金属空气钮扣电池及其制造方法
【专利摘要】本发明为金属空气钮扣电池及其制造方法。描述包括封闭电池壳体以及通过隔离物相互分离的、其中设置的空气阴极和基于金属的阳极的金属钮扣电池，其中电池壳体基本上由第一壳体半部分和第二壳体半部分来组成；壳体半部分构成为杯形，并且在每种情况下具有基底和圆周侧壁；第二壳体半部分的基底具有用于大气氧的一个或多个入口和/或出口开口；以及空气阴极构成为圆盘形状，并且定位在第二壳体半部分的基底上，使得它覆盖入口和/或出口开口，并且其周边对着第二壳体半部分的圆周侧壁的内侧。电池的特征在于，导电披覆层以周边对着的高度来设置于侧壁的内侧。还描述按照其能够制造这类电池的方法。
【专利说明】金属空气钮扣电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]以下所述的本发明涉及金属空气钮扣电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002]金属空气电池通常包含作为电化学活性组件的基于金属的阳极和空气阴极，其通过离子传导电解质相互分离。在放电时，氧在取得电子的同时、在空气阴极上还原。产生能够经由电解质迁移到阳极的氢氧离子。其中，金属在贡献电子下被氧化。所产生的金属离子与氢氧离子发生反应。
[0003]一次和二次金属空气电池均存在。对二次金属空气电池再充电，因为电压施加在阳极与阴极之间，并且所述的电化学反应逆转。在该过程中释放氧。
[0004]金属空气电池的众所周知的示例是锌空气电池。它采取钮扣电池的形式来具体用作助听器的电池。
[0005]金属空气电池具有极高的能量密度，因为对阴极上的氧的要求能够由环境大气氧来覆盖。相应地，大气氧在放电操作期间必须提供给阴极。相反，必须排空在金属空气电池的充电操作期间在空气阴极上产生的氧。由于这些原因，金属空气电池通常具有壳体，其提供有对应入口和/或出口开口。通常，将孔作为入口和/或出口开口来压印到壳体中。
[0006]气体扩散电极通常在金属空气电池中用作空气阴极。气体扩散电极是电化学反应中涉及的材料(通常是催化剂、电解质和大气氧)采取固体、液体和气体状态相互一起存在，并且能够彼此相接触。在放电时，催化剂催化大气氧的还原，以及在可适用的时候，还在对电池进行充电时催化氢氧离子的氧化。
[0007]塑料接合气体扩散电极经常用作金属空气电池中的空气阴极。例如在DE3722019Al中公开这类气体扩散电极。在这类电极中，塑料接合剂(例如聚四氟乙烯或者缩写为PTFE)构成一种多孔基体，其中埋入(例如，诸如钼或钯之类的贵金属或者氧化锰的)电催化活性材料的微粒。所述微粒必须能够催化大气氧的所述反应。这类电极的制造最通常地通过滚压接合剂和催化剂的干拌混合物以形成膜进行。所述膜又能够滚压为金属网格，例如银、镍或镀银镍的网格。金属网格形成电极中的导体结构，并且用作电流导体。
[0008]用于氧的所述入口和/或出口开口最通常地、具体来说在钮扣电池的情况下结合到金属空气电池的壳体的基底中。为了使经过开口进入的氧能够尽可能立即与空气阴极相接触，这类电池中的空气阴极通常在壳体基底上平坦地定位，以便覆盖开口。在可适用的时候，在空气阴极与壳体基底之间提供空气分配器、例如多孔滤纸会是有利的。但是，这并非在所有情况下都是需要的。
[0009]如果氧这时在空气阴极(其按照这种方式来定位)中还原，则在这里所释放的电子通常经由所述导体结构来排空。后者通常直接连接到壳体的一部分，其能够用作端子。
[0010]在测试中已经表明，只要涉及其电化学性质，则具有所述构造的金属空气电池常常具有大偏差。这样，各个电池通常比原本平均预期的具有明显要高的阻抗。
【发明内容】
[0011]本发明基于寻找对所述问题的解决方案的目的。
[0012]通过具有如权利要求所述特征的金属空气电池以及通过具有如权利要求8所述特征、用于制造金属空气钮扣电池的方法来表示这种类型的解决方案。按照本发明的电池的优选实施例在从属权利要求2至7中限定。在从属权利要求9中，陈述按照本发明的方法的一优选实施例。所有权利要求的措词特此作为参考来结合到本描述中。
[0013]按照本发明的金属空气电池包括封闭壳体以及其中设置的空气阴极和基于金属的阳极，如从现有技术已知的那样。在这里，空气阴极和阳极通过隔离物相互分离。最通常地，阴极和阳极以及隔离物均与电解质直接接触，经由电解质，离子能够从一个电极迁移到另一个。在大多数情况下，阴极、阳极和隔离物浸溃有电解质。
[0014]电解质最通常地是水电解质，其包含溶解形式的氢氧化钾或氢氧化钠。例如，隔离物可以是多孔塑料膜。
[0015]按照本发明的电池的壳体基本上由第一壳体半部分和第二壳体半部分来组成。第一壳体半部分优选地用于接纳空气阴极，第二壳体半部分用于接纳基于金属的阳极。此外，壳体最通常地仅包括密封件，其设置在壳体半部分之间，并且将所述壳体半部分相互电绝缘。
[0016]壳体半部分优选地构成为杯形，并且因而在每种情况下具有基底以及恒定高度的圆周侧壁(从基底观看时)。侧壁包括末端周边，其限定通常为圆形、可选地也是椭圆的开口。另外，基底又优选地构成为圆形或者在可适用的时候也为椭圆。侧壁和基底优选地围起90°与120°之间、特别优选地为正好90°的角度。换言之，侧壁特别优选地按照正交方式位于基底上。起先对大气氧所述的、与任何其它已知金属空气电池相似的、按照本发明的电池的壳体具有的入口和/或出口开口优选地结合到第二壳体半部分的基底中。
[0017]空气阴极优选地构成为圆盘形状、具体来说为圆盘，并且定位在第二壳体半部分的基底上。在这里，它覆盖入口和/或出口开口。其周边对着第二壳体半部分的圆周侧壁的内侧。换言之，空气阴极优选地完全覆盖第二壳体半部分的基底。
[0018]优选的是使按照本发明的电池的空气阴极具有与DE3722019 Al中公开的气体扩散电极相似的金属导体结构。所述金属导体结构最通常地、通常连同能够使大气氧还原的催化剂一起埋入塑料基体中。
[0019]如从DE3722019 Al中能够得到，空气阴极可按照厚度明显小于一毫米的带形状来制造。由这些带，钮扣电池的空气阴极能够按照完全适合的方式、例如按照当前所述钮扣电池所需的圆盘形状来冲切和/或裁剪出。
[0020]按照本发明的金属空气电池具体特征在于导电披覆层(其以空气阴极的周边对着的高度设置于侧壁的内侧)。披覆层优选地采取形成圆的圆周带的形式存在。不言而喻，还有可能使披覆层例如采取一个或多个各个的斑点的形式来施加。
[0021]已经证明，由于原理上极为简单的这个措施，阻抗值的所述偏差可按照出乎意料地有效的方式来压低。如上所述，导体结构(经由其，电子能够提供给空气阴极或者能够从其中传导离开)常常集成在空气阴极中。在传统电池的情况下，这些导体结构与对应壳体末端之间的电接触在各个情况中显然是不够的，并且因此引起所述高阻抗值。这能够通过所述导电披覆层来抵消。
[0022]披覆层通常具有接合剂的基体以及其中埋入的具体来说诸如碳黑或石墨之类的基于碳的材料和/或诸如银、镍或铜的金属的导电微粒。披覆层中微粒的重量百分数不应当低于75%。它优选地>90%。
[0023]披覆层特别优选地由浆料、具体来说是可印刷和/或可投配浆料来形成。浆料可包含例如羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸或者这些化合物的衍生物作为接合剂。此外，它通常还具有溶剂，例如水或酒精。也可采用能够在有机溶剂中处理的接合剂。作为导电微粒，所述披覆层优选地包含石墨微粒或碳黑微粒。浆料的固体比例、具体来说是其中包含的导电微粒的百分数优选地在25重量％与75重量％之间。浆料可通过例如印刷过程或者通过投配针来施加。
[0024]在一个更优选实施例中，披覆层由粘合剂来形成。粘合剂优选地包含作为接合剂的合成塑料或者对应前体、具体来说是环氧树脂、聚酰亚胺、聚酰胺。粘合剂可以是热熔性粘合剂，其采取对应液化形式、例如通过投配针来施加。但是，优选采用在室温下施加和固化的接合剂。在这里，能够考虑热固化并且能够通过紫外辐射来固化、即包含光化学固化成分的接合剂。例如，导电的并且具有所需性质的适当环氧树脂和聚酰亚胺粘合剂是从微电子领域已知的。
[0025]此外，披覆层还可以是具有粘合性质的浆料。为了制造这种浆料，具有粘合性质的聚合物添加剂、例如所述合成塑料之一的一小部分可添加到所述浆料。
[0026]如上所述，披覆层用来改进金属空气电池的阻抗值。但是，另外，它还可用来在第二壳体半部分的基底上将空气阴极固定到位。在传统电池的情况下、空气阴极通常按照排他的机械方式来保持到位时，在本发明的范围之内，有可能还提供例如空气阴极与壳体之间的材料整体粘合连接。通过披覆层，还可生成附加夹紧压力。
[0027]在一些优选实施例中，空气阴极的周边埋入披覆层中，S卩，由所述披覆层完全地并且在两侧覆盖。
[0028]在优选实施例中可以提供，使多孔空气分配器设置在空气阴极与第一壳体半部分的基底之间。这种类型的空气分配器可以是例如多孔塑料膜、无纺布或多孔滤纸。
[0029]但是，这种类型的空气分配器不是强制性的。这样，例如，DE102010039557 Al公开没有壳体基底与空气阴极之间的空气分配器的金属空气钮扣的构造模式。
[0030]隔离物也优选地构成为圆盘形状。它通常定位在空气阴极中背向第二壳体半部分的基底的那一侧，并且优选地具体直接定位在所述空气阴极上。所述隔离物的周边、例如圆盘形状空气阴极的周边优选地对着第二壳体半部分的圆周侧壁的内侧。隔离物将电池壳体的内部细分为两个隔室，其中之一由空气阴极占据，其中基于金属的阳极设置在另一个中。
[0031]按照本发明的金属空气电池特别优选地是锌空气电池。作为基于金属的阳极的锌空气电池包含作为阳极材料的已知锌粉。
[0032]按照本发明的方法用于制造如上所述的金属空气钮扣电池。它至少包括下列步骤:
-提供第一和第二壳体半部分，其中壳体半部分构成为杯形，并且在每种情况下具有基底和圆周侧壁，并且第二壳体半部分的基底具有用于大气氧的一个或多个入口和/或出口开口，
-在第一壳体半部分中定位或形成基于金属的阳极， -(a)将圆盘形状空气阴极定位在第二壳体半部分的基底上，使得它覆盖入口和/或出口开口，并且其周边对着第二壳体半部分的圆周侧壁的内侧，并且采用隔离物来覆盖阴极，或者备选地(b)将圆盘形状阴极隔离物合成物定位在第二壳体半部分的基底，
-通过将具有基于金属的阳极的第一壳体半部分插入第二壳体半部分，并且在大多数情况下通过卷边加工以密封电池壳体，来组装电池壳体。
[0033]从W02012/139933 Al已知，空气阴极和空气阴极隔离物合成物均能够通过压力来制造。原则上，这种类型的合成物当然也能够安装在按照本发明的钮扣电池中。这说明上述变体(b)的考虑因素。
[0034]按照本发明的方法具体特征在于导电披覆层以圆盘形状空气阴极的周边在已经定位之后对着的高度来施加于第二壳体半部分的侧壁的内侧。在与按照本发明的金属空气电池有关的说明的上下文中描述了导电披覆层的性质，使得不要求为此目的的其它说明。
[0035]最通常地，披覆层在空气阴极定位在第二壳体半部分的基底上之前来施加。为此目的的细节能够见于下列示范实施例。应当强调，后者只用作说明以及为了更好地了解本发明，而不是被理解为以任何方式进行限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1示出根据本发明的实施方式的金属空气电池的示意截面图。
【具体实施方式】
[0037]为了制造按照本发明的金属空气电池，具有圆形基底和圆周侧壁的钮扣电池盖作为第一壳体半部分来提供。侧壁的外侧覆盖有环形塑料密封件。随后，为了形成阳极，将与电极接合剂相混合的锌粉投配到壳体半部分中，并且浸溃有水碱性电解质。
[0038]与此类似，同样具有圆形基底和圆周侧壁的钮扣电池杯作为第二壳体半部分来提供。直径为大约0.5 mm的多个开口结合到钮扣电池杯的基底(直径通常在0.1与0.8 mm之间)中，以便实现向/从电池提供和/或排空大气氧。为了形成导电披覆层，具有粘合性质以及作为导电微粒的高百分数的石墨微粒的导电浆料的圆周带在壳体杯的侧壁的内侧来形成，从基底向上进行到大约2 _的高度。在让浆料中的溶剂以蒸发(干燥步骤)之后，将覆盖钮扣电池的基底中的开口并且用作空气分配器的无纺布放入杯中。在另一步骤，如从DE 3722019 Al已知的那样，圆盘形状空气阴极按照如下方式定位在钮扣电池杯中的空气分配器上:使得其周边成为对着覆盖有导电浆料的第二壳体半部分的内侧。
[0039]在干燥步骤的上下文中应当提到，干燥步骤可确定时间为在放置空气阴极之后以及在可适用的时候在放置空气分配器之后。当材料整体粘合连接将要在空气阴极与壳体之间形成时，这是特别优选的。
[0040]在下一步骤，组装按照以上描述已经预先组装的杯单元和盖单元。为此，其中设置了阳极的壳体盖插入其中设置了空气阴极的壳体杯。随后，通过朝内部径向折叠钮扣电池杯的开口周边(卷边加工)，来密封壳体。
[0041]这样制造的金属空气电池的示意截面图见于图1。电池100包括电池壳体，其由电池杯101、电池盖102和密封件103来组成。密封件103设置在电池杯101与电池盖102之间，并且将两者相互电分离。电池杯101和电池盖102构成为杯形，并且在每种情况下具有基底和圆周侧壁。入口和/或出口开口 104 a-d(经由其，大气氧能够进入电池101(100 ?))结合到钮扣电池杯101的基底111中。钮扣电池杯101的基底111覆盖有空气分配器105。后者又由圆盘形状空气阴极106完全覆盖，圆盘形状空气阴极106通过隔离物107与其中设置锌阳极108的阳极空间分离。空气阴极106的周边径向对着钮扣电池杯101的内壁。金属细丝109作为导体结构来埋入空气阴极106中。所述细丝离开空气阴极106的周边。以周边对着的高度114来覆盖侧壁112的内壁113的导电披覆层110形成采取空气阴极106的周边以及因此细丝109与壳体杯101的内壁113之间的圆周带的形式的导电接触。披覆层110还部分覆盖壳体杯101的基底。由于披覆层110，一方面，空气阴极106固定到位，而另一方面，改进空气阴极106与钮扣电池杯101之间的电接触。
【权利要求】
1.一种金属空气钮扣电池(100)，包括封闭电池壳体以及其中设置的、通过隔离物(107)相互分离的空气阴极(106)和基于金属的阳极(108)，其中 -所述电池壳体基本上由第一壳体半部分(102)和第二壳体半部分(101)来组成， -所述壳体半部分(101 ；102)构成为杯形，并且在每种情况下具有基底和圆周侧壁， -所述第二壳体半部分(101)的所述基底(111)具有用于大气氧的一个或多个入口和/或出口开口(104 a-d)，以及 -所述空气阴极(106)构成为圆盘形状，并且定位在所述第二壳体半部分(101)的所述基底(111)上，使得它覆盖所述入口和/或出口开口(104 a-d)，并且其周边对着所述第二壳体半部分(101)的圆周侧壁(112)的内侧(113)， 其特征在于，导电披覆层(110)以所述周边对着的高度(114)来设置于所述侧壁(112)的所述内侧(113)。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述披覆层具有接合剂的基体以及其中埋入的导电微粒，所述导电微粒具体来说是诸如碳黑或石墨之类的基于碳的材料和/或诸如银、镍或铜的金属。
3.如以上权利要求中的一项所述的电池，其特征在于，所述披覆层由包括作为接合剂的环氧树脂、聚酰亚胺或聚酰胺的粘合剂来形成。
4.如以上权利要求中的一项所述的电池，其特征在于，所述披覆层由浆料、具体来说是优选地具有作为接合剂的纤维素衍生物或聚丙烯酸酯的可印刷和/或可投配浆料来形成。
5.如以上权利要求中的一项所述的电池，其特征在于，所述空气阴极包括埋入塑料基体中的金属导体结构以及能够使大气氧还原的催化剂。
6.如以上权利要求中的一项所述的电池，其特征在于，多孔空气分配器设置在所述空气阴极与所述第一壳体半部分的所述基底之间。
7.如以上权利要求中的一项所述的电池，其特征在于，所述隔离物构成为圆盘形状，并且定位在所述空气阴极中背向所述第二壳体半部分的所述基底的那一侧，使得其周边对着所述第二壳体半部分的所述圆周侧壁的所述内侧。
8.一种用于制造金属空气钮扣电池的方法，所述金属空气钮扣电池具有设置在封闭电池壳体中的空气阴极和基于金属的阳极，具体来说是如以上权利要求中的一项所述的金属空气钮扣电池，所述方法包括下列步骤: -提供第一和第二壳体半部分，其中所述壳体半部分构成为杯形，并且在每种情况下具有基底和圆周侧壁，并且所述第二壳体半部分的所述基底具有用于大气氧的一个或多个入口和/或出口开口， -在所述第一壳体半部分中定位或形成基于金属的阳极， -(a)将圆盘形状空气阴极定位在所述第二壳体半部分的所述基底上，使得它覆盖所述入口和/或出口开口，并且其周边对着所述第二壳体半部分的所述圆周侧壁的内侧，并且采用隔离物来覆盖所述阴极，或者备选地(b)将圆盘形状阴极隔离物合成物定位在所述第二壳体半部分的所述基底， -通过将具有所述基于金属的阳极的所述第一壳体半部分插入所述第二壳体半部分，并且在大多数情况下通过卷边加工以密封所述电池壳体，来组装所述电池壳体， 其特征在于，导电披覆层以所述周边对着的那个高度来施加于所述侧壁的所述内侧。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述披覆层在所述空气阴极定位在所述第二壳体半部分的所述基底上之前来施加。
【文档编号】H01M12/06GK104505557SQ201410340292
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2013年7月17日
【发明者】克斯伦科 C., 勒费尔曼 H., 哈克 T., 布伦纳 A. 申请人:瓦尔达微电池有限责任公司