CN1205117A - 具有活性组分的最佳内体积的原电池 - Google Patents

Abstract

一种原电池,具体地说是一种小型原电池,它包括:杯状容器、容器盖,以及接合垫料,所述盖具有悬垂的凸缘,该接合垫料被压缩在该容器和所述盖的凸缘之间,以致密封电池,并且在电学上使所述盖与该容器隔离,其中所述凸缘从容器的边沿延伸入容器不超过其一半长度,使得接合垫料组件占据小于8%电池内体积成为可能,从而为活性组分提供更多空间。

Description

具有活性组分的最佳内体积的原电池

本发明涉及电化学电池，具体地说涉及碱性电池，尤其是小型伽伐尼硬币电池，它们使用一种(容器)盖-接合垫料总成。本发明还涉及生产这种电池的方法。

电子器件的小型化对大功率小型化的电化学电池已形成了需要。利用碱性电解质的电池提供了高能量密度／单位体积，从而能很好地适宜于小型电子器件的应用，例如助听器、手表和计算器的应用。然而，碱性电解质(例如氢氧化钾和氢氧化钠水溶液)具有湿润金属表面的亲合力，并且已知会逐渐透过电化学电池的密封金属界面。这样的漏泄能使电池的电解质溶液枯竭，并且还会在电池的表面上形成腐蚀性沉积物，有损于电池的外观和可销性。这些腐蚀性盐类还会使装有电池的器件损坏。碰到此问题的典型电池系统包括氧化银-锌电池、镍-镉电池、空气去极化电池，以及碱性二氧化锰电池。

在先前技术中，惯常的做法是在电池容器和盖之间引入绝缘接合垫料以便为电池提供密封。通常，接合垫料必须用对电池内所含有的电解质以及电池环境不起化学作用的材料制成。此外，接合垫料用材料应是挠性的。，在密封压力下是耐冷流的和保持这些特性，以便在长期贮存过程中确保合适的密封。业已发现，诸如尼龙、聚丙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物以及高密度聚乙烯适合于大多数应用的接合垫料用料。

典型地，在小型电池中，绝缘接合垫料的悬垂的凸缘具有一伸长的“J”形构型，容器盖的扩展壁被嵌入其中，以致当径向地被挤压时，接合垫料的底部与容器壁的底部形成密封。

特别在钮扣电池中，接合垫料通常扩展到电池内壁的整个长度，而且接合垫料的体积一般超过电池内体积的20％。这就浪费了电池内有效的空间量，减少了活性组分可利用的空间。

为了更好地确保良好的密封，通常把一种密封剂涂敷在“J”形密封的钩槽内，以致在盖嵌入接合垫料内时，盖的扩展壁的边缘将坐落在密封剂内。当施加径向挤压时，接合垫料将受压缩紧贴在扩展的盖壁的底部。

US-A-4302517揭示了在盖和电池容器之间使用绝缘接合垫料的一种密封的原电池，它由两部分组成，即一第一密封部分被配置和压缩在盖的边沿和容器的边缘之间；以及一第二盖支承部分，展延在容器内，并且基本上平行于容器壁以及限定为许多彼此隔开的开口，以便容纳电池的电解质和／或电池的反应产物。

在第一方面，本发明提供一种原电池，它包括负极、正极、正负极之间隔离片，以及电解质。电解质被分散在分成两部分的导电壳体内。导电壳体的第一部分是具有边缘的圆柱形杯状容器。该导电壳的第一部分在电学上被连接于电极之一。导电壳的第二部分包含一具有周缘的圆盖。此圆盖在电学上被连接于另一电极。一绝缘接合垫料使容器的上述两部分在电学上彼此绝缘，该绝缘接合垫料是被配置和压缩在容器的边缘和盖的周缘之间的，从而限定了外壳内被围的体积。优先选用的是盖的深度(包括该凸缘)不超过容器高度的四分之一。优先选用的还有接合垫料的深度不大于盖深度(包括该凸缘)的1．3倍。

尽管电池可以采取任何合适的构型，但电池具有圆形横截面显然特别地适用于本发明，就外壳或容器的顶部压缩而言，是为了封入接合垫料。

为了增加接合垫料与盖一起被推入外壳的概率，优先选用的是接合垫料应具有外部唇缘以啮合容器的唇部或边缘。这样，当接合垫料被嵌入容器时，该接合垫料上的唇缘可预防接合垫料被嵌入太深。

接合垫料上出现的唇缘只要足以啮合容器的边缘就够了，如果想要，唇缘仍然可以较壳壁更厚。如果比较厚了，那时唇缘还可具有另外的悬垂凸缘以与容器的外侧壁啮合，但这种实施例可表明对于大批量制作来说是不切实际的。无论如何，唇缘可供随意选择，或是连续的，或是不连续的。

接合垫料可选用任何合适的构型，除了如上所述唇缘的可能内含物外，通常优先选用类似于该技术领域的那些构型，除具有较小深度外。于是，凸缘的壁将典型地选用“J”形以接纳盖的悬垂凸缘。此外，如有需要，可使用密封剂。

还将了解到：本发明的电池盖要求较少的用料，例如悬垂凸缘比较短，从而节省材料成本，并使制造更方便。

在另一可供选择的实施例中，本发明提供一个原电池，具有负极、正极、正负极之间隔离片，以及被分散在分成两部分的导电壳内的电解质，导电壳的第一部分为圆柱形杯状容器，在电学上被连接到一个电极；而导电壳的第二部分为具有周缘的圆盖，所述圆盖在电学上被连接到另一电极，其中一个绝缘接合垫料使所述第一部分容器和所述第二部分圆盖在电学上彼此绝缘，该绝缘接合垫料是被配置和压缩在容器的边缘和盖的周缘之间的，从而限定了所述外壳内被围的体积。其中改进为圆柱形杯状容器的高度较圆盖的厚度大4倍，并且盖的凸缘被配置和固定在绝缘接合垫料内，以及接合垫料的厚度不大于盖厚度的1．3倍。

如同在本发明中所使用的那样，接合垫料的厚度如图3和图4所示的“W”，而盖的厚度如图2所示的“T”，通常指的是侧视图上二者的高度。

在本发明的一个较佳实施例中，绝缘接合垫料占据小于8％的电池内体积。

因此，将理解到本发明允许原电池的接合垫料的供给占据比较小的体积，以致这种电池的内体积对于电池的活性组分来说是最适宜的。

本发明的一项优点是：小型圆柱形电池结构能够做到使用小型接合垫料(它仅占小于8％的电池内体积)。

本发明的另一项优点是：能够提供一种小型圆柱形电池的接合垫料-盖总成，其中圆盖是被固定于小型接合垫料内，该接合垫料被压缩在盖的边沿和容器的边缘之间，以提供一种密封的小型电池，就电池的活性组分而言，该密封的小型电池具有大的内体积。

本发明的再一项优点是：能够为生产小型电池提供一种方法，该小型电池具有用于密封电池的接合垫料，其中该接合垫料占据小于8％的电池内体积。

本发明的上述及附加优点，通过以下的说明和附图将更加显而易见。

在本发明的一个较佳实施例中，盖的凸缘具有一U形轮廓，并且U形轮廓是被锚定和固定在绝缘接合垫料内，绝缘接合垫料则被压缩在盖的凸缘和容器的边缘之间，。在此实施例中，圆柱形容器的高度是圆盖厚度的4倍以上，更好是圆盖后厚度8倍以上，最好是圆盖厚度10倍以上。

此外，在此实施例中，接合垫料的厚度应是盖厚度的1．3倍以下，更好是盖厚度的1．2倍以下，最好是盖厚度的1．1倍以下。

绝缘接合垫料较好地应占据小于8％的电池内体积，更好是小于5％的电池内体积，最好是不足3％的电池内体积。确定圆柱形的电池内体积的适当方法是由容器开口端限定的平面面积乘以容器高度。接合垫料环的体积可这样进行确定：接合垫料的截面积乘以周长，对于接合垫料环的中心轴来说，周长为2πr，其中r是离接合垫料截面的矩心(质量中心)的距离。接合垫料的体积应小于8％的容器(电池)内体积。

较好地，绝缘接合垫料的高度(从盖的内壁测定)应小于20％的容器高度(从容器的内底壁至盖的内壁进行测定)。更好小于17％，最好小于15％的容器高度(从容器的内底壁至盖内壁进行测定)。

典型地，盖壁向下延伸到容器壁，并具有一轧制的后脊结构，被利用于在电池封闭过程中当对电池施加径向力时给电池提供稳定性。在本发明中，消除了盖的轧制后脊，使容器内活性物质的内体积增加，例如对于AC675电池，实现了增加17％的内体积。

在电池封闭前，周缘定位盖总成，并且在电池封闭过程中当对电池施加径向压缩力时提供支承。

本发明的另一实施例涉及一种把电池的组件装配入分成两部分导电壳体内的方法。在导电壳体内，一部分是圆柱形容器，而另一部分是圆盖，圆柱形容器的高度至少是圆盖的厚度的4倍以上。所述方法包括以下步骤：

(1)制备一个带有伸出周缘边的盖子；

(2)制备一个绝缘接合垫料环，一个环形凹槽被限定在该环内；

(3)把盖的周缘边嵌入接合垫料环的凹槽内，并利用重新组合的装置把该凹槽限定在接合垫料环内的壁挤压进周缘边，从而把盖锚定入该绝缘接合垫料内，以提供一盖-接合垫料总成，结果使接合垫料的厚度不大于盖厚度的1．3倍；

(4)制备一个带有限定容器开口的边缘的容器，并且把盖-接合垫料总成放置在容器的边缘处，而该电池内的组件置于容器和盖的里面；

(5)压缩容器和盖之间的接合垫料，以便有效地密封盖，并且在电学上把所述盖与容器隔离。

更可取地，在步骤(1)中的盖子应具备伸出的周缘(收尾于U形轮廓边缘)，并且U形轮廓边缘能通过使用重新组合的装置(例如超声装置)被固定在接合垫料环的凹槽内。

超出听度范围的频率的弹性波就是通常所说的超声波。这些超声波惯常是通过石英晶体振荡器产生的，振荡器被设计成供产生从高达200到300千周／秒或更高范围的频率。这些超声波能被用于产生一对着物体的恒定力。正是这种能被用于本发明中的产生力的装置，把盖的边缘固定在接合垫料的凹槽内，以便在接合垫料和盖的边缘之间形成极好的密封。为了把盖的边缘固定在接合垫料凹槽内被施加的力必须是足够的，以致接合垫料在盖的边缘周围形成一种“U”形密封。因此，超声焊接机的设定值必须根据盖的材料和接合垫料的组成进行调整。一旦这些数据被选定，普通的超声焊接机能被用于把盖的边缘固定在接合垫料的凹槽内。

在有些应用中，密封剂被用于盖壁的边缘和接合垫料的凹槽之间。一旦产生了接合垫料-盖总成，最好把电池的阴极(负极)装配入接合垫料-盖总成，然后把接合垫料-盖阴极(负极)总成放置在容纳电池系统的其他活性和非活性组分的电池容器内。接着，顶着接合垫料-盖总成挤压该容器，形成该电池的密封。

具体地说，通过在接合垫料外部的直立壁上方的容器侧壁的顶部的卷边就能把接合垫料-盖总成和该电池的容器隔绝，从而压缩容器和盖之间的接合垫料，以致把所述盖与该容器有效地隔绝，并且在电学上使所述盖与容器绝缘。

本发明的密封接合垫料包含依据其电解质存在下的稳定性、回弹能力以及耐冷流性所给定的理由选定的材料。适合的聚合物材料可选自以下类族：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、乙烯与氟化乙烯-丙烯共聚物、三氟氯乙烯、全氟烷氧基聚合物、乙烯类聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及类似物等等。其他适合的材料应当是可被精通本技术领域的人承认的。

在某些应用中，补充的预防措施可与本发明的接合垫料一起使，以确保更有效的密封，例如用一种密封剂或胶粘剂(例如脂族聚酰胺树脂)涂覆接合垫料的凸缘表面。

本发明的密封接合垫料适合使用的生产技术，例如注射模塑法。优先地，接合垫料为尼龙。容器可用蒙乃尔合金、铜、复合不锈钢，或某些其他导电材料制成。更可取地，容器为三重复合金属盖，它由镍、不锈钢和铜制成。然而，为了制导，容器应当用导电材料制成，这种材料不会受侵蚀，换句话说，当与电池材料接触时不会降低品质。电池盖可用不锈钢、铁、镍、镀镍铜，或某些其他导电材料制成。

可使用于本发明的典型电池系统为碱性二氧化锰电池、空气去极化电池、镍-镉电池，以及氧化银-锌电池。

现在参照附图(非限制性图样)对本发明作进一步说明，其中：

图1为在下成型盖内的空气电极的局部截面图；

图2为图1盖内的空气电极的局部截面图，而盖的外径已被减小；

图3为图2的空气电极和盖的局部截面图，其中“J”形接合垫料是被扣合在盖上；

图4为在盖的“U”形边缘被用超声波固定在接合垫料的凹槽内之后的图3的接合垫料-盖总成的局部截面图；

图5为含有锌基电极的容器的截面图；

图6为图4的接合垫料-盖总成(被倒置后安放在容器上，并进入容器的开口端)的截面图；

图7为图6电池的截面图，经卷边以提供密封电池，并且具有镀金属收缩型薄膜固定于容器的外表面。

图1示出圆盖2，带有固定于盖2内表面的空气分配膜4。一层聚四氟乙烯3覆盖住盖2的整个底部，包括空气分配膜4。盖2具有已模压出内凸部分6，以便为均匀空气分配穿过电极8(被配置在盖2内)的表面提供一限定的间隙。内凸部分6可包含一环形部分或一个或多个彼此等距隔开的弓形部分。内凸部分6可用来达到三个目的：

(1)为空气均匀分配，在盖2的内侧和空气电极8之间提供一限定的间隙；

(2)在其他操作之前，无需膜的分配和粘合剂而使该膜得以夹持和定位；和

(3)使盖底强劲，在最终电池封闭过程中可使表面凹陷或凸起减至最低程度。空气电极8被定位得贴近于聚四氟乙烯层3的内侧表面。空气电极8含有若干组件，包括金属隔离屏、包埋在金属隔离屏内的二氧化锰和碳的混合物、防止阳极的电解质漏泄出电池的阻挡膜，以及吸收分离器(隔片)。

如图2中所示，通过使用重组合冲模或类似物使盖2的外径缩减以形成负锥形壁。这导致使盖壁倾斜，进一步把空气电极固定在盖上。

如图3所示，一绝缘接合垫料环10被紧扣在盖2的边缘上，并且如图4所示，超声设备被用于把盖2的“U”形边缘密封入接合垫料10的凹槽中。图5示出带有锌粉的阳极混合物14的容器12，此阳极混合物被放置入容器内，并构成与容器12的电子式接触。阳极混合物14可包括锌粒子、电解质和有机化合物(例如粘合剂)的混合物，用于制作电池的阳极。容器12可用三重复合材料制作，其包括铜(已被层压于镀镍钢带的裸露侧)。镍层能用于保护钢带的外表面。可用于制作容器的其他层压材料包括：铜在不锈钢基底上的双层压制件，或者超过三层的层压制件。然后把用此层压金属带材冲压出的圆盘制成一个容器。铜层构成容器的内侧表面，并且与阳极混合物直接地接触。

如图2所示，具有“T”厚度的盖2，与嵌入式空气电极8以及连带的膜一起被翻转过来，并且被紧压在容器上，该容器已根据本发明进行了预装配，并且含有阳极。如图6和图7所示，当盖被翻转，容器12的阳极边缘被向内卷边。然后，容器的边缘16被压缩贴紧容器12和盖2之间的接合垫料10，从而形成密封以及盖2和容器12之间电阻挡。如图2-4所示，接合垫料10的厚度“W”不大于盖的厚度“T”的1．3倍。

如图1-7所示，在盖2的底部冲穿两个小孔，起进气门的作用。接合垫料10具有座落在容器12边沿上的周缘20，以致接合垫料一盖总成可容易地与容器12直线对准。

如图7所示，接合垫料10的高度“X”约为容器12的高度“Y”的20％(从盖2的内表面和容器12的底表面进行测量)。如图7所示，接合垫料10的体积小于8％的电池内体积。因此，电池内体积的较大百分率可被用于电池的活性组分，所以该电池将在给定尺寸(体积)下具有更大的能量容量。

在图7中所示的电池具有盖2与电极8处于电接触，以及容器12与电极14处于电接触，于是电池的端子便在相对两端。在本发明的一个实施例中，镀金属的膜能被用于把电极8的极性传导到电池的外径供要求侧面接触的应用。如图7所示，使用一种胶粘剂或类似物能把镀金属膜22固定在容器12的外壁上，该膜的内表面为一种绝缘层。该膜的外表面应是导电表面，要与盖2接触，从而采用镀金属膜作为电池的电极8的端子。为了在电学上把镀金属膜22的导电表面连接于盖，一种导电材料(例如导电涂料24)可涂敷于镀金属膜22的导电侧以及盖2。

Claims (15)

1、一种原电池，具有负极、正极、正负极之间的隔离片，以及电解质，电解质被分散在分成两部分的导电壳内，该导电壳的第一部分是具有边缘的圆柱形杯状容器，并且在电学上是被连接到所述电极的一个电极上，而该导电壳的第二部分为一具有周缘的圆盖，此圆盖在电学上被连接到所述电极的另一电极上，其中通过配置和压缩在容器的边缘和盖的周缘之间的绝缘接合垫料使第一部分容器和第二部分盖在电学上是彼此绝缘的，从而限定了外壳内被围的体积，其特征在于，该圆柱形杯状容器的高度是该圆盖的厚度的4倍以上，而且其中接合垫料的厚度是该圆盖厚度的1．3倍以下。

2、按照权利要求1所述的电池，其中接合垫料占据小于8％的该电池内体积。

3、按照任一在前的权利要求所述的电池，其中容器含有正电极，而盖含有负电极。

4、按照任一在前的权利要求所述的电池，其中所述盖的凸缘具有U形轮廓，并且该U形轮廓是被锚定和固定在所述绝缘接合垫料内，所述绝缘接合垫料则被压缩在盖的凸缘和容器的边缘之间。

5、按照任一在前的权利要求所述的电池，其中所述盖具有至少一个凸起部分，所述的凸起部分面对着电池的内侧。

6、按照权利要求5所述的电池，其中所述盖具有至少两个彼此隔开的凸起部分面对着电池的内侧，并且这两个凸起部分是被配置在所述盖中心的相对两侧。

7、按照权利要求5或6所述的电池，其中凸起部分是一个环形部分。

8、按照权利要求5或6所述的电池，其中所述的凸起部分是彼此等距离隔开的弓形部分。

9、按照任一在前的权利要求所述的电池，其中镀金属膜是被固定在容器的外壁，该镀金属膜包括接触该容器的该膜的底上的一层是绝缘层以及接触盖的镀金属的外层，从而采用该镀金属膜作为此盖的极性。

10、按照权利要求9所述的电池，其中导电涂料被用于在电学上把该镀金属层连接于所述盖上。

11、按照任一在前的权利要求所述的电池，其中制作所述接合垫料的材料是选自：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯、乙烯与氟化乙烯-丙烯共聚物、三氟氯乙烯、全氟烷氧基聚合物、乙烯类聚合物、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯。

12、把电池组件装配入导电壳内的方法，所述导电壳体分成两部分其中一部分是圆柱形容器；另一部分是圆柱盖，并且该圆柱形容器的高度至少是圆形盖的厚度4倍以上，所述方法包括以下步骤：

a)制备一个带有伸出周缘边的盖子；

b)制备一个绝缘接合垫料环，一个环形凹槽被限定在该环内；

c)把盖的周缘边嵌入该接合垫料环的凹槽内，并利用重组合设备把该凹槽限定在该接合垫料环内的壁挤压进该周缘边，从而把盖固定在绝缘接合垫料中，以形成盖一接合垫料总成，结果使接合垫料的厚度在盖厚度的1．3倍以下；

d)制备一个具有限定容器开口的边缘的容器，并且把所述盖一接合垫料总成放置在容器的边缘处，而电池的诸组件被放入该容器和盖的里面；

e)压缩在容器和盖之间的接合垫料，以便有效地密封此盖，并且在电学上使所述盖与所述容器隔离。

13、按照权利要求12所述的方法，其中在步骤(c)中，所述的重组合设备为超声设备。

14、按照权利要求12或13所述的方法，其中在步骤(e)中，所述电池的活性组分是选自：锌和二氧化锰、镍和镉，以及氧化银和锌。

15、按照权利要求12-14的任一项所述的方法，如此适配即可生产出如权利要求1-11中的任一项所规定的电池。

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