CN1174506C - 具有多个阳极空间的电化学电池 - Google Patents

Abstract

提供了一种电化学电池，它有设置在一个电池容器中的一个第一电极，例如一个阴极，和数个第二电极例如阳极；在阴极中构造的数个空腔；设置在每个空腔中的一个隔离件和阳极；和一个与阳极电连接在一起的集电器。按照一个实施例，设置了数个圆柱形的阳极。按照一个第二实施例，公开了数个半圆柱形的阳极。

Description

具有多个阳极空间的电化学电池

技术领域

本发明总体上涉及一种电化学电池，更具体地说，本发明涉及一种具有增大的阳极至阴极交界面面积的电化学电池。

背景技术

电化学电池通常用作电动装置的电压源，尤其是为便携式电动提供电压。目前可以在市场上获得一些在工业上具有标准型号的通常为圆柱形类型的普通碱性电池，包括D-，C-，AA-，AAA-，AAAA-型号的电池，以及一些其它型号和结构的电池。诸如上述类型的电化学电池通常提供一种预先确定的开路电压源。

传统的圆柱形碱性电池通常有一个圆柱形钢制外壳，外壳的一端设置一个正极盖，在相反的一端设置一个负极盖。圆柱形电池有一个正电极，通常称为阴级，它常常用一种由二氧化锰，石墨，氢氧化钾溶液，去离子水和特氟隆^溶液围绕圆柱形钢制外壳的内侧面形成的混合物构成。一个环形隔离件围绕阴极的内表面设置在外壳的内圆柱形空腔的大致中央处。一个负电极，通常称为阳极，典型地是用锌粉，一种胶化剂和其它添加剂构成的，它和一种电解质溶液一起设置在隔离件中。传统的圆柱形电池的一个例子公开于美国专利5501924中，该专利作为对比文件引用与此。

上述传统的圆柱型电池都通常具有装配在钢制外壳内的一个唯一的阳极和一个唯一的阴极，隔离件接合在它们之间。通常阴极设置在钢制外壳的内壁附近，而阳极设置在由阴极限定的一个圆柱形空腔中。因此，隔离件具有一个基本上由阳极和阴极的形状和大小限定的阳极至阴极的交界面面积。在传统的电池中，阳极至阴极的交界面面积大约等于圆柱形阳极的外周面的表面面积。此外，阳极通常制成一种圆柱形状，它有一个均匀弯曲的平行于容器壁的外表面，使得阴极不易断裂，这种断裂会导致电池中离子和电子的中断。

设计碱性电池中的一个主要目标是提高工作性能，它是指电池在一定的负荷下放电到一个特定的电压值所持续的时间长度，在这个特定电压下该电池对其指定的用途不再有用。商业上可获得的碱性电池通常有一个由工业标准限定的外部尺寸，由此限制了增加可以利用的活性材料数量的能力。然而，寻找提高工作性能的新途径的需要仍然是电池设计者的目标。

发明内容

本发明通过增大电池的阳极至阴极的交界面面积来提高工作性能，提高了电化学电池的性能。为了获得这个优点和其它优点，以及根据在此所包含和所描述的本发明的目的，本发明提供一种电化学电池，包括

一个具有一个封闭底端和一个敞开顶端的容器；

一个设置在容器中的第一电极；

数个在第一电极中延伸的空腔；

设置在数个空腔的每一个空腔中的一个隔离件；

设置在数个空腔的每一个空腔中的每一个隔离件中的一个第二电极；

一个与每一个第二电极连接的集电器；以及

一个装配在容器的敞开顶端上的盖和密封组件，

其中所述的第一电极为二氧化锰阴极，及所述第二电极为含锌阳极。

实施本发明的人和本领域的技术人员通过阅读以下的说明书和权利要求书并参见附图将会认识到本发明的这些和其它特征，目的和好处。

附图说明

图1是本发明的一个电化学电池沿着纵轴线截取的纵截面图；

图2是沿图1中II-II线截取的电化学电池的横截面图；

图3是部分装配的电池的一个顶视图，电池中有一个阴极，阴极中构造了数个空腔；

图4是电池的一个分解图，示出一个盖和密封组件与集电器一起要插入电池容器中的情况；

图5是按照本发明的另一个实施例的一个电化学电池沿着纵轴线截取的纵截面图；

图6是沿图5中VI-VI线截取的电化学电池的横截面图；

图7是指示本发明的一个电化学电池的工作性能与一个传统电池相比较的对比曲线图。

具体实施方式

现在参照图1，图中示出了一个电化学电池10，它有一个此处作为阴极的第一电极和数个此处作为阳极的第二电极。虽然阴极用作正电极，阳极用作负电极，但是应该认识到，本发明的并不局限于所示的优选实施例。此外，虽然此处示出和描述的电化学电池10是一个圆柱形碱性电池，但是也应该注意到，本发明的思想也可以应用于具有各种型号尺寸和结构的各种类型的电化学电池。

电化学电池10有一个圆柱形的钢制外壳12，该钢制外壳12有一个封闭的底端和一个敞开的顶端。一个金属化的塑料标签14包覆在钢制外壳12的外部表面上，只露出钢制外壳12的上下两端。装配到外壳12的封闭底端上的是一个正极盖16，它最好用薄钢片制成，在它的中央处有一个凸起的小块18，构成电池10的正极接线端。装配到外壳12的敞开端上的是一个盖和密封件组件40和外盖30，它构成电池10的负极接线端。

阴极20最好是由二氧化锰，石墨，氢氧化钾溶液，去离子水和一种特氟隆悬浮物的一种混合物构成，该阴极20围绕着钢制外壳12的内部侧表面构成，按照本发明，阴极20内形成有数个阳极空腔，例如四个空腔22A-22D，并且这些空腔最好穿过阴极20的整个长度。可以通过在阴极20中钻孔或用其它方式在阴极中形成一个圆柱形空腔而形成每个空腔22A-22D，并使得在每个阳极空腔22A-22D之间和每个空腔与外壳12的内侧面之间留有足够的阴极材料20。

四个杯形隔离件24A-24D设置在对应的阳极空腔22A-22D中，并且每个隔离件的外表面顶住阴极20的内表面，隔离件24A-24D最好用一种可以防止任何固体颗粒进入电池中的非纺织品制成。每个隔离件24A-24D最好都分别在对应的整个阳极空腔22A-22D上延伸，并且可以有一个过量的隔离件材料延伸到阴极20的顶部表面上。注射到或用其它方式设置到每个杯形隔离件24A-24D中的是一个阳极，分别表示为阳极26A-26D。因此，对应的阳极26A-26D被设置在对应的隔离件24A-24D的一个内表面上。每个阳极26A-26D可以包含一个由非混汞锌粉，一种胶化剂和其它添加剂，并与一种可以由氢氧化钾，氧化锌和水构成的电解质溶液混合而形成的胶质型阳极。应该认识到，在不背离本发明的学说下可以采用各种类型的阳极和阴极。

设置在阳极26A-26D中的是一个具有四个导电插脚28A-28D的四插脚集电器28。每个导电插脚28A-28D都在其中一个阳极26A-26D中延伸，以便实现与阳极含锌物接触。四个导电插脚28A-28D相互间处于导电接触，使得阳极26A-26D相互电连接并且连接到电池负极连线端。因此，四插脚集电器28提供了一条分别从每个阳极26A-26D中的含锌物到电池负极接线端的导电路径。

装配到外壳12的敞开端的是一个盖和密封件组件40，它为电池10的装配提供一个封闭件。盖和密封件组件40包含一个可以包含尼龙的内密封体34和一个设置在密封体34顶部的内金属盖36。四插脚集电器28预先装配成盖和密封件组件40的一部分，使得集电器插脚28A-28D穿过金属盖36中的孔，密封体34防止钢制外壳12中的活性组分泄漏出来。密封体34接触和密封集电器28的每个插脚28A-28D，并且进一步在钢制外壳12的顶端的内表面中提供密封。一个最好用薄钢片制成的负极外盖30设置得与电池内盖36接触，并且通过焊点32点焊到或通过其它方式连接到集电器28的顶端。负极外盖30通过密封体34和衬垫35与钢制外壳12之间保持电绝缘。

参见图3，图中示出了部分装配了的钢制外壳12的一个顶视图，其中包括设置在钢制外壳12的整个容积中的阴极20，和设置在阴极20中的四个阳极空腔22A-22D。所示的四个阳极空腔22A-22D是通过钻孔或用其它方式在阴极20中构成的，并使得在每个对应的空腔之间和每个空腔与钢制外壳12的内侧面之间留有足够数量的阴极材料20。最好在空腔的周围提供足够的阴极材料，以便实现最佳的电池反应。应该认识到，空腔22A-22D可以通过冲压外壳内的阴极而形成，或者在将阴极插入外壳之前，通过制成一些带有数个空腔的圆柱形环而形成空腔22A-22D。

尤其参见图4，所示钢制外壳12进一步包含杯形隔离件24A-24D和阳极26A-26D，它们装配在相应的阳极空腔22A-22D中。图中还示出了要装配到钢制外壳12中的，包含集电器28、内盖36和密封体34的盖和密封组件40。盖和密封组件40最好作为一个单独的部件进行预先装配和安装，使得插脚28A-28D接触对应阳极26A-26D中的富锌物质。同时，盖和密封组件40强制(压)配合在钢制外壳12的顶端部分内，以形成一个密封，这对于本领域的专业人员来说是显而易见的。一旦将盖和密封组件40安置之后，则将负极外盖30装配到钢制外壳12的顶端上，并弯折钢制外壳12的顶端，使负极外盖30保持到位并接触顶部的集电器28。

参见图5和6，图中示出了按照本发明的另一个实施例的电化学电池10′。电化学电池10′，有一个圆柱形的钢制外壳12，该钢制外壳12有一个封闭的底端和一个敞开的顶端，和一个金属化的塑料标签14，它包覆在钢制外壳12的外部表面上，除了钢制外壳的两端之外。一个正极盖16装配到封闭底端上，它是用薄钢片制成的，在它的中央处有一个凸起的小块18，构成电池10′的正极接线端。按照这个实施例，围绕钢制外壳12的内部容积形成一个阴极40，在其圆柱形内腔中构成一个空腔42。电池10′的阴极40最好是由二氧化锰，石墨，氢氧化钾溶液，去离子水和一种特氟隆^悬浮物的一种混合物构成。

设置在圆柱形空腔42中的是分别包含第一和第二阳极46A和46B的第一和第二隔离件44A和44B。隔离件44A和对应的阳极46A具有相配的半圆柱形结构，同样，隔离件44A和对应的阳极46B具有相配的半圆柱形结构。在隔离件44A和44B的平壁之间设置的是阴极材料，用于从阴极40和在隔离件44A和44B的整个容积中保持离子和电子的连续。按照一个实施例，一个最好用多孔金属制作的导电板50装配在隔离件44A和44B的平表面之间并且压配合在阴极20上。导电板50最好包含一层阴极活性材料，例如最好与石墨混合的二氧化猛，和一种粘接到导电板50上的粘接剂。因此，阴极活性材料二氧化锰层对接着隔离件44A和44B，而导电板50提供在沿着隔离件44A和44B的平表面部分构成的阳极至阴极交界面处从阴极40到二氧化锰的电子传导。

第一和第二隔离件44A和44B可以用一种做成一个弯管44形状的非纺织物制成。可以通过将带有二氧化锰层52的导电板50压入隔离件管44的中部，并当管状隔离件插入空腔42中时使管状隔离件弯曲，而将导电板50安置到空腔42中。导电板50将隔离件管44强制地压到钢制外壳12的底端，以形成两个阳极空间，同时在板50和阴极20之间形成一个压配合。此外，隔离件管44可以在底端用石蜡、垫片和热密封件密封，使得第一和第二阳极空间相互隔开。

电化学电池10′进一步包含一个双插脚集电器48，它的插脚48A设置在阳极46A中，第二个集电器插脚48B设置在阳极46B中。集电器48的第一和第二插脚48A和48B可以用一单独的金属丝或薄膜制成，并电连接到电池10′的负极接线端上。类似地，电池10′具有一个包含密封体34、内盖36的盖和密封组件和一个装配在其上的负极外盖30。

按照另一个实施例的电化学电池10′还可以由两个半圆柱形隔离件和阳极构成，其阴极20在隔离件和外壳12的内表面之间以及隔离件本身之间延伸，代替带有二氧化锰层52的导电板50。这可以通过在一个圆柱形阴极中形成两个半圆柱形空腔使得阴极存在于两个空腔之间而实现。

因此，按照本发明提供了一种碱性电池10或10′，与传统的单个阳极/单个阴极电池相比，这种电池具有一个增大的阳极至阴极交界面面积。利用本发明实现的阳极至阴极交界面面积的增大有利地提高了电池的工作性能，尤其是高级电化学电池的工作性能。参见图6，图中示出了一个按照本发明的一个例子的电化学电池10的性能曲线60和一个传统的单阳极电池的性能曲线62的对比曲线图。在上述对比例子中所用的电化学电池10的例子包含具有本发明图1中所示的四阳极空间的标准D型电池，该电池的阳极具有大约为0.387英寸的直径，在相邻阳极之间的一个阴极材料至少为0.134英寸。在这个对比例子中被试验的本发明的电池10和传统电池的阳极材料和阴极材料和电解质溶液的数量都保持相同。试验是在室温下使电池放电而连续消耗两安培电流的条件下进行的。性能曲线62表示了由于阳极至阴极的交界面面积的增大而提高的工作性能。

虽然在此所示出和所描述的是分别具有四个或两个阳极的电池10或10′，但是应该认识到本发明的学说可以应用于任何多个阳极的情况。例如，可以按照本发明提供一种具有设置在一个单独阴极中的五个圆柱形阳极的电池。

实施本发明的人员和本领域的技术人员应理解，在不背离所公开的构思的精神的情况下，可以对本发明实施各种各样的改型和改进。所要求的保护范围将由权利要求书和法律允许的解释范围来确定。

Claims (7)

1.一种电化学电池，包括

一个具有一个封闭底端和一个敞开顶端的容器；

一个设置在容器中的第一电极；

数个在第一电极中延伸的空腔；

设置在数个空腔的每一个空腔中的一个隔离件；

设置在数个空腔的每一个空腔中的每一个隔离件中的一个第二电极；

一个与每一个第二电极连接的集电器；以及

一个装配在容器的敞开顶端上的盖和密封组件，

其中所述的第一电极为二氧化锰阴极，及所述第二电极为含锌阳极。

2.按照权利要求1的电化学电池，其中第一电极设置在容器的一个内表面上。

3.按照权利要求1的电化学电池，其中容器是圆柱形的。

4.按照权利要求1的电化学电池，其中第二电极为含锌粉的阳极。

5.按照权利要求1的电化学电池，其中每一个空腔为圆柱形的，用于容纳一个圆柱形的电极。

6.按照权利要求1的电化学电池，其中集电器包括共同连接在一起的多重导电触点，每个多重导电触点各设置在数个空腔中的其中一个空腔中。

7.按照权利要求1的电化学电池，其中集电器与一个外盖电连接。