专利名称：阴极涂层及将其装进电池的方法
技术领域：
本发明涉及一种阴极涂层，它保护阴极并确保阴极和阳极之间的电隔离。本发明也涉及一种将阴极涂层装进电池里，特别是装进阴极搁板的方法。
标准的碱性电池由于受到振动、冲击或其它加到电池上的力，例如电池掉到硬表面时而容易损坏。如果电池以其负端跌落，带遭致C电池或D电池损坏。电池从制造商装运时常发生的电池处理失当也会发生损坏。装运时，常常无意地将电池倒放。这时，即使电池不落地，也会因电池振动而损坏。用户购买电池后，也可能跌落和处理不当，使电池损坏。
上面提到的损坏一般由于电的短路引起，即在电池里在阴极和阳极之间出现了接触，常导致电池失效。如果电池象许多电池那样采用流动的电极材料，问题就会很棘手。此外，比较大型的电池，例如D电池，由于电池的附加质量在跌落到硬表面时特别容易损坏。在某些例子中于碰撞或跌落后，电池可能只造成较小的损坏，只使电池的性能较差，一般只表现为电池的开路电压低。电池在延长储存期后，特别是在较高温度下储存或暴露时，甚致也会损坏。在制造电池时由于阳极材料分配到阴极的暴露区也会导致电气短路。
现有的技术人员试图设计出对电气短路较不敏感的电池。在试图防止阳极与阴极间发生接触中，已提供了各种各样的密封设计。这些尝试大部分都不成功。也曾尝试用密闭法将电池的组件固定或保持在电池里防止阳极和阴极间的接触。这种解决方法不予采纳，因需要增加额外的成本和与密闭组件有关的工作，而密闭组件使体积增加，从而缩小了电化学激活材料所用的内部电池体积。这样，需要有一种方法去消除或大大降低由于阳极迁移引起的电学短路的趋势，它不致显著降低内部电池体积，在经济上有吸引力。
在试图防止阳极材料氧化中采用了阳极涂层为阳极提供涂敷。虽然没有用来解决电气短路的问题，但某些涂层在对抗阳极和阴极间出现的电气接触时可以提供有限度的保护。然而，这些涂层不易涂敷到装在电池或部分组装的电池中的阴极，因而在商业上不引人注意。此外，由于阳极涂层不可能消除电池里的短路，故不受欢迎。如阳极是一种流动的材料，且在例如跌落电池时会移位，涂层会裂开，可使阳极材料流到和接触电池阴极。再者，阳极涂层覆盖着面向电池负端的阳极表面，因而常常会粘附到组装时压入阴极的集流器。由于阳极涂层组分的集流器涂层会严重影响电流性能，因此，需有一种方法能保证阴极和阳极间的电气隔离，且在它们装进电池时比较简单也不耗费，又不会有害地影响电池性能。
本发明提供一种电化学电池，它包括一容器罐、一置于该容器中的阴极，以及一置于阴极暴露区之上的阴极涂层，它能保护阴极防止发生在电极之间的接触。阴极涂层可以是一种固体材料，或者是一种流动性材料，且最好包括特殊的组件。
图1为一剖视图，说明标准碱性电池的主要组成部分和按本发明的阴极涂层的第一实施例；图2为一剖视图，说明置于标准碱性电池中的阴极涂层的第二实施例；其中的阴极涂层刚沉积在电池里不久；图3说明图2第二实施例中在阴极搁板的涂层已部分干燥的电池；图4说明图2第二实施例中在阴极搁板上的阴极涂层已完全干燥后的电池；图5为一工序简图，说明将第二实施例中的阴极涂层沉积在多个电池中的工序；图6是一详细示图，说明一最佳实施例中将第二实施例的阴极涂层沉积在电池中的喷咀；图7为最佳实施例中的喷咀的下侧视图；图8是使用第一实施例的阴极涂层、第二实施例的阴极涂层、第一和第二实施例的组合以及没有任何类型涂层保护的电池的比较测试结果的总结图表。
本发明旨在减少电池中的电气短路，例如标准碱性电池，一般在应用时由于破坏性的力加到电池上而典型地引起电池阳极的移动，导致阳极和阴极间的接触。这种破坏性的力或是由于电池跌落在硬表面上，或在使用时电池和其他电池或物件碰撞引起的。引起电气短路所需的破坏力量随多种因素，包括(虽不限于)阳极材料的流动性或粘滞性、电池中阳极和阴极的接近程度、电池结构、破坏力施加到电池的位置以及温度等而变化。
图1说明典型的标准碱性电池1包括围绕阳极20的容器10、集流器25、阴极30、在电气上与阴极30有关的底罩50用作第一电池端，以及在电气上与阳极有关的上罩60用作第二电池端。第二电池端由适用的绝缘体15在电气上和第一电池端隔离。阴极30的上端环形表面这里称为阴极搁板32。阳极和阴极同轴置放并由圆筒形的离子可穿透的隔离筒40隔离。电池1还包括装在电池内部的电解质溶液，提供阴极和阳极间的离子导电。在组装电池中存在的阳极材料可以是一液体，虽然在美国专利3,207,633中浓度比较稠，这里也结合进来参考。
本发明受让人所占有的美国专利5,248,568中说明了典型的电池结构和阳极、阴极、电解质及隔离器所采用的材料，这里也结合进来参考。适宜形成隔离器的材料的其他例子见于美国专利5,158,844，这里也结合进来参考。
本发明的阴极涂层是一种置放在阴极暴露区上的保护性阻挡层，它保证在这些电极之间的区域中的电气隔离。在第一实施例中，阴极涂层是一种置放在阴极暴露区上的固体、刚性或柔性阻挡层材料，它在碱性电池例如在附图中所描述的主要是阴极搁板32。在第二实施例中，阴极涂层是流动的材料，它喷在暴露区即阴极搁板32上，干燥或至少部分固化时在阴极30和阳极20的暴露区之间形成保护性阻挡层。阴极涂层为阴极30提供保护，以在阳极因碰撞或加到电池的力而移位时避免和阳极发生电气接触。
在本发明的第一或第二实施例中，所采用的阴极涂层材料应该为阴极的暴露区，即暴露的阴极搁板提供保护性阻挡层，并保证阴极和阳极间的隔离，涂层材料所需的主要特性是它必须是不导电的并在化学上可耐受电池材料或组件，例如电解质。
在阴极涂层的第一实施例中，将阴极涂层70置于阴极的暴露区，例如图1所示的阴极搁板32。涂层70是一种固体、刚性或柔性的材料，它可以是非纺织的多孔材料或纸质隔离材料，例如可由美国康涅狄格州Winsor Locks的Dextex Company提供，代号为11158或9258；或由日本高知县Agawagun的Nippon kodoshi Corporation(NKK)提供，代号为VLZ105。也可以考虑在第一实施例中的阴极涂层是薄层状的塑料，如聚丙烯薄膜。将刚性或柔性材料切割，或者需要时将其整形以装到电池中。对于与暴露的阴极搁板有关的应用，例如图1所示的搁板32，最好将刚性或柔性材料切割或形成尺寸与阴极搁板相同的环形或垫圈状，以便在将其放在搁板上时，搁板完全或基本上由阴极涂层材料覆盖住。
在阴极涂层的第二实施例中，阴极涂层最好是一种流动的组分，它经干燥、固化或至少部分固化而在阴极暴露区上形成保护性阻挡层，例如阴极搁板32。“流动”的含意是在发生干燥或其它硬化之前，在制造条件下可流动。作为例子，涂层的第二实施例的最佳材料包括，但不是受限于，淀粉，最好是马铃薯淀粉、沥青及它们的水混合物。在采用第二实施例的阴极涂层的场合中，最好将材料分开涂到电池组件上或沉积在电池里，而不是在沉积前混合在一起。
阴极涂层的第二实施例的最好组分是一种混合物，它包括约20％(这里的百分比除非另有说明都是指重量百分比)的淀粉、约79.4％的水、约0.5％的45％体积的KOH水混合物，以及约0.1％的悬浮剂(最好是水溶的乙烯基聚合物，例如Carbopol 940)。特别是最好采用马铃薯淀粉作为淀粉组分。已发现使用0.1％的悬浮剂使流动的阴极涂层材料易于调配和处理。在处理加工不是关注的项目时，可以采用一种包括约20％的淀粉(最好是马铃薯淀粉)和约80％的水。通过将该分量按它们各自的量加在一起并将其混合，就可以形成这些最佳组分中的一种组分。
根据电池中可用的内体积量，也最好将阴极涂层的第一实施例和第二实施例结合成电池中的组合物。第一实施例的阴极涂层可以涂以第二实施例的流动的阴极涂层，和涂以装在电池里的组合物。同理，第一实施例的阴极涂层可以涂以第二实施例的流动涂层组合物中的一种类型，例如沥青，和涂以采用第二实施例的涂层组分附加量一起的组合物，例如淀粉组分或沥青。
将阴极涂层装到阳极和阴极的暴露区之间的电池里，例如装到阴极搁板上，出人意料地第一次就取得相对简单但很精巧保护阴极的方法，并保证了阴极和阳极间的隔离，从而减少了在阴极搁板上出现电气短路的事故。
除了提供前述的特点外，也可以选择阴极涂层材料以在标准碱性电池中促进阳极和隔离篮之间的密封和夹持力。如果涂层材料在液体电解质的垂直孔道上膨胀，涂层材料的体积增加可以利用来促进隔离篮对阳极的密封，详见下面说明。此外，第二实施例的阴极涂层材料也容易和隔离篮粘合，从而促阴极和阳极的密封。
在暴露阴极区上沉积的阴极涂层材料最佳数量至少要达到大部分的暴露阴极区被阴极涂层覆盖，最好是“有效量”，即可以防止通过涂层到阴极的导电的数量，要不就会出现例如前述的阳极短路。在采用第一实施例的阴极涂层的场合中，涂层最好是相对薄的层，层的。厚度最好为约0.020”至0.100”(即0.508mm至2.54mm)或更厚。至于第二实施例的阴极涂层，经发现，对于具有环形阴极搁板(图1-4中的搁板32)来说，沉积在搁板上的阴极涂层即淀粉组分和/或沥青的数量最好由约1.5cm3至5.0cm3或更多。具体数量视所需在电池上部剩余的体积而定。
将阴极涂层装入电池可以有很多方法，主要根据第一实施例中涂层是否是刚性或柔性材料而定，或根据第二实施例中的流动组分而定。如果阴极涂层是刚性或柔性材料，可用常规组装方法装进电池中。当然，在阴极涂层塞入电池之前，可能需要将其适当地切割或成形。如果阴极涂层是流动性材料，最好按下面图2-7所叙述的方式将其装进电池中。
图2-4详细说明将第二实施例的流动性阴极材料80沉积到电池的阴极搁板32上。图2说明在阴极组分装入电池后不久在阴极搁板32上形成的一层阴极涂层组成80。流动性组成80常具有和稠浆一样的稠度，和泡沫状有些相似，如图2所示。在阴极搁板上沉积流动性阴极涂层组分80后，将形成厚度相当均匀的薄层。图3说明在经足够时间使涂层80固定并开始硬化或固化后图2所描述的电池。图4说明在经足够时间使涂层组分80干燥以在阴极搁板32上形成保护性阴极涂层后图3所描述的电池。经发现，最佳的第二实施例的涂层组分，即含马铃薯淀粉的水混合物在室温下经过约30分钟就完全干燥或基本干燥。可从外部加热或采用干燥剂以加速干燥期。
已发现，当将涂层材料暴露在预湿溶液和/或电解液时，其在体积上膨胀和增加的程度视阴极涂层的组分而定。当阴极涂层放置放在围绕中央置放的隔离篮和阳极，并将预湿溶液或电解液加到电池上时，阴极涂层膨胀，使精巧的隔离篮如图4的40a处所示推向阳极。阴极涂层的这种膨胀，有助于在阳极20外围的周围密封隔离篮40。
下面是第二实施例的流动性阴极涂层装入电池并取得该涂层的膨胀，从而促进阳极和隔离篮之间的密封的最佳方法。阴极材料沉积在具有封底和开顶的容器的内部。阴极材料形成和压着容器的内壁，从而形成在电池轴向方向延伸的同心空腔。接着将隔离篮置放在圆筒空腔里。这点在组装工序中，最好在阴极暴露区的阴极搁板上沉积或形成阴极涂层材料。如果阴极涂层是前述第一和第二涂层实施例的组合，例如涂有马铃薯淀粉的水混合物和/或沥青的环状纸质隔离材料，最好在将阴极涂层装入电池例如在阴极搁板上之前涂敷该环形物，且使涂层干燥或基本上干燥。如果阴极涂层是根据第二实施例制备的，可如下述取得给料。接下去将预湿溶液喷进容器里。预湿溶液一般包括水或乙二醇成分和/或少量的电解质。然后将阳极材料沉积在容器内部中的隔离篮里。再将电解质加进去完成电池的组装。
本发明第二实施例的流动性阴极涂层组分可以不同形式配进一或多个电池中。图5说明一种最佳实施例中将涂层材料80配进待填充的多个电池里。浆料槽110供容纳涂层材料80而设。采用混合物120以促进涂层材料80的相对均匀的特性。槽110是由泵通过进给管线125卸料到计量器140。计量器140将预定数量的涂层材料配给给料喷咀150。一或多余传送带180将待填料的电池传送和引到转位齿轮160或其他可比较的器件。转位齿轮160用以和控制器和驱动组件170连接。一旦填入适量的涂层材料80，就可将填充好的电池107经一或多个传送带180传送到另外的工序。
图6为给料喷咀150及其在待填充电池105上移位的详细透视图。给料喷咀150形状最好做成且其尺寸足以适配成电池罐10和隔离篮40之间的环形区，以使涂层材料只喷进环形区，而不是在电池罐10外或配进隔离篮40的内部。图7说明给料喷咀150的下侧，特别说明了多个位于喷咀150周围的喷料孔152。孔152的安排有助于喷进环形空隙的均匀性。
测试进行了一系列的跌落测试，其中比较了不具电极涂层的标准碱性D电池和具有按本发明的各种阴极涂层组合的标准碱性D电池的性能。进行跌落测试时是通过筒形管跌落电池，使电池的负端冲击硬表面，每个电池由3英尺(即91.44cm)的高度跌落5次。经此跌落试验后，将所有电池在71℃下储存一周。然后在低电压下测试所有电池，表明电池里出现了电气短路或其他损坏。按本发明第一实施例中所采用的阴极涂层材料是由Dexter所提供的代号为11158或9258的纸质隔离材料和由NKK提供的代号为VL2105的纸质隔离材料形成的隔离环。按本发明第二实施例中所采用的阴极涂层材料其涂层组分包括沉积在阴极搁板上的20％马铃薯淀粉和80％水；在阴极搁板上沉积的沥青材料；以及在前述隔离环上沉积的沥青材料。
参看图8，在第一种试验中，有十个电池经过跌落测试，这十个电池，每一个都包含了1.5cm3的按本发明第二实施例所叙述的位于电池暴露搁板上的阴极涂层材料。所用的阴极涂层材料是先前说明过的水混合物，它包括20％的马铃著淀粉和80％的水。在经受前述的一周储存期后，被测的10％的电池呈现出低电压输出。
在第二种试验中，10个各包含本发明第一实施例和第二实施例，即Dexter的纸质隔离材料和以第一种试验中采用的1.5cm3阴极涂层材料的组合的电池，经前述跌落测试和储存。没有测试出失效。
在第三种试验中，10个不经修改和不含任何类型的阴极材料的标准碱性电池经跌落测试并经受一周的储存期。有60％表现出低电压。
在第四种试验中，10个按本发明第二实施例在阴极搁板上沉积了阴极涂层组分经修改的电池经前述跌落测试和储存，未发现有测量失效或低电压电池。
在第五种试验中，测试了10个电池，每个电池包含了按这里叙述的第一和第二实施例的阴极涂层，即Dexter纸质隔离环和1.5cm3的马铃薯淀粉阴极涂层组分的组合。此外，纸质隔离环涂覆有按第二实施例的沥青组分。经前述跌落测试和储存后，未测量到失效和低电压电池。
在第六种试验中，10个电池，各具有按本发明第一实施例由NKK提供的纸质隔离材料所形成的隔离环，经测试和储存后，有20％电池有低电压输出。
在第七种试验中，10个电池，各具有可由NKK提供的纸质隔离材料所形成的隔离环，并含有1.5cm3的按本发明第二实施例的马铃薯淀粉阴极涂层组分，经测试和储存，未发现有测量失效或低电压输出。
在第八种试验中，10个电池，各采用了涂覆有沥青的Dexter提供的纸质隔离环，经测试和储存后，有10％的电池呈现出低电压输出。
图8总结前述测试的结果。图中“C”表示沉积在阴极搁板上的涂层或沥青组分，测试的结果清楚表明有阴极保护层的电池，即试验1-2和4-8工作性能远比没有阴极保护，即试验3的优异。亦即60％没有任何阴极保护，即试验3中的那些电池呈现低的开路电压读数。相反，在试验2、4、5和7中测试的电池没有一个呈现低电压读数。此外，在试验1和8中测试的电池只有10％呈现出低电压读数，且在试验6中测试的电池只有20％呈现出低电压读数。再者，测试表明，在电池中结合第一和第二实施例的阴极涂层时，可取得特殊所需的电池性能，即能抗冲击和振动。
当然，前面说的仅仅是本发明的最佳实施例，在不脱离所附权利要求书提出的精神实质和较宽方面时是可以作出种种改变和变化的，这些应由包括等价原则在内的专利法原理来阐释。
权利要求
1.一种电化学电池，包括一容器；一置于所说容器的阳极；一置于所说容器的阴极，所说阴极具有容易受所说阳极接触的暴露区；以及一置于所说阴极暴露区上的阴极涂层，为所说阴极的暴露区提供保护性阻挡层，从而防止所说阴极和所说阴极暴露区之间的接触。
2.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层至少覆盖大部分的所说阴极暴露区。
3.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层是刚性或柔性材料。
4.根据权利要求3的电池，其特征在于，所说阴极涂层是一薄层。
5.根据权利要求4的电池，其特征在于，所说阴极涂层的厚度约为0.02英寸至0.100英寸。
6.根据权利要求3的电池，其特征在于，所说阴极涂层具有一环形状。
7.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层包括一非纺织多孔材料。
8.根据权利要求7的电池，其特征在于，所说阴极材料为一低质隔离材料。
9.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层是流动性的组成。
10.根据权利要求9的电池，其特征在于，所说阴极涂层的组成选自由淀粉的水混合物、沥青及其组合组成的集合。
11.根据权利要求9的电池，其特征在于，所说阴极涂层的组成包括约20％的淀粉；以及约80％的水。
12.根据权利要求11的电池，其特征在于，所说阴极涂层的组成还包括约0.5％的45％KOH。
13.根据权利要求11的电池，其特征在于，所说阴极涂层的组成还包括约0.1％的悬浮剂。
14.根据权利要求13的电池，其特征在于，所说悬浮剂为Carbopol 940。
15.根据权利要求11的电池，其特征在于，所说淀粉为马铃薯淀粉。
16.根据权利要求9的电池，其特征在于，所说电池还包括在所说阳极和所说阴极之间的隔离器，所说阴极涂层组分粘接到所说隔离器，以促进所说阴极和所说阳极的密封。
17.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层包括一刚性或柔性材料；以及一流动性组合。
18.根据权利要求17的电池，其特征在于，所说刚性或柔性材料是一种非纺织多孔材料，而所说流动性组合为包括淀粉的水混合物。
19.根据权利要求1的电池，其特征在于，所说阴极涂层电学上为非导电性的，且电学上能耐受电池组件。
20.一种电池，包括一容器；一置于所说容器里的阴极；一置于所说容器里的阴极，所说阴极具有限定阴极搁板的暴露表面；以及涂覆于所说阴极搁板上的阴极涂层，所说阴极涂层为所说阴极的暴露表面提供一保护性阻挡层。
21.根据权利要求20的电池，其特征在于，所说阴极涂层在电学上是非导电的，在化学上能耐受电池组件。
22.根据权利要求20的电池，其特征在于，所说阴极涂层是非纺织多孔材料。
23.根据权利要求20的电池，其特征在于，所说阴极涂层从淀粉的水混合物、沥青和其组合所组成的集合中选出的流动性材料。
全文摘要
本发明提供阴极涂层及将其装进电池的有关方法，这种涂层保护电池阴极，可消除或大大降低电气短路。
文档编号H01M10/24GK1140338SQ9610690
公开日1997年1月15日 申请日期1996年6月7日 优先权日1995年6月7日
发明者D·R·盖茨 申请人:永备电池有限公司