专利名称：金属－空气电池的密封的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及金属空气电化学电池。
电池一般用作电能源。电池包含负极，一般称为阳极，和正极，一般称为阴极。阳极含有可以被氧化的活性材料；阴极含有或消耗可以被还原的活性材料。阳极活性材料能还原阴极活性材料。为了防止阳极材料与阴极材料的直接反应，阳极和阴极通过隔板彼此电隔离。
当电池在设备(如蜂窝电话)中用作电能源时，使阳极与阴极之间电接触，使得电子可以流过设备，并使各自的氧化和还原反应发生，来提供电能。与阳极和阴极接触的电解质含有离子，这些离子流过电极之间的隔板，以保持整个电池在放电期间的电荷平衡。
在金属空气电化学电池中，阴极含有可以催化氧气的还原反应的物质，该氧气作为大气的一种成分通过容器的一个或多个入口进入电池。氧化锌或锌酸盐在阳极中形成。因此，电池内总的电化学反应导致锌金属被氧化成锌离子，并且来自空气中的氧气被还原成氢氧根离子。在这些化学反应发生时，电子从阳极转移到阴极，为设备提供能源。
金属-空气电池在电池容器与阴极之间需要一个空气室。因为阴极不与容器内表面直接接触，必须以某种其它方式建立这两个部件之间的电接触。
此外，因为容器必须有空气进口，以便使空气流动，所以不密封容器的侧面。所以，为了防止电解质漏出，必须密封容器的顶部和底部。密封金属-空气电池容器端部的许多方法包括使用多个部件，如杯(cup)、绝缘垫圈和环。
本发明的金属-空气电池特征是一种简单设计。电池或蓄电池容器的一端或两端用热熔性材料密封。使用热熔性材料使得较迅速的、便宜的制造方法成为可能，并且可以使用各种阴极形状。
一方面，本发明特征是一种金属-空气电池，包括(a)有一个正极端和一个负极端的容器；(b)一端邻接容器正极端，一端邻接容器负极端的阴极；(c)阳极；(d)阴极和阳极之间的隔板；和(e)在邻接容器正极端的阴极端部与容器正极端之间的密封。这种密封包括热熔性材料。在一些实施方案中，该密封基本由热熔性材料组成。在其它实施方案中，热熔性材料是导电的。
另一方面，本发明特征是一种金属-空气电池，包括(a)有一个正极端和一个负极端的容器；(b)一端邻接容器正极端，一端邻接容器负极端的阴极；(c)阳极；(d)在阴极和阳极之间的隔板；和(e)在邻接容器负极端的阴极端部与容器负极端之间的密封。这种密封包含热熔性材料。在一些实施方案中，该密封主要由热熔性材料组成。在其它实施方案中，热熔性材料是导电的。
热熔性材料一般在室温下是固体，在较高温度下，例如高于约60℃、80℃或100℃时是液体。在电池容器的正极端密封中使用热熔性材料提供了几个优点。首先，它排除了用于密封许多金属-空气圆形电池的多个部件，如杯、密封垫圈和卷边密封。第二，它为不规则形状的阴极管提供紧密密封。该密封容纳不规则性，例如，由于制造公差所产生的不规则性。该密封还容纳带有缝隙的阴极，其中在隔板与阻挡层重叠时阴极较厚。第三，如果使用导电热熔性材料，该材料既形成密封，也提供在阴极集电体和电池容器之间电连接。
另一方面，本发明特征是一种制造金属-空气电池的方法，包括(a)把热熔性材料放入容器正极端；(b)把阴极把在容器中，同时把容器加热到足以使热熔性材料流动的温度；和(c)把阴极压入热熔性材料中，在阴极的一端与容器正极端之间形成密封。该方法还包括使用热熔性材料在容器的负极端形成密封。
仍另一个方面，本发明特征是一种制造金属-空气电池的方法，包括(a)把热熔性材料放在容器的负极端；(b)把阴极放在容器中，同时把容器加热到足以使热熔性材料流动的温度；和(c)把阴极压入热熔性材料中，在阴极的一端与容器的负极端之间形成密封。
从本发明的优选的实施方案的描述和权利要求书中，本发明的其它特征和优点将是明显的。
图1-c是电池容器的透视图。
图2a和b是本发明的电池的截面图。
图3是本发明的电池的截面图。
图4是本发明的顶部密封的截面图。
图5a-e是顶部密封的截面图。
参见图1a，电池的容器2与一次碱性电池所用的容器类似。这种容器在一端有一个杯形突出4，称为“尖头(pip)”。
供选择地，容器6在正极端可以有一个平面，如图1b所示。平底的容器可以使制造方法更容易，例如，在焊接到容器底部时容易。这种容器还可以进行更多空间有效的设计—以前由于尖头浪费的空气空间(如图1b的阴影区域所示)可以充满活性材料。这些电池可以用于电池组等用途中。
在另一种实施方案中，蓄电池可以在平底容器中组装。在组装后，尖头可以焊接到容器上。尖头如图1c的阴影区域所示。所得的蓄电池与相应的碱性电池具有相同的总体形状和尺寸，所以可以用在与碱性电池相同的用途中。例如，可以制造圆柱形AAAA、AAA、AA、C或D电池。
本发明的蓄电池可以组装如下。参见图2a，把热熔性材料20放入容器22的正极端。例如，可以从薄板冲压热熔性材料的环，然后放在容器底部。供选择地，热熔性材料可以通过加热加压的喷嘴来施加。可以几乎在把阴极压入容器中的同时对容器加热。热量流过热熔性材料，使其可以容易变形，此时阴极管被压入其中。为了使热熔性材料流动，至少约120℃，至少约130℃，或者至少约140℃的温度是足够的。不必把热熔性材料切割以适应阴极管的形状。相反，热熔性材料将适应把它压入其中的任何形状。热熔性材料有助于在电池的正极端处在阴极和容器之间形成紧密的密封。
参见图2b，图2b是图1a左下角的圆形区域的放大图，电池的阴极24包括集电体25，如金属丝网筛。活性阴极混合物26沉积在该筛网上。这种混合物包括粘合剂、碳颗粒和还原过氧化物的催化剂。有用的粘结剂包括由聚四氟乙烯(PTFE)颗粒形成的粘合剂。有用的催化剂包括氧化锰，如Mn2O3、Mn3O4和MnO2，例如，它们可以通过加热硝酸锰或还原高锰酸钾来制备。
阴极24的外侧对着空气进口，可以用PTFE薄膜28覆盖。该薄膜有助于在电池中保持一致的湿度水平。该薄膜还有助于防止电解质从电池漏出和CO2漏入电池中。
在阴极集电体25与容器22之间必须进行电连接。根据可以容许的电池阻抗水平，这种连接可以用不同的方式进行。在要求低电池阻抗时，导电接头(tab)，例如金属箔接头可以焊接到阴极集电体上和容器底部上。平底的容器可以用于这些电池，因为把接头连接到平表面上比连接到尖头突出的表面更容易。此外，如果使用平底的容器，可以使用多个接头。在使用接头提供在阴极集电体和容器之间的电连接时，可以使用不导电热熔性材料在电池的正极端形成密封。
供选择地，阴极集电体25可以直接焊接在外壳22底部。当阴极集电体焊接到外壳的底部时，必须先从阴极除去活性材料，以便暴露一部分集电体。带有平表面的外壳提供更大的焊接表面区域；此外，把集电体焊接到平表面上比焊接到尖头突出的表面上更容易。
如果可以容忍更高的电池阻抗，可以使用不同的方法建立在阴极集电体和容器之间的电接触。可以清除阴极管的底部边缘的活性材料26，以便暴露一部分集电体25。然后把阴极管压入热熔性材料中，直到暴露的集电体接触到外壳底部。在这种情况下，热熔性材料必须是导电的。
有用的导电热熔性材料包括含有镀银玻璃珠的树脂。这些材料可以从Chomerics，Inc.(Woburn，MA)购得，并且在美国专利No.4,011,360中描述。此外，可以使用供应到Duracell，Inc.的Chomerics的材料。这些材料是含镀银颗粒的聚酰胺树脂。例如，可以使用样品编号4389-16-1(含有0.020英寸镀银铜颗粒的聚酰胺树脂)、4389-16-2和4389-19-1(含有0.020英寸银颗粒的聚酰胺树脂)、4389-16-3(含有0.020英寸镀银玻璃珠的聚酰胺树脂)、和4389-19-2(0.035英寸镀银玻璃珠)。也可以使用含有镀银不锈钢颗粒、镀银镍颗粒和碳颗粒的聚酰胺树脂。
纯银颗粒产生最好的性能，但是太昂贵而不能使用。镀银铜颗粒和镀银不锈钢颗粒平衡了性能与成本的关系。
也可以使用沥青密封剂作为导电密封材料。通过使其含有与用于使聚酰胺树脂导电所用的相同的导电颗粒，可以使沥青密封剂导电。
导电热熔性材料应该可以使电池阻抗小于0.1欧姆，并且应该与KOH相容。例如，使用Mil-G-833528第4.6.11段中所述的圆盘法，可以测量导电材料的体积电阻率，它是材料传导电流优良程度的测量。体积电阻率也可以如Chomerics EMI屏蔽工程手册中所述进行测量。体积电阻率为10-20欧姆20厘米的材料是优选的。
在把阴极管插入热熔性材料之后，冷却外壳。然后把分隔管29插入容器中。分隔管可以是使电解质与空气阴极接触的多孔电绝缘聚合物，如聚丙烯。
在把隔板材料的管插入容器中之后，可以在管的底部放入不导电的热熔性材料。把热熔性材料加热，使该材料可以流动并覆盖管的底部。热熔性材料形成不导电的绝缘体，防止在阳极和导电热熔性材料之间的电接触。
有用的不导电热熔性材料包括从Henkel Adhesives(Elgin，IL)购得的聚酰胺。优选的材料是从Henkel购得的MACROMELT6329。聚酰胺树脂一般是耐KOH腐蚀的；这些树脂一般在约130-150℃的温度流动。
供选择地，可以把绝缘聚合物的圆盘30插入管的底部，如图3表示。圆盘是用例如硬质塑料制成的。在正极端的热熔性材料仍然柔软时把圆盘插入。插入力使该热熔性材料回流，因而在圆盘和分隔管之间形成密封。如果使用这种在管端提供绝缘层的方法，优选的是使用不导电的热熔性材料，形成在电池正极端上的密封，因为重新流动的热熔性材料可以产生短路。
然后把由隔板和绝缘体形成的内部空腔充满阳极凝胶32。阳极凝胶含有包含锌和电解质的混合物。锌和电解质的混合物可以包括一种凝胶剂，这种凝胶剂可以有助于防止电解质从电池中泄漏，并且有助于锌颗粒在阳极内的悬浮。
锌材料可以是与铅、铟、铝或铋合金化的锌粉。例如，锌可以与约400-600ppm(例如500ppm)的铅，400-600ppm(例如500ppm)的铟、约50-90ppm(例如70ppm)的铝合金化。供选择地，锌可以包含铅而没有其它金属添加剂。锌材料可以是空气吹制或旋制的锌。合适的锌颗粒，例如在1998年9月18日提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1日提交的U.S.S.N.08/905,254和1998年7月15日提交的U.S.S.N.09/115,867中描述，这些专利全部在本文中引作参考。锌可以是粉末。锌颗粒可以是球形或非球形的。例如，锌颗粒在形状上可以是针状的(具有至少为2的纵横比)。
锌材料包括大部分尺寸为60目-325目的颗粒。例如，锌材料可以具有下列颗粒尺寸分布60目筛上0-3重量％；100目筛上40-60重量％；200目筛上30-50重量％；325目筛上0-3重量％；和在盘上0-0.5重量％。
合适的锌材料包括从Union Miniere(Overpelt，Belgium)、Duracell(USA)、Noranda(USA)、Grillo(Germany)、或Toho Zinc(Japan)中购得的锌。
凝胶剂是吸收性聚丙烯酸盐。吸附剂聚丙烯酸盐具有每克凝胶剂小于约30克盐的吸收性容量(absorbency envelope)，按美国专利No.4,541,871中所述的方法测量，该专利引作本文参考。按阳极混合物中锌的干重计算，阳极凝胶包括小于1％的凝胶剂。优选的是，凝胶剂含量约0.2-0.8重量％，更优选的是约0.3-0.6重量％，最优选的是约0.33重量％。吸收性聚丙烯酸盐可以是通过悬浮聚合制备的聚丙烯酸钠。合适的聚丙烯酸钠具有约105-180微米的平均颗粒尺寸和约7.5的pH值。
合适的凝胶剂，例如在美国专利No.4,541,871、美国专利No.4,590,227、或美国专利No.4,507,438中所述。
在某些实施方案中，阳极凝胶可以包含非离子表面活性剂，和铟或铅的化合物，如氢氧化铟或醋酸铅。阳极凝胶可以包含约50-500ppm，优选为50-200ppm的铟或铅的化合物。表面活性剂可以是涂敷在锌表面上的非离子磷酸酯表面活性剂，如非离子烃基磷酸酯或非离子芳基磷酸酯(例如购自Rohm&Haas的RA600或RM510)。阳极凝胶可以包含约20-100ppm的涂敷到锌材料表面上的表面活性剂。表面活性剂可以作为抑泡剂。
电解质可以是氢氧化钾的水溶液。电解质可以包括约30-40％，优选为35-40的氢氧化钾。电解质还可以包含约1-2％的氧化锌。
参见图4，它是图2a的左上角中的画圈区域的放大图，电池的顶部组件34包括负极端帽36、带有封装(potting)腔40的封装密封38、和集电体42。为了制备该组件，注射成型该封装密封。制造封装密封的有用的材料包括尼龙6/6树脂(以名称Zytel 101F购自DuPont，Wilmington，DE或以商品名NYCOA 520购自Nyltech，Inc.，Manchester，NH)、和尼龙612树脂(购自DuPont)。端帽36和集电体42焊在一起，如图5a和5b所示。然后通过在集电体上涂敷沥青粘合剂等材料50来组装顶部组件，然后把集电体插入封装密封38中，如图5c-e所示。把热熔性材料或沥青密封剂44施加在封装腔中。然后把顶部组件34插入电池容器中，直到阴极24与封装腔40配合，如图4所示。容器的上部外周边(即凸边)然后弯倒在上部组件上，来密封电池顶部处的顶部组件。
导电的和不导电的热熔性材料和密封剂均可以使用来密封电池的负极端。不导电材料比较便宜，所以是优选的。热熔性材料可以与上述的那些热熔性材料相同。此外，可以使用沥青密封剂，如购自BiWax Corp.，的沥青B1128。
虽然上述讨论一般涉及圆柱性电池(例如AAAA、AAA、AA、C和D电池)，但是，导电和不导电热熔性材料也可以用来密封除了圆柱性电池以外的其它金属-空气电池。例如，使用本文所述的方法和材料，可以用热熔性材料密封钮扣电池和柱型电池。
此外，可以使用导电和不导电热熔性材料来密封其中相对于上述电池极性反转的电池的金属-空气电池。例如，上述讨论一般涉及其中容器是正极、端帽是负极的电池。热熔性材料也可以用来密封其中容器是负极、端帽是正极的电池。
在本申请中提到的所有出版物和专利在本文引作参考，其程度就象每篇单个出版物或专利具体并且单独通过参考并入本说明书一样。
其它实施方案也在下列权利要求书中。
权利要求
1.一种金属-空气电池，包括(a)有一个正极端和一个负极端的容器；(b)其一端与容器正极端邻接和一端与容器负极端邻接的阴极；(c)阳极；(d)阴极与阳极之间的隔板；和(e)在邻接容器正极端的阴极端与容器正极端之间的密封，所述密封包含热熔性材料。
2.根据权利要求1的金属-空气电池，其中，在邻接容器正极端的阴极端与容器正极端之间的密封基本由热熔性材料组成。
3.根据权利要求1的金属-空气电池，其中，热熔性材料是导电的。
4.根据权利要求1或2的金属-空气电池，其中，阴极包括集电体，其中，导电接头提供阴极集电体与容器正极端之间的电接触。
5.根据权利要求1、2或3的金属-空气电池，其中，所述电池是圆柱形电池。
6.根据权利要求1、2或3的金属-空气电池，其中，容器的正极端基本是平坦的。
7.根据权利要求1、2或3的金属-空气电池，其中，容器的负极端用不导电热熔性材料密封。
8.根据权利要求1、2或3的金属-空气电池，其中，所述电池是锌-空气电池。
9.根据权利要求8的金属-空气电池，其中，所述电池是一种AAAA电池。
10.根据权利要求8的金属-空气电池，其中，所述电池是一种AAA电池。
11.根据权利要求8的金属-空气电池，其中，所述电池是一种AA电池。
12.根据权利要求8的金属-空气电池，其中，所述电池是一种C电池。
13.根据权利要求8的金属-空气电池，其中，所述电池是一种D电池。
14.一种金属-空气电池，包括(a)具有一个正极端和一个负极端的容器；(b)具有一端与容器正极端邻接、另一端与容器负极端邻接的阴极；(c)阳极；(d)在阴极和阳极之间的隔板；和(e)在邻接容器负极端的阴极端与容器的负极端之间的密封，所述密封包含一种热熔性材料。
15.根据权利要求14的金属-空气电池，其中，在邻接容器负极端的阴极端与容器负极端之间的密封基本由热熔性材料组成。
16.根据权利要求14的金属-空气电池，其中，所述热熔性材料是导电的。
17.一种制造金属-空气电池的方法，包括(a)把热熔性材料放在容器的正极端；(b)把阴极放在容器内，同时把容器加热到足以使热熔性材料流动的温度；和(c)把阴极压入热熔性材料中，在阴极的一端与容器的正极端之间形成一种密封。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述电池是圆柱形电池。
19.根据权利要求17的方法，其中，所述热熔性材料是导电的。
20.根据权利要求17的方法，其中，步骤(a)包括从薄板上冲压出热熔性材料的环，然后把热熔性材料的环放入容器的正极端。
21.根据权利要求17的方法，其中，所述方法还包括用一种封装密封来密封电池负极端。
22.根据权利要求21的方法，其中，所述封装密封具有布置在其上面的不导电热熔性材料。
23.根据权利要求21的方法，其中，所述封装密封具有布置在其上面的沥青粘合剂。
24.根据权利要求17的方法，其中，步骤(b)包括把容器加热到至少约120℃的温度。
25.根据权利要求17的方法，其中，步骤(b)包括把容器加热到至少约140℃的温度。
26.一种制造金属-空气电池的方法，包括(a)把热熔性材料放在容器的负极端；(b)把阴极放在容器中，同时把容器加热到足以使热熔性材料流动的温度；和(c)把阴极压入热熔性材料中，形成在阴极的一端与容器的负极端之间的密封。
27.根据权利要求26的方法，其中，所述电池是圆柱形电池。
28.根据权利要求26的方法，其中，所述热熔性材料是导电的。
全文摘要
本发明描述了一种金属－空气电池,包括(a)有正极端和负极端的容器;(b)其一端与容器正极端邻接、一端与容器负极端邻接的阴极;(c)阳极;(d)在阴极与阳极之间的隔板;和(e)在邻接容器正极端的阴极端与容器正极端之间的密封。所述密封包含一种热熔性材料。
文档编号H01M12/00GK1370336SQ00811686
公开日2002年9月18日 申请日期2000年8月7日 优先权日1999年8月13日
发明者M·P·胡尔, G·M·瑟勒 申请人:吉莱特公司