锌/空气电池的制作方法

专利名称：锌/空气电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种优选具有包含锌的阳极和空气阴极的金属/空气电 池。本发明涉及具有单壳体即阳极罐的锌/空气钮扣电池。
背景技术：
锌/空气去极化电池典型地呈微型钮扣电池的形式，其尤其适于用作 包括可编程型助听器在内的电子助听器的电池。这种微型钮扣电池典型地
具有圆盘状圆柱体形状，其直径介于约4mm和20咖之间，典型地介于约 4咖和16咖之间，并且高度介于约2咖和9mm之间，优选介于约2鹏 和6mm之间
微型锌/空气钮扣电池典型地包括阳极壳体(阳极罐)和阴极壳体(阴极 罐)。阳极壳体和阴极壳体呈独立罐的形状，其各自具有封闭端、开口端、 和从封闭端延伸至开口端的整体侧壁。阳极壳体装有紧紧围绕阳极壳体侧 壁的绝缘密封环。阳极材料插入阳极壳体中。空气扩散体、电解质阻碍材 料和阴极组件均邻近阴极壳体中的气孔而插入阴极壳体中。然后，将阴极 壳体的开口端典型地套上阳极壳体的开口端，使得阴极壳体侧壁基本交搭 整个阳极壳体側壁，其间具有绝缘密封件。随后在第二步中通过将阴极壳 体的边缘巻曲在绝缘密封件和阳极壳体侧壁上而使阳极壳体和阴极壳体互 锁。巻曲步骤期间(或者在单独步骤中)，也可将径向力施加到阴极壳体 壁上，以确保阳极壳体和阴极壳体之间的严紧密封.
显示具有独立阳极壳体和阴极壳体(每个壳体均呈具有封闭端和相对 的开口端的"罐"的形式)的常规构型的代表性锌/空气钮扣电池示于例如 美国专利3, 897, 265、 5, 279, 905和6, 830, 847 B2中。如这些代表性专 利中的每一个所示，阳极罐和阴极罐各自具有封闭端和相对的开口端，其 间具有整体侧壁。在插入电池内容物之后，将阴极罐侧壁基本套上整个阳 极罐侧壁，其间具有绝缘密封环。将阴极罐侧壁的周边边缘巻曲到阳极罐侧壁的周边边缘上，其间具有绝缘密封环。这种构型设计用来生产耐用电
锌/空气钮扣电池的阳极壳体可填充包含粒状锌的混合物。锌混合物 典型地包含汞和胶凝剂，并且在将电解质添加到混合物中时变得胶凝。电 解质为常规氢氧化钟水溶液。阴极壳体的封闭端(当壳体与顶部的封闭端保 持垂直时)在其中心附近可具有平坦的凸起部分。该凸起部分形成正端子， 并且典型地包含多个穿过它的气孔。在这种设计中，阴极壳体封闭端还典 型地具有围绕凸起的正端子的环形凹进台阶。作为另外一种选择，阴极壳 体的封闭端可沿其直径完全平坦，即在其中心处没有任何凸起部分。在这 种设计中，阴极壳体封闭端的此类平坦区域的中部典型地形成电池的正端 子。在另一种情况下，钮扣锌/空气电池的阴极壳体的封闭端穿有一个或多 个小气孔以容许空气进入电池。此空气随后穿过空气扩散层(或空气扩散 体)以便到达阴极片。
空气扩散体材料通常由一片或多片空气可渗透纸或多孔纤维素材料组 成。这种可渗透纸或多孔纤维素材料允许进入的空气均匀地到达阴极组 件，并且也可用作吸墨纸以吸收可能渗透到空气入口空间中的微量的电解 质。空气扩散体通常均匀放置在介于阴极壳体的封闭端和阴极组件之间的 空气入口空间(充气空间)内。空气扩散体材料填充这种空气入口空间， 并且覆盖阴极壳体封闭端中的气孔。通常用于助听器装置的商用钮扣型锌/ 空气电池可仅仅具有一个气孔，也可具有多个小气孔，例如，取决于电池
尺寸，介于2个和6个气孔之间甚至更多。
可以将典型地包括粒状二氧化锰、碳和疏水粘合剂混合物的催化材料 压成片状，从而形成阴极组件内的阴极片。随后可将其内含有阴极片的阴 极组件在背离气孔的空气扩散体一侧插入到空气扩散体之上的阴极壳体 中。阴极组件典型地如下形成将优选为特氟隆(聚四氟乙烯)的一层电解 质阻碍材料(疏水的空气可渗透膜)层压到催化阴极片的一侧，并将电解 质可渗透(离子可渗透)隔板材料层压到催化阴极片的相对侧。然后，将 其内含有阴极片的阴极组件典型地插入到阴极壳体中，从而使其中部覆盖 空气扩散体，而电解质阻碍层的一部分抵靠台阶的内表面。成品电池中的 阴极片接触其周边附近的阴极壳体壁。阴极组件可具有平坦或常顶形形状。平坦阴极组件是优选的，因为它 们较容易制造并且较经济。具有平坦阴极组件的代表性锌/空气钮扣电池示
于美国专利5， 279， 905 、 U.S. 6, 602, 629 Bl和U.S. 6,830, 847 B2 中。
如果电池未充分密封，则电解质可在催化阴极组件周围移动并通过气 孔从阴极壳体渗漏。电解质渗漏也可发生在阴极罐的巻曲边缘和绝缘体之 间，前提是如果该区域未严紧密封的话。商业锌/空气钮扣电池的壁厚典型 地大于约0. 152咖(6密耳)，例如介于约0. 152咖和0. 381mm ( 6密耳 和15密耳)之间。当阳极壳体和阴极壳体具有非常薄的壁厚时，例如介 于约0. 0508咖和0.127鹏(2密耳和5密耳)之间时，发生渗漏的可能
性较大。如此低的壁厚是可取的，因为其可产生更大的电池内部体积。但 对于可将阳极罐和阴极罐的侧壁制造至多薄的程度而不牺牲电池的完整性
是存在限制的。
电池装配之后，将可移除插片放置在位于阴极壳体表面上的气孔上。 使用之前，移除插片以暴露气孔，从而允许空气进入并启动电池。
对于任何给定尺寸的电池，希望通过增大可用于在其中插入阳极材料 的阳极罐的内部体积来改进锌/空气钮扣电池的电池容量。
具体地讲，对于给定总电池直径和高度的任何锌/空气钮扣电池，希 望增大可用于在其中插入阳极材料的阳极罐的内部体积。
希望总体电池构造可产生具有可阻止电解质渗漏的、严紧密封的耐用 电池。
发明概述
本发明涉及一次的且不可充电的锌/空气电池，尤其是呈纽扣电池形 式的微型锌/空气电池。如本丈所用，术语"钮扣电池"是指高度与直径的 比率小于1.0的圆柱形电池。具有封闭端和相对的开口端且其间具有整体 侧壁的阳极罐用来容纳阳极材料，所述材料包括由锌粒、胶凝剂和碱性电 解质构成的浆料。按常规，此类钮扣电池也包括阴极罐以容纳阴极材料。 此类常规阴极罐在构造上与阳极罐类似，也就是讲它们呈具有封闭端、相 对的开口端和介于其间的整体侧壁的"罐"的形状。在现有技术的锌/空气
钮扣电池中，在将电池内容物填充到阳极罐和阴极罐中之后，将阴极罐侧壁套在且巻曲到阳极罐侧壁上，使得阴极罐侧壁交搭阳极罐侧壁，其间具 有绝缘密封材料。也就是讲，在常规锌/空气钮扣电池中存在绝缘密封材 料，所述材料邻接阳极罐側壁的外表面，使得其位于阳极罐侧壁和交搭它 们的阴极罐侧壁之间。
在本发明中，常规阴极罐已被"消除"并且被置换成了基本平坦的金 属支撑盘，其被插入且锁定在阳极罐开口端中的适当位置。金属支撑盘用 绝缘密封材料封闭阳极罐开口端，所述材料定位在金属支撑盘的周边边缘 和阳极罐的内表面之间。因此，实际上该电池壳体由单罐(即阳极罐)形 成，从而消除了常规阴极罐。由于在本发明中实际上只存在单外部壳体， 因此对于给定尺寸的电池，在阳极壳体内将存在更多的可用于阳极材料的 空间。这导致电池在放电时具有增大的电池容量。
优选地，金属支撑盘的外表面接触外部环境并且直接用作电池的正端
撑盘下面"位置中，使其面向金属支撑盘主体中的气孔。''
本发明的锌/空气电池理想地呈微型钮扣电池的形式，所述电池具有 包含锌和碱性电解质的阳极。阴极典型地由催化材料构成，所述材料包括
锰氧化物，典型地为二氧化锰，其用来催化锌和进入的空气之间的电化学 反应，从而导致电流的产生。可配制阴极材料以使得某个显著部分被还 原，也就是讲，在电池放电期间与进入的空气一起直接参与电化学反应。 这种电池可称为空气辅助锌/空气钮扣电池。本发明的锌/空气钮扣电池具 有用作小电子装置诸如助听器的电源的特别应用。该电池也可用来为其它 电子装置供电。本发明的微型锌/空气钮扣电池典型地具有圆盘状圆柱体形
状，其直径介于约4mm和20mm之间，例如介于约4mm和16mm之间， 优选介于约4mm和12咖之间。微型锌/空气钮扣电池具有介于约2咖和 9mm之间，优选介于约2mm和6mm之间的高度。
和阳极罐的内表面之间，、也就是讲，使得金属:撑盘与阳极罐电:缘:绝
缘密封材料"邻接与阳极罐的外表面相比更大部分的阳极罐的内表面"。 优选地不存在这种绝缘密封材料的如下部分所述部分邻接阳极罐的外表 面的任何部分。(当然这不包括任何薄膜标签或印刷油墨，其可单独地施 加到阳极罐的外表面上，主要用作电池的标签而非绝缘材料。)因此，在本发明的锌/空气钮扣电池中，阳极罐的外表面的至少大部分暴露于外部环 境中。典型地，在本发明的电池中，阳极罐的外表面的全部或基本上全部 均暴露于外部环境中。
绝缘密封材料理想地呈绝缘盘的形式，所述盘具有带有中空中心核的 环形环构型。绝缘盘环的一部分向上延伸(当以让阳极壳体开口端在顶部 的方式来观察电池时)以形成绝缘密封盘的周边边缘。绝缘密封盘的周边 边缘继而位于金属支撑盘的周边边缘和阳极罐的内表面之间。
形成端帽组件，所述端帽組件包括金属支撑盘、绝缘密封盘、和通过 将阴极材料涂敷到金属目筛网上而形成的阴极组件。可将阳极材料填充到 该罐中。可将绝缘密封盘插入阳极罐中，使得其位于罐的内表面上的凸缘 上，靠近罐的开口端。金属支撑盘可呈基本平坦的主体板形式，所述主体 板具有环绕的周边边缘。该金属支撑主体板优选地具有从其穿过的至少一 个气孔。可将阴极顶靠金属支撑盘的下侧插入。然后，可将金属支撑盘的
周边边缘向内弯曲而折叠成终止于顶端边缘的u形边缘，所述顶端边缘压缩、挤压或咬合到阴极组件的边缘中，因此将阴极互锁到支撑盘上。将其 上带有互锁阴极的金属支撑盘插入罐开口端中，使得金属支撑盘的周边边 缘位于绝缘盘内并且邻接绝缘密封盘的周边边缘。然后，将阳极罐开口端 的周边边缘巻曲到金属支撑盘的边缘上，其间具有绝缘密封盘的所迷周边 边缘，因此将端帽组件锁定到阳极罐中。在巻曲过程期间也施加径向力， 所述径向力用来确保端帽组件和端帽组件的各组件锁定在适当位置，以封 闭阳极罐的开口端并且在其中形成紧密密封。以此方式形成的密封可阻止 电解质渗漏，即使在电池被滥用或以高速率放电时也是如此。
附图概述
参照附图可以更好地理解本发明，其中


图1为将阳极壳体的边缘巻曲到端帽组件上之前的本发明的锌/空气 电池的一个实施例的等轴横截面图。
图1A为图1的锌/空气电池的局部横截面正视图，其中已插入了本 发明的端帽组件。
图2为图1中所示的催化阴极组件的优选实施例的分解图。
图3为本发明的端帽组件的组件分解图。图4为完成的电池的绘画视图。 发明详述
本发明主要涉及空气去极化电化学电池。此类电池具有金属阳极， 所述阳极在阳极壳体内典型地包括锌和碱性电解质的混合物；以及与阳极 绝缘的阴极材料。这种电池通常称作金属/空气电池或空气去极化电池，并 且更典型地称作锌/空气电池。
期望本发明的锌/空气电池是微型钮扣电池的形式。其作为用于小型 电子装置如助听器的电源具有特别应用。但是这种电池也可用于为其它电 子装置供电。该钮扣电池可被限定为圆柱形电池，所述电池具有小于1.0 的高度与直径的比率。本发明的微型锌/空气钮扣电池典型地具有圆盘状圆 柱体形状，其直径介于约4mm和20咖之间，例如介于约4mm和16咖 之间，优选介于约4mm和12mm之间。微型锌/空气钮扣电池具有介于约 2mm和9mm之间，优选介于约2mm和6mm之间的高度。 一种代表性钮扣 电池可为312型号的电池，即，7. 92mm(0. 312英寸)总直径x 2. 87mm (0.113英寸)高度的电池。微型锌/空气钮扣电池典型地具有介于约1.2 伏至0.2伏之间的工作负载电压。电池在约1.1至约0.9伏之间典型地 具有基本上平坦的放电电压'特征图，然后电压可以陡降至零。微型锌/空气 电池可以通常介于约0. 2和25毫安之间的速率放电。
本发明的电池可以包含加入汞，例如按阳极中锌的重量计约3%，或 者可以为基本上无汞的(零加入汞电池)。在这种零加入汞电池中不存在加 入的汞，所存在的汞仅为与锌一起天然存在的痕量汞。因此，本发明的电 池具有的总汞含量可以为按锌的重量计小于约100份每一百万份，优选按 锌的重量计小于4G份每一百万份(ppm),更优选按锌的重量计小于约 20份每一百万份。(本文所用术语"基本上无汞"应当是指电池具有按锌 的重量计小于约100份每一百万份的汞含量。)本发明的电池在阳极中可 以具有非常少量的铅添加剂。如果将铅添加到阳极中，则电池中的铅含量 可典型地介于阳极中锌的约100和1000ppm之间。然而，希望电池不包 含加入量的铅，因此可以是基本上无铅的，即总铅含量小于阳极中锌的 30ppm,理想地小于15ppm。本发明的锌/空气钮扣电池100示于图1和1A中。锌/空气电池 100的特征在于其仅具有单电池壳体，即阳极壳体(阳极罐)260。
阳极壳体260呈"罐，，的构型，所述罐具有封闭端261、相对的开 口端268、和介于它们之间的整体侧壁263。在此类钮扣电池中，消除了 按常规被套上阳极罐侧壁的阴极壳体(阴极罐)。在阴极罐的位置设有本 发明的端帽组件120，所述端帽组件包括基本平坦的金属支撑盘150。端 帽组件120包括绝缘密封盘330、金属支撑盘150、和阴极组件230、以 及金属支撑盘150中的气孔243下面的空气扩散体材料231。组成本发 明的阳极组件120的各组件最佳示于图1和3中。
锌/空气电池100包括阳极壳体(阳极罐)260和端帽组件120，所 迷端帽組件净皮插入阳极壳体260的开口端268中，从而封闭所述开口 端。端帽组件120包括金属支撑盘150、绝缘密封盘330、阴极组件 230、和放置在阴极组件230上的空气扩散体231。阳极壳体260的封闭 端261包括平坦或基本平坦的表面261a，其沿阳极壳体直径的至少主要 部分延伸。优选地，平坦表面261a从封闭端261的中心262延伸以覆 盖所述封闭端261的大部分。平坦表面261a终止于向上延伸的短臂 261b,所述短臂终止于形成封闭端261的边缘的向外延伸的环形台阶 261c。环形台阶261c继而终止于形成阳极壳体260的主体的整体形成的 垂直侧壁263。侧壁263终止于平行周边边缘266，所述边缘向外阶跃， 以致其所具有的内径略微大于所述侧壁263的内径。因此形成面向电池内 部的小整体环形凸缘264，所述凸缘定位在侧壁263和周边边缘266之 间。另外，在侧壁263的外表面上，在周边边缘266和侧壁263的接合 处可设有环形凹口或凹槽265。如图1所示，小环形凸缘2"可为绝缘 密封盘330在其被插入阳极壳体260中时提供放置位置。
将本发明的端帽组件120插入阳极罐260的开口端268中以密封 所述开口端。端帽組件120包括金属支撑盘150;将金属支撑盘150 与阳极壳体260绝缘的密封绝缘盘330;金属支撑盘150下面的阴极组 件230;和扩散体材料231，所述材料处在金属支撑盘150中的气孔243 的下面，并且插入到介于金属支撑盘150和阴极组件230之间的进气空 间288中。金属支撑盘150与阴极组件230电气连通。因此，金属支撑 盘150的主体152上的暴露表面可用作电池的正端子。如由图1和U可见，所述正端子152通过其间的绝缘密封盘330与阳极壳体260电绝 缘。端帽组件120的各组件，即金属支撑盘150、阴极组件230、和绝缘 密封盘330相互"互锁"。作为整体的端帽组件120与阳极壳体260的 周边边缘266 "互锁，，。当阳极壳体260的周边边缘266巻曲到金属支 撑盘150的边缘上时，可将端帽组件120紧密且永久地固定在所述阳极 壳体内的适当位置。
绝缘盘330由耐用电绝缘材料诸如高密度聚乙烯、聚丙烯或尼龙构 成，所述材料当被挤压时阻止冷流，并且阻止碱性电解质的浸蚀。在一个 优选的实施例(图1和1A)中，绝缘密封盘330呈环构型，其优选由尼 龙构成，具有大开口中心核337 (图3)。绝缘盘330具有环主体332 和从所述环主体332垂直向上延伸的整体周边边缘333 (图1)。设有向 下延伸的整体形成的环形裙边334，其从所述环主体332向下延伸。周边 边缘333的底部336具有足够的宽度使得其可与阳极壳体凸缘264的内 表面配合并且顶靠在其上(图1和1A)。如图所示，绝缘密封件330的 裙边334略微向内倾斜，使其不妨碍绝缘盘330在阳极壳体側壁凸缘 264上的密封。环主体332还具有整体形成的环形架335，其从环主体 332向内朝向电池内部延伸，如图1和1A所示。当支撑盘150插入到 阳极壳体260的开口端268时，架335可为金属支撑盘150的周边边 缘154提供放置位置。
金属支撑盘150在本发明中用来代替常规阴极罐以封闭阳极壳体 260的开口端268。与常规阴极罐不同，本发明的金属支撑盘150为基本 平坦的盘，没有延伸的侧壁。与用于锌/空气钮扣电池的常规阴极罐的不同 之处还在于，本发明的金属支撐盘150邻接阳极壳体260的"内表 面"，其间具有绝缘密封材料330。相反，用于锌/空气钮扣电池的常规阴
极壳体具有套在阳极壳体,壁的外表面上的侧壁，其间具有绝缘密封材 料。金属支撑盘150由盘形的平坦的或基本平坦的主体板152形成。设 有穿过主体板152的至少一个气孔243并且典型地设有多个气孔，例 如，介于约2个和6个之间的气孔243。气孔的尺寸可以变化，但典型 地介于约0.114mm和0. 305mm ( 0. 0045英寸和0. 012英寸)之间，并且 其可取决于电池尺寸而略大或略小。金属支撑盘150的周边边缘154向 内弯曲而折叠成U形边缘，其位于金属支撑主体板152的底部表面之下。金属支撑盘150的巻曲的顶端边缘156挤靠阴极组件230上的周边 边缘236的至少下部236a，从而与其"互锁"。当金属支撑件的巻曲边 缘156挤靠阴极组件230的周边边缘236时，环形咬口 (凹口 ) 236a 可形成在阴极组件230的外边缘236上，如图1和1A所示。支撑盘 150的U形边缘154邻接绝缘密封盘330的周边边缘333的内表面。 绝缘密封盘330继而与阳极壳体260的周边边缘266互锁。
具体地讲，绝缘密封盘330具有周边边缘333，所述边缘的终止处 具有底部阶形边缘336。当绝缘密封盘330插入阳极壳体260时，所述 密封盘330的周边边缘333在其底部边缘336处与阳极壳体260的内 表面上的侧壁凸缘264互锁。当端帽组件120插入到阳极壳体260的开 口端268时，通过将阳极壳体260的周边边缘266巻曲到金属支撑盘 150的边缘上来紧固且永久化端帽组件120与阳极壳体260的互锁。在 巻曲期间，将沿纵向轴线110的轴向力施加到阳极壳体260上，同时将 阳极壳体260的巻曲边缘267弯曲到金属支撑盘150上。在巻曲过程期 间，也施加径向力使得阳极壳体的周边边缘266受到顶靠端帽组件120 的边缘的径向压缩，并且端帽組件的各组件也受到相互顶靠的径向压缩。 这种径向压缩用来增强端帽组件120的各组件之间的互锁。径向压缩也用 来增强作为整体的端帽组件120与阳极壳体260的内表面之间的互锁。 这可产生非常紧密且永久的密封，所述密封在正常使用期间(甚至当电池 以高速率放电时)可阻止电解质渗漏。
优选地，阳极壳体260由三层包覆材料形成，所述三层包覆材料由 不锈钢连同其内表面的铜层和其外表面的镍层构成。将铜层镀覆或包覆在 不锈钢的内表面上，使得在装配好的电池中锌阳极材料450接触铜层。镀 铜是所期望的，因为其为电子从阳极450行进至负端子(典型地为阳极壳 体的封闭端261 )提供高导电性通道。阳极壳体260的总壁厚介于约 0. 0254mm ( 0. 001英寸)和0. 38mm ( 0. 015英寸)之间，理想地介于约 0. 0508mm和0. 381mm ( 2密耳和15密耳)之间，例如介于约0.152mm 和0. 38lmm (6密耳和15 ,密耳)之间。.优选地，阳极壳体260具有介于 约0. 0508mm和0.127mm (2密耳和5密耳)之间的总壁厚。金属支撑盘 150优选由镀镍冷轧钢形成。金属支撑盘150由如上所述的具有U形巻 曲边缘154的基本平坦的主体板152形成。金属支撑盘150理想地具有介于约0. 102咖和0.203mm (4密耳和8密耳)之间，优选介于约 0.102mm和0.152mm (4密耳和6密耳)之间的均匀壁厚。
阳极壳体260 (阳极罐)容纳包含粒状锌和含水碱性电解质的阳极混 合物450。期望粒状锌与约100至1000ppm的铟形成合金。锌粒也可镀有 另外的铟，优选介于约100和1500ppm之间的铟。将包含催化复合材料 234的阴极催化组件230 (图2)放置成使得其邻近气孔243而位于金属 支撑盘150的下面。阴极组件230的边缘与金属支撑盘150的顶端边缘 156互锁。盘形催化复合材料234包括涂敷在目筛网237上的催化阴极 混合物233。在电池放电期间，催化材料233有助于与通过气孔243进 入的环境氧的电化学反应。可将优选为沥青或聚酰胺粘合剂的粘合密封剂 510 (图1A)涂敷在绝缘密封盘330的周边边缘333和阳极壳体260的 周边边缘266之间。这种粘合密封剂例如沥青或聚酰胺密封剂也可施加在 金属支撑盘150和阴极组件230之间的互锁接合处，即，介于阴极组件 的边缘236a和金属支撑件的巻曲的顶端边缘156之间。类似地，可将这 种优选为沥青或聚酰胺粘合剂的粘合密封剂施加在金属支撑盘150的巻曲 边缘154和绝缘密封盘330 (图1A)的周边边缘333的内表面之间。
阴极催化组件230 (图1和图2)可如下形成通过将优选为特氟 隆(聚四氟乙烯)的一层疏水电解质屏蔽膜材料235层压到催化复合材料 234的一侧上，而将离子可渗透隔板材料238层压到相对侧上。隔板238 可以选自常规的离子可渗透隔板材料，包括玻璃纸、聚氯乙烯、丙烯腈和 微孔聚丙烯。优选为特氟隆的电解质屏蔽膜235具有这样的性质，即其对 空气是可渗透的，但阻止水和电解质穿过。在一个优选的实施例中，可将 优选由特氟隆构成的独立的电解质阻碍片232 (图2)施加到电解质阻碍 片235上。在该实施例中，可将附加的电解质阻碍片232当作阴极组件 230的一部分。常规吸墨纸空气扩散体材料231由空气可渗透纸或多孔纤 维素材料构成，其被插入介于金属支撑盘150和阴极组件230之间的空 气入口空间288内。空气扩散体材料231邻近金属支撑盘150中的气孔 243。
催化阴极复合材料234理想地包括由粒状锰氧化物(典型地为二氧 化锰)、碳和疏水粘合剂构成的催化阴极混合物233，其通过常规涂敷方 法涂敷到导电网237的表面上。筛网237可为机织金属纤维，例如镍或镀镍钢纤维。将阴极复合材料234成形为盘的形状。阴极混合物233可 包括其它催化材料，诸如金属如银、铂、钯、和钌，或金属或锰的其它氧 化物(MnOJ和已知用来催化氧还原反应的其它组分。在施用期间，催化混 合物233基本上被吸收到筛网237的多孔目中。用于催化混合物233的 二氧化锰可以为常规的电池级二氧化锰，例如电解二氧化锰(EMD)。催化 混合物233中的二氧化锰可通过热分解硝酸锰Mn(N03)2或高锰酸钾 KMn04来形成，并且因此可包括其它锰氧化物诸如Mn203和Mn304。用于制 备混合物233的碳可以为各种形式的，包括石墨、炭黑和乙炔黑。优选的 碳为炭黑，因为它的表面积高。合适的疏水粘合剂可以为聚四氟乙烯(特 氟隆)。催化阴极混合物233可包括按重量计介于约3%和15%之间 的锰氧化物(例如Mn02);按重量计介于约10%和50%之间的碳，按重 量计典型地介于约10%和40%之间的炭黑；以及作为其余成分的粘合 剂。在电池放电期间，催化混合物233主要用作催化剂以有利于涉及^ 空气的电化学反应。然而，可将额外的二氧化锰以及电解质加入到催化剂 中，并且可将电池转化为空气辅助的锌/空气电池。在也可呈钮扣电池形式 的这种电池中，二氧化锰的至少一部分变为放电的，即在电化学放电期间 一些锰与iiA的氧一起被还原。锌/空气电池中的基本电化学反应如下 在阴极侧上，进入的氧通过下述消耗电子的反应而还原
1/2 02 + H20 + 2e = 2
、 Zn
2为沉淀剂。当电池放电时，尤其是在体系中的K0H较有限且 水含量较低的情况下，Zn
2以如下方式开始分解成Zn0和H20:
Zn[0HL - Zn0 + H20 式4因此，电池的总反应可通过将反应1、 2、 3、和4添加到收率中而 获得。
Zn + 1/2 02 = Zn0 式5
同时主要由以下反应逐渐产生放气，所述反应会减少电池的水含量并 且生成氢气和附加Zn0:
Zn + H20 - Zn0 + H2 式6
Zn0最终在电池中累积，其涂布和钝化锌粒，从而导致锌的利用率降 低，直到电池关闭。如果电池没有适当地密封，则电解质可沿密封较差的 表面蔓延，并且最终从电池渗出。电池中的氢气的积累也可促使电解质渗 漏。本发明的端帽组件120可产生非常严紧的密封，不论电池中发生什么 样的放气，其均可减小电解质渗漏的可能性。
作为一个具体的非限制性实施例，电池尺寸可为标准尺寸的312锌/ 空气电池，其具有介于约7. 68mm和7. "mm ( 0. 3025英寸和0. 30"英 寸)之间的外径和介于约3. 30咖和3. 52mm ( 0. 1300英寸和0.1384英 寸)之间的高度。阳极450可包含零添加汞(按锌计汞含量可小于 100ppm)，并且可具有下列代表性组成锌78.0%重量(锌可与其含量均 为200ppm至1000ppm的铟和铅合金)；电解质(35%重量的KOH和2% 重量的ZnO) 22.0%重量；胶疑剂(Waterlock J-550) 0. 3%重量。提供足 够的阳极材料450以填充阳极壳体260的大部分的可用内部体积，典型 地介于约70%和90%之间，以允许锌阳极在电池放电时膨胀。催化阴极 233可具有下列组成Mn02 12.9%重量、炭黑38.7%重量、特氟隆粘合 剂48.4%重量，所述粘合剂涂敷到镀镍钢目筛网237上。阴极材料233 可典型地为约0. 015g，并且总阴极复合材料234 (阴极233加上目筛网 237 )可为约0. 16g。
在装配中，首先将阳极材料450插入阳极壳体260中。可装配端帽 组件120，所述端帽组件包括绝缘密封盘330、金属支撑盘150、和如图1和3所示的阴极组件230。将绝缘密封盘330插入到阳极壳体260的 开口端268中，使其正确地顶靠阳极壳体的内部凸缘264而放置。可将 阴极组件230顶靠金属支撑盘150的下侧插入。然后，可将金属支撑盘 的周边边缘154向内弯曲而折叠成终止于顶端边缘156的U形边缘，所 述顶端边缘压缩、挤压或咬合到阴极组件的边缘236a中，从而将阴极互 锁到支撑盘上(图1和1A)。然后，将互锁的金属支撑件150和阴极组 件230插到绝缘密封盘330上，使得金属支撑盘150的巻曲边缘154 正确地位于绝缘密封件的内架335上。然后，将阳极壳体260的周边边 缘266巻曲到如上所述的金属支撑盘150上，向阳极壳体的周边边缘 266施加轴向力和径向力，同时将周边边缘266弯曲到金属支撑盘150 上。所得的具有锁定在阳极组件内的适当位置中的端帽组件150的完成的 电池示于图4中。
虽然已经参照具体的实施例对本发明进行了描述，但应当理解，在不 偏离本发明概念的情况下，其它实施例也是可行的，因此，本发明并不旨 在受限于具体的实施例，而是其范围由权利要求及其等同物反映出来。
权利要求
1.一种金属/空气去极化电池，所述电池包括阳极罐，所述阳极罐包括开口端和相对的封闭端，其间具有整体侧壁；金属支撑构件，所述金属支撑构件插入所述阳极罐的开口端以封闭所述开口端；阳极材料，所述阳极材料包含在所述阳极罐内的锌粒和含水碱性电解质；其中所述金属支撑构件具有带有环绕的周边边缘的盘形主体；所述电池还包括绝缘密封材料，其中所述绝缘密封材料的至少一部分位于所述金属支撑构件和所述阳极罐之间以将所述金属支撑构件与所述阳极罐电绝缘；以及阴极，当以所述金属支撑构件在顶部的垂直位置观察电池时，所述阴极位于所述金属支撑构件的下面；其中所述阳极罐具有面朝所述电池内部的内表面和背离所述电池内部的外表面；其中所述绝缘密封材料邻接与所述阳极罐的外表面相比较大部分的所述阳极罐的内表面。
2. 如权利要求1所述的电池，其中所述金属支撑构件具有基本平坦 的盘形主体，所述主体由环绕的周边边缘和穿过所述基本平坦的 主体的至少一个气孔界定。
3. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中没有所述绝缘密封材料 的部分邻接所述阳极罐的外表面的任何部分。
4. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述金属支撑构件也用 作所述电池的正端子。
5. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述电池具有高度与直 径的比率小于l. 0的圆柱体形状。
6. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所述电池具有圆柱体形 状，其具有介于4和20mm之间的直径和介于2和9mm之间的高度。
7. 如前述任一项权利要求所述的电池，其中所迷电池包含按重量计 每一百万份的锌小于100份的汞。
全文摘要
本发明提供了一种锌/空气钮扣电池(100)，其中该电池具有单壳体，即阳极罐(206)。采用基本平坦的金属支撑盘(105)来封闭阳极罐的开口端，因此消除了对常规阴极罐的需要。金属支撑盘(150)锁定在阳极罐(260)的开口端内的适当位置，其间具有绝缘密封材料(330)。该密封材料邻接与阳极罐(260)的外表面相比较大部分的所述罐的内表面。有一层包含锰氧化物的阴极材料(230)位于金属支撑盘(150)的下面。阴极顶靠金属支撑盘(150)而锁定在适当位置。阳极罐(260)的开口端轴向且径向地卷曲到金属支撑盘(150)上，其间具有绝缘密封材料(330)。由于消除了阴极罐，因此产生了紧密密封并且增大了电池容量。
文档编号H01M2/08GK101322282SQ200680045821
公开日2008年12月10日 申请日期2006年12月5日 优先权日2005年12月5日
发明者D·R·波波维克 申请人:吉莱特公司