专利名称：电池外壳的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及金属空气电池的外壳。
背景技术：
电池通常用作电能源。电池内有负电极和正电极，负电极通常也称作阳极，正电极通常也称作阴极。阳极包含可被氧化的活性材料；阴极包含或消耗可被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。为阻止阳极材料与阴极材料直接发生反应，阳极与阴极间由平板状的层(通常也称作分隔层)实现彼此间的电隔离。
在如移动电话之类的设备中，在电池用作电能源时将阳极和阴极进行电连接，以使电子流经设备并进行各自的氧化和还原反应，从而提供电能。在放电时，与阳极和阴极相接触的电解液中含有可穿过分隔层在两电极间流动的离子，从而维持整个电池的电荷平衡。
在金属空气电化学电池中，在阴极氧被还原，在阳极金属被氧化。由电池外的空气通过容器上的一个或多个空气进出口将氧提供给阴极。
在棱柱体金属-空气电化学电池中，通常采用电池壳作为外壳。外壳允许空气到达阴极推动电化学反应。外壳也使阴极与阳极保持电隔离，因为阳极有时会从电池中渗漏出来。
发明内容
一般地，本发明涉及一种对电池材料的渗漏提供良好保护的电池外壳。该外壳可在如移动电话之类的设备中和电池一起使用。
在一方面，本发明的特征在于提供一种包括外壳的电池，该外壳具有带有壁的第一壳体和带有一定高度的外壁和高度小于外壁的内壁的第二壳体，其中第二壳体的外壁与内壁隔开以接收第一壳体的壁。优选地，第一壳体的壁环绕整个第一壳体的外围延伸。此外，第二壳体的外壁环绕整个第二壳体的外围延伸，和/或第二壳体的内壁环绕整个第二壳体延伸。对于这样的外壳，提供了一种简单的、两片形式的设计。这种设计有助于减少生产成本并简化制造和组装的过程。
第一壳体可包括从第一壳体的内表面凹陷进去的区域，从而可将阴极放置在壳体内表面上，吸附层放置在壳体的凹陷区域中。通过将吸附层放置在凹陷区域中，将阴极直接密封在壳体中。阴极与壳体之间的直接密封减少了从此处发生渗漏的机会。此外，这使得阴极放置更为平整，从而增加了电池的内部空间。
该电池在第一壳体和第二壳体之间还包括至少一个密封层。密封层可位于第一壳体的壁的端部和第二壳体之间。例如，第一壳体的壁的端部有突出部。该突出部可被超声焊接而在第一壳体的壁和第二壳体之间形成密封层。在第二壳体的外壁和第一壳体的壁之间还可有密封层。该密封层可以是粘结剂，例如环氧封装化合物。该电池还包括放置在第一壳体中的阴极。在电池组装在一起时，阴极被紧压在第二壳体内壁的端部上。该电池可在第二壳体内壁的端部和阴极之间包括密封层。优选地，电池有三个密封层，从而提供对电池材料渗漏的良好保护。
通过将阴极紧压在第二壳体内壁上的组装方式，电池的内部空间增加了。这为阴极材料提供了更多的空间，从而增加了电池容量。外壳也不需要为了密封而加热熔化，并可取消丝网的使用。
在另一方面，本发明的特征在于提供了一种组装电池的方法。该方法提供了简单的制造和组装工序。该方法包括将阴极置于带有壁的第一壳体中；将阳极材料置于带有一定高度的外壁和与外壁隔开、高度小于外壁的内壁的第二壳体中；将第一壳体和第二壳体密封在一起，第一壳体的壁接收于第二壳体的两壁之间。
可通过紧压各个壳体来完成将第一壳体和第二壳体密封在一起的步骤，从而阴极紧压在第二壳体内壁的端部上。可将密封胶置于壁的端部上，从而在阴极的外围形成密封。该方法还包括通过在第一壳体的壁的端部和第二壳体之间形成密封来进行第一壳体和第二壳体之间的密封。例如，第一壳体的壁的端部可有突出部，如能量引导部。可将突出部焊接(例如，超声焊接)在第二壳体上。可通过将如环氧化合物之类的粘结剂放置在第一壳体的壁和第二壳体的外壁之间来进行第一壳体和第二壳体之间的密封。优选地，该方法包括在第一壳体和第二壳体之间形成至少这三个密封层，从而减少从电池向外渗漏的机会。
图1是带有本发明的外壳的金属空气电池的分解图；图2是已组装好的、在连接前的带有本发明的外壳的金属空气电池的截面图；图3是带有本发明的外壳的金属空气电池的底视图；图4是本发明的外壳的分解图；图5是带有本发明的外壳的金属空气电池中第一空腔的截面图；图6是图5的详细截面图；图7是横穿带有本发明的外壳的金属空气电池的第二空腔的截面图；以及图8是图7的详细截面图；具体实施方式
参考图1-4，金属空气电池10包括外壳20，该外壳有第一壳体30和第二壳体40，第一壳体和第二壳体设置成在组装时形成棱柱外壳的形式。壳体30、40可采用已知的技术来制造，例如喷射模塑法。优选地，壳体30、40由不导电的材料制成，如热塑性材料，例如乙炔-丁烯-苯乙烯(ABS)。在外壳内，电池10还可包括密封剂60、吸附层70、阴极80、阳极材料90和/或阳极集电器100。
参照图1和2，第一壳体30设置成长方形并带有沿长方形外围延伸的壁130。典型地，第一壳体30长69mm，宽40mm，高5.5mm，厚0.8mm。然而特定的尺寸和设置决定于在电池上的应用。例如，电池可以设置成长方体或圆柱体。典型地，壁130厚0.8mm，从第一壳体30的下表面伸出4.5mm。如图2所示，在壁130的端部140有突出部150。突出部150例如在喷射模塑时可与第一壳体30整体成形。在壳体匹配(如下文所述)时，突出部150提供了第一壳体30和第二壳体40之间的焊接密封，例如超声焊接密封。典型地，在壁130上形成2到4个高度为0.010英寸的突出部150。这些突出部通常在第一壳体30的外围相互隔开。然而，突出部的数量可决定于壳体的尺寸和设置而变化。
第一壳体30的内部下表面有一个台阶160和由台阶160所限定的凹陷区域170。台阶160接近于壁130的内表面环绕第一壳体30延伸。典型地，台阶160宽1.8mm，高0.3mm。正如即将描述的，在壳体30、40组装在一起形成电池10时台阶160有助于提供压缩密封。如图2所示，吸附层70放置在凹陷区域170中，正如下文将描述的，使得阴极80在压缩密封时放置更为平整。
在图3中很好地表示出第一壳体30还包括多个空气进出开口180。开口180在形成第一壳体时制成，例如，可在喷射模塑加工第一壳体30时形成开口。这些开口使得空气可扩散进入电池中推动电化学反应。为保证电池10放电的一致性，开口180均匀分布在第一壳体30的下表面上。优选地，开口180的直径大约是1.75mm，相距约6mm。
第一壳体30还可包括在第一壳体30外部下表面形成的托脚。托脚190以及插脚190a和插口190b设置并定位成两个电池10可相互匹配以提供高电压的形式。例如，第一电池的插脚190a与第二电池的插口190b相匹配，或者反之。通常，相匹配的电池在二者之间形成大约0.060英寸的空气送气层。
参照图2和4，第二壳体40包括环绕长方形延伸的外壁200和内壁210。外壁200在壳体40的一个短边上可有一个凹槽部220。优选地，凹槽部220长24mm，宽2mm。因此第二壳体40的一边在凹槽的任一边上可有一凹槽部和未凹陷部。未凹陷部在这里也称为空腔，正如下文将描述的，未凹陷部提供了放置一部分集电器片和阴极片的空间。优选地，外壁200厚0.7mm，环绕第二壳体40的外围延伸。优选地，内壁210厚1.5mm，环绕第二壳体40延伸并与外壁200隔开，从而限定了一个长方形区域。如图2所示，内壁210的高度小于外壁200。例如，外壁200高5.5mm，内壁210高3.6mm。然而，优选地，外壁200的高度足够高，以便在壳体30、40相互匹配形成电池外壳时遮盖住第一壳体30的壁130。内壁210的高度足够高，以便在壳体30和40如下文所述相互匹配并密封时与阴极80相接触形成紧压密封。内壁210和外壁200一起限定了第一空腔230和第二空腔240，以便阴极片110和集电器片120分别伸出电池10之外。因此，在限定空腔230和240的外壁200上部250处加工有凹口，以使片110和120伸出电池10之外。在空腔230和240中还可有粘合剂以提供对渗漏的附加保护。壁200和210也限定了通道260，该通道通常宽0.8mm，环绕第二壳体40延伸，用于在壳体30、40如下文所述组装在一起时接收第一壳体30的壁130。
通常通过将阴极板置于第一壳体30中、将阳极材料置于第二壳体40中、然后将两个壳体30和40匹配在一起来完成电池10的组装。首先，可以将密封胶边框265置于台阶160上。密封胶可是626沥青(Pioneer Asphalt Corp.(Lawrenceville，IL))。优选地，密封胶边框的厚度约为0.002到0.006英寸，更为优选地，厚度为0.004英寸。密封胶边框265确保阴极80附着在第一壳体30的台阶160上。
将吸附层70放置在凹陷区域170中。吸附层70提供对电池10渗漏的保护并防止浸没。可将吸附层70加热在一些局部区域形成支柱。加热形成支柱的方法是将吸附层70和第一壳体30熔化以确保固定住吸附层70。优选地，吸附层70是可从Hollingsworth & Vose(Charlotte，NC)得到的无纺电池隔离材料#7885。
如图2所示，将阴极980放置在吸附层70和台阶160之上。阴极可包含在如金属丝网之类的集电器上沉积的激活阴极混合物。该混合物可包含粘结料、碳颗粒和减少过氧化物的催化剂。可用的粘结料包括一种由聚四氟乙烯(PTFE)颗粒形成的粘结料。可用的催化剂包括锰氧化物，如Mn2O3、Mn3O4和MnO2，这些锰氧化合物可通过加热锰硝酸盐或还原高锰酸钾来制备。阴极80的外面朝向空气进出口，可覆盖一层PTFE膜。该层膜也有助于阻止电解液渗漏到电池外以及CO2渗入电池内。
沥青密封胶270通常厚1.2mm，沿外围放置在阴极表面顶部上。密封胶270有助于在阴极80和第二壳体40的内壁210的端部之间提供密封。
将阳极集电器100放置在第二壳体40之内。阳极集电器120是一个展开的网格，最好由如铜之类的耐蚀材料制成。阳极集电器100可在一些局部区域加热形成支柱，以确保集电器固定在壳体40上。
将阳极凝胶体材料90放置在阳极集电器100上。阳极凝胶体包含锌和电解液的混合物。该锌和电解液的混合物包含有助于阻止电解液从电池中渗漏出去并将锌颗粒保持在阳极内的胶凝剂。
含锌的材料可以是与铅、铟、铝或铋形成合金的锌粉末。例如，锌可与400到600ppm(例如500ppm)的铅、400到600ppm(例如500ppm)的铟或50到90ppm(70ppm)的铝形成合金。可选地，锌可包含铅而没有其它添加物。含锌的材料可以是吹制或纺制的锌(airblown or spun zinc)。例如，在1998年9月18号提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1号提交的U.S.S.N.08/905,254和1998年7月15号提交的U.S.S.N.09/115,867中描述了适用的锌颗粒，本文以参考文献的形式包含上述每一篇文献的全文。锌可以是粉末。锌颗粒可以是球形的或非球形的。例如，锌颗粒的形状可以是针形的(纵横比至少为2)。
胶凝剂是吸附聚丙烯酸酯。例如，在美国专利4,541,871、美国专利4,590,227或美国专利4,507,438中描述了适用的胶凝剂。在某些实施例中，阳极凝胶体包括非离子表面活化剂和铟或铅化合物，如铟氢氧化物或铅乙酸酯。在1999年8月13号提交的U.S.S.N09/374,278中提供了阳极凝胶体的进一步描述，本文以参考文献的形式包含其内容。
电解液可是高锰酸钾水溶液。电解液可包含30到40百分比，优选地，35到40百分比的高锰酸钾。电解液也可包含大约1到2百分比的氧化锌。
将分别带有内含物的两个壳体30、40进行匹配，通道260接收第一壳体的壁130。如图5和6所示，在组装电池10时，阴极片110从阴极80伸到第一壳体30的壁130和第二壳体40的内壁210之间，沿第一壳体30的壁130外表面穿过第一空腔230伸到电池10外。如图7和8所示，阳极集电器片120从集电器100伸到第一壳体30的壁130和第二壳体40的内壁210之间，穿过第二空腔240伸到电池10外。
对位于第一壳体30的壁130端部的突出部150进行超声焊接，以便在壳体30和40之间提供定位焊接。在焊接时，突出部150引导能量并由于电阻加热而熔化。熔化的突出部在第一壳体30和第二壳体40之间形成封焊。优选地，由于片110和120会阻碍超声焊接，突出部150没有沿接收在空腔中的第一壳体30的壁130的端部排列。
优选地，所形成的突出部150的初始高度大约为0.010英寸。焊接(即熔化)后的最终高度大约为0.002英寸。
在组装时，通过在阴极80和第二壳体40内壁210的端部之间的压缩密封进一步实现电池的密封。由于壳体30和40相互匹配并超声焊接在一起，第二壳体40的内壁210的端部280与阴极80相作用紧压密封胶270，环绕内壁210外围形成渗漏防护。壳体30和40的相互匹配也会将阴极80紧压在密封层60上，并将密封层60紧压在台阶1160上，从而进一步密封壳体。紧压密封也有助于平整地固定住阴极，从而提供可被阳极材料使用的更多内部容积。
电池通过在第一和第二空腔230和240中放置粘结剂而得到进一步的密封。粘结剂可以是环氧封装化合物，如Oxybond 109Blk(Ellsworth Adhesive Systems(Stone Mountain，GA))。可通过如注射器之类的给料器将密封胶沉积在空腔230和240之中。
权利要求
1.一种包括外壳的电池，具有带有壁的第一壳体；和带有一定高度的外壁和高度小于外壁的内壁的第二壳体，其中第二壳体的外壁和内壁隔开以接收第一壳体的壁。
2.权利要求1所述的电池，其中第一壳体的壁环绕整个第一壳体的外围延伸。
3.权利要求1所述的电池，其中第二壳体的外壁环绕整个第二壳体的外围延伸。
4.权利要求1所述的电池，其中第二壳体的内壁环绕整个第二壳体延伸。
5.权利要求1所述的电池，还包括放置在第一壳体中的阴极。
6.权利要求5所述的电池，其中在壳体组装在一起时，阴极紧压在第二壳体内壁的端部上。
7.权利要求6所述的电池，还包括放置在第二壳体内壁端部和阴极之间的密封层。
8.权利要求1所述的电池，其中第一壳体包括从第一壳体内表面凹陷的区域和放置在阴极壳体内表面上的阴极。
9.权利要求8所述的电池，其中在壳体组装在一起时，阴极紧压在第二壳体内壁的端部。
10.权利要求8所述的电池，还包括放置在凹陷区域中的吸附层。
11.权利要求1所述的电池，在第一壳体和第二壳体之间还包括至少一个密封层。
12.权利要求11所述的电池，其中至少一个密封层包括位于第一壳体的壁的端部和第二壳体之间的第一密封层。
13.权利要求11所述的电池，其中至少一个密封层包括位于第二壳体的外壁和第一壳体的壁之间的第二密封层。
14.权利要求13所述的电池，其中第二密封层是粘结剂。
15.权利要求14所述的电池，其中粘结剂是环氧封装化合物。
16.权利要求1所述的电池，其中第一壳体包括所述壁端部上的突出部。
17.权利要求1所述的电池，其中电池是金属-空气电池。
18.权利要求1所述的电池，其中电池是锌-空气电池。
19.权利要求1所述的电池，其中电池是棱柱体。
20.权利要求1所述的电池，其中电池的形状是矩形棱柱体。
21.权利要求1所述的电池，其中壳体包括热塑性聚合物。
22.一种组装电池的方法，该方法包括(a)将阴极放置在带有壁的第一壳体中；(b)将阳极材料放置在第二壳体中，所述第二壳体包括带有一定高度的外壁和高度小于外壁且与外壁分隔开的内壁；并且(c)将第一壳体和第二壳体密封在一起，从而在第二壳体的外壁和内壁之间接收第一壳体的壁。
23.权利要求22所述的方法，其中步骤(c)包括紧压壳体，从而将阴极紧压在第二壳体内壁的端部上。
24.权利要求22所述的方法，还包括将密封剂放置在第二壳体内壁的端部上。
25.权利要求22所述的方法，其中第一壳体的壁的端部具有突出部。
26.权利要求25所述的方法，其中突出部是能量引导部。
27.权利要求26所述的方法，其中步骤(c)包括将突出部焊接到第二壳体上。
28.权利要求27所述的方法，其中将突出部焊接到第二壳体上的方法包括超声焊接。
29.权利要求22所述的方法，其中步骤(c)包括将密封层放置在阳极内壁的端部上。
30.权利要求22所述的方法，其中步骤(c)包括将密封层放置在第一壳体的壁和第二壳体的外壁之间。
31.一种外壳，包括带有壁的第一壳体；和带有一定高度的外壁和高度小于外壁的内壁的第二壳体，其中第二壳体的外壁和内壁隔开，以接收第一壳体的壁。
32.权利要求31所述的外壳，其中第一壳体的壁环绕整个第一壳体的外围延伸。
33.权利要求31所述的电池，其中第二壳体的外壁环绕整个第二壳体的外围延伸。
34.权利要求31所述的电池，其中第二壳体的内壁环绕第二壳体延伸。
35.权利要求31所述的外壳，其中第一壳体包括所述壁端部上的突出部。
36.权利要求31所述的外壳，其中外壳是棱柱体。
37.权利要求36所述的外壳，其中外壳是矩形棱柱体。
38.权利要求31所述的外壳，其中外壳包括热塑性聚合物。
39.权利要求31所述的外壳，在第一壳体和第二壳体之间还包括至少一个密封层。
40.权利要求39所述的外壳，其中至少一个密封层包括位于第一壳体的壁的端部和第二壳体之间的第一密封层。
41.权利要求39所述的外壳，其中第一密封层是超声焊接密封层。
42.权利要求39所述的外壳，其中至少一个密封层包括位于第二壳体的外壁和第一壳体的壁之间的通道中的第二密封层。
全文摘要
一种电池外壳，包含带有壁的第一壳体和带有一定高度的外壁和高度小于外壁的内壁的第二壳体，其中第二壳体的外壁与内壁隔开以接收第一壳体的壁。在第一和第二壳体之间可包括一个或两个密封层。
文档编号H01M2/02GK1395748SQ01803685
公开日2003年2月5日 申请日期2001年1月12日 优先权日2000年1月13日
发明者约翰·D·维茨格留特, 克里斯托弗·S·皮蒂茨尼 申请人:吉莱特公司