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。
背景技術(shù)：
電池，例如堿性電池，通常用做能源。一般說來，堿性電池包括陰極、陽極、隔板和電解液。通常陰極由活性物質(zhì)(例如二氧化錳)、碳顆粒和粘合劑組成。陽極可以是包括活性物質(zhì)(例如鋅顆粒)的凝膠。隔板一般設(shè)置在陰極和陽極之間。散布在整個電池中的電解液可以是氫氧化合物溶液。
堿性電池包括傳統(tǒng)的AA，AAA，AAAA，C和C型電池，這類電池通常在商店中都有出售。這些傳統(tǒng)的堿性電池包括一個圓柱形外殼，該外殼中包含著一個由環(huán)狀二氧化錳陰極環(huán)繞的中心圓柱形鋅凝膠體陽極。
這些傳統(tǒng)電池包括一個負(fù)極端和一個正極端。負(fù)極端連接到所述外殼內(nèi)部的一個集電器，該集電器包括一個延伸到陽極的管腳。通常在陰極和陽極上方設(shè)置有密封裝置以防止陽極物質(zhì)和陰極物質(zhì)漏泄出來。所述集電器的管腳穿過所述密封裝置進入陽極。
由Mick等申請的美國專利5,869,205(Mick專利)描述了一種增強型“服務(wù)性能”(即壽命更長)的電池。Mick認(rèn)為，傳統(tǒng)堿性電池的服務(wù)性能受到堿性電池內(nèi)“陽極到陰極的接口區(qū)”這一有限區(qū)域的限制。所述Mick專利利用合起來組成陽極的多個圓柱形空腔代替所述中心圓柱體空腔，例如傳統(tǒng)堿性電池中的鋅陽極，從而克服了上述限制。例如，通過以包括多個空腔的鋅陽極代替中心鋅陽極，增加了位于所述鋅陽極和陰極之間的接口區(qū)域，于是就提供了增強型服務(wù)性能。
由Mick專利所描述的具有包括多個空腔的鋅陽極的電池還包括一個負(fù)極端，一個連接到所述負(fù)極端的集電器和一個設(shè)置在陽極和陰極上方以防止陽極和陰極物質(zhì)漏泄的密封裝置。所述集電器包括一個延伸到每個陽極空腔并穿過所述密封裝置的管腳。這就意味著所述密封裝置在電池中被刺穿多次。所述管腳然后彎曲并連接到所述密封裝置上方的中心位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電池，其特征在于，該電池包括一個外殼；包含在該外殼中的一個第一電極；一個具有在所述第一電極中的多個空腔的第二電極；一塊設(shè)置在所述第一電極和所述多個空腔的每一個之間的隔板，以及一個集電器。關(guān)鍵在于，盡管所述集電器包括延伸進每個空腔的管腳，但是這些管腳都通過位于所述密封裝置下方的分支部件連接到一個單獨的部件。然后該單獨部件穿過所述密封裝置并連接到電池負(fù)極端。結(jié)果，雖然所述電池包括一個多空腔電極和一個具有延伸到每個空腔的管腳的集電器，但該集電器也僅刺穿所述密封裝置一次，這樣電極物質(zhì)漏泄的機會就減到最小。
所述電池最好還包括一個位于所述分支部件和所述第一電極之間的第二密封裝置以防止意外接觸。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述第一電極為包含二氧化錳的陰極，所述第二電極為包含鋅的陽極。第二電極也可包含例如兩個、三個或四個空腔。在一個優(yōu)選實施例中，所述第二電極包含兩個D形空腔。所述電池例如可以是AA，AAA，AAAA，C或D型電池。
在某些優(yōu)選實施例中，電池具有一定長度，且在沿著電池長度的某些位置處，每個空腔都有到外殼的最小距離(d1)以及到其它每個空腔之間的最小距離(d2)，對每個空腔來說比率d2∶d1在1.5∶1和2.5∶1之間，這個比率在1.7∶1和2.3∶1之間較好，在1.8∶1和2.2∶1之間更好，在1.9∶1和2.1∶1之間最優(yōu)。所述比率例如可沿所述電池長度在中點處或三分之一處，或三分之二處確定。優(yōu)選方案是，位于上述位置處的每個空腔外周的至少50％，較好為75％，最好基本上整個外周都滿足所述比率關(guān)系。所述外殼最好是圓柱形的。
通過確定空腔附近所述第一電極的表面和外殼附近所述第一電極的表面之間的最小距離，可測量一個空腔和所述外殼之間的最小距離(d1)。通過確定一個空腔附近所述第一電極的表面和第二空腔附近所述第一電極的表面之間的距離，可測量沿所述電池長度同一位置處兩個空腔之間的最小距離(d2)。
對每個空腔來說，所述比率d2∶d1較好的是在1.5∶1和2.5∶1之間的平均值，更好的是在1.7∶1和2.3∶之間的平均值，最優(yōu)的是在1.8∶1和2.2∶1之間或甚至是在1.9∶1和2.1∶1之間的平均值。
本發(fā)明的特征在于還提供一種電池，其中第二電極僅是一單個的空腔。在這種電池中，所述集電器包括多個延伸入該單個空腔的管腳。
從對其優(yōu)選實施例的說明及其權(quán)利要求書中將可清楚地看到本發(fā)明其他特征和實施例。
附圖簡要說明

圖1是電池的側(cè)部剖視圖；圖2是圖1中電池頂部的放大視圖；圖3是從圖1中III-III處截取的電池的截面圖。
參照圖1到圖3，電池10包括一個陰極12，一個由兩個通常為D形的空腔14和16所組成的陽極，一個隔板18，以及圓柱形外殼20。電池10還包括一個集電器22，該集電器具有一個穿過密封裝置26的部件24。集電器22還包括分別連接到管腳32和34的分支部件28和30。部件24的末端連接到作為電池負(fù)接線端子的負(fù)極金屬頂帽36。所述陰極與所述外殼接觸，電池的正極接線端子在電池上與所述負(fù)極接線端子相反的一端。電池10還包括一個第二密封裝置，或絕緣子38，該密封裝置設(shè)置在位于密封裝置26下方的集電器22的部件和陰極12之間。一種電解液散布在整個電池10中。
陰極12包括二氧化錳，碳顆粒和粘合劑。
任何用在陰極上的傳統(tǒng)形式的二氧化錳都可利用。雖然也可用CMD，但是最好是用EMD。這種二氧化錳的銷售商包括Kerr McGee公司(Trona D)，化學(xué)金屬公司，Tosoh，Delta Manganese，三井化學(xué)株式會社(Mitsui Chemicals)和JMC公司。通常陰極包括重量比為80％到88％之間的二氧化錳。
陰極顆粒也可以是任何用在陰極中的傳統(tǒng)的碳顆粒。這種顆粒可以是合成的或非合成的，也可以是有延展性的或無延展性的。在某些實施例中，所述碳顆粒為非合成和無延展性的石墨顆粒。在這些實施例中，石墨顆粒的平均顆粒尺寸最好為20微米左右，較好是為2到12微米左右，最優(yōu)是為5到9微米左右，這個尺寸是用Sympatec HELIOS分析器測量出來的。非合成、無延展性的石墨顆粒例如可從BrazilianNacional de Grafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X))獲得。一般說來，陰極中包含的石墨顆粒按重量比例為5％到8％之間。
粘合劑例如可以是聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺，普通水泥和氟碳化合物樹脂、如PVDF(聚偏二氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)。例如一種聚乙烯粘合劑是以商品名Coathylene HA-1618(Hoscht)出售的。通常，陰極中包含的粘合劑按重量百分比大約為0.1％到1％之間。
所述陰極12還可以包括其他添加劑。在美國專利5,342,712中公開了這些添加劑的幾個實例，在此引用以作參考。陰極12可包含例如按重量比大約為0.2％到2％的TiO2。
所述電解液散布在整個陰極12中，且上述百分比是在電解液已經(jīng)擴散完成后確定的。
所述陽極可由用在電池陽極中的任何標(biāo)準(zhǔn)鋅物質(zhì)構(gòu)成。例如，陽極14可以是一種包含鋅金屬顆粒、膠凝劑和少量添加劑如電液泡抑制劑(gassing inhibitor)的鋅凝膠。此外，部分電解液擴散至整個陽極中。
所述鋅顆粒可以是傳統(tǒng)上用在凝膠陽極中的任何鋅顆粒。陽極中所用的鋅顆粒的其他例子包括專利申請U.S.S.N 08/905,254；U.S.S.N09/115,867；U.S.S.N09/156,915中描述的鋅顆粒，上述案例都是指定本發(fā)明的代理人代理的，在此引用以作參考。通常陽極中包含重量百分比大約為67％到71％之間的鋅顆粒。
可用在所述陽極14中的膠凝劑包括聚丙烯酸、聚合淀粉物質(zhì)、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酸脂、羧基纖維素(carboxymethylcellulose)，或這些物質(zhì)的混合物。聚丙烯酸的例子有丙烯酸樹脂Carbopol 940，934(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)，聚合淀粉物質(zhì)的一個例子是環(huán)水A221(糧食處理公司，Muscatine，IA)。聚丙烯酸鹽的一個例子是Alcosorb G1(汽巴精化公司)(Ciba Specialties)。陽極中通常包含重量百分約為0.1到1之間的膠凝劑。這些重量百分比都是當(dāng)所述電解液擴散到整個陽極時相應(yīng)的值。
所述電液泡抑制劑可以是無機物質(zhì)，諸如鉍、錫、鉛和銦。或者電液泡抑制劑也可以是有機化合物，例如磷酸鹽脂類、離子表面活性劑或非離子表面活性劑。美國專利4,777,100公開了離子表面活性劑的一個例子，在此引用以作參考。
所述隔板18可以是任何傳統(tǒng)類型的隔板。在某些實施例中，隔板18可由兩層非織物、非膜材料構(gòu)成，其中一層沿另一層的表面放置。為了將所述隔板18的體積減到最小而同時又提供一種高效電池，每層非織物、非膜材料的基本重量為每平方米大約54克，且干燥時的厚度大約為5.4密耳(毫英寸)，濕潤時的厚度大約為10密耳。在這些實施例中，所述隔板的兩層非織物、非膜材料之間最好不要有一層膜材料或一層粘性物質(zhì)。一般層與層之間可以沒有任何填充物，如無機顆粒。
在本發(fā)明另一個實施例中，所述隔板18包括帶有一層非織物材料的玻璃紙外層。該隔板還包括一層非織物材料輔助層。所述玻璃紙層可與陰極12或陽極相鄰。所述非織物材料最好包含重量百分比大約為78到82的PVA(聚氯乙烯)和重量百分比大約為18到22的、加有微量表面活化劑的人造纖維，。這種非織物材料可從PDM獲得，其商品名為PA36。
散布在整個電池10中的電解液可以是用在電池中的任何傳統(tǒng)類型的電解液。具有代表性的電解液是氫氧化物水溶液。這種氫氧化物水溶液包括例如含有重量百分比大約是33％到38％的氫氧化鉀的氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液。
所述外殼20可以是通常用在主要的堿性電池中的任何傳統(tǒng)外殼。該外殼一般包括一個內(nèi)金屬壁和外部非導(dǎo)電材料，如熱縮塑料。但這并非是強制性的，也可以在所述內(nèi)壁和陰極12之間設(shè)置一層導(dǎo)電材料。該層可沿所述內(nèi)壁的內(nèi)表面，沿陰極12的外周或同時沿以上兩者設(shè)置。這種導(dǎo)電層例如可由一種含碳的材料組成。這種材料包括LB1000(特米高有限公司)(Timal)，Eccocoat 257(W.R.格雷斯有限公司)(W.R.Grace & Co.)，Elctrodag 109(Acheson)，Electrodag112(Acheson)和EB0005(Acheson)。施加這種導(dǎo)電層的方法例如已在加拿大專利1,263,697，中公開，在此引用以作為參考。
所述集電器24由合適的金屬如銅制成。所述密封裝置26和38例如可由尼龍制成。
下面說明電池10的一個實例。陰極混合物由下列材料組成85.5％的EMD(來自Kerr McGee)，7.3％的石墨(來自Hoechst的CoathyleneHA1618)，0.3％的聚乙烯粘合劑(來自Nacional de Graphite的MP-0702X)和6.9％的電解液。然后用壓力把該混合物壓入一個沖成雙“D”形空腔的模具中。已成形的小球被反沖力拉出所述模具。四個小球(AA型電池)或三個小球(AAA型電池)與半月形陰極金屬板垂直對齊并滑進所述外殼中，然后在外殼中重新壓緊所述小球以使其和所述外殼相接觸。所述隔板(P.G.I.Non-woven 7638)放置在每個空腔中。陽極混合物由下列材料混合組成(按重量百分比)70％的鋅粉末(美國鋅公司1216)，膠凝劑(BF Goodrich的丙烯酸脂Carbopol 940)，和30％的電解液(由98.6％的電解液體和1.4％的不溶解膠凝劑組成)。然后把該陽極混合物壓到所述空腔中。將包括頂帽28、集電器和密封裝置26的頂部組件放在外殼上方并用機械方法使其卷曲以密封電池。在安裝所述組件前先在所述外殼邊緣上涂覆一種密封劑(Spec Seal)。
在電池10中，陽極空腔14和16距離外殼20以等距(d1)放置，且彼此之間相隔等距(d2)。圍繞每個空腔的整個周長比率d1∶d2大約為2∶1。在使用電池10時，最接近陽極空腔的陰極材料將首先被消耗掉，隨著時間的推移就會在每個空腔周圍形成已消耗陰極材料區(qū)。因為d2大約是d1的兩倍，所以當(dāng)已消耗陰極材料區(qū)擴展時就將到達外殼20，并且經(jīng)過大致相同的時間，其他空腔的已消耗陰極材料區(qū)也會擴展過來。結(jié)果就使得陰極材料消耗效率達到最大，從而增加了電池的壽命。
其他實施例包括在權(quán)利要求書中。例如，所述陽極可由三個或四個三角形空腔所組成。在這些實施例中，所述集電器可包括三個或四個與延伸至每個空腔的管腳相連接的分支部件。
此外，也可倒轉(zhuǎn)陰極的位置。
所述集電器的分支部件(例如，28和30)也可以設(shè)計成一個與所述穿過密封裝置的部件(例如部件24)相連接的彈簧鎖單元。
權(quán)利要求
1.一種電池，包括一個外殼；一個位于所述外殼內(nèi)的第一電極；一個由所述第一電極內(nèi)的多個空腔組成的第二電極；一個位于每個所述空腔和所述第一電極之間的隔板；一個位于所述第一電極和所述空腔上方的防止漏泄的密封裝置；一個集電器，包括一個穿過所述密封裝置的部件；多個管腳，每個所述管腳延伸到所述空腔中的一個，和多個分支部件，每個所述分支部件將所述管腳中的至少一個連接到位于所述密封裝置下部的垂直部件。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，還包括一個位于所述分支部件和所述第一電極之間的第二密封裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第二電極由兩個空腔組成。
4.如權(quán)利要求3所述的電池，其中所述空腔是D形的。
5.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第二電極包括三個空腔。
6.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第二電極包括四個空腔。
7.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述第一電極是一個陰極。
8.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述陰極包含二氧化錳。
9.如權(quán)利要求8所述的電池，其中所述第二電極是包含鋅的陽極。
10.如權(quán)利要求7所述的電池，其中所述第二電極是包含鋅的陽極。
11.如權(quán)利要求1所述的電池，其中每個所述空腔都是三角形的。
12.如權(quán)利要求1所述的電池，其中每個所述空腔都是圓柱形的。
13.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述電池是AA型電池。
14.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述電池是AAA型電池。
15.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述電池是AAAA型電池。
16.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述電池是C型電池。
17.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述電池是D型電池。
18.如權(quán)利要求1或2所述的電池，其中所述外殼是圓柱形的。
19.如權(quán)利要求1所述的電池，其中所述多個分支部件通過一個彈簧鎖連接到所述垂直部件。
20.一種電池，包括一個外殼；一個位于所述外殼內(nèi)的第一電極；一個位于所述第一電極內(nèi)的第二電極；一個位于所述第一電極和第二電極之間的隔板；一個位于所述第一電極和所述空腔上部的密封裝置；和一個集電器，包括一個穿過所述密封裝置的部件；多個管腳；多個分支部件，每個所述分支部件都將一個管腳連接到位于所述密封裝置下部的垂直部件。
21.如權(quán)利要求19述的電池，還包括一個位于所述分支部件和所述第一電極之間的第二密封裝置。
22.如權(quán)利要求20所述的電池，其中所述第一電極是一個陰極。
23.如權(quán)利要求22所述的電池，其中所述陰極包含二氧化錳。
24.如權(quán)利要求23所述的電池，其中所述第二電極是一個包含鋅的陽極。
25.如權(quán)利要求20所述的電池，其中所述第二電極是一個陽極。
26，如權(quán)利要求20所述的電池，其中所述電池是從AA、AAA、AAAA、C和D型電池所構(gòu)成的組合中選出的一種。
27.如權(quán)利要求20所述的電池，其中所述外殼是圓柱形的。
28.如權(quán)利要求20所述的電池，其中所述多個分支部件通過一個彈簧鎖連接到所述垂直部件。
全文摘要
一種電池(10),包括一個外殼(20),一個第一電極(12),一個由位于所述第一電極內(nèi)的多個空腔(14,16)組成的第二電極,一個位于每個所述空腔和所述第一電極之間的隔板(18),一個位于第一電極和空腔上方的密封裝置(26),和一個集電器(21)。所述集電器(21)包括一個穿過所述密封裝置(26)的部件(24),一個延伸進入每個空腔(14,16)的管腳(32,34),以及一個將每個所述管腳(31,34)連接到位于所述密封裝置(26)下方的部件(24)的分支部件(28,30)。
文檔編號H01M2/30GK1353872SQ00808195
公開日2002年6月12日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者亞歷山大·卡普蘭, 西恩·A·薩吉特, 韋爾特·H·Vu, 道格拉斯·伍德諾斯 申請人:吉萊特公司