成形一个电化电池外壳的方法

专利名称：成形一个电化电池外壳的方法
技术领域：
本发明涉及了通常为圆柱外壳的电化电池外壳，以及成形这种外壳的方法。
电化电池的外壳通常较细长并且为圆柱形。外壳通常为具有一个闭合端和一个开口端的圆柱形。目前通用的常规碱性电池或锂电池代表了采用这种圆柱外壳的电池。
碱性原电池通常具有一个圆柱外壳，外壳包含了锌阳极活性材料、优选为含水氢氧化钾的碱性电解液、二氧化锰阴极活性材料、以及通常包括纤维素的可渗透电解液隔离膜。这种电池具有约1.5伏的新鲜电压并且广泛应用。(这里引用的碱性电池应该理解为常规的商品碱性电池，它具有一个包括锌的阳极、一个包括二氧化锰的阴极、以及包括氢氧化钾的电解液)。锂原电池(非充电电池)具有一个圆柱外壳，通常包含一个复合电极，包括了由锂片形成的阳极以及把阴极活性材料(包括二氧化锰或锂化的二氧化锰)在导电金属基材(如不锈钢网)上的镀层形成的阴极。锂电池在阳极和阴极片之间具有一片可渗透电解液的隔离材料。隔离片通常放在锂阳极片的两侧，阴极片靠在隔离片之一上，由此把阳极片和阴极片隔开。所用电解液通常包括一种锂盐，如溶解在不含水溶剂中的三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)。复合电极螺旋缠绕并插入电池外壳中，例如在美国专利4,707,421中所示。具有圆柱外壳的锂电池可以有不同的尺寸，一般为圆柱电池形式，具有常规AA尺寸碱性电池高度的2/3左右或甚至更小高度。锂电池具有约3.0伏电压，它为常规Zn/MnO2碱性电池电压的两倍，还比碱性电池具有更高的能量密度(每立方厘米电池容积的瓦小时)。锂原电池广泛用作许多常规摄影闪光相机的电源，它需要在比单个碱性电池供应的更高电压和更高功率输出下工作。
这种碱性电池和锂电池的圆柱外壳具有良好的机械强度和抗腐蚀性，通常用钢制成，如镀镍冷轧钢和镀镍不锈钢。圆柱外壳通常由平的金属薄片成形。金属薄片定位在一个块状模具上，模具具有在其表面开口的一个圆柱通道。通道开口可以通过模具厚度的一部分。在单个步骤或多个步骤中，由于一个冲头对薄片的作用使平金属薄片被压延，直到得到所需形状和直径的外壳时为止。如果采用多个步骤来制造外壳，则采用一系列的块状模具，每个模具具有直径逐渐变小的通道开口。因此，可以在第一步骤把金属薄片冲压成具有第一直径的第一杯形件，第一直径小于初始金属薄片的直径。可以把第一步骤模具的杯形件制品放在一个第二步骤的模具上，模具具有一个圆柱通道开口，其直径小于第一模具开口的直径。在最后步骤形成的圆柱杯形件具有所需的形状、直径和长度。
然后可以用活性阳极材料、电解液和阴极材料充填外壳。然后把一个端盖组件放在外壳的开口端中，端盖组件包括一个接线板，带有附着的电绝缘件，如一个绝缘塞子。阳极或阴极之一与外壳电接触，而另一个与接线板电接触。在外壳开口端上外壳的周边被卷在端盖组件的边上，由此把外壳与在外壳和接线板之间的一部分绝缘件密封。在卷曲时，一部分外壳也可以环绕端盖组件沿径向压缩，以提供紧密的密封。
希望设计圆柱电池使得对于给定总尺寸的电池，可用于活性材料的内部容积尽可能大。这造成电池容量和使用寿命的增加。为了达到这个目的，已经尝试了各种端盖组件的设计，例如展平端盖组件或采用更薄的绝缘塞子。但这种设计有它们的局限性，因为端盖组件通常包括一个绝缘塞子，必须强到足以承受紧密密封所需的卷曲力。另一个途径是减小外壳的壁厚。例如，如上所述，采取常规方法冲压平薄片来成形外壳时，从外壳一端到另一端外壳壁厚是均匀的。如果外壳制造成壁厚低于最低的限度，则在外壳开口端的外壳周边不能环绕端盖组件的边有效地卷曲。例如，当外壳周边的壁厚变得太薄时，周边不能一直保持其卷曲位置，反而倾向于从其原始卷曲位置沿径向回弹。“回弹”效应是在冲压过程中金属变薄而发生物理性质变化的结果。已经变薄的外壳周边造成环绕端盖组件卷曲力的松弛，在外壳和端盖组件之间的密封逐渐松开。这当然是不希望的，因为它会造成电解液从电池泄漏，还可能使周围湿气渗入电池。另外，如果外壳周边的壁厚太薄，当对它作用卷曲力时会开裂。
本发明的一个方面是指一个圆柱电化电池，例如具有锌阳极和二氧化锰阴极的碱性电池，或者包括锂金属阳极和二氧化锰或锂化二氧化锰阴极的锂电池。本发明外壳的特征在于具有不均匀的壁厚。不打算把本发明的外壳限于任何一个电池尺寸。因此，具有不均匀壁厚的外壳可以做成各种总长度和直径，使得它可以用作任何希望的圆柱电池尺寸的外壳，例如，AAAA、AAA、AA、C或D、2/3A尺寸(与AA电池直径相同，但长度为它的2/3)或CR2尺寸(15mm×25mm)。因此，本发明的外壳特别适用于外径约7mm到35mm之间以及长度约20mm到60mm之间的电池。外壳包括一个圆柱本体表面，一个开口端和一个整体成形的闭合端。闭合端形成了起电池接线端作用的电池底部。底部可以是平的，或者具有从其中心凸出的整体成形的突起。在开口端的外壳周边从外壳本体延伸。希望周边长度为3到5mm。周边最好成台阶形，使得它的外径大于外壳本体其余部分的外径。在外壳填充了活性材料之后，在包括接线板和绝缘塞子的端盖上卷曲外壳周边来密封外壳。
在本发明的一个方面，外壳周边壁厚与形成闭合端的外壳底部壁厚相同。或者是，外壳周边壁厚甚至比外壳底部壁厚大。希望外壳本体表面(不包括外壳周边)壁厚比外壳底部和周边的壁厚均小。在一个优选实施例中，外壳本体表面(不包括周边)壁厚小于外壳底部的壁厚，外壳周边壁厚等于或大于外壳底部的壁厚。外壳最好是壁厚0.003到0.015英寸(0.0762到0.381mm)之间的镀镍钢。最好是外壳底部的壁厚约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间；本体表面(不包括周边)壁厚小于外壳底部的壁厚约0.002到0.005英寸(0.0508到0.127mm)之间；以及周边壁厚约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间。希望本体表面壁厚约0.003到0.008英寸(0.0762到0.203mm)之间，最好是0.006英寸(0.152mm)，底部的壁厚约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间，最好是0.0088英寸(0.224mm)，以及周边壁厚约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间，最好是0.009英寸(0.229mm)。希望周边壁厚大于本体表面壁厚约0.002到0.006英寸(0.0508到0.152mm)之间。
希望外壳由本发明的制造过程形成，其中首先在一个预备冲压步骤中把最好是镀镍钢的金属平薄片切成圆的平薄片。把圆的平薄片转移到一个中间冲压工位，其中冲压它通过在一个或一系列模具内的一个空腔而被压延。采用了最好是硬质合金钢的一个圆柱冲头。可以采用一系列类似的中间冲压步骤。如果采用一系列的中间步骤，则在一个模具中形成的杯形件被转移到空腔直径减小的下一个模具上。在这个模具中用直径减小的冲头再次冲压杯形件通过模具空腔，由此进一步把杯形件压延成长度逐渐增大和直径逐渐减小的杯形件。在每个中间步骤中，冲头外表面和模具空腔内表面之间的容隙希望约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间，它是初始平薄片材料厚度的范围。在每个中间步骤中，冲头下冲程期间冲头作用在杯形件上的力是约1000到1500磅(4448到6672牛顿)之间。这种容隙使杯形件直径减小和长度增大而不改变杯形件任何部分的壁厚。希望在每次类似的中间冲压步骤中，杯形件的壁厚保持与初始金属平薄片的厚度大致相同。在这些中间冲压步骤的最后一次形成的杯形件转移到一个完工步骤，其中冲压杯形件通过一个完工模具中的空腔。在完工步骤中，杯形件受到一个圆柱冲头的一个冲程作用，迫使杯形件通过完工模具的空腔。在完工模具中的冲压进一步减小了杯形件的直径和进一步增大了杯形件的长度。当冲头在一个冲程作用中迫使杯形件通过完工模具的空腔时，杯形件本体(不包括周边)的壁厚被熨平而减小了它的壁厚。因此，杯形件本体(不包括杯形件的周边)的壁厚变得小于杯形件底部的壁厚，希望底部壁厚保持与初始的薄片厚度相同。另外在冲头的同一冲程作用下，周边壁厚可以保持不变，或者由于在冲压作用时金属被挤向杯形件开口端的作用而稍有增加。完工步骤中冲头向下冲程在杯形件上的力是约1500到2500磅(6672到11120牛顿)之间。完工步骤中在冲头表面和模具空腔内表面之间的容隙希望约0.003到0.008英寸(0.0762到0.203mm)之间。这种容隙有助于达到所希望的杯形件本体表面壁厚的减小，造成本体表面壁厚约0.003到0.008英寸(0.0762到0.203mm)之间。杯形件本体表面壁厚的减小对给定的电池尺寸增加了电池内部容积，由此容许更多活性材料插入电池。达到了杯形件本体表面壁厚的减小而在杯形件开口端上杯形件周边的壁厚不会减小。这使得在端盖组件上卷曲周边时，更容易达到紧密的密封，端盖是在外壳已经充填活性材料之后插入电池的开口端。
参照附图将更好地理解本发明，其中

图1是本发明外壳已成形之后的剖视图。
图2是用于预备步骤中把平薄片切成圆形件的冲头部件的分离透视图。
图3是用于第一个中间步骤中的冲头部件的分离透视图，把圆的金属平薄片压延成部分成形的杯形件。
图4是用于第二个中间步骤中的冲头部件的分离透视图，进一步压延图3所示的部分成形的杯形件。
图5是用于完工步骤中的冲头部件的分离透视图，进一步压延图4所示的部分成形的杯形件，成为一个完工的杯形件。
图6是本发明外壳的剖视图，用于一个完整的电池。
图1所示外壳代表了本发明的一个具体实施例，表示了一个完工的圆柱外壳，设计用作电化电池的外壳，例如Zn/MnO2碱性电池或锂/MnO2电池的外壳，具有约7到35mm之间的外径和约20到60mm之间的长度。外壳10(图1)是一个最好是镀镍钢的成形金属单件构造。外壳(杯形件)10为圆柱形，具有闭合端15和开口端17。外壳10(图1)的特征在于一个本体20、一个形成闭合端15的底部30和在开口端17上的周边40。本体20、底部30和周边40均整体成形。周边40长度为约3到5mm之间，而与电池尺寸无关。例如，这种周边40的长度范围用于AA电池尺寸和CR2电池尺寸。周边40最好为朝外的台阶形，一个整体成形的过渡表面50形成了边40的下区。外壳10的特征在于本体20的壁厚小于底部30的壁厚，以及周边40的壁厚大于本体20的壁厚。希望周边40的壁厚与底部30壁厚相同，并且希望甚至大于底部30的壁厚。在后者情形中，希望周边40壁厚与底部30壁厚相同和希望甚至大于底部30壁厚，但本体20的壁厚小于底部30的壁厚。在一个优选实施例中，完工的外壳10可以是一个有代表性的AA或CR2尺寸的外壳，底部30壁厚为0.0088英寸(0.224mm)，本体20壁厚为0.006英寸(0.152mm)和周边40壁厚为0.009英寸(0.229mm)。
所希望的外壳(杯形件)10有利地由本发明的制造过程成形，它是一个转移的过程。转移过程涉及了一系列的步骤，其中在一系列冲压工位中顺序地压延一个部分成形的外壳。每个工位有一个冲头和一个模具。把平薄片插在第一工位中的模具上，从圆形金属平薄片成形一个第一杯形件，其中由冲头冲压薄片通过模具空腔的作用把薄片压延成一个杯形件。从第一工位把杯形件转移到在第二工位(中间工位)中的第二模具上，其中由冲压杯形件通过第二模具开孔的第二冲头作用进一步压延杯形件。在这个步骤中，杯形件的直径减小和杯形件的长度增大。希望达到这一点而不改变杯形件壁厚的任何部分。也就是说，希望在第二(中间)工位中成形的杯形件壁厚均匀地相同于初始平薄片的厚度。在第二工位中成形的杯形件可以有选择地转移到一个或几个相似的中间压延工位，例如一个第三工位，其中由于冲压杯形件通过直径减小的第三模具开口的另一个冲头作用，杯形件直径进一步减小和其长度进一步增大。在第三工位中杯形件直径减小和杯形件长度增大，其方式相同或相似于在第二工位中采用的方式，即希望不改变外壳壁厚的任何部分。在每个工位中的冲头可以是硬质合金钢的圆柱体。
相似地，在第三工位中形成的杯形件可以有选择地转移到一个或几个附加的中间工位。例如，在第三工位中形成的杯形件可以顺序地转移到第四和第五工位，其中杯形件的直径进一步减小和杯形件的长度进一步增大，最好不改变杯形件壁厚的任何部分。然后在最后的中间工位中成形的杯形件被转移到一个完工工位。与先前工位中一样，完工工位包括一个冲头和一个模具。把最后中间工位中成形的杯形件插入完工工位的一个模具开孔中。一个圆柱冲头冲压杯形件通过完工工位模具开孔的作用进一步减小了杯形件的直径和增大了杯形件的长度。但是，完工工位中的冲头和模具空腔之间容隙被调整和减小，使得在冲压杯形件通过模具空腔时杯形件壁厚的一部分发生改变。希望当完工工位中冲压杯形件通过模具空腔时，杯形件本体表面的壁厚被减小而杯形件底部的壁厚保持不变。另外，当完工工位中冲压杯形件通过模具空腔时，在杯形件开口端上的杯形件周边壁厚保持与杯形件底部的壁厚相同。最好是当有些金属朝外壳周边向上挤压时，上述周边的壁厚实际上增加成大于杯形件底部的壁厚。因此，由本发明制造过程成形的外壳(杯形件)10具有一个壁厚与初始金属平薄片165(图3)厚度相同的底部30。完工杯形件(图1)的侧壁20的壁厚小于底部30壁厚，周边40的壁厚与底部30壁厚相同，最好是周边40的壁厚大于底部30壁厚。
在一个具体实施例中，设想作为一个非限定性例子，假设希望制造一个用于AA尺寸碱性电池的圆柱外壳。AA尺寸外壳具有约13.9mm的外径和约48.0mm的长度。在本发明的制造过程中，按照一系列的压延步骤从初始金属(最好是镀镍钢)平薄片形成外壳(杯形件)10。如果采用镀镍钢薄片，则厚度为约0.008英寸。在一个预备步骤中，平薄片160(图2)固定定位在一个块状模具130上。模具130装在块状支座180之内，如图2所示。模具空腔110具有一个顶部开口端117和一个底部开口端118。块状支座180具有一个通过它的圆柱通道182，与模具中的空腔110对准。通道182终止在底部开口端185上。因此通过模具130和支座180形成一个连续的通道。块状模具130最好是由钴工具钢制成和支座可以由硬质合金钢制成。块状模具130具有一个圆柱本体122和一个通过它的由内壁表面120确定的空腔110。内壁120为圆柱形。
薄片160固定定位在模具130的空腔110上，如图2的预备工位中所示。一个冲头150对准放在金属薄片160上。冲头150可以水压或马达驱动。冲头150最好是一个硬质合金钢圆柱体，其形状贴切地配合在空腔110之内。最好是冲头150的尺寸使得在冲头表面155和模具空腔壁120之间的容隙为约0.0005英寸(0.012mm)。用这个容隙，当冲头150压在镀镍钢薄片160上时，从薄片切出平的圆形区165。如果希望制造本例中AA电池的外壳时，切出的区域具有约2.160英寸(54.87mm)的直径。
然后把切出的薄片165转移到一个第一杯形件成形工位(图3)，其中薄片放在模具230中的空腔232上。一个硬质合金钢的圆柱冲头250可滑动地装在一个套筒270之内。套筒270可以由硬质合金钢或钴钢制成。一个硬质合金钢的模具230装在一个块状支座280之内。块状支座280可以由钴钢制成。模具230具有一个通过其本体的圆柱空腔232。空腔232由模具内壁220确定。因此，空腔232在模具中形成了一个顶部开口端217和一个底部开口端218。模具230还具有一个稍倾斜的表面242，在模具顶部开口端217上从内壁220朝外延伸。块状支座280具有通过它的与模具空腔232对准的圆柱通道282。通道282终止在底部开口端285。因此形成通过模具230和支座280的一个连续通道。冲头直径为约1.20英寸(30.50mm)。在冲头250表面255和模具230内壁220之间的容隙希望为约0.0088英寸(0.224mm)。模具230长度为约3/8英寸(0.015mm)。最好是镀镍钢的圆形初始金属平薄片放在模具230的空腔232上。为冲头250设有一个套筒270，具有外表面272，通道280和支承法兰278。冲头250可滑动地装在套筒的通道280之内。套筒270位于平薄片165之上，使得套筒270的底边275接触金属薄片165的边。金属薄片165定位在模具空腔232之上和套筒边275在薄片165的边之上，以约1500磅(6672牛顿)的下冲程力把冲头250压在薄片165上。冲头力使金属薄片165稍为加热和被迫通过模具空腔232，由此转变其形状成为杯形件260。紧接在形成杯形件260之后，冲头250和套筒270在一个上冲程中从模具230退出。冲头的循环(一个循环包括下冲程和上冲程)通常约每秒50到200循环之间(下冲程和上冲程时间通常相同)。杯形件260具有一个圆柱本体268、一个(底部)闭合端265和一个开口端262。成形的杯形件260的直径约1.25英寸(31.70mm)，它是模具空腔232的直径。因此，第一冲压操作希望减小平薄片165的直径约40％。成形的杯形件260的长度约0.5英寸(12.7mm)。在这个第一冲压步骤中杯形件260壁厚保持与初始薄片165的厚度相同。因此，杯形件本体268和杯形件底部265的壁厚均匀地与平薄片165的厚度相同，即0.0088英寸(0.224mm)。
在已经成形杯形件260之后，插入一个销子通过块状支座通道282的底部和迫使杯形件向上通过模具空腔的顶部开口端217，由此把杯形件从模具空腔232推出。然后把杯形件260转移到一个第二或一系列中间冲压工位。在中间冲压工位中进一步减小杯形件直径和进一步增大杯形件长度。这可以在一个或一系列类似的中间冲压工位中完成。在这些中间冲压工位中，希望不改变杯形件的壁厚，即杯形件封闭底部265和本体表面268的厚度。也就是说，希望保持杯形件本体表面和封闭底部的壁厚与初始平薄片165厚度相同。
把在第一杯形件成形工位成形的杯形件260(图3)转移到一个第二(中间)杯形件成形工位(图4)。图4所示的工位相似于图3所示的工位，基本上所有部件和材料与图3所表示和描述的相同。即，一个圆柱冲头350装在一个套筒370之内。冲头350可滑动地在套筒370之内。一个模具330装在与图3所示相似的一个块状支座380之内。模具330具有一个通过其本体的圆柱空腔332。空腔332由模具内壁320确定。因此，空腔332在模具中形成了一个顶部开口端317和一个底部开口端318。模具330在模具顶部开口端317上还具有一个稍倾斜的表面342。倾斜表面342从内壁320朝外延伸。块状支座380具有通过它的与模具空腔332对准的圆柱通道382。通道382终止在底部开口端385上。因此通过模具330和支座380形成一个连续通道。冲头350的直径为约0.958英寸(24.33mm)。模具330的长度为约3/8英寸(9.53mm)。在冲头350表面355和模具空腔332内壁320之间的容隙希望为约0.0088英寸(0.224mm)。
杯形件260放在模具320的空腔332上。套筒370通过杯形件开口端262插在杯形件260之内，使得套筒370的外表面372与杯形件本体268的内壁贴合，套筒370的底边375靠在杯形件底部265的内表面上。杯形件260与其中的套筒370一起定位在模具空腔332上，使得杯形件底部265的边靠在模具330顶部开口端317的倾斜表面342上。杯形件260如此定位在模具空腔332上，把冲头350压入杯形件260，使得冲头的底部推到杯形件底部265的内表面上。
以1500磅(6672牛顿)的下冲程力把冲头350压入杯形件260。冲头对杯形件底部265内表面的力稍为加热杯形件和迫使它通过模具空腔332，由此使杯形件直径减小和杯形件长度增大。重新成形的杯形件表示为杯形件360。紧接在形成杯形件360之后，冲头350通过模具空腔332上升，并且在一个上冲程中离开模具330。冲头的循环(一个循环包括下冲程和上冲程)通常约每秒50到200循环之间。再成形的杯形件360具有一个圆柱本体368、一个(底部)闭合端365和一个开口端362。再成形的杯形件360直径为约0.98英寸(24.90mm)。因此，第二冲压操作希望减小输入杯形件260的直径约20％。再成形的杯形件360长度为约7/8英寸(22.23mm)。在这个第二冲压步骤中杯形件360的壁厚保持与输入杯形件265的厚度相同。因此，杯形件本体368和杯形件底部365的壁厚均匀地与杯形件265的厚度相同，即为0.0088英寸(0.224mm)。在已经成形杯形件360和冲头350和套筒370退出之后，插入一个销子通过块状支座通道382的底部，由此迫使杯形件向上通过模具空腔的顶部开口端317，把杯形件从模具空腔332推出。
然后最好把再成形的杯形件360转移到两个更类似的中间工位。这些工位可以具有与图4相同的部件和材料，但冲头直径和模具空腔直径逐渐减小。有关杯形件在模具上的放置，冲头的冲程和杯形件从模具取出的描述完全与图4所描述的相同。
具体地说，可以把杯形件360转移到一个第三工位(图中未示)，它具有与第二工位(图4)所描述的相同部件，但冲头直径为0.764英寸(19.40mm)。在冲头表面和模具内壁之间的容隙希望为约0.0088英寸(0.224mm)。冲头的冲程压力也可以与第二工位(图4)所描述的相同。在上述第三工位中再成形杯形件，使得其直径减小到0.781英寸(19.83mm)和长度增大到15/16英寸(33.34mm)。在第三工位中成形的杯形件希望在其所有表面中具有与在第二工位中成形的杯形件相同的均匀壁厚0.0088英寸(0.224mm)。也就是说，在第三工位中已经减小了杯形件直径和增大了杯形件长度，而不改变杯形件壁厚的任何部分。也就是说，在第三工位中再成形时杯形件本体表面和底部的壁厚保持为0.0088英寸(0.224mm)。然后可以把在第三工位中再成形的杯形件转移到类似的第四工位。这个工位具有所有部件和材料与第三工位相同，但冲头直径和模具空腔直径再次减小。冲头直径可以是0.629英寸(15.98mm)。在冲头表面和模具内壁之间的容隙希望为约0.0088英寸(0.224mm)。冲头的冲程压力也可以与第二工位(图4)所描述的相同。杯形件可以在上述第四工位(图中未示)中再成形，产生一个杯形件460，它接着被转移到一个完工工位(图5)。在上述第四工位中再成形的杯形件在第四工位中直径减小到0.646英寸(16.40mm)和长度增大到1.75英寸(44.45)。再成形的杯形件460希望具有与从第三工位输入的杯形件相同的均匀壁厚0.0088英寸。也就是说，在第四工位中杯形件直径已经减小和杯形件长度已经增大，而不改变杯形件壁厚的任何部分。
然后可以把在第四工位中如此再成形的杯形件460转移到图5所示的一个完工工位。完工工位具有与图4所描述的相似部件和材料。即，冲头550为一个钴钢圆柱体。模具530为硬质合金钢。支座580为钴钢和套筒570为硬质合金钢。但是，与先前工位不同，在完工工位(图5)中杯形件壁厚的一部分被改变。具体地参照图5，圆柱冲头550可滑动地安装在套筒570的通道580内。套筒570具有一个支承法兰578，用于支承和定位套筒。模具530具有一个空腔532，为通过模具本体的圆柱内壁表面520所确定。空腔532通过模具本体并且通过模具的顶部和底部延伸，因此形成了顶部开口端517和底部开口端518。模具530在模具的顶部开口端517上还具有一个扩张的倾斜表面542。倾斜表面542从模具空腔壁520朝外延伸。紧接在倾斜表面542之下的一部分模具空腔壁519可以做成朝外形状，以产生完工外壳10的朝外台阶形的周边40。块状支座580具有通过它的与模具空腔532对准的圆柱通道582。通道582终止在底部的开口端585上。因此，通过模具530和支座580形成了一个连续通道。冲头550的直径为约0.530英寸(13.46)。模具530的长度为约3/8英寸(9.53mm)。在完工工位中(图5)冲头550表面555和模具530内壁520之间的容隙希望为约0.006英寸(0.152mm)。从先前工位来的杯形件460放在模具520的空腔532上。套筒570放在杯形件460的开口端462中，使得套筒570的外表面572与杯形件本体表面468的内壁贴合，套筒的底边575靠在杯形件底部465的内表面上。杯形件460与其中的套筒570一起定位在模具空腔532上，使得杯形件底部465的边靠在模具530的顶部开口端517的倾斜表面542上。杯形件460如此定位在模具空腔532上，在单独一个下冲程中把冲头550压入杯形件460，使得冲头的底部推到杯形件底部465的内表面上，由此把杯形件再成形为一个完工杯形件10，如图5所示。冲头下冲程在杯形件460上的作用减小了杯形件的直径和增大了杯形件的长度，造成完工杯形件10具有AA电池外壳所需的直径和长度。
另外，当通过模具空腔532冲压杯形件来把杯形件再成形为完工杯形件10时，冲头550下冲程在杯形件460上的作用同时减小了杯形件本体表面468的壁厚。因此再成形的完工杯形件10具有一个本体表面20，由于冲头550冲压杯形件460通过模具空腔532的作用(图5)，它的壁厚已经从0.0088英寸(0.224mm)减小到0.006英寸(0.152mm)。完工杯形件底部30的壁厚希望保持不变，仍为0.0088英寸(0.224mm)。另外，当杯形件460被冲压通过模具空腔532时，杯形件周边40成为朝外的台阶形。台阶形的周边40长度为约4mm。台阶形的周边40的厚度保持与输入杯形件460的壁厚相同，即0.0088英寸(0.224mm)，但最好在杯形件460被冲压通过模具空腔532时，实际上增大到一个0.009英寸(0.229mm)值。在迫使杯形件460通过模具空腔532的冲头550的同一单个冲程中，完成了杯形件本体表面468壁厚的减小，与输入本体表面468的0.0088英寸(0.224mm)壁厚相比，造成完工本体表面20壁厚为0.006英寸(0.152mm)。把冲头表面555和模具空腔壁520之间的容隙减小到约0.006英寸(0.152mm)来达到杯形件本体表面壁厚的减小。这个容隙小于用于先前工位中例如图4所描述工位中的容隙。
最好是，也在对输入杯形件460的冲头550同一单个下冲程期间，台阶形周边的壁厚从0.0088英寸(0.224mm)增大到约0.009英寸(0.229mm)。因此，对输入杯形件460的冲头同一单下冲程同时把杯形件本体外径减小到约13.9mm和把杯形件长度增大到约48.5mm的最终长度。这是在活性材料已经插入外壳之后在接线端盖上卷曲外壳周边之前，一个AA电池外壳所需的直径和长度。当冲头冲压杯形件460通过模具空腔532时，在冲头550表面和模具530内壁520之间容隙的减小在杯形件本体侧壁468上产生一个“熨平”效应。这个“熨平”作用把侧壁厚度从0.0088英寸(0.224mm)减小到0.006英寸(0.152mm)，甚至低到0.003英寸(0.0762mm)。杯形件侧壁468的“熨平”也改变了形成壁的镀镍钢的某些物理性质，主要是增加了该区域的钢的硬度。已经确定，如果在完工步骤(图5)中采用单冲压冲程以及把冲头550表面和模具空腔壁520之间的容隙控制在约0.003英寸(0.0762mm)到0.008英寸(0.203mm)之间，则可以按这个方式减小杯形件的侧壁厚度，而同时增大杯形件周边40的厚度。当在单冲程作用下冲头冲压杯形件460通过模具空腔532时，某些金属实际上朝着杯形件开口端流动，由此引起周边厚度的增加。由图5所示完工步骤形成的杯形件10具有一个从台阶形周边40延伸的扩张区463。切除扩张区来形成最终的完工外壳10，具有如上所述的朝外的台阶形周边40，然后可用于电池组装。模具顶部开口端517上的倾斜表面542设计成提供一个朝外的台阶形周边40，如图5所示。因此由本发明制造过程形成的最终外壳10产生了一个改进的外壳，可以用作AA尺寸碱性电池的外壳。外壳10相对于先前技术外壳的一个优点在于本体表面(侧壁)厚度已经减小，由此容许在电池组装时把更多的活性材料插入外壳。达到这一点而不会减小外壳周边的厚度。事实上，如上所述在图5所描述的完工步骤期间，甚至可以增大外壳周边40的壁厚。因此当杯形件460被冲压通过模具空腔532时，完工外壳10的周边40不会受到“熨平”和相随的壁厚减小。所以周边保持柔软和易弯，在电池组装期间按常规方式把它卷曲在一个接线端盖上之后，不会有“回弹”的倾向。
虽然已经参照具有一系列冲压步骤的具体实施例描述了本发明的制造过程，但可以在更少的步骤中成形外壳，例如仅有一个中间步骤。在这个可替代的实施例中，例如采用参照图3第一杯形件成形工位所描述的部件、材料和方法，可以把一个已经预切成圆形的镀镍钢金属平薄片冲压成部分成形的杯形件。然后把这一个步骤中形成的杯形件直接转移到如图5所描述的完工步骤中。完工步骤可以参照图5描述如上。造成最终的杯形件具有减小的本体表面壁厚，但杯形件周边的厚度不变或增大。当希望较短的外壳，例如用于锂原电池CR2的长度约25mm和直径约15mm的外壳时，这种两个步骤的制造过程特别有吸引力。
本发明的外壳10可以用于组装一个电化电池，例如一个碱性电池。碱性电池具有由本发明上述方法形成的圆柱外壳10。本发明的方法不打算限于任何特定电池尺寸的应用。作为非限定性例子，本发明方法制造的圆柱外壳10可以用作如图6所示的AA电池外壳。AA碱性电池100(图6)是一个圆柱电池，包括一个圆柱外壳10，在周边40卷曲在端盖组件790上之前，外径为约13.9mm和长度为约48.5mm。外壳10具有壁厚为0.0088英寸(0.224mm)的一个底部30、壁厚为0.006英寸(0.152mm)的一个本体表面20、以及壁厚为0.009英寸(0.229mm)的一个周边40。因此，电池100具有一个锌阴极780、一个压实的二氧化锰阴极720、以及一个在阳极内包括氢氧化钾的电解液。按照常规，可以采用添加剂来改变电池化学性质。在阳极780和阴极720之间，碱性电池可以采用常规的碱性电池离子多孔隔离材料770，通常包括人造纤维或纤维素。
阴极材料可以具有以下成分电解二氧化锰(80-86wt.％)、石墨(7-10wt.％)以及6到11当量浓度的“含水KOH电解溶液”(5-15wt.％)。含水KOH电解溶液可以按希望包含约1到5wt.％的ZnO。一个优选的阴极混合物可以包含约82wt.％电解二氧化锰(EMD)、8wt.％石墨以及约10wt.％的7当量浓度KOH电解溶液(含约1到5wt.％的ZnO)。
外壳闭合端15可以是一个整体成形的平底30，如图6所示。底部30可以具有一个整体成形的从其中心凸出的接线突起。在已经插入阴极720来填充环形区722之后，一个具有闭合端772和开端774的管状隔离层770插入外壳10的中心空腔中。隔离层770包括了在碱性电池中常用的离子多孔隔离材料，例如人造纤维或纤维素材料。然后把湿浆状的阳极材料注入中心空腔(阳极空腔)782。阳极材料780可以是含无汞(不添加汞)锌合金粉末的凝胶混合物形式。这种混合物通常包括含水KOH电解溶液、如丙烯酸共聚物(例如B.F.Goodrich的CARBOPOL C940)的凝胶剂；聚乙烯基酯的表面活性剂或者成分如美国专利5,401,590所述的阳极混合物，引入这里作为参考。添加的碱性电解液包括了含约1到5wt.％ZnO的KOH(7到11当量浓度)含水溶液，可以添加到外壳10内的阳极和阴极材料中。
一个端盖组件790包括一个塑性绝缘盘792和端盖795，金属电流收集器794焊在端盖上，可以把端盖组件790插入外壳10的开口端17。端盖795在其表面中具有一个或几个通气孔798，塑料绝缘盘792可以包括一个整体设置的薄区797，其作用是作为一个可断裂的膜，它设计成如果电池内产生的气体达到预定值时就断裂。例如，采用美国专利5,150,602所描述的方法，在绝缘盘792的周边796和端盖795的周边798上卷曲外壳10的周边40。塑料绝缘盘792可以是聚丙烯、填充滑石粉的聚丙烯、磺化聚乙烯或尼龙。电流收集器794可从适用于作电流收集器材料的各种导电材料中选择，例如黄铜、镀锡黄铜、青铜、紫铜和镀铟黄铜。电流收集器794设置成与电池中心纵轴705对准。每个端盖795由具有良好机械强度和抗腐蚀能力的导电金属制成，如镀镍冷轧钢或不锈钢，最好是镀镍低碳钢。
虽然参照具体的实施例描述了本发明，应该理解到，可以有各种变化而不偏离本发明的原理。所以，不打算把本发明限于具体的实施例，而由权利要求及其等效内容更好地反映本发明的范围。
权利要求
1.一个电化电池的外壳，上述外壳具有一个圆柱本体表面、一个开口端、以及一个与上述本体表面成整体的闭合端，外壳具有一个周边，在上述开口端上从上述本体表面整体地延伸，其中本体表面的壁厚小于闭合端的壁厚。
2.权利要求1的外壳，其中上述周边是朝外的台阶形，使得它的外径大于上述本体表面的外径。
3.权利要求2的外壳，其中上述周边的长度为约3到5mm。
4.权利要求2的外壳，其中上述周边的壁厚大于上述本体表面的壁厚。
5.权利要求4的外壳，其中上述周边的壁厚大于上述本体表面的壁厚约0.002到0.006英寸(0.0508到0.152mm)之间。
6.权利要求1的外壳，其中上述本体表面的壁厚沿其长度为均匀的。
7.权利要求1的外壳，其中上述闭合端的壁厚为约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间，以及上述本体表面的壁厚小于上述闭合端的壁厚约0.002到0.005英寸(0.0508到0.127mm)之间。
8.权利要求1的外壳，其中上述外壳为镀镍钢。
9.权利要求1的外壳，其中上述外壳的外径约7mm到35mm之间，长度约20mm到60mm之间。
10.成形电化电池的一个圆柱外壳的方法，包括如下步骤(a)依靠作用到金属薄片表面上的第一金属冲头的冲程，冲压上述薄片通过在第一模具中的空腔，由此压延上述薄片成一个杯形件，杯形件具有一个圆柱本体表面、一个闭合端和一个开口端，其中上述本体表面和上述闭合端的壁厚与上述金属薄片的壁厚相同，以及(b)依靠与上述杯形件内表面接触的第二金属冲头的冲程，冲压上述杯形件通过在第二模具中的空腔，产生一个进一步被压延的杯形件，杯形件具有一个圆柱本体表面、一个闭合端和一个开口端，其中上述本体表面的壁厚小于其闭合端的壁厚。
11.权利要求10的方法，其中在步骤(b)中产生的上述进一步被压延的杯形件的长度大于和直径小于在步骤(a)中成形的杯形件的相关长度和直径。
12.权利要求10的方法，其中在步骤(b)中的上述冲压期间形成一个台阶形的周边，上述周边在杯形件开口端上从上述本体表面整体地延伸，上述周边的直径大于在步骤(b)中成形的上述杯形件本体表面的直径。
13.权利要求12的方法，其中在步骤(b)中成形的上述周边的壁厚大于上述本体表面的壁厚。
14.权利要求12的方法，其中在步骤(b)中成形的上述周边的长度为约3到5mm。
15.权利要求10的方法，其中金属为镀镍钢。
16.权利要求10的方法，还包括一个中间步骤(a1)，其中把在步骤(a)中成形的杯形件送到中间步骤(a1)，依靠与上述杯形件内表面接触的一个金属冲头的冲程，冲压上述杯形件通过在一个中间模具的空腔，产生一个进一步被压延的杯形件，杯形件具有一个圆柱本体表面、一个闭合端和一个开口端，其中在步骤(a1)中成形的杯形件的长度大于和直径小于在步骤(a)中成形的杯形件的相关长度和直径。
17.权利要求16的方法，其中在步骤(a1)中成形的杯形件的本体表面和闭合端的壁厚分别与在步骤(a)中成形的杯形件的本体表面和闭合端的壁厚相同。
18.权利要求10的方法，其中在步骤(b)中成形的杯形件的上述闭合端壁厚为约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间，在步骤(b)中成形的杯形件本体表面壁厚小于在步骤(b)中成形的杯形件闭合端的壁厚约0.002到0.005英寸(0.0508到0.127mm)之间。
19.权利要求10的方法，其中第一金属冲头具有一个圆柱表面，上述第一冲头和上述第一模具空腔内表面之间的容隙为约0.006到0.015英寸(0.152到0.381mm)之间。
20.权利要求10的方法，其中第二金属冲头具有一个圆柱表面，上述第二冲头和上述第二模具空腔内表面之间的容隙为约0.003到0.015英寸(0.0762到0.381mm)之间。
21.权利要求10的方法，其中第二金属冲头具有一个圆柱表面，上述第二冲头和上述第二模具空腔内表面之间的容隙为约0.003到0.008英寸(0.0762到0.203mm)之间。
22.权利要求10的方法，其中第一和第二冲头为硬质合金钢。
23.权利要求10的方法，其中依靠上述第一和第二冲头的一个单冲程作用，完成在步骤(a)和(b)中的上述冲压。
全文摘要
一个用于圆柱电化电池、例如用于碱性电池或锂电池的外壳(10)。外壳(10)的特征在于具有不均匀的壁厚。外壳包括一个圆柱本体(20)表面、一个开口端和一个整体成形的闭合底部(30)。外壳本体(20)的一部分在其开口端(17)上形成了外壳的周边。外壳本体表面的壁厚小于外壳底部的壁厚。外壳(10)具有壁厚大于本体表面壁厚的一个周边。希望周边的壁厚为大致等于或大于外壳底部的壁厚。使金属薄片承受一系列分开的冲压步骤来成形外壳。一个部分成形的杯形件在每个步骤中被冲压通过一个模具空腔，由此逐渐压延杯形件到逐渐减小的直径和逐渐增大的长度。希望达到这一点而不改变杯形件壁厚的任何部分。杯形件承受一个完工步骤，其中本体表面的壁厚减小而不改变底部的壁厚。在完工步骤中周边的壁厚保持不变或增大。
文档编号H01M6/08GK1432199SQ01810220
公开日2003年7月23日 申请日期2001年5月24日 优先权日2000年5月26日
发明者查尔斯·R·费拉罗, 肖恩·A·萨金特, 杰伊·卢卡斯, 基思·巴克尔 申请人:吉莱特公司