CN1860626A - 用于柱状电池的隔膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于柱状电池的隔膜。用于向外受引导类型柱状电池的隔膜，其中片状材料绕心轴卷起，从卷绕步骤开始直至将隔膜插入电池中都使用外部支承件，使得不需要将隔膜的相邻圈粘合起来，隔膜片材具有伸出的下部，其中该伸出部分至少等于隔膜筒体的半径，使用蒸馏水或去离子水将该伸出部分润湿直至材料变软，并且卷和心轴转动，使底部折回并加热熔化以封闭隔膜筒体。

Description

用于柱状电池的隔膜

技术领域

本发明涉及一种用于柱状电池优选地用于具有柱状体部和封闭底部的碱性电池的改进的隔膜(separator)。

背景技术

多数为碱性电池的柱状电池应用非常广泛。这些电池包括由金属罐构成的细长筒体，该金属罐具有压入配合的阴极圆环，在罐的内部包含作为活性电极材料的二氧化锰以构成正的电池电极。由锌粉活性材料、凝胶剂和碱性电解液组成的阳极凝胶充满正的电池电极的筒状的中央腔，因此(需要)由特定的片状材料制成的隔膜将两个电极分开。隔膜必须由允许离子从一个电极到达另一个电极但是防止两个电极的颗粒通过的材料制成，并且该隔膜还必须是电绝缘体以阻止电子直接穿过。隔膜的活性区域是直接将活性阴极材料与阳极材料隔开的部分。隔膜的关键部分是中央底部，因为在电池放电期间阳极凝胶显著膨胀，此时底部必须保持阳极同罐的内部隔离，否则会引起内部短路和电池失效。

在美国专利6099987中说明了一种提供可靠的绝缘的常规方法，其中将外部和内部的隔离杯附装到隔膜的下端，通过施用热塑性密封剂密封隔膜的内侧底部。就两个电极的隔离而言这是一个很好的方案，但是杯和密封剂占据了很大的电池空间而不能用于电池功能，并且需要处理多个不同的材料部件。

美国专利6541152示出一种也使用底部隔离杯的不同的设计，该设计同样存在减少有用的电池空间并且需要处理两个不同的材料部件的问题。

美国专利6270833没有使用任何隔离杯，但是隔膜制成比电池中所需的长度长，通过粘合剂将筒状的隔膜体部的卷粘结在一起，首先通过垂直于简体轴线移动的工具将伸出部分向内推，然后折回以封闭最初的开口端。这个折叠并封闭的隔膜形成一个自我保持元件，然后可插入电池中。平滑插入要求在阴极环的内径和隔膜之间有小的间隙，这将增加电池的电阻。底部的封闭操作复杂并需要沿不同的方向移动，而且不可避免地出现的褶皱可引起问题。

美国专利6035518说明了一种制造隔膜的不同方法，其中隔膜材料绕心轴卷绕并且(隔膜的)卷利用真空保持在心轴上，该隔膜不构成自我保持元件，应该引导隔膜直至插入半成品电池中，在该电池中卷设法展开并充满整个可用空间。尽管引导隔膜直到插入电池中的思想是优选的，但这里，关键问题即底部的封闭是通过使用热熔性密封剂填充包括隔膜底部区域的电池底部来解决的。在隔膜的下部活性区域使用密封剂同样减少了有用的电池空间。

用于蓄电池的隔膜的另一个问题在于，由于在蓄电池的情况下需要设置薄的半透膜层如玻璃纸层，因此通常使用层叠结构。两层或多层层叠片成本高，并且用于粘结各层的粘合剂增加了内阻。

考虑到需要与总体电池制造工艺同步，关于隔膜还存在另一个问题。现有的加工工艺以高速每分钟生产600到1200个部件，这样的高速度倾向于或要求适合于生产线的便于使用的技术，而不是脱机准备、预先制造的隔膜，这样的隔膜会因为额外的处理而产生问题。

发明内容

本发明的主要目的是最大限度地利用电池的可用空间。另一个目的是将上述美国专利6035518中所公开的被引导的隔膜的未折叠特性与不需要在有用的电池区域施加密封剂就能够可靠地建立封闭的底部这两点结合起来。本发明的另一个目的是在不改变任何硬件的情况下在线调整片状材料的长度。另外一个不同的目的是当需要使用多层结构如用于蓄电池时，提供一种无需使用层叠片的隔膜。本发明的又一个目的是提供一种简单易行并能够与电池的制造工艺同步的方法。

根据本发明，提供一种被引导的隔膜，其中片状材料绕心轴卷绕，从卷绕步骤开始直至将隔膜插入电池中都使用外部支承件，使得不需要将隔膜卷的相邻圈粘合起来；并且隔膜片材具有伸出的下部，其中该伸出部分(的长度)至少等于隔膜筒体的半径，使用蒸馏水或去离子水将该伸出部分润湿直至材料变软，并且卷和心轴转动，使底部折回以封闭筒体。折叠步骤之后紧接着是加热成形和熔化步骤，其中热模压靠在心轴的底部，从而挤压并加热其间的折叠部分，使片状材料熔合在一起。在这个步骤中，隔膜和心轴不再转动。

通过在与电池的非活性部分相对应的中央底部区域使用预定的少量热塑性密封剂来确保底部密封不出现任何可能的孔隙，可以改善底部密封。

如果心轴由外部套管和内部销组成，则有利于隔膜的插入，其中销具有与隔膜底部所需要的形状相对应的头部。在这种情况下，当首先抽出套管时销可将隔膜在半成品电池内保持就位，当取出套管后可将销钉抽出而不存在将隔膜从半成品电池中抽出的风险。

在一个优选实施例中，多层片材可以卷在一起，由此无需使用成本较高的层叠片。

由于隔膜的整个垂直表面都是活性的，而且无需在阴极内部和隔膜之间留有不必要的间隙，因此本发明可以最大程度地利用可用的电池空间。不使用任何粘合剂材料减小了隔膜内阻，从而改善了隔膜的性能。最后但也很重要的一点是，湿折叠之后跟随加热成形步骤使得基本没有褶皱，这提供了极好的隔膜底部封闭并且易于执行。

附图说明

下面将参考附图结合优选实施例来说明本发明，在附图中：

图1示出片材供给站的示意性俯视图；

图1a是图1的一部分的简化的正视图；

图2是适于供给两个片材的与图1类似的视图；

图3示出卷套和真空轮的接触区域的局部剖开的正视图；

图4和4a示出两部分心轴的正视剖面图；

图5至10示出隔膜底部的折叠；

图11和12示出通过热模进行成形和挤压的步骤；

图13和14是示出施用密封剂的放大的剖面图；以及

图15至17示出隔膜插入电池的过程。

具体实施方式

图1和2所示与Slivar的美国专利6035518中的图1类似，其中，通过一对如箭头所示沿相反方向转动的供给辊，将用于隔膜的片状材料10从卷轴(未示出)拉出。在形成碱性电池的隔膜的情况下，片状材料是纤维状多孔非纺织而成的类似纸的材料。该片状材料可以是半透膜，例如玻璃纸薄膜、接枝微孔聚烯烃膜等，在(用于)蓄电池的情况下，可将该膜层叠到非纺织而成的片状材料上。

片状材料10的路径在一对反方向转动的切割辊15、16之间延伸。辊15是圆柱体，充当砧座，辊16与片材10的路径隔开，一对各自带有刀刃的切割棱柱17a和17b在径向相反的位置附装在辊16上。在辊15和16的每个旋转周期中，刀刃两次压靠在砧座上，片状材料沿着刃边被切割下来。切割辊与承载卷套22的主装配机构相适应。切割下的片材段的长度由供给辊11、12的速度决定，供给辊优选为伺服驱动，以便在不改变任何硬件的情况下能够在线调整片材长度。片状材料10继续前行，到达沿箭头所示的方向转动的真空轮18的外缘。这些构件一起构成第一片材供给器组件13。

真空轮18具有横截面局部地中空的静止的中央部20，在轮18内部和中央部20之间限定的空心内部空间中设有真空。在真空轮18的壁中设有多个孔21。当片状材料10到达真空轮18的外缘时，穿过第一个孔21的真空通过吸力将片状材料暂时固定到轮18上，片状材料的切片被输送到与卷套22接合的区域。卷套22是电池装配线(未示出)的一部分，它沿着直径远大于真空轮18的直径的圆形路径移动。切割下来的片状材料10将在卷套22的内部继续前进，因为在卷套22和真空轮18接合的区域静止的中央部20阻断了真空路径，从而允许片状材料的前端被引导离开真空轮18并进入卷套22，而片状材料的其余部分仍然由真空保持就位。当隔膜在卷套22中被卷绕时，总有一部分片状材料从真空轮松开，直到整个片状材料被卷起。

图2的布置与图1类似，区别在于具有绕真空轮的外缘设置的第二片材供给器组件14，该第二片材供给器组件在与转动方向相反的方向与第一片材供给器组件13成角度地错开。第二供给器组件14用于提供预定长度的第二片状材料10b，当第一供给器组件13供给片状材料时，第二片状材料10b已经附着在真空轮18的外缘上。这样，两段片状材料10和10b将叠置地朝卷套22行进。两段材料的长度可以相同，也可以不同。当长度不同时，较短片材的位置可以处于较长片材的任何区域，这将导致较短的片状材料在制成的隔膜中不同的定位。当制造充电电池的隔膜时，使用两个或更多的片状材料段可以不使用层叠片作为片状材料，其中一个片状材料可以是半透膜，例如玻璃纸层。

在图1a的正视图中，片状材料10延伸超过真空轮18的底边。要制备的隔膜的高度基本对应于真空轮18的高度，伸出部分稍后将形成隔膜的底部。喷头50用于向片状材料10的伸出部分喷射预定量的蒸馏水或去离子水，以轻微润湿和软化片状材料。也可使用其它的用于(将片状材料)润湿的供水装置，例如喷嘴、带或其它装置。

图3示出真空轮18和卷套22的接触区域。两部分心轴23穿过卷套22的中央开口插入并如箭头所示转动。卷套22不转动。心轴23的圆周速度基本上等于或稍微大于真空轮18的圆周速度以及由弹性材料如橡胶制成的一对带24、25的速度。带24、25设置在真空轮18和卷套22相接触的区域并引导穿过该区域，并且带24、25接触并挤压绕心轴23卷绕的片状材料10。带24、25穿过在卷套22中制成的各个切割部分接触片状材料10。图4和图4a中所示的心轴23包括套管26和穿过套管26的中央空心开口延伸的销27。销27具有形状如图4A所示的较宽的头部28，该头部28安装在套管26端部的座中。销27宽松地安装在套管26中。销27和套管26一起转动和移动，直至到达装配线上的预定的站。

结合图1和3可以看到，片状材料10将在卷套22的中空内部移动，并且在带24、25的挤压作用下绕转动心轴23卷绕。伸出的润湿部分19将伸出头部28。

然后，卷套22、心轴23和卷起的片状材料10从与真空轮的接触区域移开，带24、25沿移动路径持续地将卷起并转动的片状材料10压向心轴23。

参照图5至10，其中示出生产线上在组件的移动路径中的三个相继位置处的其上绕有片材10的心轴23。围绕片材10的卷套22没有示出，但是它一直随着片材前进，直到隔膜完全插入电池外壳(console)中。沿组件的行进路径设置静止的轨道29。轨道29限定成形槽30，转动的片材10的润湿的伸出部分插入其中。图5和6示出靠近初始接合位置的成形槽30，图7和8对应中间位置，图9和10示出组件即将移出与轨道29接合的区域的最终位置。槽30的轮廓与心轴23的头部轮廓相对应，从而片状材料10的伸出的润湿部分19逐渐成形。由于在润湿状态下片状材料很柔软，因此柔软的片状材料容易跟随槽的轮廓，并且成形的过程平滑地进行，不会产生褶皱。转动有利于平滑的成形操作。伸出部分19有足够的长度，从而在成形过程结束时，卷起的片状材料10的中央开口完全闭合，由此制成隔膜31。在组件移出槽30并离开轨道29的端部后不久，该组件离开带24、25的路径并且心轴23停止转动。

这时，销27的竖直位置被保持在固定的位置，带有朝上的凹槽33的热模32向上移动(图11)并压靠在隔膜31的下部成形端上。凹槽33的轮廓与销27的头部28的轮廓相对应，并且凹槽33和头部28之间产生的压力使隔膜31熔化形成为头部28的形状。通过如图11和12示意性地示出的安装在模具32内部的夹头加热器34来进行加热，升高的温度和压力足以使片状材料的底部熔化并形成为最终的形状。通过该底部成形和熔化步骤所获得的结构基本没有褶皱，并且足够坚固以将隔膜柱体的下部保持在一起。

最终应将隔膜31插入柱状电池外壳(罐/阴极)组件35的中空内部，该组件是中间半成品并具有如图15到17所示的形状。外壳35包括限定柱状内部空间的柱状金属罐36，其中插入多个中空的阴极环37。罐36的封闭的端部具有短的柱状顶端38。隔膜31的成形的和封闭的底部的中央区域正好位于顶端38的中空内部空间上方，该空间足够在隔膜31的中央底部使用也被称为“热熔料”的热塑性密封剂。使用该密封剂是可选的，它为隔膜31的封闭的底部提供额外的短路保护。

图13的放大视图示出在隔膜31的中央底部39上使用预定量的热熔料。转动轮40设有浅球形或锥形凹槽41，轮40的表面刚刚接触或者非常接近隔膜31的中央底部39。例如通过将转动轮40浸入沿转动路径(未示出)(设置)的热熔料的加热容器中而在凹槽41内量出预定量的热熔料，从轮40的凹陷表面除去多余的热熔料后，轮40运动到图13所示的位置，其中隔膜31的中央底部39与凹槽41接触。有吸收力的隔膜材料将吸取凹槽41中的热熔料。然后轮40离开接触区域，吸入隔膜材料中的热熔料逐渐冷却、固化并如图14所示在中央底部39处提供足够的密封42。预定量的热熔料均匀地施加在隔膜底部的区域中，从电池工作的角度讲，该区域是一个中性的区域，因为在相对的一侧没有活性阴极材料，因此对电池的性能不会有任何影响，也不会增加任何附加的内阻。使用热熔料决不是必不可少的，而是提供可选的特征，由此增加对电池短路的保护。

再次参照图15至17，其中示出如何将隔膜31插入外壳(罐/阴极)组件35的中空柱状内部。生产线恒定运动，包绕在套管26上并保持在卷套22中的隔膜31(图11、12)离开设置热熔料密封42的位置并移动到一站处，在该站处外壳组件35移到隔膜31下方，使得外壳组件和隔膜的垂直轴线落在同一条线上。外壳组件35包括阴极环37位于其中的电池罐36。现在套管26和销27一起向下移动，隔膜31插入外壳组件35的中空内部。销27的宽头部28在整个路径中推动隔膜31的封闭的底部，并确保该封闭底部与罐36的内部底面充分贴靠。当隔膜31已经局部地插入外壳组件35中时，隔膜31从卷套22中滑出，这样隔膜31的卷就不会变松或解开。在插入之后，隔膜的卷可以展开一点以充满由阴极环37的中空内表面限定的整个内部空间。

下一步骤是如图16所示沿向上的方向抽出套管26。在抽出步骤中，销27压住隔膜31的底部，并将隔膜31保持就位。最后，抽出销27，半成品电池包含其中隔膜31适当地定位的外壳组件35，并准备好装配线上的下一个操作，即电解液的分配。设置其中可首先收回外部套管26的两部分心轴23的优点在于，不会将隔膜从半成品电池中拉出，由此提高制造工艺的效率和产量。

隔膜31的这种设计和装配是优选的，因为电池的整个有效长度都可用于电池功能。隔膜可以占满阴极环的内部，即，不像以前形成的隔膜那样形成间隙。对电池的对比测定已经证明，设有根据本发明的隔膜的电池的平均性能比具有常规隔膜的相同的电池的性能好大约10％到20％。从电池容量和导致较高短路电流和较高损耗性能的内阻的减小可以测得这一改善。

不需要像大多数已知的设计那样在隔膜的相邻层之间使用任何粘合剂，从而隔膜的功能不会由于存在粘合剂而降低。另一个优点在于不需要使用层叠片，与使用裸露(bare)片材相比，层叠片成本较高并且由于在各层之间使用粘合剂而轻微地降低性能。

制造工艺也是有利的，因为它以电池生产线的速度和机械设备进行，即，制备隔膜的操作可用与生产线同步。

Claims (17)

1.一种用于柱状电池的筒状隔膜，该隔膜包括筒状体部以及底部，所述筒状体部由多圈绕心轴卷绕的第一片状材料形成的层状结构构成，所述底部封闭所述筒状体部的第一端，并且在所述筒状体部处于所述心轴上并转动时通过受引导的润湿成形由所述体部越过所述第一端的伸出部分形成，并且所述底部被挤压和加热熔化。

2.根据权利要求1所述的筒状隔膜，其特征在于，所述第一片状材料是非纺织而成的类似纸的材料。

3.根据权利要求1所述的筒状隔膜，其特征在于，所述筒状体部由多个彼此层叠并卷绕在一起的片材制成。

4.根据权利要求3所述的筒状隔膜，其特征在于，所述片材包括至少一层半透膜，例如玻璃纸层或接枝微孔聚烯烃膜。

5.根据权利要求1所述的筒状隔膜，其特征在于，所述各圈不彼此固定，所述筒状体部由筒状支承件从外部围绕，所述支承件在所述卷绕和成形步骤期间由卷套构成，在将筒状体部放入电池期间和放入电池后由电池的筒状内壁构成。

6.根据权利要求1所述的筒状隔膜，其特征在于，所述隔膜包括设置在所述底部的外部中央区域的热塑性密封剂。

7.一种制造如权利要求1所述的筒状隔膜的方法，包括下列步骤：

提供预定长度和宽度的片状隔膜材料，其中长度限定圈数，宽度至少为隔膜的筒状部分的长度加上至少等于隔膜半径的伸出部分；

通过沿第一方向转动心轴将所述片状材料绕心轴卷起，其中所述心轴延伸至隔膜的所述伸出部分；

通过卷套支承卷的外部；

在任何上述步骤中向所述伸出部分施用预定量的水，以软化伸出部分处的所述片状材料；

当所述隔膜和所述心轴转动时逐渐折叠所述润湿的伸出部分，以提供隔膜的封闭的端部；

使所述心轴和所述隔膜停止转动；

热熔化所述湿的部分；

通过利用形成所述心轴的一部分的销推动所述封闭的底部，将所述隔膜引入半成品电池的筒状腔中，其中在所述引入步骤期间，隔膜的所述外部支承件在隔膜离开所述卷套之后逐渐由所述电池的内部提供；以及

从所述隔膜内部抽出所述心轴。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，可在线调整片状材料的切割长度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述卷绕步骤期间卷绕至少两层彼此叠置的片状材料。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，至少一个片状材料是一层半透膜，例如玻璃纸层或接枝微孔聚烯烃膜。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：在整个转动阶段，通过以转动的隔膜所需的圆周速度移动的带从外部将所述转动的隔膜轻轻地压靠在所述心轴上。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述折叠步骤期间，通过使用成形为隔膜的所述底部所需的轮廓的所述心轴的头部来提供支承面。

13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述折叠步骤期间，沿设有槽的折叠轨道与心轴和卷套一起移动隔膜，所述槽具有变化的轮廓以强制所述伸出部分成形。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过成形为所述隔膜底部所需的轮廓并压靠在所述心轴的所述头部上的热模来执行所述热熔化步骤。

15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述心轴由外部套管和同轴地设置在其中的销组成，在所述引入步骤期间由所述销推动隔膜，在所述抽出步骤期间，首先抽出所述销，首先抽出所述套管，接着抽出所述销。

16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述热熔化步骤之后，还包括在所述底部的中央区域施用预定量的热塑性密封剂的步骤。

17.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所有的所述步骤都与电池生产线的基本动作同步。

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