CN1675782A - 带扁平外壳和开口的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

一种在放电时产生氢气的电化学电池。所述电池包括外壳、穿过所述外壳的壁的开口、覆盖所述开口的可破裂膜。所述外壳最好具有沿所述外壳长度方向延伸的扁平壁以及通过所述扁平壁的一开口。所述电池典型是长方体形状的碱电池。可破裂膜可以由面对在毗邻所述开口位置上的所述外壳的扁平壁的内表面的环固定。所述可破裂膜最好由聚砜制造。所述膜允许氢气渗过以到达外部环境，如果电池内部的氢气压力快速增加达到阈值压力标准，所述膜破裂。可选择地一尖的穿孔元件延伸进入所述开口。该尖的穿孔元件导致膜在破裂时撕裂。

Description

带扁平外壳和开口的电化学电池
技术领域
本发明涉及一种在外壳的壁上具有孔并具有覆盖所述孔的可破裂膜的电化学电池。本发明涉及一种扁平电池，其可以是碱电池，所述碱电池具有包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极和包含液态氢氧化钾的电解质。
背景技术
普通的碱电池(碱电化学电池)具有包含锌的阳极和包含二氧化锰的阴极。电池通常形成有细长的圆柱形外壳。新电池具有大约1.5伏特的(EMF)开路电压，当服务寿命达到一半时(100～300毫安)，平均运行电压是1.0～1.2伏特。圆柱形外壳初始形成为具有一敞开端和一相反的封闭端。当供入电池内容物后，带绝缘插头的端盖插入外壳的敞开端并形成负极。通过将外壳的边缘向绝缘插头的边缘卷边(压接)并围绕绝缘插头径向压缩所述外壳，以提供高度密封，电池的敞开端被封闭。在相对的反封闭端的电池外壳部分形成正极。
一次碱电化学电池通常包括锌阳极活性材料、碱性电解质、二氧化锰阴极活性材料以及通常由纤维素或纤维素纤维和聚乙烯醇纤维制造的电解质可渗透的隔膜。阳极活性材料例如可以包括锌颗粒以及电解质，所述锌颗粒与诸如羧甲基纤维素钠盐或丙烯酸钠盐的普通胶凝剂混合。所述胶凝剂使所述锌颗粒悬浮并维持它们彼此接触。通常插入到阳极活性材料内的导电金属钉用作阳极电流集电器，其与负极终端盖电连接，电解质可以是诸如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的碱性氢氧化金属的水溶液。阴极通常包括作为电化学活性材料的二氧化锰颗粒，二氧化锰颗粒通常与典型是石墨材料的导电添加剂混合，以便增强导电性。最好少量诸如聚乙烯粘合剂的聚合粘合剂和诸如包含钛的化合物的其它添加剂可以添加到阴极。
阴极中所使用的二氧化锰最好是电解的二氧化锰(EMD)，通过将硫酸锰和硫酸池的直接电解，制造所述EMD。由于具有高密度和高纯度，希望使用EMD。EMD的导电性相当低。将导电材料添加到阴极混合物中，以便改善单个二氧化锰颗粒之间的导电性。这种导电添加剂也改善二氧化锰颗粒和电池壳体之间的导电性，在普通的圆柱形碱电池中，所述电池壳体也用作阴极电流集电器。例如适合的导电添加剂可以包括石墨、石墨材料、包括乙炔黑的诸如碳黑的导电性碳末。最好导电材料包括薄片状水晶天然石墨或薄片状水晶人造石墨或石墨碳毫微纤维以及它们的混合物，所述人造石墨包括膨胀或页状剥落石墨。
目前应用一些小尺寸矩形充电电池，它们用于驱动诸如MP3声频播放器和微型盘(MD)播放器的小型电子设备。这些电池通常是小长方体(矩形平面体)形状，其尺寸与口香糖差不多。这种电池例如可以是符合国际电技术协会(IEC)为这种电池所提出标准的可更换可充电镍金属氢化物(NIMH)电池，其尺寸是F6或7/5F6长方体。F6规格是指厚度为6.1毫米、宽度为17.3毫米、长度为35.7毫米。F6规格的一种变型是长度为48.0毫米。7/5F6规格是指厚度为6.1毫米、宽度为17.3毫米、长度为67.3毫米。根据IEC标准，7/5F6规格所允许的偏差是厚度为+0毫米、-0.7毫米；宽度是+0毫米、-1毫米；长度是+0毫米、-1.5毫米。当在MP3声频播放器和微型盘(MD)播放器上使用时，F6或7/5F6 NIMH可充电电池的平均运行电压是1.1～1.4伏，典型地为1.2伏左右。
当用于驱动微型盘(MD)播放器时，所述电池以大约200～250毫安的速度耗电。当用于驱动MP3声频播放器时，所述电池以大约100毫安的速度耗电。
希望具有与小尺寸长方体形状(矩形平面体)镍金属氢化物电池相同尺寸和形状的小扁平碱电池，从而小尺寸碱电池可以与镍金属氢化物电池互换，驱动诸如微型盘或MP3播放器的小电子设备。
希望使用初级(不可充电)碱电池替代小矩形可充电电池，特别是替换小尺寸的镍金属氢化物充电电池。
发明内容
本发明的主要方面涉及一种在放电时产生氢气的电化学电池，所述电池具有一外壳，最好是金属外壳；穿过所述外壳的壁的开口以及覆盖所述开口的可破裂膜。所述外壳可以具有沿电池长度方向延伸的扁平壁以及通过所述扁平壁的一开口。所述外壳最好由金属制造，但是也可以由塑料材料制造。该电池可以是长方体形状的碱电池。最好，尖的穿孔元件延伸进入所述开口。尖的穿孔元件导致所述膜在破裂时撕裂。
本发明的主要方面涉及一种一次碱电池(碱电池)，其包括外金属壳体，所述壳体可以具有至少一个沿所述壳体长度方向延伸的扁平壁，一开口穿过所述扁平壁。这里使用的术语“开口”是指壳体壁上的开口，其允许来自电池内部的气体穿过而到达外部环境。电池通常是细长的，带沿外壳体长度延伸的扁平壁，碱电池最好具有包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极，所述电池包括包含液态氢氧化钾的电解质。可破裂膜可以紧固在所述壳体的内表面上，面对并覆盖所述开口。另外，所述膜可以固定成设在所述开口内并延伸跨过所述开口从而覆盖所述开口。
电池外金属壳体通常由两个元件制造，也就是沿其长度一侧敞开的底部壳体和金属顶盖。所述金属顶盖主要包括确定盖体表面的扁平壁。当壳体内已经填充阳极、阴极、电解质和隔板后，沿其边缘最好具有绝缘环的金属顶盖固定成覆盖所述壳体的敞开侧。所述开口最好设置成穿过所述盖的扁平壁。所述阳极和阴极最好层叠或体对体叠置(象硬币堆叠那样)，其中隔板位于所述阴极和阳极之间，从而阳极面对金属顶盖，阴极面对底部壳体的封闭侧。阳极与金属顶盖电接触，阴极与底部壳体电接触。阳极和阴极最好不由塑料材料包装。在优选实施例中，阳极可以与金属顶盖直接接触，阴极可以与底金属壳体直接接触。在这种实施例中，金属顶盖的任何表面可以作为电池的负极，底部金属壳体的任何表面可以作为电池的阳极。
可以选择氢气可渗过且阈值气压超过50psig(345×103帕斯卡表压)时就破裂的聚合物膜作为可破裂膜，最好压力超过200psig(1379×103帕斯卡表压)时破裂，或压力在50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间时破裂(此时使用的压力是表压，也就是大于大气压力之上的压力)。可破裂膜优选用聚砜膜，由于它具有高的氢气渗透系数，但是也可以使用诸如聚乙烯、聚丙烯或尼龙的其它氢气可渗过膜。聚砜膜的优选的厚度是约1～1.5mil(0.0254～0.0381毫米)，并毗邻直径大约是5.5～7.5毫米的所述开口。在这种设计条件下，已经确定，当电池内的氢气压力达到约90～200psig(620×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)，通常是约90和120psig(620×103帕斯卡表压～827×103帕斯卡表压)时，所述聚砜膜破裂。
在任何正常使用或存储条件下，随着电池内氢气的压力升高，电池内的氢气将逐渐通过所述膜扩散。在这种正常使用条件下，电池内的氢气压力将维持在低于约200psig(1379×103帕斯卡表压)，最好低于约120psig(620×103帕斯卡表压)，最优选地低于50psig(345×103帕斯卡表压)。如果气压快速增加超过200psig(1379×103帕斯卡表压)，通常快速增加达到约50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)，最好气压快速增加达到约90和120psig(620×103帕斯卡表压～827×103帕斯卡表压)时，所述膜将破裂，允许氢气突然从电池内部逃逸到外部环境中。
电池最好具有外金属壳体，整体形状是多面体，通常是细长多面体，其中每个表面或侧面是一个扁多边形。包含扁多边形侧面的外壳体可以具有棱柱整体形状。最好外壳体具有长方体(矩形平面体)形状。在这种实施例中，外金属壳体具有体表面，其包含两对相反的矩形侧面和一对矩形的相反的端部。
在本发明的一个方面中，可破裂膜覆盖穿过沿电池外壳体的长度方向延伸的一个扁平壁的开口。所述可破裂膜可以毗邻所述开口或位于所述开口内，从而，它覆盖所述开口。外壳体上的所述扁平壁的一体形成部分可以具有突入所述外壳体上的所述扁平壁内的开口内的一尖的元件，从而随着所述膜破裂，所述膜接触所述尖的元件并被该尖的元件撕裂或磨损。另外，可以使用其上具有开口的盘来覆盖所述可破裂膜。可破裂膜反过来覆盖开口元件。形成所述盘的一整体部分的一尖的元件可以突进所述盘开口。随着所述膜破裂，所述膜接触所述盘上的指向元件并被该尖的元件撕裂或磨损。已经确定，如果在破裂时，在膜表面上产生这种撕裂的磨损，所述膜沿撕裂线破裂，从而允许气体通过该开口逃逸，同时不随气体带走损坏环境的大量液体电解液。
在本发明的另一个方面，所述膜可以是开口组件的一部分，其位于穿过电池外壳体的扁平壁所述开口内。包含开口的扁平壁可以沿电池外壳体的长度方向延伸。通过焊接到所述外壳上或与所述外壳为一体的金属压接环可以保持所述膜。弹性绝缘环可以插入压接环和可破裂膜之间。另外，所述膜可以模制，从而它形成绝缘环的一体中心部位。压接环和绝缘环沿壳体扁平壁的内表面或靠近该内表面保持所述膜。在所述膜上方可以具有一尖的元件，其突进所述开口内。该尖的元件可以是外壳的一整体部分。另外该尖的元件可以形成单独盘的一部分，所述盘可以焊接到可破裂膜上方的开口内。在任一种情况下，如果电池内的氢气压力突然增高超过设计的阈值压力，理想的阈值压力是50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)。在破裂点上，该尖的元件在膜的表面上产生裂缝。具有允许氢气通过该裂缝逃逸同时具有足够的无损伤膜的优点，从而不会有显著数量的电解质由逃逸气体带出。
附图说明
图1是一个本发明扁平碱电池的第一实施例的纵剖面视图；
图1A是一个显示图1所示扁平碱电池的实施例的开口组件的分解透视图；
图1B是一个包含图1所示元件的电池的透视图；
图2是一个本发明扁平碱电池的第二实施例的纵剖面视图；
图2A是一个显示图2所示扁平碱电池的实施例的开口组件的分解透视图；
图2B是一个包含图2所示元件的电池的透视图；
图3是一个本发明扁平碱电池的第三实施例的纵横截面视图；
图3A是一个显示图3所示扁平碱电池的实施例的开口组件的分解透视图；
图3B是一个包含图3所示元件的电池的透视图；
图4是一个本发明扁平碱电池的第四实施例的纵剖面视图；
图4A是一个显示图4所示扁平碱电池的实施例的开口组件的分解透视图；
图4A1是一个用于图4A所示元件的开口盘盖的透视图；
图4B是一个显示组装后且要被插入顶盖内的开口中的开口组件的分解视图；
图4C是一个包含图4所示元件的电池的透视图。
具体实施方式
图1～1B显示了本发明的扁平碱电池(碱电池)10的一个实施例。碱电池10(图1～1B)包括具有细长金属体表面的外金属壳89，金属壳的主要部位具有扁平多边形形状。外壳89可以具有多面体的整体形状，所述多面体具有扁平多边形表面。在优选实施例中，成品电池10具有长方体(矩形平行体)整体形状。例如电池10的形状和尺寸可以等于或类似于7/5F6尺寸(IEC标准)的蓄电池。这种电池具有图1B所示整体长方体的形状，长度大约是67毫米，宽度大约是17毫米，厚度大约是6毫米。采用这种形状和尺寸，可以使用本发明的电池10替代7/5F6尺寸的镍金属氢化物蓄电池作为诸如索尼公司的MZ-900型号的(MD)小型磁盘唱机的电子设备的电源。这种替代服务仅是示例，并不局限于此。图1～1B所示电池可以制造得更大或更小。
碱电池10(图1～1B)包括具有细长金属体表面的外金属壳89，且金属壳的主要部分具有至少一个扁平多边形形状。外壳89可以具有多面体的整体形状，所述多面体具有扁平多边形表面。在图1～1B所示的一个具体实施例中，碱电池10具有长方体(矩形平行体)整体形状。电池10具有外金属壳89，金属壳89包括壳体90，当电池内容物装入后，壳体90由顶盖15密封。壳体90最好由镀镍的冷轧钢或不锈钢制造。顶盖15最好由镀锡的冷轧钢或不锈钢制造。电池内容物具有包含微粒锌的阳极、包含二氧化锰的阴极以及位于阳极和阴极之间的隔板50。顶盖15的任何部位均可以充当电池的负极，壳体90的任何部位均可充当正极。
金属壳体90具有底平面92，并具有形成该壳体的相反端的一对相反的垂直端壁94a和94b以及形成该壳体长侧的一对垂直侧壁94c和94d(图1B)。壳体90具有由顶盖15覆盖的细长的顶部开口93(图1)。侧壁94a和94b(图1B)最好与底平面92为一体的，也就是壳体90是一个整体件。顶盖15具有平顶面16，顶面16延伸到终止于外周边缘18的向下倾斜边缘17(图1)。外绝缘密封件85围绕顶盖15的外边缘18。最好外绝缘密封件85采用模制塑料环，所述塑料环被模制到顶盖15的外边缘18上并覆盖顶盖15的外边缘18，或外绝缘密封件85采用分开的“独立的”模制塑料环，该塑料环设置在顶盖15的外边缘18上。当电池内容物插入壳体90内之后，将盖15插在壳体90的顶部开口93上，壳体90的周边缘压接在外绝缘密封85上。
顶盖15具有产生开口空间70a的开口70，如图1所示，开口空间70a部分延伸到电池内。在开口70下面具有密封组件80。图1所示的密封组件80将可断裂的开口膜20紧紧地夹持在开口70正下方的开口空间70a的位置上。图1和1A最佳显示的密封组件80包括绝缘密封环25、压接环30和可断裂膜20。通过将可断裂膜20横跨设置在顶盖15的内表面上从而位于开口70下面而构成密封组件。沿可断裂膜20的边缘设置绝缘密封环25。密封环25最好由尼龙制成，但是也可以由橡胶或其它可压缩的、弹性和耐用，并能够抵御碱性电解液的塑料制造。金属压接环30围绕密封环25。金属压接环30的顶边缘30a最好由激光焊接或超声波焊接到顶盖15的内表面上。压接环30的底边缘30b然后围绕密封环25压接，从而将密封环25紧紧地压靠在顶盖15的内表面上。压缩密封环25将膜20的边缘紧紧地保持在顶管15的内表面上。
如图1A最佳所示，与顶表面16形成一体的突进件75突进开口70内。突进件75终止在穿进开口70中部的穿孔点78上。在放电期间或存储电池期间，氢气逐渐聚积在碱电池10内。膜20由氢气可渗过材料制造，允许氢气逐渐从电池中逃逸。膜20最好由聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚砜或其它氢气可渗过材料制造。然而已经确定聚砜是制造膜20的最佳材料，由于在给定厚度下，它显示高氢气渗透率且氧气不能渗透。聚砜膜20在25℃下的氢气渗透系数大约是1.069×10-8(cm3H2×cm2厚度)/(cm2面积×cmHg压力×秒)。cmHg压力是用厘米水银柱测量的压力，因而通过给定的聚砜膜的氢气渗透速率被确定(在76厘米水银柱大气压力下进行测量)。希望聚砜具有氧气不能渗透的特性，由于显著数量的大气氧气进入电池内部将导致与阳极锌进行化学反应，产生氧化锌，反过来导致电池的性能和容量下降。在正常的放电或存储条件下，电池内所产生的氢气将逐渐渗过膜20，通过开口70释放到大气中。然而在错误使用时，例如电池短路或在非常热环境下进行存储时，存在非常大量氢气突然聚积并导致电池内气体压力急剧增加的风险。在此情况下，电池的内压急剧达到预定的设计阈值，膜20将破裂，从而立刻解除电池升高的气压。在此环境下，在即将破裂点，膜20膨胀进入开口70内，撞击戳穿点78。在破裂时刻，戳穿点78在膜20的表面上产生磨损或裂缝，允许气体快速地通过所述裂缝，同时不随气体带走损坏环境的大量液体电解液。
可以调整开口70的尺寸和膜20的厚度以确保当电池内的氢气达到阈值时膜20破裂。在普通锌/MnO2碱电池中，电池的整体形状是圆柱形。在这种电池中，内部氢气压力可以保持在下述标准，通常是大约600psig和1200psig之间(4137×103～8274×103帕斯卡表压)，甚至在开口膜破裂之前或其它开口机构促动以释放电池内建立的压力之前的更高压力。这种圆柱形电池能够抵御这种内气体压力，此时壳体的壁厚大约是6～15mils(0.152和0.381毫米)。然而对于本发明的扁平电池设计来说，电池10是长方体(矩形平面体)，当内压达到大于200psig(1379×103帕斯卡表压)时，正常壁厚为6～15mils(0.152和0.381毫米)的外壳将导致向外突出。(外壳壁厚不能大于15mils，否则将显著增加电池的成本，并减少用于阳极和阴极活性材料的内部体积)。在图1和1B所示的扁平(长方体)电池中，已经确定设计合理的开口70和膜20，从而当压力小于200psig(1379×103帕斯卡表压)时，膜20破裂，最好压力在50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间，最佳压力在100和200psig(689×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间时，膜20破裂。在图1所示实施例中，对于形成壳体89的金属壳体90和壳体盖15来说，最好由镀镍的冷轧钢或不锈钢制造壳体90，由镀锡的冷轧钢或不锈钢制造壳体盖15，两者的壁厚都是大约10～15mils(0.25毫米至0.38毫米)。
通过下述公式可以调整开口70的半径“R”和膜20的厚度“t”的组合，从而膜在所希望的破裂压力Pr下破裂，此时S是可破裂材料的极限抗张强度
Pr＝t/R×S    (I)
图1和1A内所示的密封组件80的设计具有下述优点，由于膜20是单独的连续的板材，从而允许通过将所述板材拉伸到很小厚度下而制造膜，从而可以使用厚度非常小的膜20。在不使开口70不正常地大的前提下，使用小厚度的膜20，可以轻易地实现所希望的50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间的相对低的破裂压力。
当使用聚砜膜20时，开口70的直径最好是5.5～7.5毫米，最好大约是0.25英寸(6.35毫米)，膜厚是1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)。当电池内建立的气体压力达到小于200psig(31379×103帕斯卡表压)，最好是200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)的阈值时，开口70的直径和膜20厚度的这种组合将允许膜20破裂。通过从Amcoo购买商标名UDEL膜，能够获得这种厚度的聚砜膜。对于直径是0.25英寸(6.35毫米)的开口70以及膜厚是1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)的聚砜膜20来说，当破裂压力是90～120psig(620×103帕斯卡表压～827×103帕斯卡表压)时，膜最可能破裂。上述开口直径是基于假设开口70的形状是圆形时。然而虽然优选地为圆形，但是在本发明任何一个实施例中，均不打算开口形状限制为圆形，也可以使用诸如椭圆形或多边形的其它开口形状。所使用的开口直径的术语意味着等同于这种奇特形状开口的圆的直径，也就是有横截面面积S的非圆形开口70的等同圆的直径按下述公式计算，S＝1/4πD2。可以理解的是，开口尺寸和膜20的厚度可以根据上述公式Pr＝t/R×S调整为其它的组合，以便实现所希望的破裂压力。约束是，如果开口70太大，太容易由外部物体偶然穿入。如果可破裂膜20制造得太薄，将更难以处理膜，在将膜安装在密封组件80上时，更容易使膜破裂。
图1显示了内电池元件。完工后的电池10(图1和1B)包括一个单电池。该电池包括包含二氧化锰的阴极60、包含锌的阳极40以及位于阴极和阳极之间的隔板50。碱性电解液最好是液态氢氧化钾可以渗过隔板50。阳极40和阴极60基本上是小厚度的矩形板。如图1所示，阳极板40、隔板50和阴极板60体对体地堆叠(象硬币那样堆叠)。如图1所示，阳极40和顶盖15之间存在一些空隙空间，在电池放电期间，允许阳极和阴极尽可能膨胀。对于所有实施例来说，阳极和阴极板“体对体对堆叠”意味着阳极和阴极一个堆叠在另一个上(隔板设置在阴极和阳极之间)，从而阳极主表面和阴极主表面面对面地毗邻(象硬币那样堆叠)。阴极60由包含紧凑二氧化锰颗粒的多个小厚度的矩形或正方形板制造。二氧化锰板也就是4个板60a～60d插入壳体90内并排成一行，其中2个端板60a和60d装配成抵靠在壳体90上，2个中间板60b和60c设置成4个板之间具有相等的间距。4个板60a～60d向下压缩，形成最终阴极60。阴极60的厚度小于所述每个板的初始厚度，由于所述板被压缩，它们之间的空间由压缩的阴极材料填充。已经证明，采用这种方式由多个单个二氧化锰板制造阴极60比使用单个细长二氧化锰板制造阴极60更有优势。制造长度大致等于壳体90长度的单个二氧化锰板在制造过程中更容易断裂。应该理解的是，虽然阴极60由单个二氧化锰板制造，当如图1所示，二氧化锰板(60a～60d)横向压缩在一起，形成单个阴极60。阴极最好是包含颗粒锌的矩形板。隔板50具有平矩形表面，形成阳极40和阴极60之间的界面。隔板50可以包括通常在锌/二氧化锰碱电池中使用的材料。这些材料通常是纤维素，例如包含聚乙烯醇纤维和纤维素纤维，碱性电解液可以渗过。
图2～2B显示本发明扁平电池(碱性电池)100的另一个实施例。碱性电池100(图2～2B)具有外金属壳体189，金属壳体189具有细长金属体表面，其主要部位具有扁平多边形。外壳体189可以包括具有扁平多边形表面的整体形状。在图2和2B所示实施例中，碱电池100具有长方体(矩形平行体)的整体形状。电池100具有外金属壳体189，包括由顶盖115密封的壳体190。最好由镀镍的冷轧钢或不锈钢制造壳体190，由镀锡的冷轧钢或不锈钢制造壳体盖115。如图所示，电池内容物包括包含二氧化锰的阴极60、包含颗粒锌的阳极40以及位于阴极和阳极之间的隔板50。顶盖115的任何部位均可以充当电池的负极，壳体190的任何部位均可充当正极。
金属壳体190具有底平面192，并具有形成该壳体的相反端的一对相反的垂直端壁194a和194b以及形成该壳体长侧的一对垂直侧壁194c和194d(图2B)。壳体190具有细长的顶部开口193(图2)。侧壁194c和194d(图2B)最好与底平面192为一体的，也就是壳体190是一个整体件。顶盖115具有平顶面116，顶面116延伸到终止于外周边缘118的向下倾斜边缘117。外绝缘密封185围绕顶盖115的外边缘118。最好外绝缘密封件185采用模制塑料环，所述塑料环被模制顶盖115的外边缘118上并覆盖顶盖115的外边缘118，或外绝缘密封件185采用分开的“独立的”模制塑料环，该塑料环设置在顶盖115的外边缘118上。当电池内容物插入壳体190内之后，将盖115插在壳体190的顶部开口193上，壳体190的周边缘压接在外绝缘密封件185上。
顶盖115在顶面116具有开口170，开口170产生开口空间，经过所述开口空间，通过渗透过膜120，氢气可以逐渐释放到外部环境中。在电池的内部气压突然增加时，膜120将破裂，通过开口170，将气体释放到外部环境中。顶面116上的开口170以盘旋状边缘130为界，所述边缘130形成类似于上述图1所示实施例中的压接环30的压接环。不同之处是压接环130(图2)是顶盖115的顶面116的一个整体部分，而压接环30(图1)是一个单独的元件，必须焊接在盖15上。从而在图2所示电池100的实施例中，由于压接环130是顶面116的一个整体部分，不需用焊接将压接环130紧固在顶面116上。压接环130包括终止于确定了开口空间170a的边界周边缘130b的整体内腿130a。压接环130向下倾斜，从而其周边缘130b低于顶盖115的顶面116。通过利用相同盘旋的模具进行冲压，压接环130可以轻易地形成为所希望的结构。
在图2和2A清楚地示出的密封组件180包括绝缘密封环125、压接环130、可断裂膜120和开口垫圈140。图2和2A所示的密封组件180设计成将可断裂膜120紧紧地横跨地保持在开口空间170a。可断裂膜120夹持在绝缘密封环125和开口盖140之间。压接环130的夹持边缘130b压靠在密封环125上，从而将膜120紧紧地保持在开口盖140上。开口盖140可以采用带通孔170的垫圈140的形式。最好沿其边缘将其焊接在压接环130的内腿130a上而将垫圈140紧固在压接环130上。密封环25最好由尼龙制成，但是也可以由橡胶或其它可压缩的、弹性和耐用的、能够抵卸碱性电解液的塑料制造。在图2所示实施例中，膜120的外侧面对开口垫圈140内的开口170。膜120的内侧面对由压接环130的周边缘130b所限定的开口空间170a。从而，如果电池内部的氢气气体压力突然超过膜的破裂压力，膜120将破裂，允许气体安全地逸到外界环境。
图3～3B显示本发明扁平电池(碱性电池)200的另一个实施例。碱性电池200(图3～3B)具有外金属壳体289，金属壳体289具有细长金属体表面，其主要部位具有扁平多边形。外壳体289可以包括具有扁平多边形表面的整体形状。在图3和3B所示实施例中，碱电池200具有长方体(矩形平行体)的整体形状。电池200具有外金属壳体289，包括由顶盖215密封的壳体290。最好由镀镍的冷轧钢或不锈钢制造壳体290，由镀锡的冷轧钢或不锈钢制造壳体盖215。如图所示，电池内容物包括包含颗粒锌的阳极40、包含二氧化锰的阴极60、包含颗粒锌的阳极40以及位于阴极和阳极之间的隔板50。顶盖215的任何部位均可以充当电池的负极，壳体290的任何部位均可充当正极。
金属壳体290具有底平面292，并具有形成该壳体的相反端的一对相反的垂直端壁294a和294b以及形成该壳体长侧的一对垂直侧壁294c和294d(图3B)。壳体290具有细长的顶部开口293(图3)。侧壁294c和294d最好与底平面292为一体的，也就是壳体290是一个整体件。顶盖215具有平顶面216，顶面216延伸到终止于外周边缘218的向下倾斜边缘217。外绝缘密封件285围绕顶盖215的外边缘218。最好外绝缘密封件285采用模制塑料环，所述塑料环被模制并覆盖顶盖215的外边缘218，或外绝缘密封件285采用公开的“独立的”模制塑料环，该塑料环设置在顶盖215的外边缘218上。当电池内容物插入壳体290内之后，将盖215插在壳体290的顶部开口293上，壳体290的周边缘296压接在外绝缘密封285上。
如图3所示，顶盖215在顶面216具有开口270。顶面216上的开口270以盘旋状边缘230为界，所述边缘230形成类似于上述图2所示实施例中的压接环130的压接环。压接环230是顶盖215的顶面216的一个整体部分。从而在图3所示电池200的实施例中，不需用焊接将压接环230紧固在顶面216上。压接环130包括终止于确定了开口空间270a的边界周边缘230b的整体内腿230a。压接环230向下倾斜，从而其周边缘230b低于顶盖215的顶面216。通过利用具有相同盘旋的模具进行冲压，压接环230可以轻易地形成为所希望的结构。
在图3和3A清楚示出的密封组件280包括绝缘密封环220a、压接环230、可断裂膜220和开口盖240。图3所示的密封组件280设计成将可断裂膜220紧紧地横跨地保持在开口空间270。可断裂膜220夹持在压接环230的周边缘230b和开口盖240之间。在该实施例(图3和3A)中，可断裂膜220整体模制在绝缘密封环225上或由绝缘密封环225围绕。膜220形成由厚的绝缘密封环225围绕的薄膜中心部位。绝缘密封环225和可断裂膜220由相同成分整体模制出，并形成单独一个整体件。
开口盖140可以垫圈或盘240的形式(图3和3A)。最好将其边缘240a焊接在压接环230的内腿230a上而将垫圈240紧固在压接环230上。在装配可断裂膜220和绝缘环225时，插入压接环230和开口盖240的边缘之间。密封环225和一体的可断裂膜220是一种使氢气足以透过的材料，诸如聚乙烯、聚丙烯、尼龙或聚砜。优选地用聚砜，由于其对氢气高渗透性，而限制外界的氧气进入。压接环230的周边缘230b可用机械方法卷边在绝缘密封环225上，从而将绝缘密封环225牢固地紧固在压接环230和开口盖240之间。最佳如图3和3B所示的开口盖240希望是一种实心盘，其表面上有一小部分沿切割线275a向内切，形成尖的突起件275，其突破盘240的底表面。尖的突起件275穿过盘240的底表面，但是保持与盘240的物理连接。切割线275a导致突起件275形状的穿过盘240的小裂缝。在图3所示实施例中，可破裂膜220的外侧面对开口270和向下突出的尖的突起件275。膜220的内侧面对由压接环230的周边缘230b所限定的开口空间270a。从而，如果电池内部的氢气气体压力逐渐增加，氢气将渗过破裂膜220，并通过由突起件275限定的盘240表面上的裂缝275a到达外部环境。如果电池内部的氢气气体压力突然超过膜220的破裂压力，膜220将向外膨胀破裂，在即将达到破裂点时，膜220撞击尖的突起件275。在破裂时，突起件275末端上的穿孔点278在膜220的表面上产生裂缝，从而允许气体快速地通过所述裂缝逃逸，同时不随气体带走损坏环境的大量液体电解液。
图4～4C显示本发明扁平电池(碱性电池)300的另一个实施例。碱性电池300(图4～4C)具有外金属壳体389，金属壳体389具有细长金属体表面，其主要部位具有扁平多边形。外壳体389可以包括具有扁平多边形表面的整体形状。在图4和4C所示实施例中，碱电池300具有长方体(矩形平行体)的整体形状。电池300具有外金属壳体389，包括由顶盖315密封的壳体390。最好由镀镍的冷轧钢或不锈钢制造壳体390，由镀锡的冷轧钢或不锈钢制造壳体盖315。如图4所示，电池内容物包括包含颗粒锌的阳极40、包含二氧化锰的阴极60以及位于阴极和阳极之间的隔板50。顶盖315的任何部位均可以充当电池的负极，壳体390的任何部位均可充当正极。
金属壳体390具有底平面392，并具有形成该壳体的相反端的一对相反的垂直端壁394a和394b以及形成该壳体长侧的一对垂直侧壁394c和394d(图4C)。壳体390具有沿壳体长度方向延伸的细长的顶部开口393。侧壁394c和394d最好与底平面392为一体的，也就是壳体390是一个整体件。顶盖315具有平顶面316，顶面316延伸到终止于外周边缘318的向下倾斜边缘317。外绝缘密封件385围绕顶盖315的外边缘318。最好外绝缘密封件385采用模制塑料环，所述塑料环被模制并覆盖顶盖315的外边缘318，或外绝缘密封件385采用分开的“独立的”模制塑料环，该塑料环设置在顶盖315的外边缘318上。当电池内容物插入壳体390内之后，将盖315插在壳体390的顶部开口393上，壳体390的周边缘396压接在外绝缘密封385上。
顶盖315在顶面316具有开口370。顶面316上的开口370以盘旋状边缘330为界，所述边缘230形成类似于上述图2所示实施例中的压接环130的压接环。压接环330是顶盖315的顶面316的一个整体部分。从而在图4所示电池300的实施例中，无需用于将压接环330紧固在顶面316上的焊接。压接环330包括终止于确定了开口空间370a的周边缘330b的整体内腿330a。压接环330向下倾斜，从而其周边缘330b低于顶盖315的顶面316。通过利用具有相同盘旋的模具进行冲压，压接环330可以轻易地形成为所希望的结构。
图4A和4B最佳所示的密封组件380包括顶部绝缘密封环325a、可断裂膜320、底部绝缘密封环325b和开口盘340。绝缘密封环325a、325b由可以抵御碱性电解液的弹性热塑材料制造。绝缘密封环325a、325b可以由聚乙烯或聚丙烯制造，优选地由聚砜或尼龙制造。可断裂膜320由氢气可以充分渗过的材料制造，诸如聚乙烯、聚丙烯、尼龙或聚砜。优选聚砜，由于其对氢气高渗透性，而限制外界的氧气进入。通过将可断裂膜320设置在顶部绝缘密封环325a和底部绝缘密封环325b之间，然后加热和加压，将这3个元件层叠在一起，形成辅助组件层制品388(图4A)。然后将层制品388插入开口盘340内(图4A1)。开口盘340是一个一体的金属盘，包括终止于敞开端373和相反的部分敞开端374的周壁342。开口盘340最好由镀镍冷轧钢或不锈钢制造。开口盘340的部分敞开端374由一体形成的具有通孔370的端面376确定。一体形成的突出件375终止在穿孔点378，从端面376伸进开口空间370。层制品388插入开口盘340的敞开端373内，从而，顶部绝缘密封环325a毗邻开口370和穿孔点378。开口盘340的边缘343然后压接在层制品378上，形成完整的开口组件380(图4B)。然后将完整的开口组件380(图4)插入顶盖315的顶表面316内，从而靠在压接环330的周向边缘330b上。如图4所示，通过将开口盘340的卷边342焊接在压接环330的周向边缘330b上，将组件380固定在压接环330上。
如果电池内部的氢气气体逐渐聚积，氢气将通过开口空间370a和膜320，并通过顶部开口370到达外部环境。如果电池内部的氢气气体压力快速增加并超过膜320的破裂压力，膜320将向外膨胀破裂，在即将达到破裂点时，膜320撞击突出的穿孔点378。在突起件375末端上的穿孔点378上时在膜320的表面上产生裂缝，从而允许气体快速地通过所述裂缝逃逸，同时不随气体带走损坏环境的大量液体电解液。
开口尺寸和可破裂膜厚度
相对于上述实施例，也就是电池10、100、200和300，当可破裂膜20、120、220和320分别是聚砜膜，且开口70、170、270和370分别是圆形，膜直径大约是0.25英寸(6.35毫米)，膜厚度是1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)，在任何一种情况下，可破裂膜20、120、220和320分别毗邻并覆盖开口70、170、270约和370。当开口的直径是0.25英寸(6.35毫米)，聚砜可破裂膜的厚度为1至1.5mils(0.0254～0.0381毫米)时，膜将在所希望的破裂压力为约90至120psig(620×103帕斯卡表压～827×103帕斯卡表压)时破裂。可以理解的是，通过利用上述等式(I)，开口尺寸和膜厚度可以调整为其它的组合，以便获得相同的破裂压力或其它希望的破裂压力。约束条件是，如果开口太大，容易由外部物体产生不希望的刺穿。同样，如果可破裂膜制造的太薄，将使膜的处理更困难，在将膜安装在开口密封组件上时，使膜更容易破裂。考虑到这种约束条件，破裂压力是约50～200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)。开口直径的范围是约4～10毫米，膜厚是约0.5～2mil。当破裂压力是约90～200psig(620×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)时，开口直径的范围是约4～7毫米，膜厚是约0.7～1.5mil。达到这些目的的优选的可破裂膜是聚砜。
代表性电池的化学成份
下文中的电池化学成份，也就是阳极40、阴极60和隔板50的化学成份适用于上述实施例中的电池10、100、200和300中的每一种电池。
在上述每个实施例中，阴极60包括二氧化锰，阳极40包括锌和电解质。液态电解质包括普通的氢氧化钾、氧化锌和胶凝剂的混合物。阳极40的材料可以采用包含无水银(0附加水银)的锌合金粉末。也就是如果电池总重量是一百万份，总水银含量小于约50份。电池也最好不包含任何附加数量的铅，从而基本上无铅，也就是总的铅含量小于阳极总金属含量的30ppm，最好小于15ppm。这种混合物通常包括液态氢氧化钾电解液、胶凝剂(例如从B.F.Goodrich购买的商标名为CARBOPPL C940的丙烯酸酯橡胶)以及表面活性剂(例如从RhonePoulenc购买的商标名为GAFAC RA600的有机磷酸脂基表面活性剂)。这种混合物仅是示意性的，并不限制本发明。美国专利US4,563,404中介绍了其它代表性的用于锌阳极的胶凝剂。
阴极60最好具有下述成份
87～93wt％的电解质二氧化锰(例如从Kerr-McGee购买的TronaD)、2～6wt％的石墨、5～7wt％的具有氢氧化钾浓度为约30～40wt％的7-10当量液态氢氧化钾、0.1～0.5wt％的任选聚乙烯粘结剂。电解质二氧化锰的平均颗粒尺寸为约1～100微米，最好是约20～60微米。通常采用天然石墨或膨胀石墨，以及它们的混合物。石墨也可以包含单独的石墨碳毫微纤维或石墨碳毫微纤维与天然石墨或膨胀石墨的混合物。这种阴极混合物仅用于说明，并不限制本发明。
阳极40材料包括：锌合金粉末62～69wt％(包含铟的99wt％锌)；包含38％KOH和大约2wt％ZnO的液态KOH；可以从B.F.Goodrich购买的商标名为CARBOPPL C940的交联丙烯酸聚合物胶凝剂(例如0.5～2wt％)；嫁接到可从Grain Procedding Co.购买的商标名为“Waterlock A-221”的淀粉主链上的水解了的聚丙烯腈(例如0.01～0.5wt％)；可从Rhone-Poulenc购买的商标名为“RM-510”的dionylphenol磷酸脂表面活性剂(50ppm)。锌合金粉末平均颗粒尺寸最好是约30～350微米。阳极内锌的容积密度(孔隙度)大约是每立方厘米阳极1.75～2.2克锌。阳极内的液态电解质的体积百分率最好是约69.2～75.5。
电池可以采用普通方式平衡，从而锌合金的电容mAmp-hr(根据每克锌合金820mAmp-hr)与二氧化锰的mAmp-hr电容(根据每克二氧化锰308mAmp-hr)的比值大约是1。
隔板50可以是由无纺纤维素材料和聚乙烯醇纤维的内层以及玻璃纸外层组成的普通离子多孔隔板。这种材料仅是示意性的。并不限制本发明。
阳极/阴极总体积与整个外壳外部体积的百分比
在上述每一个实施例中，也就是电池10、100、200和300的实施例中，当电池是F6尺寸时，阳极40、阴极60和电解质体积之和除以外壳(也就是外壳89、189、289和389)的外部体积，结果是约66.3％。当电池是F6尺寸时，阳极40、阴极60、电解质体积和隔板的体积之和除以外壳的外部体积，结果是约69.1％。
应该理解的是，由于没有基于优化设计，上述阳极和阴极总体积与金属外壳的外部体积的比值是很保守的。相信可以将阳极和阴极总体积的百分比增加到75％，甚至高达80％，更甚至高达85％。可以相信，通过填充阳极，从而相对于顶盖(15，115，215，315)的内表面压缩阳极材料40，减少开口组件(80，180，280，380)的深度，并减少开口(70，170，270，370)的尺寸。外壳89、189、289、389的壁厚可以减少到大约4～10mils(0.102至0.254毫米)，进一步改善上述阳极和阴极总体积与金属外壳的外部体积的比值。
虽然上述实施例中的外壳89、189、289、389由金属制造，但是，本发明电池的外壳并不局限于金属。外壳材料可以是能够抵御碱电解质的耐用塑料材料，例如聚乙烯、聚丙烯或尼龙等。
虽然本发明上述实施例相对于具有长方体(矩形平面体)整体形状的扁平电池进行介绍，应该理解的是，这些整体外形是可变的，这些变化均在本发明实施例中。例如上述实施例所述开口组件也可以适用于圆柱形电池的外壳中，例如AAAA、AAA、AA、C和D规格的圆柱形碱电池。当是扁平电池时，例如为长方体(矩形平面体)形状时，矩形平面体的终端可以稍微向外或向内弯曲。这种变化形状的整体外观仍然基本上是长方体形状，并仍在本发明的长方体或合法的等同物之内。整体外形的其它变化，例如稍微改变电池端部的角度，使电池带包含电池体部的平行四边形中的任何一个，从而平行体仍是受限的矩形，仍落在说明书和权利要求书中所使用的长方体的含义内。
本发明希望扩展电池整体形状，也就是沿外壳的长度方向的侧面是平的也包含大致平的含义。因而应该理解的是，术语“扁平”可以推广到基本上是平的表面，曲率非常小的表面。电池壳体的深度通常比电池的长度小。本发明的扁平电池含义推广到，沿壳体长度方向的电池壳体表面的侧面是平多边形表面。电池可以具有多面体的整体形状，此时外壳的所有侧面是多边形。本发明也包含这样的电池，也就是沿其长度方向，电池壳体的侧面具有一平表面，其是平行多边形，电池的整体形状是棱柱。

Claims (34)

1一种在放电时产生氢气的电化学电池，所述电池包括外壳、正极和负极、穿过所述外壳的开口，其中：一个可破裂膜覆盖所述开口。
2如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：所述外壳具有沿所述外壳长度方向延伸的扁平壁，所述开口穿过所述扁平壁。
3如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：所述电池是一个一次碱电池，具有包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极，所述电池包括包含液态氢氧化钾的电解质。
4如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：当电池内的氢气压力超过大约50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间的阈值标准时，所述膜破裂。
5如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜允许氢气渗过。
6如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜包含聚砜膜。
7如权利要求2所述电化学电池，其特征在于：所述外壳采用长方体形状。
8如权利要求2所述电化学电池，其特征在于：与所述外壳的扁平壁一体形成的部位包含突进所述开口的尖的元件，从而，随着所述可破裂膜接触所述尖的元件并被所述尖的元件擦伤，所述可破裂膜破裂。
9如权利要求1所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜的厚度为约1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)。
10如权利要求9所述电化学电池，其特征在于：所述开口的直径大约是5.5～7.5毫米。
11如权利要求2所述电化学电池，其特征在于：所述外壳包括金属壳体和金属盖；所述壳体包括一对相对的平行平端和位于它们之间的一对相对的平行平侧面，所述壳体具有与所述平底相对的一敞开顶端，当所述阳极、阴极和电介质已经插入到所述壳体内后，所述盖插入并密封所述壳体的敞开端。
12如权利要求11所述电化学电池，其特征在于：所述壳体具有长方体形状，并包含位于所述壳体和所述盖周边之间的电绝缘件。
13如权利要求11所述电化学电池，其特征在于：所述盖具有细长扁平壁，所述开口穿过所述盖上的所述细长扁平壁。
14如权利要求11所述电化学电池，其特征在于：所述盖具有细长扁平壁，所述开口穿过所述盖上的所述细长扁平壁，所述可破裂膜覆盖所述细长扁平壁上的开口，一具有开口的金属盘覆盖所述可破裂膜，从而来自电池内部的氢气经过所述膜和所述盘开口可以逸到外界环境。
15如权利要求14所述电化学电池，其特征在于：形成所述金属盘一个整体部位的尖的元件延伸进入所述盘上的开口，从而，当氢气压力达到50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间的阈值压力时，所述膜破裂，并在破裂期间被所述尖的元件擦伤。
16如权利要求11所述电化学电池，其特征在于：所述阳极和阴极在所述壳体内采用体对体方式叠置，同时一隔板位于所述阳极和阴极之间，从而所述阳极面对所述金属盖并与金属盖电接触，所述阴极面对所述壳体并与所述壳体接触。
17一种在放电时产生氢气的电化学电池，所述电池包括外壳、正极和负极、穿过所述外壳壁的开口以及覆盖所述开口的可破裂膜，其特征在于：所述开口组件固定在所述开口内，所述开口组件包括所述可破裂膜和毗邻所述膜的上覆金属盘，所述盘具有面对所述膜的开口，从而在所述电池内部聚积的氢气通过穿过所述膜和所述盘开口可逸到外部环境中。
18如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述外壳具有沿所述外壳长度方向延伸的扁平壁，所述开口通过所述扁平壁。
19如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述金属盘具有延伸进入所述盘上的开口内的整体尖的元件，从而如果电池内的气压快速产生，膜膨胀并碰撞所述尖的元件，从而在所述膜上产生裂缝，允许氢气通过所述裂缝逃逸。
20如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述电池具有包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极，所述电池包括包含液态氢氧化钾的电解质。
21如权利要求18所述电化学电池，其特征在于：所述电池采用长方体形状。
22如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：当电池内的氢气压力超过大约50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间的阈值标准时，所述膜破裂。
23如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜包含聚砜膜。
24如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜的厚度为约1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)。
25如权利要求17所述电化学电池，其特征在于：所述外壳由金属制造。
26一种在放电时产生氢气的电化学电池，所述电池包括金属外壳、正极和负极、穿过所述外壳壁的开口以及覆盖所述开口的可破裂膜，其特征在于：所述开口组件固定在所述开口内，所述开口组件包括卷边压在一对金属盘之间的所述可破裂膜，每个金属盘具有一开口，通过所述开口，可以将至少膜的一个部位暴露到外部环境，从而，从而在所述电池内部聚积的氢气可通过穿过所述膜和所述盘开口逸到外部环境中。
27如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述外壳具有沿所述外壳长度方向延伸的扁平壁，所述开口通过所述扁平壁。
28如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述电池具有包含锌的阳极、包含二氧化锰的阴极，所述电池包括包含液态氢氧化钾的电解质。
29如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述电池采用长方体形状。
30如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述开口组件还包括用于将所述膜和所述金属盘保持在其内的壳体，所述开口组件壳体在其表面上具有开口。
31如权利要求30所述电化学电池，其特征在于：所述开口组件壳体具有延伸进入所述开口组件壳体内的所述开口内的一整体尖的元件，从而如果电池内的气压快速增高，所述膜膨胀并碰撞所述尖的元件，从而在所述膜上产生裂缝，允许氢气通过所述裂缝逃逸。
32如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：当电池内的氢气压力增高超过大约50和200psig(345×103帕斯卡表压～1379×103帕斯卡表压)之间的阈值标准时，所述膜破裂。
33如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜包含聚砜膜。
34如权利要求26所述电化学电池，其特征在于：所述可破裂膜的厚度为约1～1.5mils(0.0254～0.0381毫米)。
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