接片(即双倍厚度)的卷绕电极组件联在一起的隆起区域而达到改善商业制造工艺。消除这个隆起区域还减少了内部短路的可能性，并允许用附加的电极层合并到卷绕式电极组件中。
下面的例子比较使用本发明方法的超声焊接和常规电阻焊接的结果。正电极用需要成分(氢氧化镍、氧化钴、凝胶剂、粘结剂、和碳黑)的湿浆料涂覆到比重在320m2/g左右到500m2/g左右之间的被镍泡沫材料基片例如Eltec公司的Eltec 400泡沫材料上。然后，所涂覆的基片在大约110至120摄氏度烘干并使用30至40吨左右的压力砑光形成一个正电极板。然后，正电极板再切割成需要的尺寸。使用一次或一次以上的本发明刺孔步骤制备一个电极板系列以形成一个处理过的导电接片区域。然后，使用具有光滑表面的角形超声辐射体和具有隆起表面的可移动滚轮砧座的超声清除法清除导电接片区域。
然后，使用超声焊接法将单层导电接片连接到已清除区域。使用具有隆起表面的角形超声辐射体和具有光滑表面的砧座进行超声焊接。使用常规的电阻焊接法将双层导电接片连接到上述制备的电极板系列上。
利用在Lloyd Instrument公司的LXR型拉力试验机上作标准拉力试验测量接片焊接的强度。试验通过用试验装置的一端夹紧导电接片，另一端夹紧电极板的底部进行。然后以每分钟5mm的速度朝相反的方向拉动夹具，直到接片与电极板之间的连接达到最大强度(刚好在导电接片/基片焊接减弱之前)为止。结果报告在表1中。
对照例子使用经过了超声清除而没有使用本发明刺孔步骤的电极板进行。单层导电接片由于损坏底层的基片和不完全清除导电接片区域活性材料而不能使用超声焊接法焊接到电极板上。结果示于下面的表1中。每一个样品标识符都表示来自使用同一样处理步骤的五个不同批次的五个样本的平均结果。
表1拉力试验
  样本                超声焊接             电阻焊接
                     焊接强度/带          焊接强度/带
                        (公斤)               (公斤)
   A                     0.7                  0.71
   B                     0.71                 0.66
   C                     0.77                 0.62
   D                     0.7                  0.84
   对照                  无焊接可能           -
结果显示出使用本发明的工艺过程连接单层导电接片时的焊接强度一致性。此外，本发明的工艺过程提供了可与使用双层接片/基片电阻焊接相比拟的单层接片/基片焊接强度。

Claims (13)

1.一种用于生产具有一个导电接片区域的电极板的方法，包括的步骤是：
a.通过在一个导电多孔的基片的暴露的表面上涂覆活性材料层形成一个电极板；
b.使用具有隆起表面探针的互相对置的错开刺孔板，通过将所述对置的刺孔板施加到活性材料层上，使得隆起表面探针刺穿活性材料层，并且也刺入所述底层的导电基片，刺进所述电极板的一个区域；
c.清除所得区域以露出底层的多孔性基片，形成一个导电接片区域；以及
d.将导电接片连接到所述露出的底层多孔性基片。
2.权利要求1的方法还包括一个以上的刺孔步骤。
3.权利要求1的方法，其中所述清除步骤是将超声波施加到所述得到的区域。
4.权利要求3的方法，其中所述超声波是通过具有光滑表面的角形超声辐射体和具有隆起表面的砧座施加。
5.权利要求4的方法，其中所述砧座包括一可移动的滚轮砧座。
6.权利要求1的方法，其中所述露出的底层多孔性基片在所述清除步骤之后没有活性材料。
7.权利要求1的方法，其中所述连接步骤是通过施加超声波进行。
8.权利要求7的方法，其中所述超声波是借助具有隆起表面的角形超声辐射体和具有平滑表面的砧座。
9.权利要求1的方法，其中所述导电接片是用镍或镀镍的钢制成。
10.权利要求1的方法，其中所述导电接片是单层导电接片。
11.权利要求1的方法，其中所述导电接片是双层导电接片。
12.权利要求1的方法，还包括在所述导电接片上冲一个孔的步骤。
13.权利要求1的方法，还包括连接所述导电接片和导电接片区域的步骤。
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