专利名称：高电极界面面积的电池组的制作方法
背景技术：
本发明涉及电化学电池的电池组，尤其涉及其正负电极间界面面积增大的电池。
装有电化学电池的电池组用于作为电器能源。一种理想的电池组应当是不论其功率大小、温度或操作条件如何，都是便宜的，放电容量不受限制的。它也还应当储存期不受限制，所有条件都安全，而且用户是不可能误用或机械损伤的。尽管这种理想的电池组是不可能的，但电池组制造商们仍在继续设计能更接近这种理想的电池组。对于实际电池组，在有关电池组性能的理想电池组特征中，也存在一些必须做出的折衷和妥协。因此，对以电池组供电的电器的要求是电池组和电池设计中的重要因素。例如，许多器件都有限制电池组或各电池组的型号和形状的电池组箱，而且电池组/各电池组放电特征都必须足以在期望使用条件下能使器件运行起来。
制造商们不断试图增大电器容量和特征数目。这就导致越来越要求电池组提供较大功率，而不致使电池组其它理想工作特性达到不能接受程度的牺牲，诸如长放电使用期(大容量)、长储存期、耐渗漏、和制造容易。对于用户可替换电池组的便携器件，要求增大功率的这种趋势是显而易见的。
实现电池组高容量和长放电使用期，是尤其对高功率要求高放电速率的挑战，因为电池组仅能输送其一部分理论容量，这部分(放电效率)还随放电速率提高而降低。有许多因素是对电池组和它们所装电池的放电效率有影响的。一个因素是电极间的界面面积。增大界面面积一般对电流密度、内阻、浓差极化、及其它能影响放电效率的特征都有好影响。但是，增大界面面积通常造成活性材料减少和理论放电容量降低的损失。在增大界面面积电池的设计中，最好的是，尽量减小活性材料必要的减少、减少惰性组分、和减少本身并不改善性能的昂贵材料、以及导致理论容量的降低或相反地抵消改良的任何其它变化。
某些用户的电池组采用特别很适合高功率场合的活性材料及/或电解质。其实例包括锂原电池组和可再充电(二次)的镍/镉电池组。这些电池组常常利用较昂贵的材料，对输送有特殊要求，或增加了对废弃电池组处置环境的关注。因为对于高速/高功率的应用，高界面面积一般是优选的，这些电池组常常具有螺旋卷绕的电极设计。但是，这些设计通常由于隔膜和集流器而占据更多内体积，而一般比轴心设计的制造更难和更昂贵。
采用碱性锌/二氧化锰电池组，可以解决这些问题，只要这种器件不超过其功率要求。对于改善碱性电池组的高功率容量，使之适宜作为功率较高的器件的能源，仍然需要。
对于轴心型结构的圆柱形碱性Zn/MnO2电池，可以通过增大电极界面面积，改善其高速放电性能。这种典型工业电池其正电极被置于紧靠着电池外筒的位置。这种正电极(阴极)基本上是中空圆筒形的，其内表面圆而平滑，隔膜和负电极(阳极)被置于其内。可通过改变正电极内表面，使之不再平滑，而增大电极界面面积。对此有一种简便方法，使正电极表面起皱，其沟纹纵向行驶(即平行于正电极装配到电池外筒中时的电池外筒侧壁)，可与一般使用的电池制造工艺匹配。一般，其表面积越大，高速放电性能越好。如果一般降低阴极厚度，也可进一步改善高速放电性能，因为这样将易于减小正电极的极化。
为了增大电极界面面积，改善碱性电池组高功率容量，已有过许多早期的努力。可以在US 5,869,205、6,074,781和6,342,317中找到实例。但是，这些参考例都有一项或多项以下缺点。
当集流器支架必须延伸至各同极性电极中时，电池制造困难。这意味着各集流器支架必须用多电极中的一个电极加以调整，要求使电池和集流器定向。此外，当需要多个集流器支架时，为使集流器总体积增加，与满足单个集流器支架的电池设计相比，则必须减小活性材料的体积。
采用呈条带或片状的一般隔膜材料(如聚合薄膜和编织或无纺纸或织品)可能不切实际，因为难以制造与阴极中空腔表面一致的隔膜。甚至对一个电极的界面，应用喷涂隔膜可能也是困难的。尖角和非直立界面也造成它难于在制造所需的高速下使阳极完全充填该空腔。
当采用使第一电极中的活性材料至第二电极界面构成最大距离的方法使放电效率最大化时，所得第一电极形状可能引起电池生产过程中的各种问题(1)难以插进隔膜，以使第一电极整个界面被隔膜复盖，而不在电极和隔膜之间留下空隙，(2)难以保持隔膜靠着第一电极表面，从而在插入第二电极之前、之中或之后不使间隙扩展，和(3)防碍了高速电池装配过程中在第二电极和隔膜间形成气袋(air pocket)。这种电极形状也趋向于包括从电极表面延伸出的较易碎的叶瓣或突出部分，造成更可能在电极形成和输送过程中，以及在电池容器中组装电极和隔膜的过程中和之后断裂。
直径较小的电池(如AA/R6和AAA/R03号)对上述问题尤其敏感，因为制造较小型号的电极可提供和所必须的空间越来越有限。
由于上述原理，本发明目的在于提供一种电化学电池组电池，它便宜又易于制造，其容量大，在预期温度和操作条件下运行良好，储存期限长，安全可靠，而且由于用户误用或机械损伤不易发生故障。
本发明另一目的在于提供一种电池组电池，其高速/高功率放电性能改善，对理论容量、在中及低速下的放电性能、及其它理想电池组电池特征的不利影响最小。
提供一种高电极界面面积的经济的电池组电池，也是本发明的目的。
由于上述有关高电极界面面积的电池设计问题，本发明进一步的目的在于提供一种具有高电极界面面积的，经济、可靠的碱性锌/二氧化锰电池组电池，它具有轴心型电极结构，能够高速批量生产。
发明综述通过本发明电化学电池组电池达到了上述目的，克服了已有技术的上述缺点。本发明涉及一种电化学电池的电池组。这种电池包括一个带直立侧壁外壳、一个包括第一活性材料的第一电极、一个包括第二活性材料并被置于第一电极内的第二电极、一个被置于第一电极和第二电极间的隔膜、和一种电解质。第一电极和第二电极中至少一个电极包括一种固体、其表面限定一个其中放置第一电极和第二电极中另一个电极的空腔的表面。此空腔表面包括多个径向延伸的叶瓣，使在该固态电极体的表面上形成许多凹面区和凸面区，各凸面区半径不小于0.030英寸(0.76mm)，各凹面区半径不小于0.030英寸(0.76mm)。
本发明的一个实施方案可有第三电极，也包括一种固体。在这个实施方案中，第三电极可能是与第一电极极性相同，而且被置于第二电极内，以使第一电极和第三电极限定其内放置第二电极的空腔。第一电极包括该空腔的外表面，第三电极包括该空腔的内表面。在另一这种实施方案中，第三电极可以是与第二电极同样极性的，并被置于第一电极的外面，以使第二和第三电极限定其内放置第一电极的空腔。在这个实施方案中，第三电极包括该空腔的外表面，第二电极包括该空腔的内表面。
在本发明另一实施方案中，第一电极是一种固体，其外表面形状与外壳直立壁形状一致。第一电极的内表面具有向内径向延伸的叶瓣，使形成了凹面区。第二电极被置于第一电极中的空腔内，具有一个由第一电极和隔膜中的空腔形状所限定的外部形状在另一实施方案中，第二电极是一种固体、第二电极的外表面和外壳的直立壁限定其内放置第一电极的空腔。第二电极包括多个向外径向延伸的叶瓣，使在第二电极外表面上形成许多凹面区。第一电极的外部和内部形状分别由外壳直立壁的形状和由第二电极及隔膜的外表面外部形状限定。
在本发明的又一个实施方案中，第一电极包括一种其最低径向厚度为d2的固体。第一电极各叶瓣在处于基底与叶瓣末端之间垂直于叶瓣径向中心线的径向距离一半处有一径向距离宽度d1。比d1∶d2大于2.5∶1，但不大于8.1∶1。
本发明另一实施方案是一种电化学原电池电池组，包括一个带直立侧壁的外壳、一个包括含二氧化锰的第一活性材料的第一电极、一个包括含锌的第二活性材料的第二电极、一个被置于第一电极和第二电极之间的隔膜、和一种包括氢氧化钾水溶液的电解质。至少第一电极是一种固体，其内表面限定其中放置第二电极的空腔的表面。该空腔表面包括多个径向延伸的叶瓣，使形成许多凹面区和凸面区。各固体电极叶瓣有一凸面，其半径不小于0.030英寸(0.76mm)。凹面区宽度不随其基底对开口端的径向距离增加而增加。对于各第一电极叶瓣，叶瓣宽度对第一电极的最低径向厚度的比至少2.5∶1而不大于8.1∶1，(叶瓣宽度按第一电极表面上两点间距离测定，其各点作为对电池纵轴的径向距离是等于从纵轴至第一电极最外内表面的径向距离和从纵轴至第一电极最内内表面的径向距离的平均值)。
本发明的优点，是对具有高电极界面面积的电化学电池组电池的高速制造。这一点是在固态电极体的凹区界面半径不小于0.030英寸(0.76mm)时实现的。这避免了拐角过紧以致在生产速度下不能完全插入或应用隔膜，或不能完全充填另一种电极材料。如果隔膜和另一种电极材料未被完全插进这些凹面区内，就可能出现间隙，增大电池的内电阻，增大别处电流密度和浓差极化，和降低放电效率。也可能有对电极间界面处隔膜涂层的损坏，或涂层不均匀或不充分，这可能导致电池生产或使用过程中的不均匀放电或内部短路。避免拐角紧密也可以有助于在组装过程之中和之后保持隔膜和电极间的间隙不扩展。隔膜材料可能易于弹回到其早先的形状，这可能会在界面处不能精确符合电极形状，甚至对初期没有间隙的也会引起出现间隙。
对于各固体外电极叶瓣，当从径向中心线至叶瓣表面的垂直距离随对相邻叶瓣末端的径向距离增加而增加时，本发明的优点也可体现出来。在某种类似于上述的意义上，这也有利于电极和隔膜的组装，避免间隙和电池缺陷。
参考以下说明书、各权利要求项和附图，本领域技术人员将会对本发明的这些及其它特征，优点和目的有进一步理解和认识。
附图简要说明在附图中
图1是沿电池纵轴所取的常规电池组电池的横断面视图；图2是对图1电池组电池在II-II线段处所取的横断面视图。
图3是具有高电极界面面积的第一电池组电池的横断面视图。
图4是具有高电极界面面积的第二电池组电池的横断面视图。
图5是具有高电极界面面积的第三电池组电池的横断面视图。
图6是具有高电极界面面积的第四电池组电池的横断面视图。
图7是具有高电极界面面积的第五电池组电池的横断面视图。
图8是具有高电极界面面积的第六电池组电池的横断面视图。
图9是具有高电极界面面积的第七电池组电池的横断面视图。
详细说明这里除非另有定义外，在本说明书中所用字符的意义均应是如电化学电池组电池领域技术人员理解一样的正常意义。这里除非另作说明外，采用以下定义与关系″固态电极体″指的是一种电极，在组装到电池中后能保持其通过隔膜与电池另一电极相连接的表面的形状，而不用集流器、隔膜或其它电极支撑；固态电极体不包括凝胶电极；″内部″、″外部″、″内″和″外″是相对于电池纵轴的；如果电池是不对称的，纵轴在电极纵向末端处穿越垂直于电池纵向横断面区的中心；″叶瓣″指的是电极表面的一种突出部分，不包括电极表面由于部件材料性质、电极孔积率等的正常变异性；″径向中心线”指的是从电池纵轴并垂直于该纵轴放射的一条线；″界面″指的是通过隔膜与反向极性电极相邻的电极的表面，″界面面积″指的是这种界面的总面积，按固体电极测定(如果两个电极都是固体，两固体电极间的界面面积是两者中较大的一个；如果有第三电极存在，则电池的电极界面面积是该电池中反向极性电极间的界面面积总合)；”电极体积”是电极边界面内容纳的体积，包括电极中的小孔；”叶瓣基底”是叶瓣与相邻叶瓣相遇处的叶瓣部分；”叶瓣尖端”是远离叶瓣基底的叶瓣末端；”开口端”是处于形成其凹面区的各叶瓣尖端之间电极表面的凹面区部分；第一电极被径向置于在第二电极之外；第三电极，在存在时，可以是最内或最外的电极；附图所示外廓尺寸为r1-包括从电池中心至以下部分的径向距离当第一电极是固体时，从电池中心至第一电极最外的内表面的径向距离，而不论第二电极是否固体；当第二电极是固体而第一电极不是固体时，从电池中心至第二电极的最外的外表面的径向距离；r2-包括从电池中心至以下部分的径向距离当第一电极是固体时，从电池中心至第一电极叶瓣最内的内表面的径向距离，而不论第二电极是否固体；当第二电极是固体和第一电极不是固体时，从电池中心至第二电极最外的外表面的径向距离；d1-第一电极叶瓣宽度，按叶瓣表面上的两点间测定，为各距电池中心的径向距离(r1+r2)/2；d2-第一电极的最小径向厚度；R1a-第一电极内表面凹面部分的最小半径；R1b-第一电极内表面凸面部分的最小半径；R2a-第二电极外表面凹面部分的最小半径；R2b-第二电极外表面凸面部分的最小半径；w1-从第一电极的叶瓣中心线至该叶瓣表面的垂直距离；和w2-从第二电极的叶瓣中心线至该叶瓣表面的垂直距离。
参照图1，其说明一种常规电化学电池组电池10。电池10包括一个外壳，包括一个带有侧壁的电池外筒12，一个封闭底端14和开口顶端16。第一接线柱盖18被焊接或另外连接在电池外筒底14上。另外，可以把电池外筒底14制成包括接线柱盖18的形状，使之起第一接线柱作用和免去单独盖的必要。对电池外筒开口顶端16装配的是一个带有第二接线柱盖30的盖与密封组件。可沿电池外筒侧壁12的外表面，形成一个塑料膜标签20或其它护套。标签20可延伸越过第一和第二接线柱盖18和30的圆周边缘。使第一(外)电极22形成于电池外筒内表面附近。第一电极22是直接与电池外筒部分接触的，电池外筒起第一电集流器作用，构成第一电极22与接线柱盖18之间的电连接。第二(内)电极26被置于第一电极22中的空腔内，在第一电极和第二电极22和26之间有一个隔膜24。第二集流器从第二接线柱盖30延伸进入第二电极26，以构成第二电极26和盖30间的电连接。密封环32被置于电池外筒的开口端16，使电极材料和电解质包含在电池外筒内。内盖34构成对密封32的压缩支撑，以达到阻止材料从电池10渗漏所需的程度。密封32也使第二接线柱盖30与电池外筒侧壁12电绝缘。
图2是对图1电池10在II-II线段处所取的横断面视图。在一般碱性锌/二氧化锰电池中，第一电极22包括一种固体。第一电极22为一其内表面一般平滑的圆筒形。第一电极22外表面一般与电池外筒侧壁12的内表面形状一致。第一电极22的外表面可以是与电池外筒侧壁12直接接触的，或它可以是例如用一片电绝缘膜隔开而远离侧壁的。第一电极22也有一个内表面，它限定一个空腔。第二电极26被置于此由第一电极22内表面所限定的圆筒形空腔内。隔膜24被置于第一电极22和第二电极26之间，如图1所示。在一般碱性锌/二氧化锰电池中，第二电极26不是固体，而是包括一种可流动材料，诸如一种液体或凝胶，而且必须将其插进第一电极22和隔膜24之后的电池中。
图3是一种类似于图2的横断面视图，但其电化学电池组电池110的电极界面面积被增大。电池110的第一电极122包括多个向内径向突出的叶瓣123，而不是如常规电池10的第一电极22那样有平滑圆筒形内表面。与其中第一电极22内表面为圆形横断面的电池10不同，电池110的叶瓣123起增大第一电极122内表面的周边长度的作用。这样增加了第一电极122的内表面面积，此处它通过隔膜124与第二电极126连接。相邻叶瓣123构成第一电极122内表面中的凹面区。第二电极126的外部形状一般由第一电极122的内表面与隔膜124结合的形状所限定。在第二电极126属于固体的实施方案中，第二电极126具有多个径向向外延伸的叶瓣127。
当第一电极122是固体时，各叶瓣123外廓尺寸可相同，如图3所示，或叶瓣123可有不同的形状及/或尺寸。第一电极122的相邻叶瓣123之间的各凹面区包括至少一种半径R1a。图3说明叶瓣123之间各凹面区中同样尺寸的单一半径R1a，但在其它实施方案中，此凹面区可各包括一种以上的半径R1a。无论在各第一电极凹面区中半径R1a的数字多少，半径R1a都不小于0.030英寸(0.76mm)。这有利于隔膜124和第二电极126二者完全插入叶瓣123之间的凹面区中，而不损伤隔膜124或叶瓣123，在隔膜124和电极122及126之间也不形成间隙，甚至在高速装配工艺中。当半径R1a不小于0.060英寸(0.76mm)时，甚至生产变得更方便。同样，当第二电极126是固体时，第二电极126包括许多叶瓣127，它们可能具有相同外廓尺寸或具有不同的形状及/或大小，而且在第二电极126的相邻叶瓣127之间构成许多凹面区。
各叶瓣123都有一个从电池110纵轴36延伸径向中心线。垂直于该径向中心线的从径向中心线至第一电极122内表面的距离w1，随对纵轴36的径向距离增加而增加。这也有利于隔膜124和第二电极126完全插进相邻第一电极叶瓣123之间的凹面区中。
图4显示增大了电极表面面积的另一种电池，它类似于图3中的横断面。图4中的电池210类似于图3中的电池110，但不同的是第一电极和第二电极222和226的大小和形状，其对应的叶瓣223和227和隔膜224。在电池210中，叶瓣223的凸出端的半径R1b，与电池110的相比，已经显著增大。电池210的半径R1b至少0.030英寸(0.76mm)。这进一步有利于隔膜224的组装，避免了隔膜224和电极222及226之间的间隙，而且避免了对隔膜224和叶瓣223两者的损伤。当半径R1b为至少0.060英寸(1.52mm)时，进一步有助于电池生产。如同图3中的实施方案那样，所有第一电极叶瓣223可以具有相同的外廓尺寸，或叶瓣223可有不同的形状及/或大小。尽管电池210电极界面面积比电池110的有所降低，但这样的表面积降低可能是必要的，以便以可接受的速度大批量生产制造优质可靠的电池。
在图4所示实施方案的另一种改变中，第二电极226是固体，第一电极222不是固体。第一电极222在第二电极226和隔膜224之后被插入外壳中。在又一改变中，两电极都是固体。任一电极都可能被先插入电池外筒中，或两者一起插入，在它们之间还带有隔膜224。
当第二电极是固体时，第二电极226的外表面和电池外筒直立壁12的内表面限定了其中放置第一电极222的空腔。第二电极226包括多个向外径向延伸的叶瓣227。各叶瓣末端至少有一种半径R2b。相邻叶瓣227在第二电极226外表面上构成了许多凹面区。当第一电极222不是固体时，第一电极222的内部形状一般由第二电极226与隔膜224结合的外表面形状所限定。相邻第二电极叶瓣227之间的各凹面区至少有一个半径R2a，不论第一电极222是否是固体，各半径R2a是至少0.030英寸(0.76mm)。各叶瓣227都有一条径向中心线，从电池210的纵轴36延伸。垂直于径向中心线的，从径向中心线至第二电极226的外表面的距离w2，随纵轴36的径向距离增加而减小。叶瓣227和其间形成的凹面区可有相同的外廓尺寸，或它们可能有不同的形状及/或大小。
图5-9说明本发明又另一些其它实施方案。所有这些都类似于图3和4中的横断面。电池310、410、510、610、和710有第一电极，分别为322、422、522、622和722；第一电极叶瓣分别为323、423、523、623和723；隔膜分别为324、424、524、624和724；第二电极分别为326、426、526和726；和第二电极叶瓣分别为327、427、527、627和727。如电池110和210一样，或在电池310、410、510、610和710中一种电极或两电极均可能是固体。
尽管这些电化学电池组电池，如这里所示和所述，都是圆柱形的碱性电池，但也应该认识到，本发明的这些内容也可应用于各种大小和构型的其它电化系统的各种电池组电池。
以下都是适用于按照本发明设计电池的一般准则，不过也存在必须加以考虑的相互影响(1)负电极与正电极的体积比应该基于负电极正电极活性材料的所需理论容量之比。这一点通常是根据安全、渗漏及放电性能标准单独确定的。
(2)使对于最佳高功率/高速放电性能的电极界面面积最大化。
(3)由于电极界面面积增大而使高功率/高速放电性能的改进，将会因所需隔膜体积的增加和活性材料体积相应的降低而被抵消。
(4)如果固体电极必须被强化(如采用添加粘合剂或改变电极配方)，高功率/高速放电性能的改进也可能因活性材料体积的减小而被抵消。
(5)如果增大的电极界面面积超出了达到所需高功率/高速性能水平所必须的面积，容量将会较低，尤其在较低功率/较低速率放电下。
按照以上准则(3)，由电极界面面积增大所可能提高的高速放电容量会部分地因活性材料量减少而被抵消，因为增大了复盖电极界面面积所需的隔膜量(及体积)。在低放电速率下，增大隔膜体积的影响会明显得多，此刻放电效率好得多，而且电池中活性材料的数量是判定放电容量的一个更重要因素。随界面面积增加，在较低速率下的放电容量降低，因为由于活性材料体积减少造成的容量损失，大于由于界面面积增加及放电效率提高所得的低的容量增益。由于许多用户碱性电池用于各种器件中，使电池放电跨越一个宽的定额范围(如约20-1000mA及以上)，通常最好在增加表面积及增加隔膜体积之间取得一个平衡。对于不专门瞄准要求高功率放电器件的电池组类型，减少隔膜体积的增加也是较重要的。
本发明可采用各种隔膜类型及插入、组装及应用工艺。以下是在选择材料、形式和工艺方面的一般考虑。材料类型必须是一种使所要用的电化系统的电池适合于实现所设想隔膜的功能的。应该尽量使隔膜材料量减少，以构成可提供活性材料的体积量最大。可通过许多途径，使电极界面面积给定量的增大所需附加的隔膜量减到最小。应该使电池内隔膜中的弯折和隔膜中及隔膜与其它绝缘体间的重叠减到最少，而且这种隔膜应该是尽可能地薄的。这里有一些通过隔膜材料性质和对于制造及装配隔膜至电池中的工艺所施加的限制。例如，当隔膜由片材构成时，随界面增大第一电极的形状复杂性增加，可能会要求隔膜有更多的弯折。如果隔膜太薄，会出现穿越隔膜的短路电路，制造商们通常增加对常规电池中隔膜薄度及电极连接表面平滑的限制。随界面面积增加，在电池中隔膜必须与之相符合的电极边缘和较小半径，倾向于要求增大最小隔膜厚度。当第一电极中的空腔没有平滑圆形的形状时，隔膜和隔膜插入工具的余隙可能较小，由此提出了对选择适宜材料和工艺附加约束。尽管本发明不必要求特殊的隔膜材料、形式或用于组装、操作、或插进电池中(以下称隔膜组装)的工艺，但都必须考虑上述因素及其它优点和缺点。例如，如果隔膜材料是片型的，在预构成隔膜，使之与第一电极空腔形状匹配更紧密，并缩小隔膜插进电池之前隔膜的弯折体积，就会有一些优点和缺点。形成厚度十分均匀的隔膜(如，通过热成型的方法)，使与正电极中空腔形状匹配紧密，是另一种选择。在将第一电极放进电池外筒之前或之后，喷雾涂料至第一电极内表面上，又是另一种选择。
无论隔膜材料、形式、和装配工艺如何，都必须考虑在第一电极中对其必须放置隔膜并必须与之一致的空腔形状和外廓尺寸。通常这些有利于隔膜组装设计特点倾向于降低电极界面面积。例如，为使电极界面面积最大化，界面形状倾向于具有更多突出部分或叶瓣，在凸起或突出部分带有较锐尖角，在凹处或突入部分的半径较小，和在突起物间开口区较小。相反，对隔膜体积减到最小和有利隔膜组装的最佳条件，倾向于包括平滑表面，没有尖角，在界面可能所有的弯曲段的半径最大，和给装配、插入或应用隔膜提供最大余隙的开口区大。如设计最大界面面积和最小隔膜体积的那样，在最大化界面面积和选择隔膜材料和装配工艺之间必须取得一种平衡。
设计增大电极界面面积的电池的另一种考虑是，使隔膜和各电极之间达到密切接触，在界面处没有气袋或空隙。空隙可能导致空隙附近的电极中活性材料利用不完全，在较高速率的放电过程中尤其如此。隔膜和电极间的空隙，也可能导致至少一种电极的数量减少及/或小于电池中电极高度的最佳匹配。如果一个电极在空隙处针对隔膜施加作用力，空隙也可导致隔膜撕裂。有利于合适组装隔膜的同样因素也有助于避免空隙。
固体电极的可制造性和耐久性，也是在增大电极界面面积电池的设计中考虑的因素。复杂形状的成型更困难和昂贵，生产中也更难于控制。尖锐的突出物更易碎，在制造工艺过程中以及在电池输送和使用过程中，材料很可能被折断。电极中的薄区域，也使之更易碎和容易受折断。一般，有助于完全隔膜组装的电极界面形状的同一特征也有利于电极生产和组装。
考虑到上述关系，本发明电池组电池的电极界面面积增大和高速放电性能改善，对于生产是实际的，而在典型运载、处置、使用和误用条件下都是可靠的。在本发明一方面中，固体电极界面的任何凹面区的半径不小于0.030英寸(0.76mm)。在另一个方面，各叶瓣凸面半径均不小于0.030英寸(0.76mm)。在另一个方面，叶瓣从基底至尖端宽度没有增大；这些叶瓣从基底至尖端宽度可能不断地减小。这些特征的每个都有助于电极可制造性、电极耐久性和隔膜的组装，但对可能实现的最大电极界面面积都给出了一个极限。
一般，这些包括对电极、电解质和集流器的，对于常规电池获得高速和高功率下良好的放电性能被认为是适宜和优选的组合物和材料，在按照本发明制造电池中，都将倾向于被认为是适宜的和优选的。
如上所论，为增加界面面积，那些带有突出物或叶瓣的电极一般比图1和2中电池10的那些更易碎。有些电池的固体电极由于其所用材料性质而具有高的强度和结构完整性。对于另一些，固体电极强度和结构完整性较低。当这些固体电极含有离散微粒的混合物时，它们就比活性金属和材料被烧结一起的实心板材更易碎。许多因素都可能有助于这些电极的强度，其中各种电极均可加以改进，使之电极强度提高。这一点用以下含水碱性电解质的Zn/MnO2电池如LR6/AA型电池的实例加以说明。所披露的原理也可以用于其它类型电池，本发明的电池及其它电池二者，其固体电极包括粒状材料的混合物。
普通碱性Zn/MnO2电池的阴极，包括MnO2活性材料与石墨微粒的混合物，它用于增大电极的导电率。MnO2通常是电解二氧化锰(EMD)。适宜碱性电池EMD级可由Kerr-McGee Chemical Corp.(Oklahoma City，OK，USA)公司获得和由Erachem Comilog，Inc.(Baltimore，MD，USA)公司获得。优选地，EMD是一种高电势EMD(pH-电压至少0.86伏特)，其含钾量小于200ppm，如公开于2001年2月1 5日的国际专利公告WO01/11703A1所披露。石墨可以是一种碱性级石墨粉，一种膨胀石墨或其混合物。按照1999年1月6日公开的国际专利公告WO 99/00270，由Superior Graphite Co.(Chicago，IL，USA)公司可提供的是一种适宜的膨胀石墨。这种混合物一般也包括水(有或没有电解质盐)，也可能包括少量其它材料(一般小于2重量％)，一般以某些方式提高性能。这些性能增强材料的实例包括铌掺杂的TiO2和硫酸钡，如国际专利申请WO 00/79622 Al所披露。
适合于使用的碱性电池阴极混合物应具有足够结合一起的强度，而不致在生产、运载、存储和使用过程中在阴极表面上形成大量松散电极材料。可通过许多途径，单独的或组合的方法，使碱性电池阴极强化。增大最小阴极厚度将会使阴极更强。
在某些电池中，对阴极混合物加入粘合剂，以增强阴极。粘合剂也可具有某些理想附加特性。例如，在形成阴极时，粘合剂可起一种润滑剂的作用，或可留住电池中的电解质，促进放电过程中的离子迁移率。一般，使用最小量的粘合剂，以便活性及导电材料量最大化。当使用粘合剂时，粘合剂一般包括约0.1-6重量％，更一般包括0.2-2重量％的正电极混合物的固体成分。对于碱性Zn/MnO2阴极的适宜粘合剂，包括单体和聚合物材料，诸如丙烯酸、丙烯酸盐、四氟乙烯、硬脂酸钙、丙烯酸/钠磺酸盐共聚物、和苯乙烯与丁二烯，异戊二烯，乙烯亚丁基，和乙烯丙烯中的一种或多种的共聚物。可以单独地或组合地使用各粘合剂材料。已经发现CARBOPOL940(一种来自B.F.Goodrich公司的100％酸型丙烯酸)、Coathylene HA 1681(来自Hoechst Celanese公司的一种聚乙烯)、KRATONG1702(来自Kraton Polymers Business公司的，苯乙烯、乙烯和丙烯的一种二嵌段共聚物)、聚(丙烯酸-共-钠4-苯乙烯磺酸盐)被发现可构成良好的电极强度。混合粘合剂，诸如CARBOPOL940和TEFLONT30B或TEFLON6C的一种混合物(来自E.I.du Pont deNemours&Co.公司的四氟乙烯类)可能有利。当采用这些材料的两种为混合物时，CARBOPOL对TEFLON的重量比1∶4-4∶1是有利的。一般在这个范围内这个比越高，阴极越强。例如用CARBOPOL对TEFLON的重量比3∶1而非比1∶1或1∶3时，这种阴极更强。当采用CARBOPOL/TEFLON的混合物时，阴极中粘合剂含量可以是约0.2-2重量％，优选地是0.2-1重量％，按阴极混合物中的固体未溶解的组分计。
这种阴极也可通过对阴极表面涂布涂料的方法，使之增强。适合作为粘合剂的材料可用于这个目的。这种涂料可在某种程度上渗透到阴极中，进一步键合表面下的阴极材料。这种涂料也可趋向于吸收电解质，有助于保持放电过程中阳极/阴极界面润湿。这种涂料在某种程度上也可起隔膜材料的作用，使隔膜和阴极间的机械接触改进。聚(丙烯酸-共-钠4-苯乙烯磺酸盐)具有所有这些优点。
混合物中的水量，一般约1.5-8.0％，按成型之前碱性电池阴极中固体、未溶解成分重量计，对电极强度有影响。用于构成冲击成型阴极的一般范围是6-8％。用于环成型的一般范围是1.5-6％，用2-4％可提高强度同时保证良好阴极成型。
阴极混合物中充填的固粒百分率也是阴极强度中的一个因素。充填固粒百分率，以固体组分的总合(重量/密度)除以所形成的阴极实际体积的方法确定。对于典型碱性电池圆柱形阴极，其充填率可在约60-80％的范围。高充填含量提供更多的活性材料，但由于水含量较低和电池中离子迁移率较差，高速放电下的效率较低。尽管较低充填含量对高速放电容量最大化是所希望的，但高充填含量对阴极强度最大化是所希望的。固粒充填率一般约70-79％，在冲击成型阴极中72％是最典型的，在环成型阴极中75-79％是最典型的。阴极强度一般随固粒充填率的增大而提高，但对利用高速工艺制造电池，工艺考虑可引入附加约束。许多因素可影响固粒充填。包括有组分材料的特性，诸如真密度、粒内孔隙率、比表面积和粒度和形状分配；阴极形成过程中混合物中的水量；阴极形成过程中所施加的作用力；所用成型工艺；和各固体组分的数量。可以采用电解二氧化锰(EMD)作为MnO2，可以采用膨胀天然石墨作为这种石墨。在形成阴极过程中所施加的作用力将随成型方法(如环成型或冲压成型法)、阴极混合物的组成、阴极的大小及形状和所需固粒充填率而变化。一般，成型作用力越大，阴极强度越大，直至可实现的最大固粒充填率。
一般环绕电池纵轴对称地形成碱性电池阴极；但是，它们可以是非对称的，或有意或由于生产过程易变性结果造成的。因此，对于电极形状沿纵轴为非对称的情况，在单个叶瓣、凹面区和凸面区中可应用本发明。本发明有利应用各种叶瓣、凹面区、和凸面区基底。同样，在电极形状沿纵轴变化情况下，本发明可应用法向于纵轴的单个横断面；本发明有利应用于电池中的各个这种横断面。
形成碱性电池阴极有两种普通方法，环成型法和冲压成型法。在环成型法中，形成一个或多个(通常3-5个)环，然后将其堆叠插进(一个环在另一环的顶上)电池外筒中。电池外筒和阴极之间的良好实体及电接触是所希望的。为实现这一点，可以使环外径略大于电池外筒的内径，以形成紧配合，或可以使环略小于电池外筒，以有利于插入，此后通过对内侧及/或顶面施加作用力对这些环略加变化，从而使冲模阴极混合物紧靠电池外筒。在冲压成型中，将所需数量的阴极混合物放进电池外筒底上，用插到电池外筒中心冲头，使之成型到所需尺寸。两种方法均各有优点和缺点。在某些电池中，环成型阴极产生的高速放电容量比冲击成型阴极的更好。但是，必须在成型和插入电池外筒之间传送这些阴极环，一般要求成型的阴极强度比对冲压成型所要求的更高。在制造电极界面面积较大的电池中，环成型工艺可能有另外一些缺点。因为所形成的电极一般比常规电池诸如图1和2中的电池10更易碎，其它增强电极的手段可能是必要的，如上所讨论的那样。如果电池中有多层堆叠的电极环，则可能有必要使所有的环定向，以使表面与另一电极(如阳极)一致，增加了电池生产过程的复杂性。
冲击成型阴极是在电池外筒内被成型的，不必单独地处理，所以所要求的强度一般比环成型阴极的低得多。这样在选择形状使之电极界面面积最大化方面，能够给电池设计师提供更大的自由度。也可以减少或免除用会对电池放电容量产生不利影响的诸如添加粘合剂方法来增强阴极的要求。
碱性Zn/MnO2电池的阳极通常包括凝胶化锌微粒的混合物。锌可以是粉末或碎片型的，或两种的组合。包括铋、铟和铝的未汞齐化锌合金可以是有利的。锌粉，优选地是d50约110微米的，可由Umicore(Brussels，Belgium)公司获得，锌碎片(如5454.3级的)可以由Transmet Corp.(Columbus，OH，USA)公司获得。阳极也包括水、氢氧化钾电解质和一种胶凝剂。100％酸型的丙烯酸，诸如来自B.F.Goodrich SpecialtyChemicals(Cleveland，OH，USA)公司的CARBOPOL940是一种普通胶凝剂。也可对阳极混合物及/或电解质添加少量其它材料，使电池中的气体发生减到最小及/或增强放电性能。这些材料的实例包括In(OH)3、ZnO和硅酸钠。
在完工的电池中，电解质中总KOH浓度一般为约36-40重量％。这个范围的下限部分可能是对于良好高速/高功率放电性能所希望的。
可以用任何适宜方法，将本发明碱性Zn/MnO2电池的阳极插入电池中。这种阳极，当将它放入电池中时，可以是可流动的，通过重力流动，将其充填至阴极和隔膜的空腔中。对阳极也可在压力下如通过挤出的方法，将其分布到电池中。这可能易于充填阳极空腔更完全，不过对隔膜可能有损害增大的危险，尤其如果在阴极的隔膜和界面表面之间存在空隙。
在本发明另一实施方案中，如上述实施方案中所述，第二电极而非第一电极，可以是固体电极。在这种实施方案中，可能必须要对装配电<p>表3
从表2、表3可知实施例1-13的二次电池，活性物质密度、能量密度和充放电循环寿命都较比较例1-7高。
对此，仅用锂镍钴复合氧化物作为正极活性物质的比较例1的二次电池，其充放电循环寿命明显短。正极活性物质中的锂镍钴复合氧化物的含有量在50重量％以下的比较例2的二次电池，以及仅用锂钴复合氧化物作为活性物质的比较例7的二次电池，虽然放电时的平均工作电压高，但是充放电循环寿命短。
(DC50/DC10)和(DC90/DC50)偏离1.4-2的范围的比较例3、4的二次电池、以及(DN50/DC50)偏离1.5-2.5的范围的比较例5、6的二次电池，活性物质密度、1C容量、能量密度和充放电循环寿命都较实施例1-13低。
在上述实施例中，对使用了由LiCoO2粒子和LiNi0.81Co0.19O2粒子的2种类粒子构成的正极活性物质的例子进行了说明，但是作为正极活性物质，只要能改善充放电循环寿命，还可以使用在LiCoO2粒子和LiNi0.81Co0.19O2粒子中混合如LiMn2O4那样的其<p>
尽管表1中的电池是LR6/AA号电池，但本发明也适合于使用其它电池型号，包括LR03/AAA、LR14/C和LR20/D号。对于这些型号电池，典型电池外筒内径(和阴极外径)在约10-35mm范围，与LR6/AA电池约12.7-14.0的相似。一般，在对阴极直径较大的电池的设计中，有更大的自由度。例如，有可能通过增加电极表面上叶瓣数的方法，增加电极界面面积。对于叶瓣的数有一个极限，使有可能不致构成无助于高速生产的表面。可用于按照本发明的电池的叶瓣数随阴极外径增加而增大。例如，对于LR03/AAA电池，难以生产有3个以上叶瓣的电池，而对于LR20/D电池，生产6个以上叶瓣的都是可能的。
在按照本发明制造电池中，阴极的最小径向厚度(d2)一般小于诸如图2中电池10阴极的径向厚度。如果d2太大，增大电极界面面积到足以使高速放电效率明显提高的程度，就会减少对阳极可提供的体积，达到其理论输入容量将会太小及/或阳极对阴极的比将会超出安全要求范围的程度。如果d2太小，则阴极将会太易碎。一旦确定了d2，就必须选择从电池中心至叶瓣末端和基底的径向距离(分别为r2和r1)，以使界面面积有足够的增加，而不要求过多的附加隔膜或产生太难以组装隔膜并完全分布阳极至电池中的形状。在LR6/AA号电池中，d2至少0.40mm有利，但不超过1.20mm；r2至少3.20mm有利，但不超过3.70mm；r1至少5.60mm有利，但不超过6.30mm。
对于本发明LR6/AA电池，一般电极界面面积对阴极体积的比为约0.45∶1mm3-0.60mm2∶1mm3，以约0.49∶1mm3-0.60mm2∶1mm3有利。如果此比过高，则电池生产会困难。如果它太低，则超过界面上无叶瓣的电池的界面面积的增大将会较小。
为使放电效率最大化，应当最好使整个阴极对阳极界面具有非常均匀浅薄的阴极深度。要生产具有这种形状的阴极以及类似于图2中电池高的界面面积的电池，将是很难的，如上所披露的那样。因此，生产考虑将会对距离阴极界面的阴极深度均匀性提出实际的限制。从基底至尖端的均匀叶瓣宽度和比d1∶d2约为2∶1，对于最大化放电效率将是理想的。如上所述和图3-9所说明的，实际生产的电池并无均匀的叶瓣宽度。这些电池通常d1∶d2比为至少2.5∶1。比d1∶d2至少为3.0∶1的电池更易于制造，而且比至少4.0∶1的电池甚至更易于生产。因为冲击成型阴极不必传送至电池外，可使d2小于冲击成型电池中的，而且d1∶d2≥6.5乃至≥7.0的电池是实际的。如果d1∶d2大于8.1∶1，由于界面面积增大而获得的高速放电的改进可能被抵消而超过所要求的，因阴极放电不均匀。
根据以下实施例，说明本发明的特征和优点。
实施例1用图1和2所示和上述设计，制造常规LR6/AA碱性Zn/MnO2电池。
将重量比17∶1的电解二氧化锰(EMD)和膨胀石墨、少量(各1重量％以下)的BaSO4和Nb掺杂的TiO2、7.8重量％的45重量％KOH溶液和1.6重量％的去离子水混合一起，制造阴极混合物。在内径0.528英寸(13.4mm)钢制电池外筒中冲击成型阴极。电池外筒厚度0.010英寸(0.254mm)，其外表面镀有镍，内表面涂石墨涂料。将标称10.8克的阴极混合物放入各电池中，将阴极成型为高度1.674英寸(42.52mm)和内径0.370英寸(9.40mm)的，其固粒充填率73.2体积％。此成型阴极的径向厚度是0.079英寸(2.01mm)，阴极内表面面积是1.946平方英寸(1255mm2)，阴极体积为0.1867立方英寸(3060mm3)。
在电池外筒内形成阴极之后，切割此隔膜，使形成大致圆筒形的形状，并将其插进由此阴极内表面和电池外筒底形成的空腔中。隔膜是由Nippon Kodoshi Corporation of Kochi-ken(Japan)公司提供的0.004英寸(0.10mm)厚级的VLZ 105制成，其长2.244英寸(57.00mm)，高2.165英寸(54.99mm)。沿其长度，围绕圆形心轴，卷滚此切割后的隔膜。在底部向内弯折该已成卷形的隔膜，使成筐形，覆盖并符合该阴极内表面的侧壁及底部和电池外筒底部。加热该成形的隔膜，以密封此隔膜层并保持其在插进电池的过程中的形状。
在将此成形的隔膜插进电池中后，对各电池加入1.19克的在去离子水中37重量％KOH，以浸透该隔膜。
将如下比例(所有百分率按重量计)的物质混合一起，制备阳极凝胶混合物69.00％锌合金粉末、0.44％胶凝剂、29.39％电解质溶液、0.02重量％In(OH)3、和1.15％0.1N KOH。此电解质溶液含40％的KOH(96.7％)、ZnO(3.0％)和硅酸钠(0.3％)。将6.04克的阳极混合物分布到各中隔膜的空腔中。
各电池中阳极对阴极理论输入容量的标准比是0.99∶1，按假设EMD的电子放电为1.33计。各电池(阳极、阴极和隔膜)中的标称总KOH浓度是37.3％。
将阳极集流器组装件放置到电池外筒开口端，然后放置负极接线柱盖，使电池封闭，阳极集流器组装件包括集流器钉、密封和盖。使此集流器组装件和接线柱盖固定就位，通过向内翻卷电池外筒顶部边缘并越过密封和接线柱盖的顶部，使此电池密封。
将正极接线柱盖焊接至电池外筒底部，并将一个标签放在电池外筒外面，延伸越过电池尾端，完成各个电池。
实施例2按实施例1中所述方式制造电池，不同的是在以下方面阴极断面形状相当于图4中电池210的阴极断面形状。表1汇总了各主要尺寸和尺寸关系(电池210)。因为与实施例1相比，电极界面面积增加，需要更多隔膜。切割的隔膜长3.07英寸(77.97mm)，高2.165英寸(54.99mm)，隔膜插入后添加的电解质量被增加到1.29克。
实施例3按实施例2中所述方式制造电池，不同的是在以下方面阴极断面形状相当于图5中电池310的阴极断面形状，电极外形尺寸是表1中对于电池310所示的尺寸。切割的隔膜长3.07英寸(77.97mm)，高2.165英寸(54.99mm)，隔膜插入后所添加的电解质量被增加到1.29克。
实施例4按实施例2中所述方式制造电池，不同的是在以下方面阴极断面形状相当于图9中电池710的阴极断面形状，电极外廓尺寸是表1中对电池710所示的尺寸。切割的隔膜长3.07英寸(77.97mm)，高2.165英寸(54.99mm)，隔膜插入后所添加的电解质量被增加到1.29克。
实施例5在21℃下，在1000毫瓦-1.0V范围使实施例1、3和4的电池连续放电。在21℃下，在1000毫安-1.0V范围使实施例1、2和3的电池连续放电。结果汇总于下表2中。用实施例1的对照电池表面积和持续时间，设定在100％，对阴极表面面积和放电持续时间归一(指数化)。
表2
如表2所示，阴极界面面积被增加超过了实施例1中常规电池的阴极界面面积，对于实施例2超过为43％，对于实施例3超过为28％，对于实施例4超过为37％。如以上讨论的，增加表面积的优点部分地被隔膜体积的增大和可插进电池中的活性材料量的相应减少所抵消。
实施例6按实施例2中所述方法制造电池，不同的是在以下方面阴极断面形状相当于图3中电池110的阴极断面形状，电极外廓尺寸是表1中对电池110所示的尺寸。发现有加工工艺问题。由于阴极叶瓣123末端的尖角，难以使隔膜124在拐角处与阴极内表面符合和保持在那里。结果，在这些区域的阴极123和隔膜124之间存在空间、或间隙，难以使所有阳极材料进入阳极空腔中，并减少了阳极/阴极有效界面面积。这些问题引起了标准电池的高故障率，这些电池放电容量未被测试。对于最佳结果，带尖锐端封的电极叶瓣电池使隔膜材料易于符合叶瓣表面。对于有弹性的隔膜材料(即易于弹回早先的形状)，诸如实施例1-4中所用的那些，圆形的电极叶瓣末端，尤其凸面半径不小于0.030英寸(0.76mm)的叶瓣，可用于避免在实施例6中观察到的加工工艺问题。当凸面半径不小于0.060英寸(1.52mm)时，进一步使加工工艺问题减少。
实施例7按类似于实施例3中电池制造方法，制造LR20/D号电池。阴极形状类似于图4中电池210的，具有以下标称尺寸r1＝0.549英寸(13.94mm)，r2＝0.316英寸(8.03mm)，d2＝0.090英寸(2.29mm)，R1a＝0.1505英寸(3.82mm)，R1b＝0.248英寸(6.30mm)，和阴极高度＝2.035英寸(51.69mm)。这样得到阴极体积1.421立方英寸(23.298mm3)和界面面积7.020平方英寸(4.529mm2)，或者说该界面面积为具有圆柱形阴极内径0.867英寸(22.02mm)的常规LR20/D号电池的界面面积的127％。即使实施例7中电池电极外廓尺寸没有被最佳化，而且形成隔膜不充分，但在隔膜和阴极之间阴极叶瓣基底留下了约0.05英寸(1.27mm)的间隙，这些电池在1000mA-1.0V下放电持续时间平均为常规电池的116％。
如上述实施例说明的那样，按照本发明制造的电池使高速放电持续时间提高，超过常规电池，避免了早先方法这样做的缺点。
实施本发明的人员和本领域技术人员都应当理解，对本发明可以构成各种改进和改良而不致偏离这里所披露概念的精神。所提供的保护范围由通过权利要求项和法律所允许的阐明广度加以判定。
权利要求
1.一种电化学电池组电池包括一个带有直立侧壁的外壳；一个包括第一活性材料的第一电极，；一个包括第二活性材料及被置于第一电极内的第二电极；一个被置于第一电极和第二电极间的隔膜；和一种电解质；其中第一电极和第二电极中至少一个电极包括一种固态电极体；第一电极和第二电极中至少一个电极具有限定其中放置第一电极和第二电极中另一个电极的空腔的表面；此空腔表面包括多个径向延伸的叶瓣，使在此固态电极体的表面上形成许多凹、凸面区；各凸面区半径不小于0.030英寸；和各凹面区半径不小于0.030英寸。
2.按照权利要求1定义的电池，其中各凹面半径不小于0.060英寸。
3.按照权利要求1定义的电池，其中第一电极和第二电极中仅一个电极包括固态电极体。
4.按照权利要求1定义的电池，其中第一电极和第二电极两者均包括固态电极体。
5.按照权利要求1定义的电池，其中该电池包括第三电极，此第三电极的极性与第一电极的极性相同，第一电极和第三电极两者均包括限定其内放置第二电极的空腔的固态电极体，第一电极包括此空腔的外表面，第三电极包括此空腔的内表面。
6.按照权利要求5定义的电池，其中第三电极包括多个径向延伸的叶瓣，使在空腔内表面上形成许多凹面区。
7.按照权利要求1定义的电池，其中该电池包括一个第三电极，此第三电极的极性与第二电极的极性相同，第二和第三电极二者均包括限定其内放置第一电极的空腔的固态电极体，第三电极包括此空腔的外表面，第二电极包括此空腔的内表面。
8.按照权利要求7定义的电池，其中仅第二电极包括多个径向延伸的叶瓣，使在该空腔外表面上形成许多凹面区。
9.按照权利要求1定义的电池，其中第一电极包括有最小径向厚度d2的一种固体；第一电极各叶瓣厚度d1，按第一电极表面上两点间测定，两点各对电池纵轴的径向距离等于从电池纵轴至第一电极最外的内表面的径向距离和从电池纵轴至第一电极最内的内表面的径向距离的平均值；和比d1∶d2大于2.5∶1，但不大于8.1∶1。
10.按照权利要求9定义的电池，其中d1∶d2是至少3.0∶1。
11.按照权利要求9定义的电池，其中d1∶d2是至少4.0∶1。
12.按照权利要求11定义的电池，其中第一电极包括单一固体，和d1∶d2是至少6.5∶1。
13.按照权利要求9定义的电池，其中第一和第二活性材料中的一种包括二氧化锰，第一和第二活性材料中的另一种包括锌，和此电解质包括一种氢氧化钾水溶液。
14.按照权利要求1定义的电池，其中第一电极包括一种有外表面和内表面的固体；第一电极外表面的形状与外壳直立侧壁形状一致；第二电极被置于第一电极中的空腔内，其外部形状由此空腔和被置于第一电极和第二电极之间的隔膜的形状限定；和第一电极包括多个叶瓣，各叶瓣向内径向延伸，并在第一电极内表面形成许多凹面区。
15.按照权利要求14定义的电池，其中此电池是一种原电池，第一活性材料包括二氧化锰，第二活性材料包括锌，和该电解质包括一种氢氧化钾水溶液；由第一电极叶瓣形成的各凹面区具有一条从电池纵轴延伸的径向中心线，和垂直于此径向中心线从该径向中心线至相邻第一电极叶瓣的外表面的一个距离w1；和此距离w1不随对此电池纵轴径向距离增加而降低。
16.按照权利要求15定义的电池，其中距离w1随对电池纵轴径向距离的增加而增加。
17.按照权利要求15定义的电池，其中第一电极是正电极。
18.按照权利要求15定义的电池，其中电池是圆柱形的，第一电极的外径在12.7-14.0mm之间，包括12.7mm和14.0mm。
19.按照权利要求18定义的电池，其中电池是LR6号圆柱形碱性锌/二氧化锰电池，有一个纵轴、一个从纵轴至第一电极最外的内表面的径向距离r1、一个从纵轴至第一电极最内的内表面的径向距离r2、在第一电极最外的内表面和外表面之间的最小径向厚度d2。
20.按照权利要求19定义的电池，其中第一电极包括一堆叠的两个或更多个电极环；r1是至少5.60mm，不超过6.30mm；r2至少3.20mm，不超过3.70mm；d2至少0.40mm，不超过1.20mm。
21.按照权利要求14定义的电池，其中第一电极包括单一固体。
22.按照权利要求14定义的电池，其中第一电极包括一堆叠的两种或更多种固体。
23.按照权利要求1定义的电池，其中第二电极包括一种有外表面和内表面的固体；第二电极的外表面和外壳直立壁限定一个空腔；第一电极被放置于由第二电极的外表面和外壳直立壁所限定的空腔内，并具有由第二电极和被置于第一电极和第二电极之间的隔膜的形状所限定的内部形状，和具有由外壳直立壁的形状所限定的外部形状；和第二电极包括多个叶瓣，各叶瓣向外径向延伸并在第二电极外表面上形成许多凹面区。
24.按照权利要求23定义的电池，其中该电池是一种原电池，第一和第二活性材料包括二氧化锰，第二活性材料包括锌，和该电解质包括一种氢氧化钾的水溶液；由第二电极叶瓣所形成的各凹面区有一条从电池纵轴延伸的径向中心线，和垂直于此径向中心线从此径向中心线至相邻第二电极叶瓣的外表面的一个距离w2；和此距离w2不随对该电池纵轴径向距离的增加而增加。
25.按照权利要求24定义的电池，其中距离w2随对电池纵轴径向距离的增加而增降低。
26.按照权利要求24定义的电池，其中电池是一种LR6号圆柱形碱性锌/二氧化锰电池，有一个纵轴、一个从纵轴至第二电极最外的外表面的径向距离r1、一个从纵轴至第二电极最内的外表面的径向距离r2、和在第二电极最外的内表面和外表面之间的最小径向厚度d2。
27.按照权利要求26定义的电池，其中r1是至少5.60mm，不超过6.30mm；r2至少3.20mm，不超过3.70mm；d2至少0.40mm，不超过1.20mm。
28.按照权利要求24定义的电池，其中第二电极是正电极。
29.按照权利要求24定义的电池，其中该电池是圆柱形的，第一电极的外径在12.7-14.0mm之间，包括12.7mm和14.0mm。
30.一种电化学电池组电池，包括一个带有直立侧壁的外壳；一个包括第一活性材料的第一电极；一个包括第二活性材料和被置于第一电极内的第二电极；一个被置于第一电极和第二电极之间的隔膜；和一种电解质；其中此电池是一种原电池，第一活性材料包括二氧化锰，第二活性材料包括锌，和此电解质包括一种氢氧化钾水溶液；至少第一电极包括有一外表面和一内表面的一种固态电极体；第一电极的内表面限定一个其中放置第二电极的空腔的表面；此空腔表面包括多个径向延伸的叶瓣，各叶瓣具有一个基底和一个尖端，使在第一电极的表面上形成许多凹面区和凸面区；各凸面区有一个表面，其半径不小于0.030英寸；各凹面区有一个基底、一个开口端、一条从电池纵轴延伸的径向中心线、和一个垂直于此径向中心线的宽度；凹面区宽度不随沿其径向中心线从其基底至开口端的距离增加而增加；第一电极具有一最小径向厚度d2，各电极叶瓣具有一叶瓣宽度d1，按第一电极表面上两点之间测定，两点各距电池纵轴的径向距离等于从电池纵轴至第一电极最外的内表面的径向距离和从电池纵轴至第一电极最内的内表面的径向距离的平均值；和比d1∶d2至少2.5∶1，但不大于8.1∶1。
31.按照权利要求30中定义的电池，其中各凸面半径不小于0.060英寸。
32.按权利要求30定义的电池，其中d1∶d2是至少3.0∶1。
33.按权利要求30定义的电池，其中d1∶d2是至少4.0∶1。
34.按照权利要求33定义的电池，其中第一电极包括单一固体，和d1∶d2是至少6.5∶1。
35.按照权利要求30定义的电池，其中第一电极包括固体；由第一电极叶瓣形成的各凹面区具有一条从电池纵轴延伸的径向中心线，和垂直于该径向中心线的从径向中心线至相邻第一电极叶瓣的外表面的距离w1；和此距离w1不随对此电池纵轴的径向距离增加而降低。
36.按照权利要求35定义的电池，其中第一电极包括单一固体。
37.按照权利要求35定义的电池，其中第一电极包括一堆叠的两种或更多种固体。
38.按照权利要求35定义的电池，其中距离w1随对电池纵轴径向距离的增加而增加。
39.按照权利要求30定义的电池，其中第二电极包括固体；由第二电极叶瓣形成的各凹面区具有一条从电池纵轴延伸的径向中心线，和垂直于该径向中心线的从径向中心线至相邻第二电极叶瓣的外表面的距离w2；和此距离w2不随对此电池纵轴的径向距离增加而增加。
40.按照权利要求39定义的电池，其中距离w2随对纵轴的径向距离而减小。
全文摘要
按照本发明的一种电化学电池组电池具有高的电极界面面积，以增大高速放电容量，而且其电极形状有利于适应高速大规模生产中制造优质及可靠的电池。固体电极的界面表面具有径向延伸的叶瓣，增大了界面面积。这种叶瓣没有尖角，叶瓣间形成的凹面面积属于广开口的，有利于组装隔膜及插入其它电极至凹面区，而在隔膜与任一电极之间不留下空隙。
文档编号H01M6/08GK1682396SQ03822448
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月17日 优先权日2002年9月20日
发明者P·J·斯勒扎克 申请人:永备电池有限公司