專利名稱：電池外殼的密封方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電池外殼的密封方法。
電池通常用作電源。電池包含通常稱為陽極的負(fù)極，和通常稱為陰極的正極。陽極帶可氧化反應(yīng)的活性物質(zhì)，陰極含有或消耗可被還原的活性物質(zhì)。陽極活性物質(zhì)可還原陰極活性物質(zhì)。為防止陽極物質(zhì)與陰極物質(zhì)的直接反應(yīng)，在陽極與陰極之間利用隔板實(shí)現(xiàn)電隔離。
在諸如蜂窩式電話的設(shè)備采用電池作電源時，陽極與陰極形成電接觸，使電子通過該設(shè)備流動，并分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，從而提供電能。與陽極和陰極接觸的電解液包含離子，它們流過電極間的隔板，維持電池在放電中的電荷平衡。
在一個金屬-空氣式電化學(xué)電池中，氧在陰極上還原，而金屬在陽極上氧化。通過電池外殼上開設(shè)的一個或多個氣孔，電池外的大氣給陰極提供氧氣。
通過將陰極、隔板以及陽極插入電池外殼內(nèi)，來組裝圓柱型金屬-空氣式電池。然后密封外殼端部。在密封過程中，需要對外殼施加作用力來密封端部。如果該作用力傳到陰極，則會導(dǎo)致陰極變形。如果發(fā)生這種現(xiàn)象，有時會造成電解液從電池內(nèi)漏出。
本發(fā)明的特征在于對陰極的損傷降低到最小的電池外殼密封方法。本發(fā)明的特征還在于，使用該方法制造電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明的特征在于，一種密封電池外殼端部的方法。該方法包括(a)在靠近外殼端部的外殼壁上設(shè)置多個支撐(support)；(b)在外殼端部與支撐之間的位置對外殼壁刻槽(score)；(c)將頂部組件插入外殼內(nèi)使該頂部組件接觸支撐；以及(d)在頂部組件之上對外殼邊緣進(jìn)行卷邊。例如，通過半剪切、切割或模鍛部分外殼壁，成型該支撐。
該支撐提供平坦平面，或稱“架位”，它可以防止頂部組件被壓入外殼內(nèi)太深以致接觸陰極頂端。頂部組件最好不壓著陰極，因?yàn)槿绻l(fā)生這種情況，陰極會發(fā)生彎曲。陰極一旦彎曲或變形，電池有時會泄漏電解液。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明的特征在于，一種具有正端和負(fù)端的金屬-空氣式電池，該金屬-空氣式電池包括(a)外殼，具有多個包括葉片的隔柵，其中至少3個隔柵的端部靠近電池端部；(b)陽極；(c)陰極；(d)隔板，設(shè)在陽極與陰極之間；以及(e)頂部組件，與外殼壁上的多個支撐接觸。
在該電池中，隔柵增強(qiáng)陰極表面的空氣循環(huán)；而支撐使對陰極損傷降低到最小。沒有這些支撐，頂部組件就可能落位不當(dāng)，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷陰極和/或在儲存與使用期間電池泄漏電解液。
“靠近”一詞，此處指部件上某個位置相對于該部件上的某個給定點(diǎn)的距離在該部件總長度的20％以內(nèi)，最好在10％或5％以內(nèi)。位于“靠近”長度為10cm的外殼端部的零件就是在距離該端部2cm以內(nèi)，最好距離該端部1cm或0.5cm以內(nèi)。
“頂部組件”一詞，此處指金屬-空氣式電池的任何一個部件，它包括可容納陰極的空腔、可形成電池外殼端部的端帽、集電器以及用于連接電池外殼壁上的支撐的裝置。
根據(jù)對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所做的說明以及根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。
圖1a和1b示出具有半剪切支撐的電池外殼剖視圖。
圖2a和2b示出具有模鍛支撐的電池外殼壁的剖視圖。
圖3示出包括6個支撐的電池外殼的剖視圖。
圖4示出隔柵的透視圖。
圖5示出具有隔柵的電池外殼的剖視圖。
圖6示出具有6排隔柵的電池外殼的剖視圖。
圖7a和7b示出具有刻槽壁的電池外殼的剖視圖。
圖8a-e示出電池頂部組件的各部件的剖視圖。
圖9a-c示出電池外殼剖視圖。
本發(fā)明特征在于，在對電池陰極損傷最小的情況下密封電池端部的方法。
例如，可以利用如下過程制備本發(fā)明外殼。從鍍鎳?yán)滠堜摪迳锨懈顖A盤，再將它們深拉成要求形狀、尺寸的外殼(例如AAAA，AAA，AA，C或D型電池的圓柱型外殼)。
對外殼進(jìn)行機(jī)加工以對電池頂部組件提供支撐。例如，如圖1a所示，在外殼壁4靠近外殼負(fù)端部6的位置沖壓出半剪切表面或切割表面2。圖1b是半剪切表面的放大圖。凸出到型腔(can)內(nèi)的半剪切表面提供放置頂部組件的架位。該表面可以防止將頂部組件推入電池型腔內(nèi)太多。對于AAA型電池外殼，支撐可以位于距離成品密封外殼端部5.5mm的位置(即距離端帽表面5.5mm)。
另一方面，還可以對型腔進(jìn)行模鍛(swage)以提供模鍛部分10，如圖2a所示。模鍛部分即型腔內(nèi)的凹部，可防止頂部組件被推入外殼內(nèi)太多。如圖2b所示，如果型腔被模鍛，則可以進(jìn)行二次銳化處理，以形成銳角狀架位11。
參考圖3，外殼壁4具有多個分立支撐2，而不具有連續(xù)支撐表面。外殼至少最好具有3個支撐，更最好具有4個、5個或6個。在AAA電池外殼內(nèi)，每個支撐的寬為1.0mm，與相鄰支撐之間的間隔為5.0mm。支撐距外殼端部2.0mm。
可以在外殼內(nèi)切割一個或多個隔柵(louver)?！案魱拧币辉~，此處指允許空氣流通的帶葉片的開口。通常，隔柵的葉片相對于電池外殼壁傾斜。切制隔柵使用的工具與消除或產(chǎn)生與隔柵具有同樣尺寸的孔所使用的工具相同。卸去四韌切割沖頭的三個韌(edge)，這樣，切割沖頭韌部就不會與沖模相碰，并可使切割條紋在外殼上得到保留?？墒褂脝窝h(huán)刀具(fooling)。在大規(guī)模生產(chǎn)制造過程中，可使用高速連續(xù)式機(jī)器，如標(biāo)準(zhǔn)金屬加工沖床。1999年8月13日提交的第09/374,277美國專利申請對具有隔柵的電池外殼進(jìn)行了詳細(xì)披露，在此以參考方式引用其全部內(nèi)容。
參考圖4，可以在一側(cè)打開隔柵12。將翹曲(displaced)材料形成的折翼(flag)稱為葉片14，它朝內(nèi)翹曲，故葉片14位于外殼內(nèi)表面。
參考圖5，隔柵的葉片14從外殼壁4的原表面翹曲并延伸到外殼內(nèi)部。
參考圖6，隔柵12沿電池外殼軸向排列。各隔柵按相同的60度角增量，沿外殼周向彼此隔開。為了保持外殼的完整性，不連續(xù)切割。事實(shí)上，在每一個繞軸位切制3刀。通過去除金屬加工沖頭的部分切割面，可以利用單沖頭和沖模進(jìn)行多刀切割。
為了削弱外殼壁，可以對外殼壁進(jìn)行刻槽。為了對外殼壁進(jìn)行刻槽，在部分外殼壁上成型切口16，如圖7a所示。圖7b是該切口的放大圖。在對外殼壁進(jìn)行卷邊時，在刻槽部位相對容易彎折。因而，刻槽有助于將傳遞到電池外殼構(gòu)件上的力降低到最小。
例如，Boeselager出版的Sheet Metal PunchingCollected Articlesand Technical Paper(1993)，對半剪切、切割、模鍛、刻槽以及隔柵成型技術(shù)進(jìn)行了描述。此外，在此參考文獻(xiàn)中，還描述了切割與沖壓多種形狀孔的方法。
上述方法還可以用于制備棱型、方型、長方形以及圓柱型電池。
電池陰極包括集電器，例如金屬絲網(wǎng)。例如，可以將集電器成型為管狀，活性陰極混合物沉積在該管子上。該混合物包括粘合劑、碳粒以及還原過氧化物用的催化劑。適用粘合劑有聚四氟乙烯(PTFE)顆粒制成的粘合劑。適用催化劑包括例如通過加熱硝酸錳或還原高錳酸鉀配制的錳氧化物，如Mn2O3、Mn3O4、MnO2。此管子外側(cè)可覆蓋PTFE膜。該膜有助于在電池中維持均勻的濕度水平。該膜還有助防止電解液泄漏到電池外，并防止CO2滲進(jìn)電池內(nèi)。
以下是本發(fā)明電池的組裝過程。將PTFE膜包復(fù)的管狀陰極放置在外殼內(nèi)。陰極集電器必須與殼底保持電接觸。通過在陰極集電器與殼底之間實(shí)現(xiàn)直接物理接觸，例如通過將集電器焊到殼底來實(shí)現(xiàn)該電接觸。另一方面，也可以對集電器和殼底設(shè)置導(dǎo)電片。
插入管狀陰極以后，將隔板放置到外殼內(nèi)。隔板(seperator)可由多孔、電絕緣聚合物制成，例如聚丙烯，它可以使電解液接觸陰極。然后，在由隔板所形成的內(nèi)部空腔填充陽極凝膠。
陽極凝膠包含鋅和電解液的混合物。該混合物包括膠凝劑，膠凝劑可以防止電解液泄漏到電池外，并有助于鋅粒懸浮在陽極中。
鋅材料可以是與鉛，銦，鋁或鉍合金后的鋅粉。例如，鋅與400至600ppm左右(如500ppm)的鉛，400至600ppm左右(如500ppm)的銦，或者50至90ppm左右(如70ppm)鋁形成合金。鋅材料最好包括鉛，銦和鋁；鉛和銦；或鉛和鉍。另一方面，鋅可以包括鉛，而不包括另一種金屬添加劑。鋅材料可以是被氣制(air-blown)的鋅或被旋制(span)的鋅。例如，1998年9月18日提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1日提交的U.S.S.N.08/905,254以及1998年7月15日發(fā)布的U.S.S.N.09/155,867，對適合的鋅粒進(jìn)行了描述，在此以參考方式引用其全部內(nèi)容。
鋅粒可為球狀或非球狀，例如，針狀(縱橫比至少達(dá)到2)。鋅材料包括大量尺寸在60到325號(mesh)的鋅粒，例如，其尺寸分布如下60號篩(mesh screen)0-3重量百分比100號篩40-60重量百分比200號篩30-50重量百分比325號篩0-3重量百分比其余0-0.5重量百分比適合的鋅材料包括下列公司的鋅產(chǎn)品，Union Miniere(Overpelt，比利時)、Duracell(美國)、Noranda(美國)、Grillo(德國)或Toho Zinc(日本)。
膠凝劑為吸收劑聚丙烯酸酯(absorbent polyacrylate)，大約吸收劑聚丙烯酸酯的吸收量(envelope)小于每克膠凝劑30克金屬鹽(saline)，度量方法參見第4,541,871號美國專利，在此以參考方式引用其全部內(nèi)容。陽極混合物中陽極凝膠的膠凝劑含量小于鋅干重的1％。膠凝劑含量優(yōu)選約為的0.2～0.8重量百分比，更優(yōu)選約為0.3～0.6重量百分比，最好為0.33％左右。吸收劑聚丙烯酸酯可以是懸浮聚合法生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉。適合的聚丙烯酸鈉平均顆粒尺寸約在105到180微米之間，pH值為7.5左右。例如，第4,541,871號、第4,590,227號或第4,507,438號美國專利對適合的膠凝劑進(jìn)行了描述。
在某些實(shí)施例中，陽極凝膠可含有非離子型表面活性劑。表面活性劑可為非離子型磷酸酯表面活性劑，例如在鋅表面涂覆的非離子型烷基或芳香基磷酸酯(例如，Rohm&Hass的RA600或RM510)。陽極凝膠可以包括在鋅材料表面涂覆的約20至100ppm之間的表面活性劑。表面活性劑用作氣體發(fā)散抑制劑。
電解液可采用氫氧化鉀水溶液。電解液包括約30％至40％之間的氫氧化鉀，最好包括約35％至40％之間的氫氧化鉀。電解液還可包括約1％至2％的氧化鋅。
將陽極凝膠灌注到外殼內(nèi)后，將預(yù)裝好的頂部組件放置在外殼頂部。
如圖8a和8b所示，頂部組件包括互相焊接在一起的負(fù)極端帽20和集電器22。如圖8c所示，在集電器上還涂一種材料，例如瀝青(asphalt)膠粘劑24。
封裝密封(potting seal)26是注射成型的。封裝密封包括封裝腔(cavity)28。用于制造封裝密封的適用材料包括尼龍6/6樹脂(Wilmington，DE，杜邦公司制造，商品名Zytel 101F，或由美國尼龍公司制造，牌號Nycoa520)，和尼龍612樹脂(杜邦公司)。封裝密封可以有效密封尺寸在端部附近以及上表面周圍不同的陰極。例如，即使陰極頂部邊緣不夠平整，或陰極厚度發(fā)生變動，封裝密封仍能給予良好密封。
集電器22插入封裝密封26內(nèi)，如圖8d和8e所示，以完成頂部組件30。
組裝電池時，將膠粘劑32裝入封裝腔28內(nèi)。適用的膠凝劑包括熱熔聚酰胺，例如，Henkel Adhesives(Elgin，IL)的MACROMELT6329；以及瀝青密封劑，例如，BiWax Corp(Commerce City，CO)的Asphalt B1128。然后將頂部組件30插入電池外殼，直至頂部組件與半剪切表面或模鍛部位接觸，如圖9a所示。
如上所述，支撐防止頂部組件插入外殼內(nèi)太多而損壞陰極34。應(yīng)該以這樣的方式將支撐定位在某個位置，即在陰極接觸封裝腔28之前，頂部密封的邊緣與支撐接觸。例如，在根據(jù)在此描述的方法組裝AAA電池時，在陰極頂部與封裝底部之間，至少存在0.01至0.015英寸左右的距離。
參考圖9b，在卷邊操作過程中，在頂部組件之上，對外殼上部外圍邊緣36(即前緣(lip))進(jìn)行卷邊，以將頂部組件密封到電池頂部。前緣通常沿外殼內(nèi)壁的刻槽卷邊。
為了實(shí)現(xiàn)該封裝操作過程，可以使用多種機(jī)器，包括但并不局限于手板壓床、5噸飛輪動力壓力機(jī)、水壓機(jī)以及氣動壓力機(jī)。
在一個實(shí)施例中，用于此操作過程的壓力加工工具具有通過定位銷或定位套筒對準(zhǔn)的上半部和下半部。工具的下半部是一個簡單的插孔或型腔，它限制未封閉電池的位置并對準(zhǔn)上部工具定位未封閉電池。在操作過程中，將未封閉電池放置在型腔內(nèi)，未封閉端部向上。工具上半部由兩個圓柱形套筒構(gòu)成。在循環(huán)執(zhí)行壓制過程時，上部工具下降，并且外部套筒通過電池未封閉端部。內(nèi)部套筒尺寸與外殼外徑接近相同，其先導(dǎo)端的半徑與未封閉端部相配，并使前緣向著電池中線方向向內(nèi)卷曲。外部套筒用于定位或?qū)?nèi)部套筒與外殼對準(zhǔn)，并將外殼內(nèi)產(chǎn)生的任何變形降低到最小。最好采用2到5噸壓力機(jī)來密封電池。
完成密封過程后，如圖9c(是圖9b左上角的放大圖)所示，在外殼的支撐表面與卷邊部位之間包住(captivate)頂部密封。陰極接觸封裝腔內(nèi)的膠粘劑，但不接觸封裝底部。
在此以參考方式引用的本專利申請中所提及的所有公布文獻(xiàn)和專利與以參考方式具體、單獨(dú)說明引用的每個獨(dú)立公布文獻(xiàn)或?qū)＠姆秶嗤?br>
權(quán)利要求
1.一種用于密封電池外殼端部的方法，該方法包含(a)在靠近外殼端部的外殼壁上設(shè)置多個支撐；(b)在外殼端部與支撐之間的位置對外殼壁刻槽；(c)將頂部組件插入外殼內(nèi)使該頂部組件接觸支撐；以及(d)在頂部組件之上對外殼邊緣進(jìn)行卷邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(a)包括半剪切成型支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(a)包括切割成型支撐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中外殼至少具有3個支撐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中外殼至少具有4個支撐。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中外殼至少具有6個支撐。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中頂部組件包括封裝密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中封裝密封具有設(shè)置在其上的熱熔材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中封裝密封具有設(shè)置在其上的瀝青密封劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中外殼為圓柱型外殼。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中外殼為AAAA電池外殼。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中外殼為AAA電池外殼。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中外殼為AA電池外殼。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中外殼為C電池外殼。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中外殼為D電池外殼。
16.一種具有正端和負(fù)端的金屬-空氣式電池，該電池包含(a)具有多個隔柵的外殼；(b)陽極；(c)陰極；(d)陽極與陰極之間的隔板；以及(e)與外殼壁上多個支撐接觸的頂部組件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中靠近電池正端設(shè)置頂部組件。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中靠近電池負(fù)端設(shè)置頂部組件。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中電池為圓柱型電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中電池為棱型電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中電池為方型電池。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中電池為長方型電池。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中電池為金屬-空氣電池。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池，其中頂部組件包括封裝密封。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的電池，其中封裝密封包括具有底部的空腔，其中陰極不接觸空腔底部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于密封電池外殼端部的方法，該方法包括(a)在靠近外殼端部的外殼壁上設(shè)置多個支撐；(b)在外殼端部與支撐之間的位置對外殼壁刻槽；(c)將頂部組件插入外殼內(nèi)使頂部組件接觸支撐；以及(d)在頂部組件之上對外殼邊緣進(jìn)行卷邊。
文檔編號H01M2/02GK1397096SQ01804381
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月31日
發(fā)明者羅伯特·佩尼, 加利·西爾利 申請人:吉萊特公司