專利名稱：具有最有利的小表面積導(dǎo)電集電件的微型原電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用一個(gè)兩部件外殼和一個(gè)密封件的微型原電池，尤其涉及被設(shè)計(jì)來防止如氫的氣體在集電表面上生成或使其減至最少的原電池。本發(fā)明還涉及用以生產(chǎn)這些微型原電池的工藝方法和在這些原電池內(nèi)使用的密封件。
電器的微型化要求采用小型而高能的電化學(xué)電池。公知采用堿性電解質(zhì)的電池具有高的單位體積的能量密度，因此很適用于微型電器如照相機(jī)、助聽器、手表和計(jì)算器。
但是，堿性電解質(zhì)例如氫氧化鉀水溶液和氫氧化鈉溶液對(duì)于浸濕金屬表面具有親合性，因此都知道這種電解質(zhì)會(huì)通過電化學(xué)電池的密封金屬界面滲漏出來。這種方式的漏泄會(huì)消耗電池中的電解液，并導(dǎo)致電池表面產(chǎn)生腐蝕性沉積物，因而有損電池的外觀、降低其商品價(jià)值。這些腐蝕性的鹽也可損害安置電池的電器。會(huì)出現(xiàn)上述問題的典型電池有氧化銀-鋅電池、鎳-鎘電池、空氣去極化電池和堿性二氧化錳電池。
在現(xiàn)有技術(shù)中，通常在電池的杯形座與外罩之間加入絕緣件或密封件，以便形成電池的密封。一般說來，上述的密封件必須采用對(duì)電池中所裝的電解質(zhì)以及電池周圍介質(zhì)電絕緣和不活潑的材料制成。另外，這種密封件還必須是柔性的而且抗密封壓力下的冷塑變，并保持上述特性以便在長(zhǎng)期的存放過程中保證有良好的密封。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，諸如尼龍、聚丙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物壓力下的和高密度聚乙烯之類的材料都適合用作大多數(shù)用途的密封件材料。
一般，該絕緣密封件的橫截面為圓環(huán)形，呈包含“U”形部分的“J”形輪廓，可將所述杯形座的延伸壁插入該“U”形部分內(nèi)，因此，當(dāng)該外罩的邊緣受徑向擠壓時(shí)，該密封件的底部與該杯形座壁的底部形成密封。該密封件通常沿該原電池內(nèi)壁的整個(gè)高度延伸。為了更好地保證良好的密封，通常時(shí)密封件，包括其內(nèi)“U”形部涂以密封劑，所以當(dāng)將杯形座插入該密封件時(shí)，該杯形座延伸壁的邊緣就座落在密封劑上，從而在施加徑向擠壓時(shí)，在杯形座和外罩之間形成良好的密封。
在普通的微型堿鋅原電池中，鋅電極部分通常直接接觸該端子。由于該端子一般也是原電池的外殼部分，因此原電池內(nèi)電極材料的外殼接觸面通常具有大的接觸面。而且，該原電池制有一個(gè)中空的空間，它足以容納在放電期間在電極腔內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物，因?yàn)樵摲磻?yīng)產(chǎn)物的容積比反應(yīng)劑的大，并且環(huán)為具有大導(dǎo)電表面的外殼是有用的，以便在所有原電池取向下確保電極材料和該端子之間的電接觸。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)某些電極材料，諸如鋅，在電極材料和該外殼之間的接觸面上能形成諸如氫的反應(yīng)氣體，這些氣體有損于這些原電池的正常工作。
因此，希望能提供這樣一種微型原電池，它能減少在這些原電池中，所經(jīng)歷的產(chǎn)生氣體的數(shù)量，同時(shí)確保在所有原電池取向下電極材料和該端子之間的電接觸。我們現(xiàn)在已驚奇地發(fā)現(xiàn)有可能提供一種符合這些目標(biāo)的原電池。
因此，本發(fā)明的第一個(gè)方面要提供一種包括由絕緣密封件密封的一個(gè)兩部件導(dǎo)電外殼的原電池，一個(gè)外殼部件是與這些電極中的一個(gè)相連的杯形座，而另一外殼部件是與另一電極相連的外罩，其中該密封件在至少一外殼部件的內(nèi)表面上伸展，在外殼部件和相連的電極之間構(gòu)成一絕緣層，一集電件自該外殼部件經(jīng)絕緣層內(nèi)的孔口伸入其相連的電極內(nèi)。
本發(fā)明的第二方面要提供一種適于按第一方面所述的原電池的密封件。
本發(fā)明的第三方面提供一種將原電池的組件組裝成一個(gè)兩部件導(dǎo)電外殼的工藝方法，其中一部件是一杯形座，而另一部件是一外罩，包括如下步驟a．制備一個(gè)具有周壁的一導(dǎo)電外罩，周壁的邊緣定界一孔口；b．制備一個(gè)具有一個(gè)底部，一個(gè)在其內(nèi)有一槽的周壁和一個(gè)定界一孔口的內(nèi)壁的密封件；c．制備一個(gè)具有一圓周突緣的導(dǎo)電杯形座；d．經(jīng)密封件中的孔口，將集電件安置在該孔口內(nèi)，將杯形座的突緣安置在該槽內(nèi)，并將該杯形座固定于密封件，使該突緣固定于密封件的槽內(nèi)；e．將包含至少兩電極和電介質(zhì)的原電池部分安置在該外罩和杯形座內(nèi)，使外罩壁與密封件的圓周壁平行對(duì)齊；
f．將外罩的壁壓靠密封件的壁而固定，以制成一密封的原電池。
最好，該集電件有一能與該電極材料電接觸的較小的表面積，以防止或減少如氫的氣體在集電件上生成。此外，由于該電極被密封件的絕緣層電絕緣，因此防止了外殼部件的大表面積在該外殼部件的表面上產(chǎn)生氣體。而且，由于集電件自外殼部件伸入該電極材料，因此在所有原電池取向下確保了端子和電極材料之間的電連接。另一優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的密封件能方便地與現(xiàn)有的原電池部分一起使用，而且按照本發(fā)明，利用普通的技術(shù)能簡(jiǎn)單地完成集電件的設(shè)置。
在按第一方面的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種原電池，它具有a)兩個(gè)極性相反的電極，在兩電極之間的一個(gè)隔離物，所有均被包含在一個(gè)兩部件導(dǎo)電外殼內(nèi)，其中的一部件是與第一電極電連接的外罩，而另一部件是與第二電極電連接的帶突緣的杯形座；b)一個(gè)具有底部，內(nèi)壁和周壁的密封件，它們界定一個(gè)與第二電極接觸的內(nèi)表面區(qū)，其中，密封件的周壁配置在外罩和杯形座壁的鄰近，外罩的邊緣頂靠密封件密封，將外罩固定于該密封件，以密封該原電池；c)一個(gè)穿通密封件底部孔口的集電件，其一端與第二電極電接觸，另一端與杯形座電接觸，使配置在第二電極內(nèi)的集電件表面積部分與密封件內(nèi)表面積的25％。
在第二方面的另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種原電池，它具有a)兩個(gè)極性相反的電極，一個(gè)在兩電極之間的隔離物，所有均被包含在一個(gè)兩部件導(dǎo)電外殼內(nèi)，其中的一部件是與第一電極電連接的外罩，而另一部件是與第二電極電接觸的帶突緣的杯形座；b)一個(gè)具有底部、內(nèi)壁和周壁的密封件，其中杯形座的突緣固定在密封件周壁的槽內(nèi)，該周壁鄰近外罩的壁，外罩的邊緣頂靠該密封件密封，從而將外罩固定于該密封件，并密封該原電池；c)一個(gè)穿通密封件底部孔口的集電件，其一端與第二電極電接觸，另一端與杯形座電接觸。
在第三方面的優(yōu)先實(shí)施例中，在該工藝方法的步驟(6)中，使該密封件的周壁延伸，以便接觸與外罩電連接的電極，從而確保經(jīng)集電件電連接于杯形座的電極與外罩絕緣。
該密封件是一種絕緣件，通常由對(duì)包含在原電池內(nèi)的電介質(zhì)和活潑組分不起作用的材料制成。因此，這些原電池材料并不對(duì)該密封件表面起反應(yīng)而造引起產(chǎn)生氣體。必須使集電件與電極中之一及原電池外端子之一接觸。為使集電件反應(yīng)表面積減至最小，將密封件制成一個(gè)包含電極中之一的杯形座，并使該電極與連于另一電極的另一端子絕緣。于是，密封件構(gòu)成一個(gè)最好沿外殼杯形座或外罩的整個(gè)內(nèi)表面延伸的絕緣層。
在一個(gè)實(shí)施例中，該密封件進(jìn)一步延伸，覆蓋集電件的一部分。該集電件的被覆蓋部分最好由絕緣材料制成的套管覆蓋，該套管最好構(gòu)成密封件的一個(gè)整體部分。因此該套管由密封件的內(nèi)壁構(gòu)成，該內(nèi)壁界定密封件中集電件的孔口。最好，集電件伸入電極腔的中心，諸如自外殼杯形座或外罩上方的密封件中央的孔口至該孔口和隔離物之間的中間位置。那里，集電件的表面積較大，如圖2中所示，可取的是，該密封件例如沿集電件表面的至少40％延伸，最好至少50％，而更好至少60％。
該集電件可以是能提供最小的暴露于電極組分如鋅的表面積的導(dǎo)線，鐵釘，圓柱件或任何其它小容積件，從而使可產(chǎn)生反應(yīng)氣體如氫的部分減至最少?？梢岳斫?，暴露于電極材料的集電件表面可通過控制密封件材料沿集電件延伸的范圍而變化。若集電件表面足夠小是合適的，那就不必使密封件沿集電件的一部分延伸。
該暴露的表面積應(yīng)足以確保與電極材料有良好的電接觸。可取的是，集電件的暴露表面積小于界定面對(duì)或接觸諸如鋅的電極的密封件內(nèi)部面積的25％表面積，小于10％的密封件內(nèi)部表面積是優(yōu)先的，更好是小于7％，而最好是小于5％。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將該集電件固定于原電池的外部端子。在另一實(shí)施例中，該集電件用作原電池的外部端子。在后一實(shí)施例中，或者原電池的杯形座的集電件一起構(gòu)成一整體件，或者集電件是一個(gè)起原電池外部端子作用和起集電作用的整體件。因此，或者杯形座和集電件一起構(gòu)成一構(gòu)件，或者，杯形座和集電件構(gòu)成兩個(gè)構(gòu)件更可取。
該密封件最好有一個(gè)底部，一個(gè)界定該底部孔口的內(nèi)壁和一個(gè)周壁，在該周壁內(nèi)配置一條槽，以容納帶突緣的杯形座的突緣。
最好，該密封件是一個(gè)具有帶一開口的封閉端的殼體，而由厚度足以確保杯形座壁的內(nèi)表面的整體實(shí)心材料制成的殼體與外罩壁是電絕緣的。
在本發(fā)明的任一實(shí)施例中，將密封件配置在外罩壁內(nèi)表面的附近，將諸如粘結(jié)劑的密封劑配置在外罩壁內(nèi)表面和密封件之間和/或在杯形座突緣和密封件內(nèi)的槽之間。
該密封件可由任何合適的電絕緣材料制成。這些合適的材料包括人造橡膠，諸如氯丁橡膠(聚氯丁橡膠和氟化橡膠)；亞乙烯氟樹脂，諸如KYNAR，Pennwalt Chemical Corp.的一種注冊(cè)商標(biāo)；聚酰胺樹脂，如尼龍；聚烯烴；聚氯乙烯(PVC)；硅樹脂；四氟乙烯聚合物，如TEFLON，是E.I.Dupont de Nemours的一種注冊(cè)商標(biāo)，和聚丙烯。
可將該密封件制成一整體構(gòu)件，或者，可由二個(gè)或多個(gè)部分組成。
可應(yīng)用本發(fā)明的一般的原電池系統(tǒng)為堿性二氧化錳電池，空氣去極化電池，鎳-鎘電池和氧化銀-鋅電池，優(yōu)先的是空氣去極化電池，更好的是鋅-空氣電池。適于原電池應(yīng)用系統(tǒng)的合適的電極，電介質(zhì)和隔離物材料在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，因而可相應(yīng)地選定。最好，該原電池是一種無汞電池或不添加汞電池。在鋅-空氣電池的情況下，例如，該負(fù)極混合體為鋅顆粒、電介質(zhì)和諸如粘結(jié)劑的有機(jī)化合物的混合體。
本發(fā)明的原電池的杯形座可由任何一種適合的材料制成，而最好由諸如蒙乃爾高強(qiáng)度耐蝕鎳銅合金，鎳，鍍鎳鋼，鍍鎳不銹銅和包鎳不銹鋼的導(dǎo)電材料制成。鎳層最好用于鋼帶的外表面，以增加對(duì)采用該電池的裝置的導(dǎo)電性或電接觸?？芍瞥杀巫钠渌B層材料包括在不銹鋼基底上的二層板或由多于三層制成的疊層板。通常，由疊層金屬帶沖壓成圓盤，然后制成一杯形座。杯形座的內(nèi)表面，合適的是一紫銅層，直接與集電件接觸。
原電池的杯形座可由任何適合的材料制成，當(dāng)與原電池材料接觸時(shí)，這些材料不會(huì)腐蝕或損壞。原電池的外罩可由合適的導(dǎo)電材料，諸如不銹鋼、鎳或鍍鎳鋼制成。對(duì)于去極化原電池，一般在外罩底部沖出一孔，作為進(jìn)氣口。
集電件可由任何合適的導(dǎo)電材料，諸如紫銅，黃銅或蒙乃爾高強(qiáng)度耐蝕鎳銅合金制成。該集電件可為任何適當(dāng)?shù)男螤?，只要它能自外殼伸入到電極材料，以確保該外殼和電極之間的電接觸。最好，集電件是小體積件，如導(dǎo)線或鐵釘。該集電件可利用任何普通的技術(shù)導(dǎo)電地固定于該殼體，最好固定于杯形座，或者，如前所述，該集電極可早先與外殼制成一整體件。
最好，該集電件穿過在外殼表面上由密封件形成的絕緣層中的中心孔口。然而，作為另一方案，該孔口也可以是偏心的。此外，可設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)集電件，它們穿過密封件的絕緣層中的一個(gè)或多個(gè)孔口。
參照用附圖表示的實(shí)施例，根據(jù)下面的說明可進(jìn)一步理解本發(fā)明，其中

圖1為外罩內(nèi)空氣電極組件的剖面圖；圖2為本發(fā)明使用的一杯形座、一密封件和一集電件組件的剖面圖；圖2A為本發(fā)明使用的一杯形座和一集電件組件的剖面圖；圖2B為本發(fā)明使用的一整體杯形座和集電件的剖面圖；圖3為包含一負(fù)極的圖2的組件的剖面圖；圖4為圖1外罩和電極組件的剖面圖，其中將該組件倒置，然后安置在圖3中組件的開口端上方，構(gòu)成一原電池組件；圖5為圖4組件的剖面圖，其中外罩壁已被卷邊，形成一密封的原電池；圖6為圖5的密封原電池的倒置的剖面圖。
圖1表示一個(gè)空氣去極化原電池的電極組件，包含一空氣分配膜4，一疏水層3，配置在外罩2底板10上的一電極8。如圖所示，圓形外罩2包含一個(gè)固定于外罩2內(nèi)表面上的空氣分配膜4。一疏水層3，如聚四氟乙烯，覆蓋在包含空氣分配膜4的外罩2的整個(gè)底部。外罩2具有壓出的內(nèi)部凸起區(qū)6(可選擇)，為沿電極8表面均勻的空氣分配提供一確定的間隙。外罩2包括貼靠在直壁12圓周上的底板10，在底板10上設(shè)置一孔口14，形成進(jìn)氣口。
圖2和3表示一密封件18，它具有圓周直立壁20，一底部24和一定界一孔口28的內(nèi)直立壁26。一圓柱集電件30固定在孔口28內(nèi)。在密封件18的壁部20內(nèi)配置一條槽32。具有圓周突緣36的杯形座34配置在槽32內(nèi)，與集電件30實(shí)際接觸，因此，杯形座34起原電池端子的作用。密封件18被圖示為帶有安置在該密封件內(nèi)的負(fù)極混合體38，經(jīng)集電件30與杯形座34電接觸。
在圖2A中，集電件30為一導(dǎo)線或鐵釘30A，其一端與杯形座34A電連接。
在圖2B中，杯形座34B被圖示為單一的導(dǎo)電材料板，被壓折成形成中心突出的導(dǎo)電部30B，起集電器作用。
如圖4所示，外罩2和插入的電極組件被倒置在預(yù)裝配的密封件18的上方，并包含負(fù)極38。杯形座34的突緣36配置在密封件18的槽32內(nèi)，而杯形座34安置在集電件30上。
如圖5中所示，當(dāng)外罩2被倒置時(shí)，外罩2的邊緣或邊沿40壓靠在電絕緣密封件18上，密封件18處在杯形座34和外罩2之間，從而在外罩2的杯形座34之間形成一密封和電絕緣。
權(quán)利要求
1．一種原電池，包括一個(gè)由一絕緣密封件密封的兩部件導(dǎo)電外殼，一個(gè)外殼部件為一與電極之一相連的杯形座，而另一個(gè)外殼部件為一與另一電極相連的外罩，其中該密封件在至少一個(gè)外殼部件的內(nèi)表面上延伸，在該外殼部件和其相連電極之間形成一絕緣層，一集電件自該外殼部件經(jīng)該絕緣層中的一孔口伸入其相連的電極內(nèi)，所述密封件在集電件的一部分上進(jìn)一步延伸。
2．如權(quán)利要求1所述的原電池，其特征在于該密封件至少在杯形座的內(nèi)表面上延伸，而集電件與該杯形座成電接觸。
3．如權(quán)利要求2所述的原電池，其特征在于該密封件在集電件的一部分上進(jìn)一步延伸。
4．如權(quán)利要求2所述的原電池，其特征在于該杯形座和集電件是一整體件。
5．如權(quán)利要求2所述的原電池，其特征在于，該杯形座和集電件為兩個(gè)件。
6．如權(quán)利要求5所述的原電池，其特征在于該集電件為一導(dǎo)線，一鐵釘或一圓柱形件。
7．按照權(quán)利要求1至6之一所述的原電池，其特征在于該密封件內(nèi)整體材料制成。
8．如權(quán)利要求1至6之一所述的原電池，其特征在于該密封件由至少二單獨(dú)的部分制成。
9．按前述任一權(quán)利要求所述的原電池，其特征在于，該密封件由選自下列的原電池，其特征在于該密封件由選自下列材料中選取的材料制成人造橡膠，亞乙烯氟樹脂，聚酰胺樹脂，聚烯烴，聚氯乙烯，硅樹脂，聚丙烯，和四氟乙烯聚合物。
10．按前述任一權(quán)利要求所述的原電池，其特征在于配置在該電極內(nèi)的集電件的表面積小于該密封件內(nèi)表面積的25％，小于10％更可取，小于7％更好。
11．按權(quán)利要求任一權(quán)利要求所述的原電池，其特征在于該原電池為一空氣去極化電池，最好為鋅-空氣電池。
12．按權(quán)利要求1所述的原電池，包括a)一個(gè)具有一極性的第一電極；b)一個(gè)具有相反極性的第二電極；c)一個(gè)在第一極和第二極之間的隔離物；d)一種電解質(zhì)；e)一個(gè)包含所述第一電極，第二電極，隔離物和電介質(zhì)的二部件導(dǎo)電外殼，該外殼的第一部件為一導(dǎo)電的外罩，具有一個(gè)壁，以其邊緣界定一開口，該第一部件與電極之一電連接，而外殼的第二部件為一具有一圓周突緣的導(dǎo)電杯形座，與另一電極電連接；f)一個(gè)密封件，包括一個(gè)底部，一個(gè)界定該底部中一孔口的內(nèi)壁，和一圓周壁，其中將密封件的圓周壁配置在該外罩壁鄰近，外罩的邊緣頂靠著該密封件密封，從而將外罩固定于密封件，構(gòu)成對(duì)原電池的密封；g)一個(gè)集電件，穿過密封件底部中的孔口，以其一端和一電極電接觸，以其另一端和杯形座電接觸。
13．按權(quán)利要求12所述的原電池，其特征在于密封件的圓周壁其上有一圓環(huán)形槽，杯形座的突緣固定在該槽內(nèi)。
14．按權(quán)利要求13所述的原電池，其特征在于杯形座的突緣在固定于該槽內(nèi)的杯形座壁上形成一弧形部，該槽的深度至少是該弧形部的長(zhǎng)度。
15．按權(quán)利要求12至14之一所述的原電池，其特征在于該圓周壁、內(nèi)壁和底部界定密封件的內(nèi)表面積，該集電件的配置在第二電極內(nèi)的表面積小于密封件內(nèi)表面積的25％。
16．一種按前述任一權(quán)利要求所述的密封件。
17．將原電池的部件裝配成一個(gè)二部件導(dǎo)電外殼的工藝方法，其中，一部件是一杯形座，而另一部件是一外罩，包括如下步驟a．制備一個(gè)具有周壁的一導(dǎo)電外罩，周壁的邊緣定界一孔口；b．制備一個(gè)具有一個(gè)底部，一個(gè)在其內(nèi)有一槽的周壁和一個(gè)定界一孔口的內(nèi)壁的密封件；c．制備一個(gè)具有一圓周突緣的導(dǎo)電杯形座；d．經(jīng)密封件中的孔口，將集電件安置在該孔口內(nèi)，將杯形座的突緣安置在該槽內(nèi)，并將該杯形座固定于密封件，使該突緣固定于密封件的槽內(nèi)；e．將包含至少兩電極和電介質(zhì)的原電池部分安置在該外罩和杯形座內(nèi)，使外罩壁與密封件的圓周壁平行對(duì)齊；f．將外罩的壁壓靠密封件壁而固定，以制成一密封的原電池。
全文摘要
一種微原電池,最好為鋅－空氣電池,采用一個(gè)兩部件外殼(2,34)和一密封件(18),包括一集電件(30),它自這些外殼部件中的一個(gè),最好自一個(gè)帶突緣的杯形座(34),經(jīng)密封件(18),內(nèi)的一孔口(28)伸入到電極材料(38)內(nèi)。密封件材料(18),最好為塑料,在外殼部件(34)中的至少一個(gè)的內(nèi)表面上并在集電件(30)的一部分延伸,使小面積的集電件表面暴露于電板材料(38),從而防止在集電極表面上生產(chǎn)諸如氫的氣體,或使其減至最少。因此公開了一種應(yīng)用于這種原電池內(nèi)的密封件及一種用以制造這種原電池的工藝方法。
文檔編號(hào)H01M2/08GK1285957SQ98813031
公開日2001年2月28日 申請(qǐng)日期1998年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月14日
發(fā)明者小H·海恩茲 申請(qǐng)人:永備電池有限公司