專利名稱：電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池。
堿性電池包括通常在市場上可買到的常規(guī)AA、AAA、AAAA、C和D電池。這些常規(guī)堿性電池包括圓柱形殼體，此殼體包含由圓環(huán)形二氧化錳陰極環(huán)繞的中央圓柱形鋅凝膠陽極。
對于電池一般希望具有較長的壽命。對電池壽命的一個(gè)測量指標(biāo)是電池在給定負(fù)荷下放電直到電壓下降到不可接受的水平為止的時(shí)間長度。
Mick等的美國專利5869205(“Mick專利”)描述一種具有增強(qiáng)“服務(wù)期性能”(即更長的壽命)的電池。根據(jù)Mick專利，常規(guī)堿性電池的服務(wù)期性能受到堿性電池中嚴(yán)格的“陽極-陰極界面面積”的限制。Mick專利通過用多個(gè)一起組成陽極的圓柱形空腔替代中央圓柱形空腔而克服此限制，此中央圓柱形空腔例如為常規(guī)堿性電池中的鋅陽極。例如，通過用包括多個(gè)空腔的鋅陽極替代中央鋅陽極，在鋅陽極和陰極之間的界面面積增加，提供增強(qiáng)的服務(wù)期性能。
更具體地，本發(fā)明一個(gè)方面的特征在于本發(fā)明電池包括外殼、在外殼中的第一電極、在外殼中的第二電極、以及在第一和第二電極之間的隔板。第二電極包括在第一電極中的多個(gè)空腔。此電池具有長度，并且在沿著電池長度的某些位置上，每個(gè)空腔離外殼具有最小距離(d1)并且每個(gè)空腔之間具有最小的距離(d2)，而且對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1在1.5∶1-2.5∶1之間，優(yōu)選在1.7∶1-2.3∶1之間，更優(yōu)選地在1.8∶1-2.2∶1之間，最優(yōu)選地在1.9∶1-2.1∶1之間。例如，可在電池長度的中點(diǎn)、或在電池長度的1/3距離處、或在電池長度的2/3距離處確定此比例。在此位置上每個(gè)空腔的優(yōu)選至少50％、更優(yōu)選至少75％且最優(yōu)選幾乎全部的外周邊都滿足此關(guān)系。外殼優(yōu)選是圓柱形的。
在空腔和外殼之間的最小距離(d1)可通過確定與此空腔相鄰的第一電極的表面和與外殼相鄰的第一電極的表面之間的最小距離來測量。兩個(gè)空腔之間的最小距離(d2)在沿著電池長度的相同位置上通過確定與一個(gè)空腔相鄰的第一電極的表面和與第二空腔相鄰的第一電極的表面之間的最小距離來測量。
優(yōu)選地，對于每個(gè)空腔，比例d2∶d1是在1.5∶1-2.5∶1之間、優(yōu)選在1.7∶1-2.3∶1之間、最優(yōu)選在1.8∶1-2.2∶1之間、或者甚至是在1.9∶1-2.1∶1之間的平均值。
在另一方面，本發(fā)明的特征還在于本發(fā)明電池包括外殼、在外殼中的第一電極、以及在第一和第二電極之間的隔板。但是在本發(fā)明的此方面中，第二電極包括在第一電極中的兩個(gè)一般為D形的空腔。優(yōu)選地，D形空腔的平直側(cè)互相面對，所述空腔具有上述的比例d2∶d1。
在第三方面，本發(fā)明的特征又在于本發(fā)明電池包括外殼、在外殼中的第一電極、以及在第一和第二電極之間的隔板。但是在本發(fā)明的此方面中，第二電極包括在第一電極中的三個(gè)或更多個(gè)的三角形空腔。優(yōu)選地，外殼是圓柱形的并且每個(gè)空腔的一角向著電池的中心，并且在此情況下，一般與圓柱形外殼平齊的三角形邊被彎曲以匹配外殼的曲率。優(yōu)選地，所述空腔具有上述的比例d2∶d1。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，第一電極是包含二氧化錳的陰極并且第二電極是包含鋅的陽極。電池例如為AA、AAA、AAAA、C或D電池。
本發(fā)明還涉及一種電池，其中，對于至少一個(gè)空腔，上述比例d2∶d1至少出現(xiàn)一次。
一般地，本發(fā)明還涉及與上述多空腔電池一起使用的集電體/密封設(shè)置。電池包括在電池端部上的頂帽、在頂帽與陽極和陰極之間的密封、以及多叉集電體。每個(gè)叉的端部電連接到頂帽，并且每個(gè)叉都穿過密封且進(jìn)入到陽極空腔之一中。
從以下對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述以及權(quán)利要求中將更清楚本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。
陰極12包含二氧化錳、碳粒和粘合劑。
可使用任何用于陰極的常規(guī)形式的二氧化錳。盡管也可以使用CMD，但優(yōu)選的二氧化錳是EMD。這些二氧化錳的銷售商包括KerrMcGee Co.(Trona D)、Chem Metals Co.、Tosoh、Delta Manganese、MitsuiChemicals以及JMC。一般地，陰極包含的二氧化錳在80wt％-88wt％之間。
碳粒也可以是任何在陰極中使用的常規(guī)碳粒。它們可以是合成的或非合成的，并且它們可以是膨脹的或非膨脹的。在某些實(shí)施例中，所碳粒是非合成非膨脹的石墨顆粒。在這些實(shí)施例中，根據(jù)用SympatecHELIOS分析儀測量的，石墨顆粒的平均粒徑優(yōu)選小于約20微米、更優(yōu)選在大約2微米到大約12微米之間、并最優(yōu)選在大約5微米到大約9微米之間。例如，非合成非膨脹的石墨顆?？蓮腂razilian Nacional de Grafite(Itapecirica、MG Brazil(MP-0702X)得到。一般地，陰極包含的碳粒在5wt％-8wt％之間。
粘合劑的實(shí)例包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、普通水泥和碳氟樹脂，如PVDF和PTFE。聚乙烯粘合劑的實(shí)例為商品Coathylene HA-1681(Hoescht)。一般地，陰極包含的粘合劑在0.1wt％-約1wt％之間。
陰極12可包含其它添加劑。這些添加劑的實(shí)例在美國專利5342712中敘述，此專利在此引作參考。陰極12例如包含約0.2wt％-約2wt％的TiO2。
電解質(zhì)溶液還通過陰極12中彌散，并且上述重量百分比在電解質(zhì)溶液彌散后被確定。
陽極可由任何在電池陽極中使用的標(biāo)準(zhǔn)鋅材料形成。例如，陽極14可以是包含鋅金屬顆粒、膠凝劑和微量添加劑如氣泡抑制劑的鋅凝膠。另外，一部分電解質(zhì)溶液彌散在整個(gè)陽極中。
鋅顆?？梢允侨魏卧谀z陽極中常規(guī)使用的鋅顆粒。在陽極中使用的鋅顆粒的其它實(shí)例包括在轉(zhuǎn)讓給本申請受讓人的U.S.S.N 08/905254、U.S.S.N 09/115867和U.S.S.N 09/156915中描述的鋅顆粒，這些專利在此引作參考。一般地陽極包含的鋅顆粒在67wt％-71wt％之間。
可在陽極14中使用的膠凝劑包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酸脂、羧甲基纖維素或它們的組合物。此聚丙烯酸的實(shí)例是Carbopol 940和934(B.F.Goodrich)以及Polygel 4P(3V)，接枝淀粉材料的實(shí)例是Waterlock A221(Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸鹽的實(shí)例是Alcosorb Gl(Ciba Specialties)。陽極包含的膠凝劑一般在0.1wt％-約1wt％之間。這些重量百分比對應(yīng)于電解質(zhì)溶液彌散在整個(gè)陽極中的時(shí)候。
氣泡抑制劑可以是無機(jī)材料，如鉍、錫、鉛和銦?？商鎿Q地，氣泡抑制劑可以是有機(jī)化合物，如磷酸酯、離子表面活化劑和非離子表面活化劑。離子表面活化劑的實(shí)例例如在美國專利4777100中描述，此專利在此引作參考。
隔板18可以是任何用于電池隔板的常規(guī)設(shè)計(jì)。在一些實(shí)施例中，隔板18可以由兩層無紡的非薄膜材料形成，其中的一層沿著另一層表面布置。為了使在提供高效電池的同時(shí)使隔板18的容積最小，每個(gè)無紡的非薄膜材料層每平方米可以有約54克的基礎(chǔ)重量，并且干燥時(shí)厚度約5.4密耳而潮濕時(shí)厚度約10密耳。在這些實(shí)施例中，隔板優(yōu)選不包括薄膜材料層或在無紡的非薄膜材料層之間的粘附劑層。一般地，這些層基本上沒有諸如無機(jī)顆粒的填充物。
在其它實(shí)施例中，隔板18包括具有無紡材料層的玻璃紙外層。隔板還包括另外的無紡材料層。玻璃紙層可與陰極12或陽極相鄰。優(yōu)選地，無紡材料包含約78wt％-82wt％的PVA、約18wt％-22wt％的具有微量表面活化劑的人造纖維。此種無紡材料可以從商品PA36的PDM得到。
彌散在電池10中的電解質(zhì)溶液可以是任何在電池中使用的常規(guī)電解質(zhì)溶液。電解質(zhì)溶液一般是氫氧化物水溶液。此種氫氧化物水溶液包括含例如33wt％-38wt％氫氧化鉀的氫氧化鉀溶液以及氫氧化鈉溶液。
外殼20可以是任何通常在一次堿性電池中使用的常規(guī)外殼。外殼一般包括金屬內(nèi)壁、以及不導(dǎo)電的外部材料如可熱收縮的塑料?？蛇x地，可在內(nèi)壁和陰極12之間布置導(dǎo)電材料層。此層可沿壁的內(nèi)表面和/或陰極12的外周邊布置。此導(dǎo)電層例如可由含碳材料形成。此種材料包括LB1000(Timcal)、Eccocoat 257(W.R. Grace & Co.)、Electrodag109(Acheson Industries Inc.)、Electrodag 112(Acheson)和EB0005(Acheson)。涂敷導(dǎo)電層的方法例如在加拿大專利1263697中敘述，此專利在此引作參考。
集電體由適當(dāng)?shù)慕饘偃琰S銅制成。密封26例如由尼龍制成。
電池10的實(shí)例可按如下制備。通過混合85.5％EMD(自KerrMcGee)、7.3％石墨(Hoechst的Coathylene HA1681)、0.3％聚乙烯粘合劑(Nacional de Graphite的MP-0702X)以及6.9％電解質(zhì)溶液制備陰極混合物。接著在開槽成兩個(gè)“D”形空腔的模具內(nèi)在壓力下壓縮此混合物。形成的芯塊(pellet)用反向沖頭從模具中起出。四個(gè)芯塊(對于AA電池)或三個(gè)芯塊(對于AAA電池)用半月形型心軸垂直對齊并塞進(jìn)外殼中，然后，在外殼內(nèi)進(jìn)行再壓制，使之與外殼接觸。在每個(gè)空腔內(nèi)放置隔板(P.G.I.Nonwoven 7638)。通過(以重量百分比)混合70％鋅粉末(Zinc Corp.of America 1216)、膠凝劑(BF Goodrich的Carbopol 940)以及30％電解質(zhì)(包含98.6％液體電解質(zhì)和1.4％溶解的膠凝劑)而制備陽極混合物。陽極混合物接著彌散進(jìn)空腔內(nèi)。包括頂帽28、集電體和密封26的頂部組合放置在外殼上，并機(jī)械卷邊以密封電池。在組裝之前把密封劑(Spec Seal)涂敷到外殼的側(cè)面。
在電池10中，對陽極空腔14和16定位，使之到外殼20的距離(d1)相等并且相互之間的距離(d2)相等。在每個(gè)空腔的整個(gè)周邊上d2∶d1比例大約為2∶1。在電池10的使用過程中，首先消耗最靠近陽極空腔的陰極材料，陰極材料被消耗的超時(shí)面積圍繞每個(gè)空腔形成。因?yàn)閐2是d1的大約兩倍，隨著被消耗的陰極材料面積擴(kuò)大，它會(huì)傾向于接近外殼20，并且在大概相同時(shí)間之后，被消耗的陰極材料的面積從另一空腔擴(kuò)大。結(jié)果，陰極材料的消耗效率被最大化，因而增加電池的壽命。
相反，參照圖3，在Mick專利所描述的電池中包括四個(gè)陽極空腔，對于互相面對的陽極空腔，d2比d1大2.5倍。因而，隨著電池的使用，圍繞每個(gè)空腔的陰極材料被消耗的面積會(huì)在圍繞相對空腔的陰極材料被消耗的面積匯合之前到達(dá)外殼。
其它的實(shí)施例在權(quán)利要求中描述。例如，參照圖4，電池包括陰極32和含三個(gè)三角形空腔(34、36、38)的陽極，這些空腔也具有大約2∶1的比例d2∶d1。相似地參照圖5，電池40包括陰極42和含四個(gè)三角形的空腔(44、46、48、50)的陽極，這些空腔也具有大約2∶1的比例d2∶d1。
另外，陰極和陽極的位置可以顛倒。
電池還可配置開關(guān)，以允許用戶在給定時(shí)間內(nèi)選擇使用哪個(gè)或哪些空腔。在

圖1-3中，電池上的開關(guān)例如可以有三個(gè)位置。一個(gè)位置把叉22連接到頂帽28，但斷開叉24和頂帽28的聯(lián)系；另一位置把叉24都連接到頂帽28，但斷開叉22和頂帽28的聯(lián)系；第三位置把叉22和24連接到頂帽28。對于圖4和5中的電池也可使用類似的開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一電極中的包括多個(gè)空腔的第二電極；以及在每個(gè)空腔和第一電極之間的隔板；其中，每個(gè)空腔到外殼之間具有最小距離(d1)和每個(gè)空腔之間具有最小距離(d2)，對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1都在1.5∶1-2.5∶1之間。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1都在1.7∶1-2.3∶1之間。
3.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1都在1.8∶1-2.2∶1之間。
4.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1都在1.9∶1-2.1∶1之間。
5.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，第二電極包括兩個(gè)空腔。
6.如權(quán)利要求5所述的電池，其中，空腔大致成D形。
7.如權(quán)利要求6所述的電池，其中，每個(gè)D形空腔包括平直側(cè)，并且平直側(cè)互相面對面。
8.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，第二電極包括三個(gè)空腔。
9.如權(quán)利要求8所述的電池，其中，空腔大致成三角形，并且每個(gè)空腔的一角都朝向電池中心。
10.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，第二電極包括四個(gè)空腔。
11.如權(quán)利要求10所述的電池，其中，空腔大致成三角形，并且每個(gè)空腔的一角都朝向電池中心。
12.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，第一電極是陰極。
13.如權(quán)利要求12所述的電池，其中，陰極包含二氧化錳。
14.如權(quán)利要求12所述的電池，其中，第二電極是包含鋅的陽極。
15.如權(quán)利要求13所述的電池，其中，第二電極是包含鋅的陽極。
16.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池是AA電池。
17.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池是AAA電池。
18.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池是AAAA電池。
19.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池是C電池。
20.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池是D電池。
21.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池具有長度，并且每個(gè)比例d2∶d1都在長度的一半處測量。
22.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池具有長度，并且每個(gè)比例d2∶d1都在長度的1/3處測量。
23.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池具有長度，并且每個(gè)比例d2∶d1都在長度的2/3處測量。
24.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池具有長度，并且每個(gè)比例d2∶d1是所述長度上的平均d2∶d1比例。
25.如權(quán)利要求24所述的電池，其中，對于每個(gè)空腔，每個(gè)比例d2∶d1都在1.8∶1-2.2∶1之間。
26.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括通過集電體電連接到第二電極的頂帽，對于每個(gè)空腔，集電體包括從頂帽延伸進(jìn)空腔內(nèi)的叉。
27.如權(quán)利要求26所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括位于頂帽與第一和第二電極之間的密封，其中每個(gè)叉都穿過此密封。
28.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，外殼是圓柱形的。
29.如權(quán)利要求1所述的電池，其中，空腔是圓柱形的。
30.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一空腔中的包括兩個(gè)大致成D形的空腔的第二電極；以及在第一電極和每個(gè)空腔之間的隔板；
31.如權(quán)利要求30所述的電池，其中，第二電極包括兩個(gè)大致成D形的空腔。
32.如權(quán)利要求31所述的電池，其中，每個(gè)大致成D形的空腔包括平直側(cè)，并且這些平直側(cè)互相面對面。
33.如權(quán)利要求30所述的電池，其中，第二電極是包含鋅的陽極。
34.如權(quán)利要求33所述的電池，其中，第一電極是包含二氧化錳的陰極。
35.如權(quán)利要求30所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括通過集電體電連接到第二電極的頂帽，對于每個(gè)空腔，集電體包括從頂帽延伸進(jìn)空腔內(nèi)的叉。
36.如權(quán)利要求35所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括位于頂帽與第一和第二電極之間的密封，其中每個(gè)叉都穿過此密封。
37.如權(quán)利要求30所述的電池，其中，外殼是圓柱形的。
38.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一電極中的包括兩個(gè)大致成三角形的空腔的第二電極；以及在每個(gè)空腔和第一電極之間的隔板；
39.如權(quán)利要求38所述的電池，其中，第二電極包括在第一電極中三個(gè)大致成三角形的空腔。
40.如權(quán)利要求39所述的電池，其中，每個(gè)大致成三角形的空腔的一角都朝向電池中心。
41.如權(quán)利要求38所述的電池，其中，第二電極包括在第一電極中四個(gè)大致成三角形的空腔。
42.如權(quán)利要求41所述的電池，其中，每個(gè)大致成三角形的空腔的角都朝向電池中心。
43.如權(quán)利要求38所述的電池，其中，第二電極是包含鋅的陽極。
44.如權(quán)利要求43所述的電池，其中，第一電極是包含二氧化錳的陰極。
45.如權(quán)利要求38所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括通過集電體電連接到第二電極的頂帽，對于每個(gè)空腔，集電體包括從頂帽延伸進(jìn)空腔內(nèi)的叉。
46.如權(quán)利要求45所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括位于頂帽與第一和第二電極之間的密封，其中每個(gè)叉都穿過此密封。
47.如權(quán)利要求38所述的電池，其中，外殼是圓柱形的。
48.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一電極中的包括兩個(gè)空腔的第二電極；在每個(gè)空腔和第一電極之間的隔板；頂帽；以及與頂帽電接觸的集電體，集電體包括多個(gè)叉，每個(gè)叉一般都從頂帽延伸進(jìn)一個(gè)空腔中。
49.如權(quán)利要求48所述的電池，其中，電池進(jìn)一步包括位于頂帽與第一和第二電極之間的密封，其中每個(gè)叉都穿過此密封。
50.如權(quán)利要求48所述的電池，其中，第二電極是包含鋅的陽極。
51.如權(quán)利要求50所述的電池，其中，第一電極是包含二氧化錳的陰極。
52.如權(quán)利要求48所述的電池，其中，外殼是圓柱形的。
53.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一電極中的包括兩個(gè)空腔的第二電極，每個(gè)空腔具有含直線部分的外周邊；以及在每個(gè)空腔和第一電極之間的隔板；
54.如權(quán)利要求53所述的電池，其中，外殼是圓柱形的。
55.一種電池包括外殼；在外殼中的第一電極；在第一電極中的包括多個(gè)空腔的第二電極；以及在每個(gè)空腔和第一電極之間的隔板；其中，至少一個(gè)空腔到外殼之間具有最小距離(d1)并且到另一個(gè)空腔之間具有最小距離(d2)，比例d2∶d1在1.5∶1-2.5∶1之間。
56.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，比例d2∶d1在1.7∶1-2.3∶1之間。
57.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，比例d2∶d1在1.8∶1-2.2∶1之間。
58.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，比例d2∶d1在1.9∶1-2.1∶1之間。
59.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，電池具有長度，并且比例d2∶d1在長度的一半處測量。
60.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，電池具有長度，并且比例d2∶d1在長度的1/3處測量。
61.如權(quán)利要求55所述的電池，其中，電池具有長度，并且比例d2∶d1在長度的2/3處測量。
全文摘要
電池(10)包括圓柱形外殼(20)、第一電極(12)、第二電極、以及隔板(18)。第二電極在第一電極(12)中包括多個(gè)空腔(14、16)。
文檔編號H01M10/28GK1353871SQ00808194
公開日2002年6月12日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者羅衛(wèi)芳(音譯), 布朋德·K·帕特爾, 亞歷山大·B·塞萊金, 蓋瑞·T·維維羅斯, 韋爾特·H·Vu, 道格拉斯·伍德諾斯 申請人:吉萊特公司