專利名稱：具有增加的用于活性成分的內(nèi)部體積的電池結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種電化學電池結(jié)構(gòu)。更具體說，本發(fā)明涉及用于電化學電池如堿性電池的容器和集電器組件。


圖1示出一傳統(tǒng)C型尺寸堿性電池10的結(jié)構(gòu)。如圖所示，電池10包括一具有一敞開端和一封閉端的圓釘形罐體12。罐體12最好用導電材料制造，這樣在罐體12的封閉端處焊接在底面14上的一外蓋板11就用作電池的一電接觸終端。
典型地，電池10進一步包括一第一電極材料15，其可用作正極。第一電極材料15可以被預先成形并插入罐體12，或者可以被就地模制以與罐體12的內(nèi)表面接觸。對于堿性電池，第一電極材料15一般包括MnO2。在第一電極已經(jīng)設置在罐體12內(nèi)之后，將一分離器17插入由第一電極15限定的空間。分離器17最好是一無紡織物。設置分離器17是為了維持第一電極材料15和電解液與一第二電極材料20的混合物之間的物理分離，同時允許離子在電極材料之間傳送。
一旦分離器17在由第一電極15限定的空間內(nèi)就位，就將電解液連同電解液和第二電極材料的混合物20一起裝入由分離器17限定的空間，混合物20可以是負極。電解液/第二電極的混合物20最好包括膠凝介質(zhì)。對于典型的堿性電池，混合物20由含水KOH電解液和鋅的混合物形成，鋅用作第二電極材料。在混合物20中也可以包括水和附加的添加劑。
一旦在罐體12內(nèi)已經(jīng)形成第一電極15，分離器17，電解液和混合物20，就可將一預先組裝的集電器組件25插入罐體12的敞開端。罐體12在其敞開端一般略微成錐形。在將集電器組件固定就位之前，該錐形用來以所需的取向支承該集電器組件。在將集電器組件25插入后，將一外蓋板45放置在集電器組件25上。通過頂著集電器組件25徑向擠壓罐體將集電器組件25固定在位。將罐體12的端部邊緣13卷在集電器組件25的周邊唇緣上，由此將外蓋板45和集電器組件25固定在罐體12的端部上。如下面進一步描述的，由集電器組件25所起的一個功能是為電化學電池提供一第二外部電觸點。此外，集電器組件25必須密封罐體12的敞開端，以防止其中的電化學材料從該電池泄露。此外集電器組件25必須具有足夠的強度，以承受電池一般要經(jīng)歷的物理意義上的不合理使用。而且，由于電化學電池可能產(chǎn)生氫氣，集電器組件25可允許內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣通過以逃逸到電化學電池的外部。而且，集電器組件25應當包括某種形式的減壓機構(gòu)，如果電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力過大，用以減壓。當電化學電池以這樣一個速率在內(nèi)部產(chǎn)生氫氣時可能發(fā)生這種情況，即該速率超過了內(nèi)部產(chǎn)生的氫氣穿過集電器組件到電池外部的速率。
圖1示出的集電器組件25包括一密封30，一集電器釘40，一內(nèi)蓋板44，一墊圈50，和一組支承片52。所示的密封30包括一具有一孔的中轂32，集電器釘40穿過該孔。密封30還包括一可接觸第一電極15的上表面16的V形部分34。
密封30還包括一周向的直立壁36，其以環(huán)形的方式沿密封30的周邊向上延伸。周向的直立壁36不僅用作集電器組件25和罐體12的界面之間的密封，而且也用作一電絕緣器，用以防止在電池的正極罐體和負極觸點之間發(fā)生短路。
設置由剛性材料形成的內(nèi)蓋板44是為了增加剛性并支承集電器組件25的徑向壓縮，由此改善密封效果。如圖1所示，內(nèi)蓋板44被構(gòu)造成接觸中轂部分32和周向的直立壁36。通過以這種方式構(gòu)成集電器組件25，內(nèi)蓋板44用作使集電器釘40能夠壓縮中轂部分32，同時也支持用罐體12的內(nèi)表面壓縮周向的直立壁36。
外蓋板45一般用鍍鎳的鋼材制造，并被構(gòu)造成從由密封30的環(huán)形周向直立壁36所限定的區(qū)域延伸且與集電器釘40的頭部42電接觸。外蓋板45可被焊接在集電器釘40的頭部42上，以防止任何接觸損耗。如圖1所示，當集電器組件25被插入一罐體12的敞開端時，集電器釘40深深地插入電解液/第二電極混合物20內(nèi)，以便與之建立充分的電接觸。在圖1所示的例子中，外蓋板45包括一沿外蓋板45的圓周向上延伸的周邊唇緣47。通過形成長度大于周邊唇緣47的密封30的周向直立壁36，在卷邊工藝期間可以將周向直立壁36的一部分在周邊唇緣47上翻卷，從而防止罐體12的上邊緣13的任何部分與外蓋板45接觸。
密封30最好由尼龍形成。在圖1所示的構(gòu)造中，設置有一減壓機構(gòu)，用以在壓力過大時能夠使內(nèi)部壓力減壓。而且，內(nèi)蓋板44和外蓋板45一般設有孔43，以允許氫氣選逸到電池10的外面。所示的機構(gòu)包括一環(huán)形金屬墊圈50和一組設置在密封30和內(nèi)蓋板44之間的支承片52。各支承片52包括一壓靠在密封30的一薄的中間部分38上的尖端53。支承片52被偏壓在內(nèi)蓋板44的下面的內(nèi)表面上，這樣當電池10的內(nèi)部壓力增加并且結(jié)果使密封30由于向上壓向內(nèi)蓋板44而變形時，支承片52的尖端53就穿透密封30的薄的中間部分38，由此刺破密封30并允許內(nèi)部產(chǎn)生的其他通過孔43逃逸。
盡管上述集電器組件25可以令人滿意地完成所有上述功能，但從其截面輪廓可以看出，這種特定的集電器組件占據(jù)了電池10內(nèi)相當大的空間。應當注意圖1所示的結(jié)構(gòu)只是電池結(jié)構(gòu)的一個例子?，F(xiàn)有其他的集電器組件，可能有較低的輪廓并因此占據(jù)電池內(nèi)的較小空間。但是，一般這種集電器組件在占據(jù)的體積上得以減小，但以集電器組件的密封特性或者減壓機構(gòu)的性能和可靠性為代價。
在本申請的優(yōu)先權(quán)日在市場上可得到的幾種電池的所測得的外部和內(nèi)部體積列于圖2A和圖2B所示的表中。該表列出了D,C,AA，和AAA型尺寸電池的體積(cc)。在圖2B中為圖2A所列出的市場上可得到的這些電池提供了集電器組件體積和集電器組件占總的電池體積的百分比。圖2A中還提供了用以容納電化學活性材料的內(nèi)部體積占總的電池體積的百分比。
“總的電池體積”包括電池的所有的體積，包括任何內(nèi)部空間體積。對于圖1所示的電池而言，總體積應當包括圖3A所示的所有畫有陰影線的區(qū)域。電池的“內(nèi)部體積”由圖3B中所示的畫有陰影線的區(qū)域表示。如這里所用的，“內(nèi)部體積”是指電池內(nèi)部容納限制在電池密封體積內(nèi)的電化學活性材料以及化學惰性材料(不包括集電器釘)的體積。這種化學惰性材料可包括分離器，導體和電極中的任何其他惰性添加劑。如這里所用的，術語“電化學活性材料”包括正極和負極和電解液?！凹娖鹘M件體積”包括集電器釘，密封，內(nèi)蓋板，墊圈，支承片和負極蓋板的下表面與密封之間的任何空間體積(在圖3C中用陰影線區(qū)域表示)?！叭萜黧w積”包括罐體，標簽，負極蓋板(外蓋板45)的體積，標簽和負極蓋板，正極蓋板之間的空間體積，以及正極蓋板和罐體之間的空間體積(在圖3D中用陰影線區(qū)域表示)。如果標簽延伸到且接觸負極蓋板，標簽和負極蓋板之間存在的空間體積就被包括在容器體積中，并因此也被認為是總體積的一部分。否則，該空間體積就即不包括在容器體積中也不包括在總體積中。
應當理解，“內(nèi)部體積”，“集電器組件體積”和“容器體積”的總和等于“總體積”。因此，可以通過測量集電器組件體積和容器體積并從所測得的電池總體積中減去集電器組件體積和容器體積而確定用于容納電化學活性測量的內(nèi)部體積。
由于電化學電池的外部尺寸通常由美國國家標準局(ANSI)或其他標準組織決定，由集電器組件所占據(jù)的空間越大，電池內(nèi)用于電化學材料的空間就越小。結(jié)果，減小在電池內(nèi)設置的電化學材料的數(shù)量就導致電池的服務壽命縮短。所以，希望盡可能加大一電化學電池內(nèi)用于電化學活性元件的內(nèi)部體積。
我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)成一種電化學電池可以達到這一點，在該電池中使由集電器組件所占據(jù)的空間和由容器體積所占據(jù)的空間最小，同時仍然保持了充分的密封特性并具有一可靠的減壓機構(gòu)。
因此，本發(fā)明的一個方面是，或是通過從電池中淘汰集電器組件同時保持其功能或是通過提供輪廓明顯低的并因此在電化學電池內(nèi)占據(jù)小的多的空間的集電器組件而解決上述問題。本發(fā)明的另一方面是提供這種電池結(jié)構(gòu)，其與現(xiàn)有組件相比在時間上具有較低的水流失，由此增加了電池的儲存壽命。本發(fā)明的一附加方面是提供一種具有可靠的減壓機構(gòu)的電池，該減壓機構(gòu)不占可用電池體積的明顯的百分比。本發(fā)明的還一方面是提供這種電池結(jié)構(gòu)，其制造簡單且需要較少的材料，因此可能具有較小的制造成本。本發(fā)明的另一方面是提供這種電池結(jié)構(gòu)，其需要較小的由罐體施加以充分密封電池的徑向壓縮力，因此允許使用具有較薄側(cè)壁的罐體，這樣導致較大內(nèi)部電池體積。
為了獲得上述方面和優(yōu)點，本發(fā)明的電池包括一具有一敞開端和一封閉端的罐體；和一橫跨罐體的敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極陰極電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少88.4％。
本領域熟練技術人員參照下面的說明書，權(quán)利要求書和附圖將進一步理解和明白本發(fā)明的這些和其他特征，優(yōu)點和目的。
參照附圖將進一步理解本發(fā)明。
圖1是傳統(tǒng)的C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖；圖2A是一個表，示出了對本申請遞交之日市場上可得到的這些電池所測得的相對的總電池體積和用于電化學活性材料所用的內(nèi)部電池體積；圖2B是一個表，示出了對如圖2A所示的市場上可得到的這些電池所測得的相對的總電池體積和集電器組件體積；圖3A-3D是一傳統(tǒng)的C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，示出了總電池體積和各種部件的體積；圖4是一C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明的第一實施例構(gòu)造的一低輪廓密封；圖5是采用一AA型尺寸電池用的第一實施例的局部剖視圖，與采用目前AA型尺寸電池所用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剖視圖的比較；圖6是C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明第二實施例的超低輪廓密封；圖7是C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明第三實施例的一超低輪廓密封和一正極蓋板凸起；圖8A是根據(jù)本發(fā)明的一第四實施例構(gòu)成的C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有一反轉(zhuǎn)蓋板，一環(huán)形的L形或J形密封，和一在罐體的底表面形成的減壓機構(gòu)；圖8B是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例構(gòu)成的C型尺寸堿性電化學電池的頂部的剖視圖，具有一反轉(zhuǎn)蓋板并還包括一L形環(huán)形密封；圖8C是圖8A所示電化學電池的分解透視圖，示出了集電器密封的組件和蓋板組件；圖9是一電池罐體的底視圖，具有一在罐體的封閉端上形成減壓機構(gòu)；圖10是沿圖9所示的罐體通氣口的X-X線所取的剖視圖；圖11是一C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的飲料罐型結(jié)構(gòu)；圖12A是圖11所示電池的局部分解透視圖；圖12B和12C是圖11所示電池的一部分的剖視圖，說明了形成該飲料罐型結(jié)構(gòu)的過程；圖12D是圖11所示電池的一部分的放大剖視圖13是一C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的飲料罐型結(jié)構(gòu)；圖14A是一個表，示出了根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的各種電池的計算出的總體積和內(nèi)部電池體積；圖14B是一個表，示出了根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)成的各種電池的計算出的總體積和集電器組件體積；圖15是一C型尺寸堿性電化學電池的剖視圖，具有根據(jù)本發(fā)明的第七實施例構(gòu)成的集電器直通結(jié)構(gòu)；圖16是圖15所示電化學電池的分解組裝視圖；圖17是一流程圖，示出了圖15和16所示電化學電池的組裝方法。
如上所述，本發(fā)明的一主要目的是將電池內(nèi)用于容納電化學活性材料的內(nèi)部體積增加到以前沒有達到的體積。為了達到這一目的而不致有害地減小設置在電池中的減壓機構(gòu)的可靠性且不致增加電池泄漏的可能性，下面對各種尺寸的電池的結(jié)構(gòu)建議了多種新潁的改動。下述改動可在一電池中獨立地或者組合地實施，以改善其體積效率。
如下面所進一步詳細描述的，為容納電化學活性材料而獲得更大內(nèi)部體積的本發(fā)明的各種改動包括一低輪廓密封(圖4)，一超低輪廓密封(圖5)，在罐體的封閉端上直接形成的一正極外部蓋板凸起，與超低輪廓密封(圖6)或低輪廓密封結(jié)合使用，一在電池罐體的封閉端上形成的罐體通氣口(圖7-9)，包括一L形和J形的環(huán)形密封(圖8A-8B)，一飲料罐型結(jié)構(gòu)，與一罐體通氣口結(jié)合使用(圖11)，和一帶有集電器直通結(jié)構(gòu)的飲料罐型結(jié)構(gòu)(圖15-17)。
此外，通過使用上述結(jié)構(gòu)，可制造具有較薄的壁的電池，該壁在0.10-0.20mm(4-8mils)的范圍內(nèi)，這是因為下面所描述的結(jié)構(gòu)技術不需要較厚的壁，在傳統(tǒng)電池中需要較厚的壁以確保足夠的卷邊和密封。而且根據(jù)本發(fā)明，可將一標簽直接平版印刷在電池罐體的外表面上。通過使罐體的壁較薄并將標簽直接平版印刷在罐體的外表面上，可進一步增加電池的內(nèi)部體積，這是因為設計者不需考慮標簽基片的厚度來構(gòu)造一個滿足ANSI的外尺寸標準的電池。
通過觀察一計算機輔助設計(CAD)圖紙，一照片，或者已經(jīng)封閉在環(huán)氧樹脂中且被縱向剖開的電池的實際斷面，即可確定每個電池的總電池體積，集電器組件體積和電化學活性材料用的內(nèi)部體積。采用一CAD圖紙，照片或?qū)嶋H縱向斷面來觀察和確定電池的尺寸允許包括在電池內(nèi)可能存在的所有空間體積。為了測量總電池體積，觀察通過其中心縱軸線所取的電池的斷面并通過幾何計算確定總體積。為了確定電化學活性材料用的內(nèi)部體積，觀察通過其中心縱軸線所取的電池的斷面，通過幾何計算測量構(gòu)成內(nèi)部體積的部件，包括限制在電池密封體積內(nèi)的電化學活性材料，空間體積和化學惰性材料(并非集電器釘)。同樣，為了確定集電器組件的體積，觀察通過其對稱中心縱軸線所取的電池的斷面，通過幾何計算測量構(gòu)成集電器組件的部件，包括集電器釘，密封，內(nèi)蓋板和在負極蓋板的底面和密封之間所限定的任何空間體積。同樣，通過觀察電池的中心縱向斷面并計算由罐體，標簽，負極蓋板，標簽和負極蓋板之間的空間體積，正極蓋板，和正極蓋板和罐體之間的空間所占用的體積，可測量容器體積。
通過觀察通過其對稱的縱軸線所取的電池的一斷面，可對體積進行測量。由于電池及其部件通常是軸向?qū)ΨQ的，所以這樣可精確測量體積。為了獲得一電池斷面的幾何視圖，首先將電池封裝在環(huán)氧樹脂里，在環(huán)氧樹脂固化后，將封裝的電池和其部件向下研磨到通過對稱軸線的中心斷面。更具體說，首先將電池封裝在環(huán)氧樹脂內(nèi)，然后研磨到接近中心斷面。隨后，取出所有的內(nèi)部部件，如正極，負極和分離器紙，以便更好地測量最后的斷面。然后，清除封裝的電池上任何剩余雜質(zhì)，用空氣干燥，并且用環(huán)氧樹脂充填其余的空間體積，以便在完成研磨和拋光至其中心之前賦予電池一定的整體性。再次研磨和拋光電池直至到達其中心斷面為止，之后將其描繪成圖，并由圖測量體積。
在將電池封裝在環(huán)氧樹脂之前，用卡尺對電池進行測量，以測量總高度，卷邊高度和在頂部、底部和電池中部的直徑。此外，分解一相同的電池并測量其部件。對分解電池的部件的測量包括電流集電器釘?shù)闹睆?，電流集電器釘?shù)拈L度，電流集電器釘?shù)截摌O蓋板的長度，和沒有標簽時電池的頂部、頂部和中部的外徑。
一旦將電池完全地封裝在環(huán)氧樹脂內(nèi)并研磨到通過對稱縱軸線的中心，就可用電池的斷面作圖。使用一帶QC-4000軟件的Mitutoyo光學比較器來描繪電池的輪廓及其各個部件，以產(chǎn)生一電池中心斷面的圖紙。在此過程中，將電池牢固地固定在位并以隨后可在固態(tài)模擬軟件中使用的格式儲存電池各部分的輪廓，以計算有關的電池體積。但在進行任何體積測量之前，可調(diào)整圖紙以補償未通過電池中心精確對齊的任何電池部件。通過利用在剖開電池之前從電池所取的測量結(jié)果和從分解的相同電池所取的這些結(jié)果可實現(xiàn)這一過程。例如，通過調(diào)整圖紙以包括相應的已知斷面尺寸，可改變現(xiàn)在集電器釘?shù)闹睆胶烷L度和電池的總外徑，以更精確地制出圖紙，使得圖紙可更精確地用以進行體積測量。當密封，蓋板和卷邊區(qū)域的細節(jié)在光學比較器上繪出時，可使用它們。
為了計算體積，將圖紙輸入固態(tài)模擬軟件。通過將在左和右兩側(cè)上的斷面輪廓繞對稱縱軸線轉(zhuǎn)動180度，產(chǎn)生一固態(tài)三維的體積圖象。因此，通過該軟件計算出有關各區(qū)域的體積，并且通過將左、右兩側(cè)轉(zhuǎn)動180度并將左、右體積加在一起，就確定了一平均的體積值，在電池具有非對稱特征的情況下這可能是有利的。包括任何非對稱特征的體積可被按需要調(diào)整以獲得更精確的體積測量。
低輪廓密封圖4示出了采用根據(jù)本發(fā)明第一實施例的低輪廓密封構(gòu)造的一電池。類似于圖1所示的電池，電池100包括一具有封閉端114和一敞開端的導電罐體112，在該敞開端內(nèi)一集電器組件125和一負極蓋板145被固定在位。而且，電池100包括一與罐體112的內(nèi)壁接觸并與處在正極115和負極120之間的分離器層117接觸的正極115。此外，電池100包括一連接在罐體112的封閉端的底面上的正極外蓋板111。
電池10和100之間的差別在于集電器組件125和蓋板145的結(jié)構(gòu)。盡管密封130與30類似之處在于它包括一直立壁136和一中轂132，其上形成有一孔用以接納集電器釘140的頭部142，密封130與密封30不同之處在于密封30的V形部分34被顛倒而朝內(nèi)蓋板144向上延伸，如參考編號134所示。通過顛倒此V形部分，集電器組件125可更加穩(wěn)定地靠在正極115的上表面116上。而且，由電池10的V形部分34所占據(jù)的體積可用于電化學活性材料。
也是為了減小由集電器組件125占據(jù)的內(nèi)壁體積，內(nèi)蓋板144被構(gòu)造成更為緊密地符合外蓋板145的內(nèi)表面，以便淘汰電池10內(nèi)在外蓋板45和內(nèi)蓋板44之間的空余空間。此外，通過使集電器組件125牢固地靠在正極115的頂面116上，外蓋板145的周邊邊緣147就可以是平坦的而非向上延伸，如電池10的情況。通過使周邊邊緣147是平坦的，就可以將集電器組件125設置的更靠近電池100的端部。
電池100的集電器組件125與電池10的集電器組件25另一不同之處在于淘汰了支承片52和墊圈50。盡管如此，通過在密封130上緊靠中轂132處形成的減薄部分138，集電器組件125仍具有一減壓機構(gòu)。在減薄部分138附近設置密封130的一加厚環(huán)形部分139，使得減薄部分138位于加厚環(huán)形部分139和相對更厚的中轂132之間。這樣，當電池100的內(nèi)部壓力過大時，密封130在減薄部分138的位置處破裂。如電池10的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部產(chǎn)生的氣體然后就通過在內(nèi)蓋板144和外蓋板145上形成的孔143逃逸。
在具有圖1所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一D型尺寸電池中，用以容納電化學活性材料的內(nèi)部體積是44.16cc，這是50.38cc的總體積的87.7％。(見圖2A的表中的相應表值)。如果同樣的電池采用圖4所示的低輪廓密封結(jié)構(gòu)來構(gòu)成，該內(nèi)部電池體積可被增加到44.67cc，這占50.07cc的總體積的89.2％。用本發(fā)明的低輪廓密封構(gòu)成的電池的內(nèi)部和外部體積是對于罐體厚度為10密耳的電池而言。而且，通過減小罐體的壁厚，可獲得更大的內(nèi)部電池體積。
上述低輪廓密封公開于共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請No.08/882,572中，該申請由Gary R.Tucholski于1997年6月27日遞交，名為“用于電池的V形密封墊”，其公開內(nèi)容結(jié)合于此共參考。
圖5示出了用于一AA型尺寸電池100′的改進的低輪廓密封，與用于一AA型尺寸電池10′的圖1所示的市場采用的結(jié)構(gòu)進行比較。與電池100(圖4)的集電器組件相同，電池100′的集電器組件包括一密封130，具有一倒V形部分134，一轂盤部分132，和一設置在轂盤132與加厚部分139之間的減薄部分138。
電池100和100′的集電器組件之間的主要區(qū)別在于淘汰了電池100的內(nèi)蓋板144。為了確保針對密封130的直立腿部136的足夠的徑向壓縮力，在電池100中所用的凸緣型蓋板145的位置，電池100′采用了一卷邊的蓋板145′，并采用了一保持器150。對比圖4和5可明顯看出，一卷邊蓋板與一凸緣型蓋板的區(qū)別在于凸緣型蓋板145的周邊邊緣147是平坦的，而一卷邊蓋板145′的周邊邊緣147′軸向向下延伸并被折疊而軸向向上延伸。卷邊的蓋板145′沿徑向提供了一足夠的彈簧力，以便在正常使用期間反抗罐體112的內(nèi)壁保持壓縮密封130的直立腿部136。
保持器150設置在密封130的轂盤132的上部上和周圍，以針對集電器釘140壓縮轂盤132。而且，通過上保持器150具有一J形或L形截面，保持器150的下徑向延伸部分可確保在內(nèi)壓過大時密封130在減薄部分138的附近破裂。
超低輪廓密封圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例構(gòu)造的電池，其采用了一超低輪廓密封。同圖1所示的傳統(tǒng)電池10一樣，電池200包括一由導電材料制造的圓釘形罐體212。而且，一第一電極215最好通過模制緊靠罐體212的內(nèi)壁形成。一分離器217同樣插在由第一電極材料215所限定的空間內(nèi)，并且由第二電極和電解液構(gòu)成的混合物220設置在由分離器217所限定的空間內(nèi)。
如圖6所示，集電器組件225包括一整體的密封/內(nèi)蓋板組件228和一集電器240，后者穿過設置在整體的密封/內(nèi)蓋板組件228上的中心孔236。集電器240最好是一包括頭部242和保持器凸緣241的銅釘，該保持凸緣241被設置成與一快速螺母250配合以將集電器釘240固定在整體的密封/內(nèi)蓋板組件228的中心孔236之內(nèi)。
整體的密封/內(nèi)蓋板組件228包括一剛性的內(nèi)蓋板210和一通過模制或疊層直接在剛性內(nèi)蓋板210上形成的密封230。密封230最好由氯丁橡膠，丁基橡膠，或乙丙橡膠制造，剛性內(nèi)蓋板210最好由低碳鋼1008或1010制造。由于橡膠比在這種集電器組件中常用的尼龍或聚丙烯材料更為可壓縮，所以剛性內(nèi)蓋板210的徑向壓縮強度不必這樣大。這樣，內(nèi)蓋板可以用較薄和/或較軟的金屬制造。而且，可以使用非金屬的材料。而且，密封230可以用其他材料形成，如果這種材料在化學上是惰性的，不透水的，可壓縮的以及具有粘結(jié)到形成剛性內(nèi)蓋板210所用材料上的能力。
此外，通過減小壓縮密封的周邊直立壁所需的徑向力，罐體壁的厚度可以從0.25mm(0.010英寸)減小到約0.15mm(0.006英寸)，甚或減小到0.10mm(0.004英寸)。
通過提供一種能使氯丁橡膠和丁基橡膠之類的橡膠材料用作密封材料的結(jié)構(gòu)，可明顯減小集電器組件的透水性。通過減小電池的透水性，可增加電池的服務壽命。
剛性內(nèi)蓋板210通常是盤形的并具有在其中心形成的一中心孔218，以及一組附加的孔217。中心孔218和附加孔217通過剛性內(nèi)蓋板210從其上表面延伸到其底表面。如果由金屬形成，剛性內(nèi)蓋板210最好通過從一金屬板沖壓而成。但可以采用其他已知的制造技術形成內(nèi)蓋板210。隨后，剛性內(nèi)蓋板210可以承受表面糙化處理，如噴沙或化學蝕刻，以便提高在剛性內(nèi)蓋板210和密封230之間形成的粘結(jié)強度。對于一C型尺寸電池而言剛性內(nèi)蓋板210最好是0.38mm到0.76mm(0.015到0.030英寸)厚。
在剛性內(nèi)蓋板210已經(jīng)被沖壓和表面處理后，最好將其插入一轉(zhuǎn)移模具壓機內(nèi)，然后將一形成密封230的橡膠送入該壓機。轉(zhuǎn)移模具最好被成形為允許送入的橡膠橫跨剛性內(nèi)蓋板210的底表面形成一個層232。層232的厚度在0.25mm和0.50mm(0.010和0.020英寸)之間，最好在約0.46mm(0.016英寸)厚。橡膠也流入孔217一形成栓塞238。而且，橡膠流入中心孔218內(nèi)從而為中心孔218的表面加襯，但不會完全充填該孔，以便提供一個隨后可插入集電器釘240的中心孔236。中心孔236的直徑最好充分地小于集電器釘240的直徑，使得在將集電器釘240通過中心孔236移動到位時襯在中心孔218中的橡膠在孔218內(nèi)被明顯地壓縮。通過在集電器240上提供一個壓靠在密封230的底層232上的保持器241，當集電器釘240已經(jīng)被移動到位時，其快速螺母250和保持器241便配合以垂直地壓縮處在其間的橡膠層232的部分。通過以這種方式壓縮在集電器釘240附近橡膠密封，就大大減小了在集電器釘240和整體的密封/內(nèi)蓋板組件228之間的界面處的泄漏可能性。
通過用橡膠密封栓塞238以所示的方式充填孔217，提供了一減壓機構(gòu)，其不僅能夠可靠地工作，而且能夠在內(nèi)壓釋放后有效地再密封。在內(nèi)壓達到認為是過大的水平時，過大的壓力使得至少其中一個栓塞238破裂，以允許加速釋放內(nèi)部產(chǎn)生的氣體。基于選作密封的材料，密封材料的厚度和孔217的直徑，發(fā)生這種破裂的壓力是可控制的。而且，由于橡膠密封材料的彈性，一旦壓力已經(jīng)釋放，橡膠栓塞238基本上可以呈其原始狀態(tài)。這樣，與傳統(tǒng)的集電器組件中所用的其他通氣機構(gòu)不同，本發(fā)明的減壓機構(gòu)不會在集電器組件內(nèi)產(chǎn)生一個永久的孔，電化學材料隨后通過該孔可能泄漏。而且，這種再密封盡可能減小了電池的內(nèi)部部件的惡化，由此可延長電池的使用壽命。
盡管只需設置一個孔217和栓塞238用作一減壓機構(gòu)，通過設置一組這種被塞住的孔可提高可靠性。與現(xiàn)有技術的減壓機構(gòu)不同，本發(fā)明允許多個可獨立操作的減壓機構(gòu)。包括多個支承片的圖1所示的減壓機構(gòu)依靠墊圈50的顛倒，以便支承片的任一個刺破該密封。但在本發(fā)明的集電器組件中所設置的各塞住的孔并不相互依靠，所以提供了一整體上更可靠的減壓機構(gòu)。
如圖6所示，密封230具有一在剛性內(nèi)蓋板210的周邊邊緣上直接形成的直立壁135。通過設置該直立壁235，當集電器組件225插入罐體212時，可形成一足夠的密封。通過使密封230的外徑形成的大于罐體212的內(nèi)徑，可進一步提高該密封，內(nèi)蓋板210在罐體212的內(nèi)表面上壓縮直立壁235。
密封230可以附加地成形為包括直立壁235的一延伸部分237，該延伸部分垂直地向上延伸通過內(nèi)蓋板210的上表面。通過設置一延伸部分237，可以將密封230用作罐體212的卷邊端部224和外蓋板245的周邊邊緣之間的一電絕緣。
盡管所示的密封230包括一橫跨內(nèi)蓋板210的底表面的連續(xù)層232，本領域熟練技術人員應當理解不必在內(nèi)蓋板210的整個底表面上形成該密封230，尤其是如果內(nèi)蓋板210是由惰性的塑料形成。取決于用以形成密封230和內(nèi)蓋板210的材料的性質(zhì)，可以將粘結(jié)劑施加在內(nèi)蓋板210的表面上，該粘結(jié)劑將接觸并粘結(jié)在密封材料230上。
一旦密封230已經(jīng)模制在內(nèi)蓋板210上并且將集電器釘240穿過整體的密封/內(nèi)蓋板組件228的中心孔236以及穿過保持器240，就將外蓋板245放在集電器組件225的上表面上并將最好其焊接在集電器釘240的頭部242上。然后，將帶有連接于其上的外蓋板245的集電器組件225插入電池罐體212的敞開端。為了在卷邊前將集電器組件225保持在位，使集電器組件225的底表面靠在第一電極215的上表面216上。這樣，可以用一定程度的力插入集電器組件225，以保證密封230的底層232均勻地位于在電極215的上表面216敞開的電池罐體內(nèi)。
如果通過在罐體212內(nèi)將電極215模制在位而形成電極215，則最好以由Gray R.Tucholski等于1998年3月6日遞交的名為“采用密封用電極支承的電化學電池結(jié)構(gòu)”的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請No.09/036，115所公開方式來構(gòu)造第一電極215，以防止由模制第一電極215導致的毛刺干涉由集電器組件所提高的適當準直和密封。該美國專利申請No.09/036,115的公開內(nèi)容結(jié)合于此供參考。
通過使集電器組件225靠在電極215上，可以將罐體212在其敞開端處卷邊，以便提供由電極215反制的朝下的力。這樣，圖1所示的傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)中所用的較高輪廓的卷邊可以用較低輪廓的卷邊代替，由此在電池內(nèi)產(chǎn)生一約1.25mm(0.060英寸)的更大空間。
采用圖6所示結(jié)構(gòu)的一集電器組件225與圖1所示的傳統(tǒng)集電器組件相比具有低的多的輪廓。這樣，采用集電器組件225的電池200包含更大數(shù)量的電化學材料215和220，并且相應地增加了電池的服務壽命。盡管其較低的輪廓，集電器組件225仍具有充分的密封和電絕緣性能。此外，本發(fā)明的集電器組件提供了一減壓機構(gòu)，其不僅可靠而且提供了多個獨立操作之減壓機構(gòu)和通氣后部分再密封的優(yōu)點，從而防止電化學材料隨后從電池泄漏。而且本發(fā)明的集電器組件提供了改善的透水性能，由此提高了電池的服務維護性能。
對于采用圖6所示的超低輪廓密封所構(gòu)成的各種尺寸的電池而言，可用于容納電化學材料的計算出的總體積(cc)和內(nèi)部體積(cc)列于圖14A所示的表中。從圖14A可明顯看出，這種電池的內(nèi)部電池體積通常大于任何現(xiàn)有技術的商業(yè)上可獲得的電池。例如，一采用超低輪廓密封的D型尺寸的電池具有用于容納45.53cc的電化學活性材料的內(nèi)部體積，這是50.07cc的總體積的90.9％。這大于在圖2A所列的任何傳統(tǒng)電池上所測的內(nèi)部體積。而且，對于具有0.20mm(8mils)或0.15mm(6mils)的罐體厚度的電池而言，可進一步明顯增加內(nèi)部電池體積。在由圖14B所代表的表中進一步示出了計算出的總體積(cc)，與采用圖6所示超低輪廓密封所構(gòu)成的各種尺寸的電池的集電器組件體積進行比較。這里所限定的集電器組件體積包括集電器釘，密封，內(nèi)蓋板，和在負極蓋板的底表面和密封之間的任何空間體積。這里所限定的容器體積包括由罐體、標簽、負極蓋板、標簽和負極蓋板之間的空間體積、和正極蓋板和罐體之間的空間體積所用的體積。應當理解電池的總體積等于電化學活性材料可用的內(nèi)部體積，集電器組件體積和容器體積的總和。通過觀察電池的中心縱向剖視圖確定電池的總體積，集電器組件體積和容器體積。從圖14B的表中可明顯看出，集電器組件體積通常小于任何現(xiàn)有的商業(yè)上可獲得的電池。應當理解，通過采用超低輪廓密封結(jié)構(gòu)減小了集電器組件體積。例如，在超低輪廓密封中所占用的集電器組件體積是1.89cc，這是圖14B所示的50.07cc的總體積的3.8％。與此相比，這小于任何一種從圖2B所列傳統(tǒng)電池所測得的集電器組件體積。容器體積亦可被減小。類似地，對于具有0.20mm(8mils)或0.15mm(6mils)的減小的罐體厚度而言，可進一步明顯提高內(nèi)部電池體積，同時減小容器體積。
上述超低輪廓密封，以及超低輪廓密封的幾個可選擇實施例公開于由Gary R.Tucholski在199年3月6日遞交的名為“包括整體的密封/內(nèi)蓋板的電化學電池所用的集電器組件”的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請No.09/036,208中，其公開內(nèi)容在此作為參考。
低輪廓密封和超低輪廓密封加成形的正極凸起如圖7所示，圖6所示的第二實施例可以被改造成電池正極所用的隆起是直接在罐體212的封閉端214′上成形。以這種方式，存在于罐體212的封閉端214和正極外蓋板211(圖6)之間的空余空間可用來容納電化學活性材料，或者提供收集氣體的空間，該空間否則必須在電池內(nèi)提供。本領域熟練技術人員可以進一步理解圖4所示的第一實施例可以被類似地改造，這樣使得正極外蓋板凸起直接在罐體112的底部上形成。盡管圖14A中沒有提供通過在罐體底部直接形成凸起而獲得的電池體積的增加，本領域熟練技術人員應當理解，該內(nèi)部體積一般比為該表中所列超低輪廓密封或低輪廓密封列出的體積大1％，該表中所列的電池包括一獨立的蓋板。
在罐體底部形成的帶有L形密封的減壓機構(gòu)圖8A至圖8C示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例構(gòu)造的一電化學電池300。電池300與現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)的不同之處在于減壓機構(gòu)370形成在罐體312的封閉端314。結(jié)果，可以用占據(jù)較小體積并具有更少零件的集電器組件體積來代替復雜的集電器/密封組件。這樣，可以顯著改善內(nèi)部電池體積效率。如圖8A,8B,9和10所示，通過在罐體312的底表面設置一槽372形成該減壓機構(gòu)370。通過在罐體312的底表面上壓花，在該底表面上開槽，或者在模制正極電極時在罐體的該底表面上模制該槽，可以形成該槽。對于AA型尺寸的電池而言，在壓花的槽的底部處的金屬厚度約為0.05mm(2mils)。對于D型尺寸的電池而言，在壓花的槽的底部處的金屬厚度約為0.076mm(3mils)。該槽可以被成形為約300度的弧。通過保持由槽形成的形狀略微是敞開的，該減壓機構(gòu)將具有一有效的鉸鏈。
由槽372所圈繞的區(qū)域的尺寸最好如此選擇，即由于過大內(nèi)部壓力而破裂時，在槽372內(nèi)的區(qū)域可以在外蓋板311的正極凸起之內(nèi)在該鉸鏈處擺動，而不會干涉外蓋板311。通常，由槽372所限定的區(qū)域的尺寸，以及所選擇的槽的深度，取決于罐體的直徑和減壓機構(gòu)欲破裂并允許內(nèi)部產(chǎn)生的氣體逃逸時的壓力。
與在現(xiàn)有技術中已經(jīng)描述的在罐體的側(cè)面或端部形成的減壓機構(gòu)不同，本發(fā)明的減壓機構(gòu)370設置在外蓋板311的下面，以防止在破裂時電化學材料從電池危險地直接向外濺出。而且，如果該電池與另一電池串聯(lián)使用，即電池正極的端部壓靠另一電池的負極，外蓋板311在減壓機構(gòu)370上面這一措施允許機構(gòu)370在正極凸起的下面向外弓起并最終破裂。如果在這種環(huán)境下不存在外蓋板311，兩個電池之間的接觸可能阻止減壓機構(gòu)破裂。而且，如果外蓋板311不是設置在減壓機構(gòu)370的上面，在電池正極端處的該減壓機構(gòu)將更易于受損。外蓋板311亦保護減壓機構(gòu)370免受周圍環(huán)境的腐蝕，故減小了過早通氣和/或泄漏的可能性。這樣，通過在外蓋板的下面形成該減壓機構(gòu)，本發(fā)明克服了與現(xiàn)有技術相關的問題，這樣為電池給出了一種商業(yè)上可行的減壓機構(gòu)。
由于在一電池的底表面上形成減壓機構(gòu)可不再需要復雜的集電器/密封組件，可以用以前行不通的結(jié)構(gòu)技術來密封電池的敞開端，這是因為必須允許氣體通過減壓機構(gòu)逃逸到電池的外面。例如，如圖8A和8B所示，通過將或是一個具有J形斷面的尼龍密封330或是一個具有L形斷面的尼龍密封330′放置在罐體312的敞開端，在尼龍密封330或330′內(nèi)插入一具有卷邊的周邊邊緣347的負極外蓋板345，并隨后使罐體312的外邊緣313卷邊以保持密封330或330′在位，可以密封罐體312的敞開端。為了保持密封330或330′在位，繞罐體312的敞開端的周邊可以形成一波紋316?？梢杂脼r青涂覆尼龍密封330或330′以保護它免受電化學材料侵蝕并提供一更好的密封。
具體參照圖8A和8B，所示的環(huán)形密封330被構(gòu)造成具有一J形的斷面，包括一在其最外邊界處延伸的垂直壁332，一在密封的徑向內(nèi)側(cè)處的短垂直壁336，并具有一在垂直壁332和336之間形成水平的基部件334。由于存在短垂直壁336，這里環(huán)形密封被稱為具有或是一J形或是一L形斷面。應當理解J形尼龍密封330亦可被構(gòu)造成沒有短垂直壁336，以形成一簡單的L形斷面，如圖8B所示。
具體參照圖8C，其中示出了圖8A所示的電化學電池的組裝。圓柱形罐體312由限定了敞開端和波紋316的側(cè)壁形成，用以在封閉罐體之前接納設置在內(nèi)部的電池材料。設置在罐體312內(nèi)的是活性電化學電池材料，包括正極和負極電極和電絕緣，以及分離器和任何添加劑。將外蓋板345和集電器釘340焊接在一起，或者將集電器釘340用其他方式固定在蓋板345的底面上，并將環(huán)形尼龍密封330裝入和插入罐體312的敞開端以密封和封閉罐體312。集電器釘340最好通過電焊焊接在外蓋板345的底面上。使集電器釘340和蓋板345一起與密封330嚙合以形成該集電器組件，并且將集電器組件插入罐體312，使得外蓋板345的卷邊的周邊邊緣347抵著波紋316上方的環(huán)形密封330的內(nèi)壁設置，該波紋支承密封330。強迫地將集電器組件設置在罐體312的敞開端內(nèi)，以緊密地嚙合和封閉罐體開口。隨后，將罐體12的外邊緣向內(nèi)卷邊，以沿軸向壓迫和保持密封330和外蓋板345在位。
再參照圖8B，其進一步示出用一抗腐蝕涂層344涂覆外蓋板345的內(nèi)表面和集電器釘340的至少一頂部。抗腐蝕涂層344包括在電化學上可以與陽極相容的材料。這種電化學上可相容的材料的例子包括環(huán)氧樹脂，Teflon，聚烯烴，尼龍，彈性體材料，或任何其他惰性材料，或是單獨地或是與其他材料組合地。涂層344可以被噴涂或涂刷上并且最好覆蓋外蓋板345的內(nèi)側(cè)表面和集電器釘340在電池的正極和負極上方空間區(qū)域內(nèi)暴露于活性材料的部分。應當理解蓋板345的內(nèi)側(cè)表面可以鍍以錫，銅或其他類似的電化學相容材料。通過設置該耐腐蝕涂層344，可以減少和/或防止外蓋板345和集電器釘340的任何腐蝕，這樣就有利地減少了否則在電化學電池內(nèi)可能發(fā)生的出氣的數(shù)量。電池內(nèi)出氣的減少導致減小了內(nèi)部壓力的積累。
如圖14A所示，在稱為“在罐體底部上減壓”和“在有薄壁的罐體底部上的減壓”兩行中，采用圖8A所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一D型尺寸的電池當罐體壁是0.25mm(10mils)厚時具有一為93.5體積百分比的內(nèi)部體積，并當罐體壁是0.20mm(8mils)厚時具有一為94.9體積百分比的內(nèi)部體積。如圖14B所示，采用圖18所示的構(gòu)造的一D型尺寸的電池當罐體壁是0.25mm(10mils)厚和0.20mm(8mils)厚時具有一為總體積之2％的集電器組件體積。具有類似結(jié)構(gòu)的C,AA和AAA型尺寸的電池在內(nèi)部體積效率方面也有明顯改善，如圖14A所示。
飲料罐型結(jié)構(gòu)采用圖8A-10所示的減壓機構(gòu)進一步允許使用圖11所示的飲料罐型結(jié)構(gòu)。所示的飲料罐型結(jié)構(gòu)與其他形式的電池密封結(jié)構(gòu)的不同之處是它不需要插入罐體412敞開端內(nèi)的任何形式的尼龍密封。相反，采用通常用來將一食品或飲料罐的頂部密封在罐體的圓柱形部分上的密封技術，將負極外蓋板445固定在罐體412的敞開端上。這種密封結(jié)構(gòu)以前沒有被考慮用在密封電池上，因為它們不會輕易地允許使負極外蓋板與罐體電絕緣。
下面參照圖12A-12D描述制造一具有圖1l所示結(jié)構(gòu)的電池的方法。在將負極外蓋板445連接在罐體412的敞開端之前，將一集電器釘440焊接在蓋板445的內(nèi)表面上。然后，如圖12A所示，用電絕緣材料如環(huán)氧樹脂，Teflon，尼龍，或乙烯樹脂的層475涂覆蓋板445的內(nèi)表面以及蓋板445的上表面的周邊部分。集電器釘440的在蓋板445的底部和負極電極/電絕緣混合物120的頂表面之間的空余區(qū)域內(nèi)延伸的部分也涂以電絕緣。此外，在罐體412的敞開端的區(qū)域內(nèi)罐體412的內(nèi)和外表面也被涂覆。這種涂層475可以通過噴涂，浸漬或靜電沉積直接施加在罐體和蓋板上。通過提供這種涂層，負極外蓋板445可以與罐體412電絕緣。
通過在電池的內(nèi)部體積內(nèi)，對接近空余區(qū)域的電池內(nèi)的罐體，蓋板和集電器釘?shù)膮^(qū)域施加絕緣涂層，可以保護這些區(qū)域免受腐蝕。盡管由上述單層的環(huán)氧樹脂，Teflon，尼龍，或乙烯樹脂構(gòu)成的涂層可以起防止腐蝕的作用，可以想象可采用兩種不同材料的層施加該涂層，或者該涂層由施加在部件不同區(qū)域的不同材料的單層構(gòu)成。例如，蓋板的周邊區(qū)域可以涂覆起電絕緣和耐腐蝕作用的單層的材料，而蓋板內(nèi)表面上的中央部分可涂覆起耐腐蝕作用但不起電絕緣層作用的單層的材料。這種材料可以包括例如瀝青或聚酰胺。作為選擇，罐體或蓋板的任何一個可被涂覆起電絕緣層和耐腐蝕層兩個作用的材料，而這兩個部件中的另一個可被涂覆僅起耐腐蝕層作用的材料。以這種方式，可以在需要處(即蓋板/罐體的界面之間)設置電絕緣，而在電池的內(nèi)部體積內(nèi)部分地限定空余區(qū)域的表面則在電池內(nèi)仍受到保護免受電化學材料的腐蝕影響。而且，通過采用不同的材料，可以選擇成本低或者對預期用途有最佳特性的材料。
為了幫助將外蓋板445密封在罐體412上，可以將傳統(tǒng)的密封膠473施加在蓋板445的周邊邊緣470的底表面上。一旦密封程序完成，密封膠473就移入圖12D所示的位置。
一旦已經(jīng)將集電器釘440連接在外蓋板445上并且已經(jīng)施加電絕緣涂層，就將外蓋板445放置在罐體412上，如圖12B所示。最好，罐體412具有在其敞開端上形成的向外延伸的凸緣450。而且，外蓋板445最好具有一與凸緣450的形狀相符的略微彎曲的周邊邊緣470。一旦將外蓋板445放置在罐體412的敞開端上，就將一接縫壓盤500放置在外蓋板445上，這樣接縫壓盤500的環(huán)形的向下延伸的部分502由在外蓋板445上形成的環(huán)形凹槽472接納。然后，朝外蓋板445的周邊邊緣470沿徑向移動一第一接縫輥510。隨著朝周邊邊緣470和凸緣450移動第一接縫輥510，其彎曲的表面使得周邊邊緣470繞凸緣450折疊。而且，隨著第一接縫輥510徑向向內(nèi)移動，使接縫壓盤500，罐體412和外蓋板445繞一中心軸線轉(zhuǎn)動，使得周邊邊緣470在罐體412的整個圓周上繞凸緣450折疊。而且，隨著第一接縫輥510繼續(xù)沿徑向向內(nèi)移動，凸緣450和周邊邊緣470被向下折疊到圖12C所示的位置。
在周邊邊緣470和凸緣450已經(jīng)被折疊到圖12C所示的位置，使第一接縫輥510移動離開罐體412，然后使第二接縫輥520沿徑向向內(nèi)朝凸緣450和周邊邊緣470移動。第二接縫輥520具有不同于第一接縫輥510的輪廓。第二接縫輥520對凸緣450和周邊邊緣470施加一足夠的力，以抵著罐體412的外表面擠壓和壓平折疊的凸緣和周邊邊緣，該罐體412的外表面由接縫壓盤500支承。作為這一過程的結(jié)果，使得罐體412的周邊邊緣470繞并在凸緣450之下折疊，并在凸緣450和罐體412的壁的外表面之間卷邊。如圖11和12D所示。這樣通過該過程形成一氣密密封。
為了說明這種密封的氣密性質(zhì)，如同例如圖1所示的用傳統(tǒng)密封構(gòu)成的D型尺寸罐體，用水充填根據(jù)本發(fā)明的該實施例構(gòu)成的D型尺寸罐體。將兩個罐體保持在71℃并過一段時間稱重以確定從罐體流失的水的數(shù)量。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)每星期失去270mg，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在同樣時間期間內(nèi)沒有失去任何重量。使用KOH電解液可以確認這些結(jié)果，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)每星期失去50mg，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)仍然未失去任何重量。
本領域熟練技術人員可以明顯看出，飲料罐型結(jié)構(gòu)利用了電池內(nèi)部的最小空間，減少了制造一電池所需的工藝步驟的數(shù)量，明顯減少了材料的成本和制造過程的成本。而且，罐體壁的厚度可以被明顯地減小到0.15mm(6mils)或更小。結(jié)果，可以增加用于容納電化學活性材料的內(nèi)部體積。例如，對于一D型尺寸的電池，可用來容納電化學活性材料的總電池體積的百分比可高達97的體積百分比，而集電器組件體積可低至1.6的體積百分比。圖14A和14B所示的表中包括了其他尺寸的電池的體積。
通過利用本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)，不僅可以減小罐體壁厚，而且可以增加用來形成罐體的可能材料的數(shù)量，這是由于罐體所必須具有的強度要求降低。例如，上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以使得鋁和塑料用于罐體，而非目前使用的鍍鎳鋼。
在圖13中示出了飲料罐型結(jié)構(gòu)的一種變型。在所示的實施例中，電池罐體首先被成形為一具有兩個敞開端的管。采用傳統(tǒng)技術，該管可以被擠壓，焊縫，焊接，粘接等。該管可以用鋼，鋁和塑料形成。如圖13所示，該管限定了罐體612的側(cè)壁614。然后，采用上面所勾勒出的飲料罐型密封技術，通過將一內(nèi)蓋板616固定在其上來密封該管的第一敞開端，例外是在內(nèi)蓋板616和側(cè)壁614之間不需要電絕緣。一正極外蓋板618可以被焊接在或者用其他方式固定在內(nèi)蓋板616的外表面上。然后可以充填電池并且可以用與上面所述的相同方式將一負極外蓋板645固定在罐體612的第二敞開端上。
在罐體上的印刷的標簽如上所述，本發(fā)明的電池可以結(jié)合一印刷的標簽一起使用，而非目前采用的標簽基片。目前的標簽基片的厚度在0.076mm(3mils)的量級。由于這種標簽基片疊置而形成一個沿電池的長度延伸的縫，這些傳統(tǒng)標簽對于直徑有效地增加了約0.25mm(10mils)并對于電池的卷邊高度增加了0.33mm(13mils)。結(jié)果，電池罐體必須具有這樣一個直徑，該直徑被選擇來容納標簽縫的厚度，以便滿足ANSI的尺寸標準。但是，通過按照本發(fā)明在罐體的外表面上直接印刷一平版印刷的標簽，罐體的直徑可以被相應地增加約0.25mm (10mls)。在罐體直徑上的這一增加顯著地增加了電池的內(nèi)部體積。在圖14A和14B的表中所列出的所有電池，除了飲料罐型結(jié)構(gòu)之外，都包括基片標簽。如果將標簽直接印刷在罐體的外面，帶有基片標簽的電池的內(nèi)部體積對于一D型尺寸的電池而言可以被進一步增加2％(1.2cc)，對于-C型尺寸的電池可以增加2.6％(0.65cc)，對于一AA型尺寸的電池可以增加3.9％(0.202cc)，對于一AAA型尺寸的電池可以增加5.5％(0.195cc)。也可以采用轉(zhuǎn)移印刷技術將標簽印刷在罐體上，在這種轉(zhuǎn)移印刷技術中，標簽圖案首先被印刷在一轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，然后被直接轉(zhuǎn)移到罐體外面上。也可以采用變形平版印刷術，由此將一故意變形的圖象印刷在一平坦材料上，以便考慮到在該平坦材料被成形為電池罐體的管或者圓柱體時其隨后的應力變形。
在印刷平版印刷的標簽之前，最好清潔罐體的外表面。為了提高在罐體上印刷的附著力，可以在罐體的外表面上施加一底層涂料。然后通過已知的平版印刷技術，將印刷的標簽直接施加在罐體上底層的頂面上。最好在印刷的標簽上施加一上光的表層，以覆蓋和保護所印刷的標簽，并也用作一電絕緣層?？梢杂酶邷丶訜峄蛘咦贤饩€輻射技術固化印刷的標簽。
采用印刷的標簽，傳統(tǒng)的標簽基片的厚度被明顯減小到約0.5mils的最大厚度。具體說，底層的厚度在約0.1到0.2mil的范圍內(nèi)，印刷層的厚度為約0.1mil，上光表層的厚度在約0.1到0.2mil的范圍內(nèi)。通過減小標簽的厚度，罐體直徑得以增加，因此增加了活性電池材料的可用體積，同時保持了電池的預定外徑。
帶有直通集電器的飲料罐體參照圖15，示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的由一直通集電器構(gòu)成的電化學電池700。類似于圖11所示的具有飲料罐型結(jié)構(gòu)的電化學電池400，電化學電池700包括一帶有封閉端314和敞開端的導電罐體712，一低體積集電器組件725和負極外蓋板組裝在該敞開端內(nèi)。電化學電池700包括一與罐體712的內(nèi)壁和分離器117接觸的正極115，分離器117處在一正極115和一負極120之間。這里正極115也被稱為陽極，而負極120也被稱為陰極。應當理解，材料的種類和它們在電化學電池內(nèi)的位置可以變化，而不偏離本發(fā)明的教導。
電化學電池700還包括在罐體712的封閉端314上形成的一減壓機構(gòu)370。這允許采用低體積的集電器組件725，后者比傳統(tǒng)的集電器組件占據(jù)更小的體積，所以獲得提高了的內(nèi)部電池體積效率。減壓機構(gòu)370可以被成形為一個槽，如結(jié)合圖8A、8B、9和10所描述的。此外，正極外蓋板311被連接于罐體712的封閉端并覆蓋該減壓機構(gòu)370。如這里結(jié)合圖8A示出和說明了正極外蓋板311的組裝和設置。
電化學電池700包括一封閉和密封罐體712的敞開端的集電器組件725。集電器組件725包括一設置成與負極120導電接觸的集電器釘740。還包括在集電器組件725內(nèi)的是一第一或者內(nèi)蓋板745，其具有一形成在其上的中心孔751。集電器釘740延伸通過內(nèi)蓋板745上的孔751。一介電絕緣材料744設置在集電器釘740和第一蓋板745之間，以便在其間提供電絕緣。因此，集電器釘740與內(nèi)蓋板745是電絕緣的。介電絕緣材料是一有機高分子材料，如有機聚合物，并可以包括環(huán)氧樹脂，橡膠，尼龍或其他介電材料，該介電材料可抵擋KOH的侵蝕并在堿性電池中存在氫氧化鉀時是非腐蝕性的。如下面所述地組裝介電絕緣材料。
將內(nèi)蓋板745依次連接和密封在罐體712的敞開頂端。如結(jié)合圖11-13所解釋的，可以將內(nèi)蓋板745插入罐體712并通過在周邊邊緣450和470處形成一個雙縫封閉結(jié)構(gòu)將其密封在罐體712上。盡管結(jié)合本發(fā)明的第七實施例示出了一雙縫的罐體對蓋板的封閉結(jié)構(gòu)，應當理解可以采用其他罐體對蓋板的封閉結(jié)構(gòu)，而不偏離本發(fā)明的教導。
根據(jù)第七實施例的電化學電池700允許罐體712和內(nèi)蓋板745之間的直接連接，這最好在它們之間提供一壓力密封，但不需要在內(nèi)蓋板745和罐體712側(cè)壁之間的電絕緣。相反，使集電器釘740與內(nèi)蓋板745電絕緣，使得電化學電池的正極和負極相互電絕緣。盡管沒有要求在罐體712和內(nèi)蓋板745之間保持電絕緣，但在連接罐體和蓋板的封閉處最好施加密封膠以充分地密封罐體?？梢匀缃Y(jié)合圖11-12D描述和示出的電池所解釋的，施加適當?shù)拿芊饽z。應當理解，密封的封閉結(jié)構(gòu)與絕緣材料一起應當能夠承受比通氣壓力大的內(nèi)部壓力積累，在該通氣壓力下減壓機構(gòu)370釋放壓力。
為了根據(jù)廣泛接受的電池標準提供一個可接受外部電池電極，電化學電池700還包括一與集電器釘740導電接觸的外蓋板750。外蓋板750可以通過點焊742焊接在或者通過其他方式導電連接在集電器釘740上。為了確保在外蓋板750和內(nèi)蓋板745之間的電絕緣，將一介電材料如環(huán)形墊748設置在外負極蓋板750和內(nèi)蓋板745之間。適當?shù)慕殡姴牧峡梢园ㄊ┘釉趦?nèi)蓋板745的頂面或者外蓋板750的底面上的尼，其他彈性體材料，橡膠和環(huán)氧樹脂。因此，可以在電化學電池700的負極端部處設置一可接受的標準的電池電極。
在組裝視圖16中說明了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的電化學電池700的組裝，并在圖17的流程圖中進一步作了說明。電化學電池700的組裝方法770包括提供形成有一封閉的底端和一敞開的頂端的罐體712。步驟774包括將活性電化學材料設置在罐體712內(nèi)，該電化學材料包括負極，正極和電絕緣，以及分離器和其他電池添加劑。一旦將活性電化學電池材料設置在罐體712內(nèi)，就可準備對罐體712進行封閉和用集電器組件725密封。在封閉罐體前，根據(jù)步驟776，通過首先將集電器釘740與一絕緣材料環(huán)一起設置在于內(nèi)蓋板745上形成的孔751內(nèi)，而組裝集電器組件。將集電器釘740設置在絕緣環(huán)744的孔742內(nèi)，該絕緣環(huán)可包括一由環(huán)氧樹脂形成的環(huán)和盤，其提供了介電絕緣并可被加熱而再成形并設置在內(nèi)蓋板745和集電器釘740之間。作為選擇，可以采用其他有機高分子介電材料來代替環(huán)氧樹脂，如一橡膠絕緣墊圈，一彈性體材料，或者其他可在集電器釘740和內(nèi)蓋板745之間形成充分絕緣的介電材料。
根據(jù)優(yōu)選實施例，將絕緣材料的環(huán)744設置在內(nèi)蓋板745的頂部上的凹槽755內(nèi)，并將集電器釘740的頭部設置在其上方。在步驟778中，將絕緣環(huán)744組裝在集電器釘740和蓋板745上并將絕緣環(huán)744加熱到足以熔化環(huán)744的高溫，使得環(huán)744再成形并流入蓋板745上的孔751中，以便在集電器釘740和內(nèi)蓋板745之間提供連續(xù)的介電絕緣。對于由環(huán)氧樹脂構(gòu)成的環(huán)744，在幾秒鐘至24小時的時間內(nèi)保持20至200℃的溫度可能足以再成形并固化絕緣材料。一旦介電材料744在集電器釘740和內(nèi)蓋板745之間形成充分的絕緣，最好在步驟780使絕緣的材料冷卻。在加熱和冷卻步驟778和780期間，使集電器釘740在孔751中對中，使得集電器釘740不會接觸蓋板745。隨后，在步驟782中，將一介電絕緣墊748如一環(huán)形的介電墊設置在內(nèi)蓋板745的頂部，并且其從釘740的周邊向外徑向延伸。在步驟784中，設置在集電器釘740的頂部和墊748上的是一導電的負極蓋板750，其焊接或以其他方式形成與集電器釘740的電接觸。一旦集電器組件完全組裝完畢，就將該集電器組件連接在罐體上以密封地封閉該敞開端，如在步驟786中所完成的。罐體封閉可以采用雙縫封閉或者其他適當?shù)墓摅w封閉技術。此外，組裝方法770包括將一第二外蓋板連接在罐體封閉端的步驟788，該外蓋板最好覆蓋減壓機構(gòu)370。
盡管在上面本發(fā)明被描述為主要應用于堿性電池，本領域熟練技術人員應當理解，將本發(fā)明結(jié)構(gòu)應用于采用其他電化學系統(tǒng)的電池可以獲得類似的優(yōu)點。例如，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以用在碳-鋅和鋰基電池之類的原系統(tǒng)中或者用在可充電電池上，如NiCd、金屬氫化物、和鋰基電池。而且，本發(fā)明的某些結(jié)構(gòu)可以用在原始電池(即用在電池組或者多層電池中的無標簽的電池)上。此外，盡管上面所描述的電池與圓柱形電池有關，但本發(fā)明的某些結(jié)構(gòu)可以用在構(gòu)成棱柱形電池上。
應當理解附圖中所示的以及上面所描述的實施例只是出于說明目的，無意限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少88.4％。
2．如權(quán)利要求1所述的電池，還包括一設置在該內(nèi)部體積內(nèi)的分離器。
3．如權(quán)利要求1或2所述的電池，還包括一用以將蓋板電連接于負極的集電器，其中電化學活性材料可用的內(nèi)部體積不包括由該集電器所占據(jù)的體積。
4．如上述任一權(quán)利要求所述的電池，其中電化學活性材料可用的內(nèi)部體積包括電化學活性材料可能遷移其中的內(nèi)部空間所需的任何體積。
5．如上述任一權(quán)利要求所述的電池，其中該罐體是圓柱形的。
6．如上述任一權(quán)利要求所述的電池，其中該電池是一堿性電池，具有一包括MnO2的正極，一包括Zn的負極和包括KOH的電解液。
7．如上述任一權(quán)利要求所述的電池，其中該罐體是由化學上惰性的材料制造。
8．一種D型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少89.2％。優(yōu)選是至少90.9％，更優(yōu)選是至少92.6％，更為優(yōu)選是至少93.5％，更好是至少94.9％，最好是至少97.0％。
9．一種C型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少83.2％。優(yōu)選是至少86.4％，更優(yōu)選是至少88.4％，最好是至少90.6％。
10．一種AA型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少82.0％。優(yōu)選是至少83.5％，更優(yōu)選是至少84.7％，更為優(yōu)選是至少87.4％，更好是至少89.6％，最好是至少90.4％。
11．一種AAA型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是電池總體積的至少78.7％。優(yōu)選是至少84.6％，更優(yōu)選是至少88.0％，最好是至少90.1％。
12．一種D型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是至少44.67cm3，優(yōu)選是至少45.53cm3，更優(yōu)選是至少46.34cm3，更為優(yōu)選是至少46.82cm3，更好是至少47.52cm3，最好是至少48.59cm3。
13．一種C型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是至少20.21cm3，優(yōu)選是至少20.92cm3，更優(yōu)選是至少21.42cm3，更為優(yōu)選是至少21.73cm3，最好是至少22.26cm3。
14．一種AA型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是至少6.47cm3，優(yōu)選是至少6.56cm3，更優(yōu)選是至少6.68cm3，更為優(yōu)選是至少6.77cm3，更好是至少6.95cm3，最好是至少7.0cm3。
15．一種AAA型尺寸的電池，包括一罐體，具有一敞開端和一封閉端；和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板，該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積，包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中，其特征在于該內(nèi)部體積是至少2.811cm3，優(yōu)選是至少2.90cm3，更優(yōu)選是至少3.02cm3，更為優(yōu)選是至少3.06cm3，更好是至少3.14cm3，最好是至少3.22cm3。
全文摘要
提供了一種電池,包括:一具有一封閉端和一敞開端的罐體;和一橫跨罐體敞開端設置的蓋板,該蓋板和罐體在罐體內(nèi)限定了一內(nèi)部體積,包括至少正極和負極以及電解液的電化學活性材料容納在其中。在一個實施例中,該內(nèi)部體積是電池總體積的至少88.4%。在其他實施例中,該內(nèi)部體積是電池總體積的至少89.2%(D型尺寸的電池),至少83.2%(C型尺寸的電池),至少82.0%(AA型尺寸的電池),至少78.7%(AAA型尺寸的電池)。在進一步的實施例中,該內(nèi)部體積是至少44.67cm
文檔編號H01M4/75GK1323451SQ99812049
公開日2001年11月21日 申請日期1999年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月21日
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