专利名称：电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池。
背景技术：
电池，例如碱性电池，通常用做能源。一般说来，碱性电池包括阴极、阳极、隔板和电解液。通常阴极由活性物质(例如二氧化锰)、碳颗粒和粘合剂组成。阳极可以是包括活性物质(例如锌颗粒)的凝胶。隔板一般设置在阴极和阳极之间。散布在整个电池中的电解液可以是氢氧化合物溶液。
碱性电池包括传统的AA，AAA，AAAA，C和C型电池，这类电池通常在商店中都有出售。这些传统的碱性电池包括一个圆柱形外壳，该外壳中包含着一个由环状二氧化锰阴极环绕的中心圆柱形锌凝胶体阳极。
这些传统电池包括一个负极端和一个正极端。负极端连接到所述外壳内部的一个集电器，该集电器包括一个延伸到阳极的管脚。通常在阴极和阳极上方设置有密封装置以防止阳极物质和阴极物质漏泄出来。所述集电器的管脚穿过所述密封装置进入阳极。
由Mick等申请的美国专利5,869,205(Mick专利)描述了一种增强型“服务性能”(即寿命更长)的电池。Mick认为，传统碱性电池的服务性能受到碱性电池内“阳极到阴极的接口区”这一有限区域的限制。所述Mick专利利用合起来组成阳极的多个圆柱形空腔代替所述中心圆柱体空腔，例如传统碱性电池中的锌阳极，从而克服了上述限制。例如，通过以包括多个空腔的锌阳极代替中心锌阳极，增加了位于所述锌阳极和阴极之间的接口区域，于是就提供了增强型服务性能。
由Mick专利所描述的具有包括多个空腔的锌阳极的电池还包括一个负极端，一个连接到所述负极端的集电器和一个设置在阳极和阴极上方以防止阳极和阴极物质漏泄的密封装置。所述集电器包括一个延伸到每个阳极空腔并穿过所述密封装置的管脚。这就意味着所述密封装置在电池中被刺穿多次。所述管脚然后弯曲并连接到所述密封装置上方的中心位置。
发明内容
本发明提供一种电池，其特征在于，该电池包括一个外壳；包含在该外壳中的一个第一电极；一个具有在所述第一电极中的多个空腔的第二电极；一块设置在所述第一电极和所述多个空腔的每一个之间的隔板，以及一个集电器。关键在于，尽管所述集电器包括延伸进每个空腔的管脚，但是这些管脚都通过位于所述密封装置下方的分支部件连接到一个单独的部件。然后该单独部件穿过所述密封装置并连接到电池负极端。结果，虽然所述电池包括一个多空腔电极和一个具有延伸到每个空腔的管脚的集电器，但该集电器也仅刺穿所述密封装置一次，这样电极物质漏泄的机会就减到最小。
所述电池最好还包括一个位于所述分支部件和所述第一电极之间的第二密封装置以防止意外接触。
在本发明的一个优选实施例中，所述第一电极为包含二氧化锰的阴极，所述第二电极为包含锌的阳极。第二电极也可包含例如两个、三个或四个空腔。在一个优选实施例中，所述第二电极包含两个D形空腔。所述电池例如可以是AA，AAA，AAAA，C或D型电池。
在某些优选实施例中，电池具有一定长度，且在沿着电池长度的某些位置处，每个空腔都有到外壳的最小距离(d1)以及到其它每个空腔之间的最小距离(d2)，对每个空腔来说比率d2∶d1在1.5∶1和2.5∶1之间，这个比率在1.7∶1和2.3∶1之间较好，在1.8∶1和2.2∶1之间更好，在1.9∶1和2.1∶1之间最优。所述比率例如可沿所述电池长度在中点处或三分之一处，或三分之二处确定。优选方案是，位于上述位置处的每个空腔外周的至少50％，较好为75％，最好基本上整个外周都满足所述比率关系。所述外壳最好是圆柱形的。
通过确定空腔附近所述第一电极的表面和外壳附近所述第一电极的表面之间的最小距离，可测量一个空腔和所述外壳之间的最小距离(d1)。通过确定一个空腔附近所述第一电极的表面和第二空腔附近所述第一电极的表面之间的距离，可测量沿所述电池长度同一位置处两个空腔之间的最小距离(d2)。
对每个空腔来说，所述比率d2∶d1较好的是在1.5∶1和2.5∶1之间的平均值，更好的是在1.7∶1和2.3∶之间的平均值，最优的是在1.8∶1和2.2∶1之间或甚至是在1.9∶1和2.1∶1之间的平均值。
本发明的特征在于还提供一种电池，其中第二电极仅是一单个的空腔。在这种电池中，所述集电器包括多个延伸入该单个空腔的管脚。
从对其优选实施例的说明及其权利要求书中将可清楚地看到本发明其他特征和实施例。
附图简要说明
图1是电池的侧部剖视图；图2是图1中电池顶部的放大视图；图3是从图1中III-III处截取的电池的截面图。
参照图1到图3，电池10包括一个阴极12，一个由两个通常为D形的空腔14和16所组成的阳极，一个隔板18，以及圆柱形外壳20。电池10还包括一个集电器22，该集电器具有一个穿过密封装置26的部件24。集电器22还包括分别连接到管脚32和34的分支部件28和30。部件24的末端连接到作为电池负接线端子的负极金属顶帽36。所述阴极与所述外壳接触，电池的正极接线端子在电池上与所述负极接线端子相反的一端。电池10还包括一个第二密封装置，或绝缘子38，该密封装置设置在位于密封装置26下方的集电器22的部件和阴极12之间。一种电解液散布在整个电池10中。
阴极12包括二氧化锰，碳颗粒和粘合剂。
任何用在阴极上的传统形式的二氧化锰都可利用。虽然也可用CMD，但是最好是用EMD。这种二氧化锰的销售商包括Kerr McGee公司(Trona D)，化学金属公司，Tosoh，Delta Manganese，三井化学株式会社(Mitsui Chemicals)和JMC公司。通常阴极包括重量比为80％到88％之间的二氧化锰。
阴极颗粒也可以是任何用在阴极中的传统的碳颗粒。这种颗粒可以是合成的或非合成的，也可以是有延展性的或无延展性的。在某些实施例中，所述碳颗粒为非合成和无延展性的石墨颗粒。在这些实施例中，石墨颗粒的平均颗粒尺寸最好为20微米左右，较好是为2到12微米左右，最优是为5到9微米左右，这个尺寸是用Sympatec HELIOS分析器测量出来的。非合成、无延展性的石墨颗粒例如可从BrazilianNacional de Grafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X))获得。一般说来，阴极中包含的石墨颗粒按重量比例为5％到8％之间。
粘合剂例如可以是聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺，普通水泥和氟碳化合物树脂、如PVDF(聚偏二氟乙烯)和PTFE(聚四氟乙烯)。例如一种聚乙烯粘合剂是以商品名Coathylene HA-1618(Hoscht)出售的。通常，阴极中包含的粘合剂按重量百分比大约为0.1％到1％之间。
所述阴极12还可以包括其他添加剂。在美国专利5,342,712中公开了这些添加剂的几个实例，在此引用以作参考。阴极12可包含例如按重量比大约为0.2％到2％的TiO2。
所述电解液散布在整个阴极12中，且上述百分比是在电解液已经扩散完成后确定的。
所述阳极可由用在电池阳极中的任何标准锌物质构成。例如，阳极14可以是一种包含锌金属颗粒、胶凝剂和少量添加剂如电液泡抑制剂(gassing inhibitor)的锌凝胶。此外，部分电解液扩散至整个阳极中。
所述锌颗粒可以是传统上用在凝胶阳极中的任何锌颗粒。阳极中所用的锌颗粒的其他例子包括专利申请U.S.S.N 08/905,254；U.S.S.N09/115,867；U.S.S.N09/156,915中描述的锌颗粒，上述案例都是指定本发明的代理人代理的，在此引用以作参考。通常阳极中包含重量百分比大约为67％到71％之间的锌颗粒。
可用在所述阳极14中的胶凝剂包括聚丙烯酸、聚合淀粉物质、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸脂、羧基纤维素(carboxymethylcellulose)，或这些物质的混合物。聚丙烯酸的例子有丙烯酸树脂Carbopol 940，934(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)，聚合淀粉物质的一个例子是环水A221(粮食处理公司，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的一个例子是Alcosorb G1(汽巴精化公司)(Ciba Specialties)。阳极中通常包含重量百分约为0.1到1之间的胶凝剂。这些重量百分比都是当所述电解液扩散到整个阳极时相应的值。
所述电液泡抑制剂可以是无机物质，诸如铋、锡、铅和铟。或者电液泡抑制剂也可以是有机化合物，例如磷酸盐脂类、离子表面活性剂或非离子表面活性剂。美国专利4,777,100公开了离子表面活性剂的一个例子，在此引用以作参考。
所述隔板18可以是任何传统类型的隔板。在某些实施例中，隔板18可由两层非织物、非膜材料构成，其中一层沿另一层的表面放置。为了将所述隔板18的体积减到最小而同时又提供一种高效电池，每层非织物、非膜材料的基本重量为每平方米大约54克，且干燥时的厚度大约为5.4密耳(毫英寸)，湿润时的厚度大约为10密耳。在这些实施例中，所述隔板的两层非织物、非膜材料之间最好不要有一层膜材料或一层粘性物质。一般层与层之间可以没有任何填充物，如无机颗粒。
在本发明另一个实施例中，所述隔板18包括带有一层非织物材料的玻璃纸外层。该隔板还包括一层非织物材料辅助层。所述玻璃纸层可与阴极12或阳极相邻。所述非织物材料最好包含重量百分比大约为78到82的PVA(聚氯乙烯)和重量百分比大约为18到22的、加有微量表面活化剂的人造纤维，。这种非织物材料可从PDM获得，其商品名为PA36。
散布在整个电池10中的电解液可以是用在电池中的任何传统类型的电解液。具有代表性的电解液是氢氧化物水溶液。这种氢氧化物水溶液包括例如含有重量百分比大约是33％到38％的氢氧化钾的氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液。
所述外壳20可以是通常用在主要的碱性电池中的任何传统外壳。该外壳一般包括一个内金属壁和外部非导电材料，如热缩塑料。但这并非是强制性的，也可以在所述内壁和阴极12之间设置一层导电材料。该层可沿所述内壁的内表面，沿阴极12的外周或同时沿以上两者设置。这种导电层例如可由一种含碳的材料组成。这种材料包括LB1000(特米高有限公司)(Timal)，Eccocoat 257(W.R.格雷斯有限公司)(W.R.Grace & Co.)，Elctrodag 109(Acheson)，Electrodag112(Acheson)和EB0005(Acheson)。施加这种导电层的方法例如已在加拿大专利1,263,697，中公开，在此引用以作为参考。
所述集电器24由合适的金属如铜制成。所述密封装置26和38例如可由尼龙制成。
下面说明电池10的一个实例。阴极混合物由下列材料组成85.5％的EMD(来自Kerr McGee)，7.3％的石墨(来自Hoechst的CoathyleneHA1618)，0.3％的聚乙烯粘合剂(来自Nacional de Graphite的MP-0702X)和6.9％的电解液。然后用压力把该混合物压入一个冲成双“D”形空腔的模具中。已成形的小球被反冲力拉出所述模具。四个小球(AA型电池)或三个小球(AAA型电池)与半月形阴极金属板垂直对齐并滑进所述外壳中，然后在外壳中重新压紧所述小球以使其和所述外壳相接触。所述隔板(P.G.I.Non-woven 7638)放置在每个空腔中。阳极混合物由下列材料混合组成(按重量百分比)70％的锌粉末(美国锌公司1216)，胶凝剂(BF Goodrich的丙烯酸脂Carbopol 940)，和30％的电解液(由98.6％的电解液体和1.4％的不溶解胶凝剂组成)。然后把该阳极混合物压到所述空腔中。将包括顶帽28、集电器和密封装置26的顶部组件放在外壳上方并用机械方法使其卷曲以密封电池。在安装所述组件前先在所述外壳边缘上涂覆一种密封剂(Spec Seal)。
在电池10中，阳极空腔14和16距离外壳20以等距(d1)放置，且彼此之间相隔等距(d2)。围绕每个空腔的整个周长比率d1∶d2大约为2∶1。在使用电池10时，最接近阳极空腔的阴极材料将首先被消耗掉，随着时间的推移就会在每个空腔周围形成已消耗阴极材料区。因为d2大约是d1的两倍，所以当已消耗阴极材料区扩展时就将到达外壳20，并且经过大致相同的时间，其他空腔的已消耗阴极材料区也会扩展过来。结果就使得阴极材料消耗效率达到最大，从而增加了电池的寿命。
其他实施例包括在权利要求书中。例如，所述阳极可由三个或四个三角形空腔所组成。在这些实施例中，所述集电器可包括三个或四个与延伸至每个空腔的管脚相连接的分支部件。
此外，也可倒转阴极的位置。
所述集电器的分支部件(例如，28和30)也可以设计成一个与所述穿过密封装置的部件(例如部件24)相连接的弹簧锁单元。
权利要求
1.一种电池，包括一个外壳；一个位于所述外壳内的第一电极；一个由所述第一电极内的多个空腔组成的第二电极；一个位于每个所述空腔和所述第一电极之间的隔板；一个位于所述第一电极和所述空腔上方的防止漏泄的密封装置；一个集电器，包括一个穿过所述密封装置的部件；多个管脚，每个所述管脚延伸到所述空腔中的一个，和多个分支部件，每个所述分支部件将所述管脚中的至少一个连接到位于所述密封装置下部的垂直部件。
2.如权利要求1所述的电池，还包括一个位于所述分支部件和所述第一电极之间的第二密封装置。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述第二电极由两个空腔组成。
4.如权利要求3所述的电池，其中所述空腔是D形的。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述第二电极包括三个空腔。
6.如权利要求1所述的电池，其中所述第二电极包括四个空腔。
7.如权利要求1所述的电池，其中所述第一电极是一个阴极。
8.如权利要求7所述的电池，其中所述阴极包含二氧化锰。
9.如权利要求8所述的电池，其中所述第二电极是包含锌的阳极。
10.如权利要求7所述的电池，其中所述第二电极是包含锌的阳极。
11.如权利要求1所述的电池，其中每个所述空腔都是三角形的。
12.如权利要求1所述的电池，其中每个所述空腔都是圆柱形的。
13.如权利要求1所述的电池，其中所述电池是AA型电池。
14.如权利要求1所述的电池，其中所述电池是AAA型电池。
15.如权利要求1所述的电池，其中所述电池是AAAA型电池。
16.如权利要求1所述的电池，其中所述电池是C型电池。
17.如权利要求1所述的电池，其中所述电池是D型电池。
18.如权利要求1或2所述的电池，其中所述外壳是圆柱形的。
19.如权利要求1所述的电池，其中所述多个分支部件通过一个弹簧锁连接到所述垂直部件。
20.一种电池，包括一个外壳；一个位于所述外壳内的第一电极；一个位于所述第一电极内的第二电极；一个位于所述第一电极和第二电极之间的隔板；一个位于所述第一电极和所述空腔上部的密封装置；和一个集电器，包括一个穿过所述密封装置的部件；多个管脚；多个分支部件，每个所述分支部件都将一个管脚连接到位于所述密封装置下部的垂直部件。
21.如权利要求19述的电池，还包括一个位于所述分支部件和所述第一电极之间的第二密封装置。
22.如权利要求20所述的电池，其中所述第一电极是一个阴极。
23.如权利要求22所述的电池，其中所述阴极包含二氧化锰。
24.如权利要求23所述的电池，其中所述第二电极是一个包含锌的阳极。
25.如权利要求20所述的电池，其中所述第二电极是一个阳极。
26，如权利要求20所述的电池，其中所述电池是从AA、AAA、AAAA、C和D型电池所构成的组合中选出的一种。
27.如权利要求20所述的电池，其中所述外壳是圆柱形的。
28.如权利要求20所述的电池，其中所述多个分支部件通过一个弹簧锁连接到所述垂直部件。
全文摘要
一种电池(10),包括一个外壳(20),一个第一电极(12),一个由位于所述第一电极内的多个空腔(14,16)组成的第二电极,一个位于每个所述空腔和所述第一电极之间的隔板(18),一个位于第一电极和空腔上方的密封装置(26),和一个集电器(21)。所述集电器(21)包括一个穿过所述密封装置(26)的部件(24),一个延伸进入每个空腔(14,16)的管脚(32,34),以及一个将每个所述管脚(31,34)连接到位于所述密封装置(26)下方的部件(24)的分支部件(28,30)。
文档编号H01M2/30GK1353872SQ00808195
公开日2002年6月12日 申请日期2000年5月24日 优先权日1999年5月28日
发明者亚历山大·卡普兰, 西恩·A·萨吉特, 韦尔特·H·Vu, 道格拉斯·伍德诺斯 申请人:吉莱特公司