用于电化学电池的端帽组件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碱性电化学电池。
【背景技术】
[0002]电化学电池或蓄电池通常用作电能来源。蓄电池包括通常称作阳极的负极和通常称作阴极的正极。阳极包含可被氧化的活性材料。阴极包含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。分隔体设置在阳极和阴极之间。这些部件设置在通常由金属制成的罐或外壳中。
[0003]当使用蓄电池作为装置中的电能来源时，阳极和阴极发生电接触，使电子流过装置，允许发生相应的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极接触的电解质包含离子，离子在放电期间流过阳极和阴极之间的分隔体以保持蓄电池整体的电荷平衡。
[0004]制备更适于向现代电子设备供电的蓄电池的需求持续增长，所述电子设备诸如玩具；遥控器；音频装置；手电筒；数字相机和外部摄影设备；电子游戏；牙刷；收音机；和时钟。为了满足这种需求，蓄电池可包括更高的阳极活性材料和阴极活性材料的负载以提供增长的使用寿命。然而，蓄电池还以常见尺寸出现，诸如具有固定的外部尺寸的AA、AAA、AAAA、C和D蓄电池尺寸。为了进一步使得能够包含增大的阳极活性材料和阴极活性材料负载，蓄电池外壳的内部体积可增大。由端帽组件占据的体积的减小是提供用以包括另外的量的阳极活性材料和阴极活性材料的更大的内部体积的一个可用变量。这些改变必须在最低程度上在相当于当前设计的水平上保持防电解质渗漏性。存在对于提供这样一种端帽组件的需要，该端帽组件用于在蓄电池中使用，以允许内部蓄电池体积的增加，以用于增加活性阳极材料和活性阴极材料的量，同时在最低程度上保持防电解质渗漏性，以便实质增大总体蓄电池性能，诸如功率容量、使用寿命、在环境条件和加速环境条件以及长期储存下的防渗漏性。
【发明内容】
[0005]在一个实施例中，本发明涉及一种用于电化学电池的端帽组件。该端帽组件包括:具有顶部表面和底部表面的端帽；集流体，该集流体包括在其一个端部处具有头部的柱状主体；以及包括中心毂的密封件，该中心毂具有集流体插入穿过其中的开口。密封件包括周边边缘和连接中心毂与周边边缘的连接部分。连接部分具有顶部表面和底部表面。中心毂包括顶部表面和底部表面。中心毂的顶部表面面向端帽的底部表面，并且中心毂的底部表面不在连接部分的底部表面下方延伸。集流体定位在中心毂的开口内，使得集流体的头部不接触中心毂的顶部表面，从而在集流体的头部和中心毂的顶部表面之间形成约0.0lmm至约0.50mm的间隙。集流体的头部电连接到端帽的底部表面。
[0006]在另一个实施例中，本发明涉及一种电化学电池。该电化学电池包括具有至少一个开口端的外壳；阳极、阴极、设置在阳极和阴极之间的分隔体；以及外壳内的电解质。端帽组件装配在外壳的至少一个开口端内。该端帽组件包括:具有顶部表面和底部表面的端帽；集流体，该集流体包括在其一个端部处具有头部的柱状主体；以及包括中心毂的密封件，该中心毂具有集流体插入穿过其中的开口。密封件包括周边边缘和连接中心毂与周边边缘的连接部分。连接部分具有顶部表面和底部表面。中心毂包括顶部表面和底部表面。中心毂的顶部表面面向端帽的底部表面，并且中心毂的底部表面不在连接部分的底部表面下方延伸。集流体定位在中心毂的开口内，使得集流体的头部不接触中心毂的顶部表面，从而在集流体的头部和中心毂的顶部表面之间形成约0.0lmm至约0.50mm的间隙。集流体的头部电连接到端帽的底部表面。
【附图说明】
[0007]虽然在说明书之后提供了特别指出和清楚地要求保护主题的权利要求书，该主题形成本发明，但是据信通过下面的描述并结合附图可以更好地理解本发明。
[0008]图1为电化学电池的横截面。
[0009]图2为本发明的端帽组件的视图。
[0010]图3为包括本发明的端帽组件的成品电化学电池的视图。
【具体实施方式】
[0011]电化学电池或蓄电池可为一次电池或二次电池。一次蓄电池是指仅放电(如，放电至耗尽)一次，然后丢弃。一次蓄电池在例如David Linden, Handbook ofBatteries (McGraw-Hill，第4版，2011)中有所描述。二次蓄电池旨在进行再充电。二次蓄电池可放电并随后再充电多次，例如超过五十次、一百次、或更多次。二次蓄电池在例如David Linden, Handbook of Batteries (McGraw-Hill，第 4 版，2011)中有所描述。因此，蓄电池可包括各种电化电偶和电解质组合。尽管本文提供的描述和示例是针对一次碱性电化学电池或蓄电池，但是应当理解，本发明应用于具有含水或不含水体系的一次蓄电池和二次蓄电池两者。具有含水或不含水体系的一次蓄电池和二次蓄电池两者因此在本专利申请的范围内并且本发明不限于任何具体实施例。
[0012]参见图1，碱性电化学电池或蓄电池1包括阴极12、阳极14、分隔体16和外壳18。蓄电池10还包括集流体20、密封件22和端帽24。电解质溶液(未示出)分散在蓄电池10各处。蓄电池10可为例如AA、AAA、AAAA、C、或D碱性蓄电池。
[0013]外壳18可为常常用于一次碱性蓄电池的任何常规类型的外壳，并且可由任何合适的材料制成，例如冷乳钢或镀镍冷乳钢。外壳18可具有常规的圆柱体形状-或可具有任何其它合适的非圆柱体形状，例如棱柱形状。外壳18可例如由基体材料诸如冷乳钢或镀镍钢的片材深度拉伸。外壳18可例如拉伸成圆柱体形状。成品外壳18可具有至少一个开口端。成品外壳18可具有封闭端和开口端，其中两者间具有侧壁。外壳18的内壁可用在外壳18的内壁和电极之间具有低电接触电阻的材料处理。外壳18的内壁可镀有例如镍、钴和/或涂有载碳油漆(carbon-loaded paint)以减小外壳内壁和阴极12之间的接触电阻。
[0014]阴极12包含一种或多种电化学活性阴极材料。电化学活性阴极材料可包括锰氧化物、二氧化锰、电解二氧化锰(EMD)、化学二氧化锰(CMD)、高功率电解二氧化锰(HPEMD)、λ 二氧化锰、以及它们的混合物。其它电化学活性阴极材料包括但不限于氧化银；氧化镍；羟基氧化镍；氧化铜；铜盐，诸如碘酸铜；氧化铋；高化合价镍；氧气；它们的合金、以及它们的混合物。氧化镍可包括羟基氧化镍、羟基氧化钴涂覆的羟基氧化镍、脱锂层状氧化锂镍、以及它们的组合。羟基氧化镍可包括β -羟基氧化镍、γ -羟基氧化镍、和/或β -羟基氧化镍和/或γ-羟基氧化镍的共生物。羟基氧化钴涂覆的羟基氧化镍可包括羟基氧化钴涂覆的β-羟基氧化镍、羟基氧化钴涂覆的γ-羟基氧化镍、和/或β-羟基氧化镍和γ -羟基氧化镍的羟基氧化钴涂覆的共生物。氧化镍可包括具有化学通式Li1 xHyNi02的部分脱锂的层状氧化镍，其中0.1 < X < 0.9并且0.1 < y < 0.9。高化合价镍可例如包括四价镍。
[0015]电解二氧化锰(EMD)是用于电化学电池诸如碱性蓄电池的优选的二氧化锰形式，这是因为它的高密度并且因为它通过电解方法便利地以高纯度获取。化学二氧化锰(CMD)是一种化学合成的二氧化锰，其也被用作电化学电池中的电化学活性阴极材料，该电化学电池包括碱性电池和重型电池。
[0016]EMD通常由包含硫酸锰和硫酸的水性溶液的直接电解来制造。用于制造EMD的方法及其性能见于 Karl V.Kordesch 编辑的 Batteries，Marcel Dekker, Inc.(New York),Vol.1，(1974)，第433-488页。CMD通常通过本领域已知的方法“Sedema方法”制备，这是一种化学方法，由美国专利2，956，860 (Welsh)公开。电池级Mn(VSJ经由Sedema方法，使用MnSOjP碱金属氯酸盐(优选NaClO3)的反应混合物制备。二氧化锰的经销商包括Tronox、Erachem、Tosoh、Delta Manganese、和Xiangtan。在放电期间期望极低或不期望失真的蓄电池中，可使用高功率(HP)EMD。优选地，包括HP EMD作为阴极活性材料的蓄电池具有至少
1.635伏特(V)的开路电压(OCV)。合适的HP EMD可从Tronox以商品名High Drain商购获得。
[0017]阴极12也可包括碳颗粒和粘合剂。阴极12也可包括其它添加剂。阴极12将具有孔隙率，该孔隙率可在制造时通过下式计算:
[0018]阴极孔隙率=(1-(阴极固体体积+阴极体积))X 100阴极孔隙率可为约15%至约45%并且优选地介于约22%和约31%之间。阴极孔隙率通常在制造时计算，因为孔隙率将随时间推移而变化，这是由于与电解质润湿阴极及蓄电池放电相关联的阴极溶胀。
[0019]阴极中包括碳颗粒以允许电子流过阴极。碳颗粒可为石墨，诸如膨胀石墨和天然石墨；石墨烯、单壁纳米管、多壁纳米管、碳纤维；碳纳米纤维；以及它们的混合物。优选的是阴极中的碳颗粒量相对较低，例如，少于约7.0%、少于3.75%、或甚至少于3.5%，例如
2.0%至3.5%。较低的碳含量使得能够在阴极内包含较高的活性材料负载，并且不增加电池体积或减少空隙体积(其必须被保持在某一水平或高于某一水平以防止当电池内产生气体时，内部压力升得太高)。适于在蓄电池内使用的膨胀石墨可例如从Timcal获得。
[0020]—般优选的是阴极基本上不含非膨胀石墨。虽然非膨胀石墨颗粒为阴极粒料成形设备提供润滑性，但是这种类型的石墨的导电性显著低于膨胀石墨，并且因此有必要使用更多的非膨胀石墨，以便获得与包含膨胀石墨的阴极相同的阴极导电性。虽然不是优选的，阴极可包含低含量的非膨胀石墨，然而这将危及石墨浓度的减少，该石墨浓度为在保持特定的阴极导电性的同时而获得的。
[0021]阴极组分诸如活性阴极材料、碳颗粒、粘合剂、以及任何其它添加剂可与液体诸如含水氢氧化钾电解质组合、共混并且压制成粒料，以用于在成品蓄电池的制造中使用。为了进行最佳粒料加工，一般优选阴极材料具