专利名称：带有小体积盖组件的电化学电池的制作方法
相关申请的交叉引用本申请是于2003年2月11日提交的题为“带有改进减压孔的电池组电池”的未决美国专利申请No.10/365197(代理人档案号为SP-1130.1US)的部分继续申请。该申请通过引用结合于本文中。
背景本发明涉及一种电化学电池组电池。更具体地说，本发明涉及一种具有增大的用于活性材料和电解质的内容积并具有改进的放电容量的电池。
增加电化学电池的放电容量一直是电化学电池和电池组制造商的努力目标。一定的最大外部尺寸常常会限制给定类型的电池或电池组的容积。这些最大尺寸可通过行业标准或通过电池或电池组可放入其中的可用空间大小来强制性设定。这些尺寸限制了最大的电池和电池组容积。只有一部分容积可用于电化学放电反应所必需的材料(电化学活性材料和电解质)，这是因为其它必须的惰性部件(例如容器、密封件、端子、集电器和隔板)也会占据一定容积。在电池内还必须有一定量的空隙容积，以便容纳反应产物以及因其它因素如高温而导致的材料体积增加。为了使有限容积的电池或电池组中的放电容量最大，需要使惰性部件的体积尽可能小，而使可用于活性材料和电解质的容积尽可能大。
商用圆柱形碱性电池组的尺寸在国际标准(国际电工委员会(IEC)出版物60086-2，2000年7月)中有规定。这种电池具有含二氧化锰的正电极、含锌的负电极，以及通常含氢氧化钾的碱性含水电解质。这些电池通常具有用作电池容器的圆柱形钢制筒体，其中正电极(阴极)形成为靠在筒体内表面上的中空圆柱形。凝胶状的负电极(阳极)居中地设在阴极中的圆柱形空腔内。离子可渗透的电绝缘隔板设在阳极与阴极同筒体底部的相邻表面之间。电解质溶液包含在阳极和阴极内。与阴极直接接触的筒体用作阴极集电器。筒体的开口顶部被封闭件封闭，该封闭件通常包括环形的聚合物密封件。在密封件上通常设有外盖，以用作电池的负极端子。除了封闭了筒体之外，该密封件还使负极端子与筒体电绝缘。通常为铜钉或铜线形式的阳极集电器延伸穿过密封件中心处的孔而进入电池内的阳极中。阳极集电器的处于电池外侧的端部与负极端子形成电接触。筒体的底部可以是平的，或者可成形为具有用作电池正极端子的中心凸台。如果筒体底部是平的，则通常将单独的金属盖固定在作为正极端子的筒体底部上。在筒体的侧壁上一般设有通常为电绝缘的粘膜标签的封套。电池可包括附加的特征。例如，可在密封件和负极端子之间设置内盖或衬圈以提供刚性件，用于保持密封件与筒体和/或阳极集电器的表面之间的压紧式密封。在这种电池中，密封件通常还包括减压孔。该特征通常包括减薄区，其设计成在内部压力超出预定水平时会破裂。带有这类密封设计的电池的示例可见于美国专利5227261和6312850中。然而，这类密封要求有相对大量的容积，以便使减压孔能如预期的那样起作用。
已经用于增加电池中的活性材料和电解质的量的一种方法是减小用来封闭和密封电池容器开口端的部件所占据的容积，从而可以增加电极的高度。这种方法的示例可见于美国专利6294283和6410186中。在一些电池中，用来密封容器开口端的部件包括减压孔。在储存期间、正常操作期间以及尤其是在常见的滥用状态如强制性深度放电和对原电池充电的情况下，电化学电池会产生气体。电池设计成可以受控方式来释放内部压力。常见的方法是提供减压机构或减压孔，其在内部压力超过预定水平时可从电池中释放出气体。减压孔常常会占据额外的内容积，这是因为在减压孔和其它电池或电池组部件之间一般需要有间隙，以保证该机构的正确机械操作。在其中于容器顶部中包括减压孔的电池中，通过改进减压孔到只需更小的体积，或者通过将减压孔重新定位在电池的另一部分上使得可以采用体积效率更高的减压孔设计，就可以减小惰性部件的体积。例如，美国专利6348281公开了一种电池，其中在电池容器开口端的金属盖中设有小体积的减压孔。在共同未决的美国专利申请No.10/365197中，减压孔设在电池容器的底部，在容器底部和位于减压孔之上的凸出接触端子之间提供了打开减压孔所需的空间。在电池容器的底部设有减压孔的电池的另一示例可见于美国专利6346342中。
用来增加可用于活性材料和电解质的电池容积的另一方法是减小电池厚度和容器壁厚。这要求使用能够更好地耐受电池制造期间以及因电池内的压力积聚所施加的力的更坚固的材料，或者也可要求改变电池设计或制造工艺来减小施加在电池壁上的力。这种通用方法的示例可见于美国专利5846672、6368745和5567538中。
过去所使用的另一方法是使用由电池的其中一种活性材料制成的筒体来作为容器，这可见于许多LeClanche和氯化锌类型的碳/锌电池和镁电池中。这类电池的示例可见于美国专利2580664、2541931、2392795、4469764、3841913、3802923和3802921中。
然而，试图增加电池中的活性材料和电解质的量的现有尝试并非十分成功。仍然需要进一步增加活性成分的量，而现有尝试的结果具有以下缺点中的一种或多种需要新的生产设备，对现有设备的改造和所需工艺都非常昂贵，电池部件的材料昂贵，电池部件的数量较多且比较复杂，电池部件之间存在着短路，电池密封件在较低的电池内部压力下会打开，电池泄漏，电池储存寿命短，对装配期间电池上的高温和高轴向力具有较低的密封容许限度。
出于上述原因，需要一种具有用于活性材料和电解质的较大内容积的电化学电池组电池，其可提供较大的放电容量，同时不会增加电池的总体积。
还需要一种电化学电池组电池，其中惰性成分的总量减少，同时不会不利地影响内部压力的耐受性、防漏性、储存寿命、高温环境的耐受性以及抗短路性能。
还需要一种容量增大的电池组电池，其可经济地生产并且投资少。
概要本发明涉及一种具有大量活性材料和电解质以及较大放电容量的电化学电池组电池。该电池包括金属容器，其带有封闭底部、直立侧壁和具有端边的最初开口的顶部。在容器内设有正电极、负电极、隔板和电解质。各正、负电极均具有集电器。该电池具有金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过容器的开口顶部以用于密封电极、隔板和电池内的电解质。金属容器为无电化学活性的，其中一个电极与容器侧壁的内表面直接接触，使得侧壁成为与其直接接触的电极集电器的至少一部分。侧壁在容器最上部分的下方向内成形以形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于颈部上方的容器外表面的宽度。盖折边形成在颈部上方的侧壁外侧的周围，其中盖折边的端边的宽度小于颈部上方的侧壁宽度。这就在盖折边和颈部上方的侧壁之间形成了密封界面，无需将盖折边设在筒体侧壁的相邻层之间。
在一个实施例中，容器的端边成形为径向向外；在另一实施例中，它成形为径向向内。
在另一实施例中，正电极与容器侧壁的内表面直接接触。
在另一实施例中，电池具有圆柱形的径向剖面，最大容器宽度小于电池高度。正电极包括二氧化锰，负电极包括锌，电解质包括碱性水溶液。正电极与容器侧壁的内表面直接接触，因此侧壁为正电极集电器的至少一部分，负电极设在正电极中的空腔内。
根据本发明的电化学电池组电池具有许多优点。它具有较大的用于包含活性电极材料和电解质的内容积，导致了较高的放电容量。该较大的内容积成为可能的部分原因在于，容器的初始开口端可由仅占据了少量电池总容积的部件来封闭和密封。
用来封闭和密封电池开口端的部件仅从容器顶部伸入到电池中一段较短距离，因此电极的高度相对于电池总高度而言比较高。这在电极及其集电器之间提供了较大的电极界面表面积以及较大的接触面，这在大电流和大功率电池放电方面是有利的。
该电池设计可允许将电池的减压孔布置在容器的底部或盖中，这样做可进一步减小用来封闭和密封电池的部件的体积。
容器侧壁的顶部的形状增加了强度，使得可以减小容器的厚度，从而增加了用于电极和电解质的容积，或者使得容器可使用更便宜的材料。
容器以及用来密封和封闭电池的部件的设计并不复杂，因此它们易于制造。它们还可在电池制造期间采用众所周知的工艺和相对简单的工具来容易地重新成形。部件设计和封闭工艺都可容易地适用于常用的电池制造工艺和设备，从而降低了转换成本和时间。电池可采用在容器侧壁上施加很小向下力的工艺来进行封闭和密封，因此所需要的侧壁强度更小。这可允许使用用于容器的更薄材料，或允许使用强度不太高的材料。
本发明的电池组电池具有高强度的密封，能够抵抗滥用电池时会产生的较高内部压力。电池密封不仅在储存和使用的正常操作下，而且也在极端的环境和电学条件下都是非常可靠的，并且提供了良好的防电池泄漏和储存性能特征，同时并不依靠封套和单独的外盖来提供良好的密封。
附图简介通过参考以下说明书、权利要求和附图，本领域的技术人员可进一步理解和明白本发明的上述和其它的特征、优点和目的，其中
图1显示了传统电化学电池组电池的剖视图；图2显示了根据本发明的电化学电池组电池的第一实施例的局部剖视图；图3显示了根据本发明的电化学电池组电池的第二实施例的局部剖视图；图4显示了用于根据本发明的电化学电池组电池中的筒体的顶部的局部剖视图；和图5显示了根据本发明的电化学电池的密封外壳的顶部的局部剖视图。
描述除非在本文中另有说明，否则以下用语将具有下述意义和关系●底、顶、垂直、水平、向上、向下等等，指相对于处于图1所示方位时的电池和容器的位置和定向；●卷边释放压力，指电池的筒体和盖中的至少之一发生变形而非通过单独的减压孔来释放筒体或盖密封界面处的压力时的电池内部压力；●内、向内，指离开电池外表面的方向；●外、向外，指位于或朝向电池外表面的方向；●碱性电池，指具有pH值大于7.0的电解质并包括可溶于水中的电解质盐的电池；●无电化学活性的材料，指非电化学电池的活性电极材料的材料；●电池容器的开口端，指在电池制造的初期敞开以便可插入电池部件和材料的容器的一端；●颈部，指容器的一个区域，其中整个侧壁朝着电池的纵轴向内成形，以形成相对于颈部上方和下方的容器宽度为较窄的容器宽度(筒体侧壁外表面中的其中在与之相邻的内表面处无容器宽度变化的环形凹槽不被视为颈部，其端边直径不大于其下方缘边部分的较小直径的缘边也不被视为颈部)；●原电池或电池组，指设计成使用者不能进行再充电的电池或电池组；●径向，指垂直于电池的纵轴(图1中的垂直轴线)的方向；●密封界面，指电池部件的相邻表面中的可相互配合以在这些部件之间形成密封的那些部分；●台肩，指容器(筒体)侧壁的从容器的较大直径或宽度过渡至颈部的较小直径或宽度的部分；●并排，指具有相邻的主表面；和●宽度(容器、电池)，指垂直于容器或电池的纵轴的尺寸。
本发明提供了一种电化学电池组电池，其中在电池的金属容器和封闭了容器开口端的金属盖之间具有极好的密封。该盖设在容器顶部的外侧上。筒体的侧壁在接近电池顶部处向内颈缩，以形成在颈部的上方径向向外突出的凸环。盖的折边围绕着该凸环形成，盖的边缘朝着容器中的颈部而向内弯曲。盖边缘的直径小于凸环的外径，从而将盖锁定在容器的顶部上。这样，除非盖的边缘向外变形，否则盖不会从电池上脱落。
通过与传统电池、例如如图1所示电池相比较，可以更好地理解本发明。电池10为圆柱形的锌/二氧化锰碱性原电池的一个示例，其具有绕线管式电极构造。电池的外部包括金属筒体12，其带有整体式的封闭底端14、初始开口的顶端16，以及在底端14和顶端16之间延伸的侧壁。导电金属的正极接触端子盖18贴在筒体底端14上。正极接触端子18具有向外凸出的中心凸台，使得正极端子的尺寸和形状符合如IEC出版物60086-2中所规定的圆柱形锌/二氧化锰碱性电池的正极端子的要求。
在电池内，靠着筒体12的侧壁内表面形成了中空圆柱形的正电极22，从而在正电极22内形成了圆柱形空腔。通过正电极22与筒体壁内表面的直接接触，金属筒体不仅用作电池容器，而且还用作正电极集电器。这就为集电器提供了较大的接触面积，而不必为电池10增设单独的部件。在中空管内形成了两层电绝缘的离子导电材料，该管的底边向内折叠，以形成带有圆柱形侧壁36和封闭底部38的隔板舱24。隔板24插入到正电极22内的空腔中，以便将负电极26与正电极22和筒体底部14的内表面分隔开。负电极26设在隔板24内的区域中。
盖和密封组件设在筒体10的开口端16中，以便封闭电池10并密封电池10内的内容物。该组件包括弹力密封件32、内盖34、伸入负电极26中的负电极集电器28，以及导电金属的负极接触端盖30。密封件32具有减压孔，用于防止电池内的压力变得太高。密封件32具有一个或多个薄弱点，其可在内部压力达到预定水平时裂开，以便释放电池10内的压力。在内盖34中设有一个或多个孔40，在负极接触端盖30中设有一个或多个孔42，以允许电池可向外排气。负电极集电器28延伸穿过内盖34中心处的孔，并且贴在负极接触端盖30的内侧上。密封件32向内延伸，形成了围绕着集电器28的盘心(hub)。弹力密封件32的盘心被压在集电器28和内盖34中的孔的边缘之间，以便在内盖34和负极集电器28之间形成紧密密封。在一些传统的电池中，单独的衬圈或环围绕密封件32的盘心设置，以便在集电器28的周围提供良好的密封。
密封件32的另一特征在于，它可防止阳极材料与内盖的底面和阳极集电器的一部分上端接触，从而减少了因多余腐蚀反应而导致的气体生成。
隔板24的顶边还与密封件32接触，以便封闭负电极隔室的顶部。这防止了材料从正电极22或负电极26移动至电池中的会与另一电极形成电接触的位置。
在电池10侧壁的外部上设有封套20，其延伸过端盖18和30的外周部分。
电池10中的筒体是初始敞开的，因此电极和隔板可插入到电池中。位于电极上方的筒体顶部最初具有比筒体本体更大的内径。当盖和密封组件插入电池顶部时，更小直径的筒体本体将支撑该组件，并防止它滑入到筒体中太远。通常在从更大直径的筒体顶部至更小直径的筒体本体的过渡区域处设有明显的台肩，以便在电池封闭期间为盖和密封组件提供充分的支撑。在一些电池中，可在筒体中的恰好位于密封件之下的位置中形成向内的环形压筋(bead)以提供支撑。在封闭过程中，筒体顶部的直径减小，从而压紧位于筒体侧壁和内盖相邻边缘之间的弹力密封件的垂直壁，形成了径向密封。筒体的顶边被向内和向下卷边，以便将盖和密封组件保持在电池中，并在密封件、内盖和负极端盖之间形成了轴向密封。这要求在封闭过程中施加轴向力。盖和密封组件必须要有足够的支撑，密封件以及筒体的侧面和底部必须要有足够的强度，以便抵抗该轴向力。
用于根据本发明第一实施例的电池的外壳如图2所示，图2为电池110的一半顶部的局部剖视图。电极和隔板未示出。电池110为类似于电池10的圆柱形锌/二氧化锰碱性电池。电极和电池的其它特征在形式和组分上相似。电池110中的具有与电池10相对应特征的特征以与图1中的相应特征相同的标号来表示，但在各标号的开头加上“1”。
在电池110中，与电池10相比，减压孔及其操作所需的体积减小。电池110中的减压孔设在筒体112的底部中。减压孔具有两个厚度变小的弧段，其设在一个断开的环圈上。各弧段为形成于筒体底部外表面中的凹槽，相对弧段的端部被筒体底部的未变薄部分彼此间隔开。当电池内部压力到达预定水平时，筒体底部沿着凹槽中的一个或两者裂开。一部分筒体底部向外卷并进入到筒体底部的其余部分和正极端子中的向外凸起之间的空间内，以便形成排气口。凹槽之间的未变薄部分具有足够的宽度，使得在弧段所限定的环圈内的一部分筒体底部不会与筒体底部的其余部分分开。由于减压孔通向筒体底部和中心正极端子凸起之间的开放空间，因此减压孔只需要很小的空间。其它的减压孔设计也可用于电池110中，包括形成于盖134中的减压孔以及位于阳极集电器128和垫圈132之间的界面处的减压孔。后一类型的减压孔公开于2001年12月20日提交且题为“具有排气式集电器和密封组件的电化学电池”的美国专利申请No.10/034687中，该专利通过引用结合于本文中。
电池110的盖和密封组件中的部件数量以及它们所需的容积与传统电池10相比均更小。在电池110中，筒体112侧壁的端边折叠起来以形成具有两层筒体壁并排层的缘边144。筒体112向内成形而形成了环圈或颈部146，其直径小于筒体112中的位于颈部146上方和下方的部分的直径。颈部146上方的区域为凸环148的形状。盖134设在筒体112的开口端116的顶部上，而非如电池10那样处于开口内。在筒体112的开口端116之上也设有与电池10中的密封件32相类似的垫圈132，其中垫圈132的外周缘边150处于盖折边152和凸环148之间。盖折边152向内成形以便将垫圈缘边150压紧在盖折边152和筒体凸环148之间，从而在盖折边152和筒体凸环148之间形成了密封界面。双层式筒体缘边144提供了垫圈缘边150可被压在其上的圆形面，与筒体缘边144为单层筒体壁的情况相比，垫圈132受损的风险更低。双层式缘边144还为凸环148提供了增加的环箍强度，以防止凸环148向内变形，从而更好地保持了垫圈缘边150的压紧。筒体颈部146的形状也有助于筒体顶部的环箍强度。
由于垫圈132不包括减压孔，因此它不必如电池10中的密封件32那样延伸至电池的内部中。由于筒体-盖密封界面位于筒体112的外表面上，并且它独自充分地密封了电池，因此不需要单独的内盖来保持垫圈132在筒体112和盖134之间的充分压紧。同样，不需要围绕垫圈132的中心盘心来设置单独的盖或衬圈，以防止在垫圈134和负极集电器128之间的通往电池外部的泄漏。垫圈132可紧密地顺应着盖134的内表面和集电器128的最上部，以防止在这些表面处产生气体。在垫圈132上的与筒体颈部146相邻的位置处设有较小的向下延伸部154，其与隔板的顶边相配合，从而防止任一电极的活性材料与另一电极形成电接触。
在电池110中，单个盖134可取代电池10中的内盖34和负极端盖30，从而减少了至少一个电池部件，并且与在垫圈32的中心盘心周围还包括单独衬圈的电池相比，其减少了至少两个部件。
筒体112可通过任何合适的方法来制造，例如通过冲压金属板来得到。筒体112最初可具有直的侧壁，其顶部随后采用任何适当方法成形为所需的形状。形成缘边144、凸环148和颈部146的顺序可以变化。当筒体112的顶部在插入阴极之后成形时，可以促进阴极的插入和模制，在阴极模制为环型模制工艺时尤其如此。或者，筒体成形的一部分可在阴极插入之前进行，其余部分在阴极插入和模制完成之后进行。当筒体112的顶部在阴极插入和模制之后成形时，应注意不要损坏阴极或弄坏筒体-阴极界面。
盖134和垫圈132可分别由水平延伸的折边152和缘边150来制成，或者可由至少部分地向下延伸的折边152和缘边150来制成。后一种方式将减少在将垫圈132和盖134放在电池110的开口端116上之后所需的成形量。盖134、垫圈132和筒体112的已成形顶部的尺寸选择成使得这些部件可以容易地装配在一起，以便在电极、隔板和电解质位于电池110中之后封闭电池110的开口端116。通过适当地设置盖134、垫圈132和筒体112的尺寸，已完工电池110的盖134的最大直径便可被控制成不大于电池其余部分的直径。通过这样做，颈部146下方的筒体直径(和电池内容积)可在处于IEC限制范围内的前提下设置成最大，可避免粘胶标签型封套产生折皱，并且便于电池的搬运，例如在其中可能需要通过滚动来输送电池的一部分制造过程中。在电池密封期间和之后对垫圈的损坏可通过使盖折边152的边缘具有倒角或倒圆的内角部来避免。
通过施加径向力至盖折边152和垫圈缘边150上，将两者向内移动至由筒体缘边144形成的凸环148之下并压紧垫圈缘边150，就可以密封电池110。盖折边152和垫圈缘边150可向上移动，并且处于筒体缘边144之上的盖134的略呈水平的部分可向下移动，以便进一步压紧垫圈缘边150以及在垫圈缘边150的更大部分中实现压紧。这可在垫圈缘边150与盖折边152和筒体缘边144之间提供较大的密封面并且提供充分的垫圈压紧，以保证长时间内的良好密封，即使在极端的环境和电池使用条件下也是如此。这种密封电池110的方法可通过在颈部146下方的筒体112上施加很小的向下力来实现。
可对电池110进行一些修改。例如，如果筒体材料具有足够的强度，则缘边144可为筒体112的顶部的单层，而非折叠成双层式缘边。被折起而形成筒体缘边144的材料量也可多于或少于图2中所示。折痕不一定为如图所示的锐利折痕，而是可更具圆形，筒体112的边缘不必与筒体侧壁接触。盖折边152可以比图2所示的更长或更短，但垫圈缘边150必须足够长，以防止盖134的边缘和筒体112的任何部分之间的电接触。盖折边152可稍微向外张开，以便与颈部146的下部一致，并防止盖134的边缘切入垫圈缘边150并与筒体112接触。筒体缘边150向外弯曲而形成凸环148的程度也可变化。筒体的边缘可向内折叠而非向外折叠，只要所形成的凸环148足以将盖134固定在筒体112上即可。筒体缘边144上方的盖134的形状、阳极集电器128的类型和形状以及集电器128电连接在盖134上的方式也可以变化。作为可以是单独部件的垫圈132的替代，也可采用盖134的内表面上的涂层来提供筒体112和盖134之间的密封。电池也可设计成使得筒体112和盖134之间的密封可部分地裂开以释放内部压力，从而用作电池的减压孔。也可对盖134、垫圈132、筒体112和负极集电器128进行其它的修改。这些修改可包括但不限于材料、形状和尺寸上的变化。
本发明电池组电池的另一实施例的一部分外壳如图3所示，图3是未包括电极或隔板的电池210的局部剖视图。电池210为与电池10和110相类似的圆柱形锌/二氧化锰碱性电池。电池210中的具有与电池10中相应特征的特征用与图1中的相应特征相同的标号来表示，但在各标号的开头加上了“2”。电池210中的具有与电池110中相应特征的特征用与图2中的相应特征相同的标号来表示，但在各标号开头的“1”被“2”取代。
在电池210中，筒体缘边244折叠在筒体212的内侧，而非如电池110那样地折叠在外侧。电池210可以与上述相似的方式来密封，如上述电池110一样，电池212可以变化。
为了有助于阴极在电池110和210的筒体中的插入和成形，筒体的开口端可在电极、隔板和电解质处于电池内之后进行颈缩处理。实际上，筒体顶部可具有比其中设置了电极的筒体本体稍大一些的内径。然而，这并不排除在将活性材料添加至电池中之前对筒体顶部进行一些准备工作。例如，可能需要在筒体的部分制造过程中对图2所示筒体112的顶部进行折叠，以便实现高质量的折叠操作，同时不会损坏电极或隔板。筒体然后可在电池的部分装配过程中经颈缩加工而形成所需的形状。在如图3所示的实施例中，在筒体侧壁的顶部没有锐利的折痕，因此筒体侧壁顶部的所有再成形可在电池装配期间进行。
可采用任何适当的金属成形技术来对筒体进行颈缩加工并对电池进行密封。例如，图2所示的用于本发明实施例的筒体可采用两步式卷边和压筋工艺来进行颈缩加工。在第一步骤中，筒体顶部的直径缩小，在第二步骤中恰好在折痕的下方形成压筋，同时将筒体的折叠部分弯曲成所需角度。在压筋期间，可将筒体向上推到靠在止挡件上而使筒体壁不会延展，从而防止了金属变薄。这会导致筒体在颈缩期间变短。可通过用围绕筒体旋转的一个或多个轮子的边缘将筒体向内推来进行压筋。轮子的边缘也可具有倾斜的顶面，因此当筒体进行压筋时，筒体的折叠部分向下弯曲，并且折痕的外层顺应着压筋用轮子的倾斜面。可采用类似的卷边和压筋工艺来对图3所示实施例中所用的筒体进行颈缩加工。
套夹(colleting)是用来密封电池顶部的合适工艺的一种示例。在筒体经颈缩加工至所需的形状并且垫圈和盖设在电池的开口端上之后，采用筒夹来减小盖折边和垫圈缘边的直径。这可在一个或多个步骤中进行。为了控制已封闭电池的顶部的最终尺寸，当筒夹使盖折边和垫圈缘边变形到筒体的颈缩区域中时，可迫使筒体向上运动并保持靠在筒夹内侧的止挡件上。这便将盖折边锁定在由筒体折叠部分所形成的凸环之下。盖向内变形以将垫圈压在盖和筒体的颈缩部分之间，并且形成了密封。垫圈压紧的主要区域可处于筒体的压筋区域中，但垫圈的部分轴向压缩可通过在筒体折痕的两侧上将垫圈夹在筒体和盖之间来实现。
提供了对本发明的实施例来说比较重要的设计构思。例如，电池盖必须在电池内部压力处于预定点以下时保持固定在电池顶部上。该预定压力通常远高于减压孔开启时的压力。这可通过包括了足够的筒体凸环强度、足够的盖折边强度以及盖折边的边缘宽度(内径)小于筒体凸环宽度(外径)的要素组合来实现。盖、筒体和垫圈的成分、物理特性和尺寸会影响这些要素。可凭经验或通过计算机模拟来确定合适的组合。采用有限元分析的计算机模拟软件如ABAQUS(美国罗德岛Pawtucket市的Hibbit，Karlsson & Sorensen，Inc.生产)和MARC K7.3(美国加利福尼亚州洛杉矶市的MSC.Software公司生产)是设计减压孔的有用工具；它考虑了这些要素。
在上述LR6电池外壳中，许多尺寸都是重要的。参见图4和5，图中显示了适用于图3所示电池外壳中的经颈缩筒体的顶部和根据同一实施例的密封电池的顶部。
如图4所示，筒体侧壁在台肩156的上方向内颈缩，并且筒体折痕弯曲而形成了位于颈部最小直径上方的凸环148。会影响电池的卷边释放压力的尺寸包括凸环直径T、折叠长度F、折叠角度A、颈部深度N和折叠端部半径R。为了提高卷边释放压力，可增大凸环直径、颈部深度、折叠长度和折叠角度中的一个或多个。也可增大折叠端部半径，以便在折叠端部的附近提供更大的折叠厚度。
如图5所示，盖和垫圈的周边都向内变形。重要尺寸包括最终盖直径C、盖边缘内径E和盖折边角度B。如果套夹后的盖直径略小于台肩下方的筒体直径，就可使电池内容积最大。为了增大电池的卷边释放压力，可减小盖边缘内径和增大盖折边角度。密封界面处的盖与筒体的接近程度将决定垫圈的压缩量。通常，当垫圈被压缩了其厚度的至少10％时就可以实现良好的密封，当然这一比例可根据垫圈材料变化。应避免过度压缩以防止垫圈的损坏。
图2和3所示的本发明实施例为LR6型的圆柱形Zn/MnO2碱性电池。本发明也可适用于其它电池尺寸、形状(包括棱柱形电池)和电极构造(包括平面的和螺旋形的卷绕结构)，以及含有其它活性材料和电解质的电池。可使用本发明的其它类型电池的例子包括其它碱性原电池、可充电的碱性电池(例如镍/镉和镍/金属氢化物)，非水性的原电池(例如锂/二硫化铁和锂/二氧化锰)，以及非水性的二次电池(例如，锂/二硫化铁、锂/二氧化锰和锂离子)。可选择包括特定电极和电解质配方的电池类型，以便最好地满足电池组电池的预定最终用途的要求。
对于任何电化学电池而言，选择用于本发明电池的材料在用在电池中时在正常的和所选不正常的操作条件下都是稳定的。因此，材料的选择可部分地取决于用于电极和电解质的材料、在电池内发生的化学反应，以及电池将要耐受的环境和电学条件。通常来说，传统电池中类似部件所用的材料类型将适用于根据本发明的电池。
对于本发明的电池来说，盖和筒体可由金属制成，这类金属可形成所需的形状并保持合适的电池密封。当盖和筒体由具有足够导电率的金属制成时，它们还可用作集电器和接触端子。
对于Zn/MnO2碱性电池而言，用于盖的合适材料包括钢，例如镀镍的冷轧钢。
对于Zn/MnO2碱性电池而言，用于容器的合适材料包括钢。盖和容器的外表面例如可镀上镍，以提供耐蚀性和有吸引力的外观。容器的一部分内表面可镀上镍和钴，并涂覆例如含石墨的导电涂层。这类涂层的例子公开于2002年1月29日授权的美国专利6342317中，该专利通过引用结合于本文中。含石墨涂层的另一例子是可从美国俄亥俄州Westlake市的Timcal America公司得到的LB 1090。
镀镍钢也可用来制造非水性电池如Li/FeS2和Li/MnO2电池所用的盖和容器。
通常来说，筒体和盖的材料厚度、硬度和屈服强度越大，则电池的卷边释放压力越高。
用于Zn/MnO2电池的垫圈可由热塑性材料如尼龙、聚丙烯、聚砜和苯乙烯聚合物与耐冲击性改进剂的共混物来制成。另一合适的热塑性材料是聚烯烃与具有带至少一个芳香族官能团的重复单元的芳香族聚合物的混合物，例如美国马萨诸塞州Pittsfield市的GEPlastics公司提供的NORYLEXTENDTMPPX7110和PPX7125，这公开于2001年12月20日提交的未决美国专利申请No.10/033830中，该专利通过引用结合于本文中。美国马萨诸塞州Pittsfield市的GEPlastics公司提供的NORYLPXO844、即改性聚苯醚(PPO)也可适用于Zn/MnO2碱性电池。它具有约368000磅每平方英寸(约25870千克/平方厘米)的模量和约7300磅每平方英寸(约513千克/平方厘米)的2％应变屈服强度。由这种材料制成的垫圈与由尼龙或NORYLEXTENDTM制成的垫圈相比通常可提供更高的卷边释放压力。美国新泽西州Mt.Olive市的BASF公司提供的ULTRASONS聚砜(等级2010)具有约375000磅每平方英寸(约26365千克/平方厘米)的模量和约7500磅每平方英寸(527千克/平方厘米)的2％应变屈服强度，由这种材料制成的垫圈甚至可提供更高的卷边释放压力。通常，模量和断裂应变越高，则电池的卷边释放压力越高。
作为单独的垫圈部件的一种备选，施加在筒体凸环和盖折边中之一或这两者的密封面上的不导电涂层可用作垫圈。合适的材料公开于1999年7月8日公布的国际专利出版物WO 99/34457以及2002年5月30日公布的国际专利出版物WO 02/43165中，这两项出版物均通过引用结合于本文中。
用于Li/FeS2、Li/MnO2和其它类型非水性电池的垫圈可由热塑性材料如聚丙烯制成。
还可在盖和筒体之一或两者的密封界面处施加密封剂。用于碱性电池的合适密封剂包括沥青和沥青基材料。用于Li/FeS2和其它非水性电池的合适密封剂包括三元乙丙橡胶。
对于圆柱形电池而言，希望颈部上方的凸环在形状上为圆形，并且与台肩下方的筒体本体同心。凸环越呈椭圆形，则电池的卷边释放压力越低。如果凸环的径向中心偏离筒体台肩下方的电池纵轴太多，则已完工电池组的最大直径可能会超过行业标准。
本发明的实施例与现有技术的电化学电池组电池相比具有以下优点中的一项或多项●由于筒体颈部和垫圈与电池顶部紧密相邻，使得电极更高；●由于密封件处于筒体的外侧并覆盖了很少的筒体内表面，因此密封件的高度减小；●惰性部件的体积较小，而活性材料和电解质的容积较大；●容器和电极之间的接触面积以及电极之间的界面表面积增大；●密封界面的面积较大，泄漏路径较长；●筒体/垫圈和盖/垫圈界面的外部更远离封套的边缘，从而延迟了可能产生的任何泄漏出现在电池组的外部上；●在集电器未延伸穿过盖中的孔时，在负电极集电器周围不需要外部密封；●在内侧暴露于电解质中和在外侧暴露于空气中的密封件或垫圈表面积较小，降低了不希望有的气体通过密封件或垫圈的输送速率；●电极上方的外露筒体表面更小，从而降低了内部短路的风险；●容易对隔板进行控制以防止内部短路；●因在电池掉落或插入装置中时的封套损坏所造成的在筒体和负极接触端子之间出现外部短路的风险更小；●卷边释放压力可通过增加盖而非筒体的厚度来提高，同时对内容积的负面影响很小；●用于封闭和密封电池所需的部件更少；●用于封闭和密封电池的部件的设计比较简单且容易形成；●通过提供较大的筒体-盖密封界面和利用盖的锁定特征来减小剪切力，从而有助于粘合密封的结合；●在封闭和密封期间在容器侧壁的主体上只有很小的轴向负载或没有轴向负载，从而可以使用其它的材料；●容器顶部和盖折边的形状增加了其强度，从而可利用另一种低强度的材料来提供改进的密封或充分的密封；●容易适应传统的制造设备，可采用常见类型的工具以及电池封闭和密封方法；●密封质量不受阴极、阳极或筒体顶部内表面上的电解质材料的影响；和●电池顶部的直径不大于筒体本体的直径。
示例根据本发明制出了用于LR6圆柱形锌/二氧化锰碱性电池的外壳，其设计类似于如图2所示。
筒体由0.008英寸(0.20毫米)厚的冷轧钢带制成。钢带为用铝来脱氧的低碳钢带(碳含量为约0.04％)，并且粒度符合ASTM 8至12的标准。该钢带在一面(筒体外表面)上镀有镍，在另一面(筒体内表面)上镀有镍和钴，然后进行扩散退火。在美国Baird复式连续压力机上制造筒体。在筒体成形期间，对钢进行冲压以使筒体侧壁的主体减薄至0.006英寸(0.15毫米)，同时在筒体底部和侧壁上部中保持0.008英寸(0.20毫米)的厚度。如共同未决的美国专利申请No.10/365197中所公开的那样，筒体具有形成于底部中的减压孔。利用结合有可换硬质合金镶衬的冲模来制造减压孔。减压孔设计成可提供约850磅/平方英寸(59.8千克/平方厘米)的标称电池排气压力。在筒体的制造期间，筒体还在顶部处被折叠，使得折叠长度为约0.027英寸(0.69毫米)。筒体在台肩下方的区域中具有0.546英寸(13.9毫米)的标称外径。折叠处的外径在最宽点处为约0.585英寸(14.9毫米)。筒体在顶部附近具有台阶，其中台阶上方的内径比台阶下方的内径大0.008英寸(0.20毫米)。
在筒体成形之后，筒体在两步式工艺中进行向内颈缩加工，同时基本上不会使钢减薄。在第一步骤中，筒体顶部的直径变小。在第二步骤中，向内凸出的压筋刚好在筒体折叠部分的下方形成，使得压筋的最小外径为约0.458英寸(11.6毫米)，并且形成了60度的折叠角度。最终的凸环直径为约0.505英寸(12.8毫米)，或者比在第一步骤中卷边加工后的筒体折叠部分的最大外径小约0.002英寸(0.05毫米)。
盖由在两面都镀有镍的0.014英寸(0.36毫米)厚的半硬冷轧钢形成。这种钢的典型性能包括15T洛氏硬度为84.3，屈服强度为62876磅每平方英寸(4421千克/平方厘米)，极限强度为63618磅每平方英寸(4473千克/平方厘米)，以及延伸率为12.2％。盖的周向折边向下弯曲约0.067英寸(1.70毫米)，并且在弯曲处的半径为约0.030英寸(0.76毫米)。弯曲折边的最大外径为约0.554英寸(14.1毫米)。
由C360黄铜制成并在头部下方具有约0.0455英寸(1.16毫米)直径的阳极集电器被焊接在盖内表面的中心处。
垫圈由NORYLPXO844注射模塑而成。垫圈缘边的厚度为约0.008英寸(0.20毫米)。垫圈具有直径为约0.040英寸(1.02毫米)的中心孔和厚度为约0.040英寸(1.02毫米)的盘心，其设置成围绕着该孔，以便在阳极集电器的顶部周围形成干涉配合。
垫圈与盖相配，同时阳极集电器延伸穿过垫圈中的孔，这些相配部件设在筒体的顶部上。
采用一步式套夹工艺来密封电池。套夹后的最大盖直径为约0.538英寸(13.7毫米)。
进行试验来确定所制外壳的卷边释放压力。平均卷边释放压力为约1220磅每平方英寸(85.8千克/平方厘米)，而与之相比，电池排气的标称压力为约850磅/平方英寸(59.8千克/平方厘米)。
计算可用于电极和电解质的内容积，其比例如图1所示相应传统电池的内容积大了约8.3％。这一增大中的约3.2％来自于筒体壁厚的减小(0.010英寸(0.25毫米))，余下的5.1％来自用于密封电池和提供合适减压孔所需的部件体积的减小。
尽管已经参考其某些优选方案来详细地介绍了本发明，然而其它方案也是可行的。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于本文中包含的实施例的描述。
读者的注意力会涉及与本说明书同时提交的所有论文和文献，它们同本说明书一起公开给公众审查，所有这些论文和文献的内容通过引用结合于本文中。
公开于本说明书中的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等效或类似用途的备选特征来替代，除非另外清楚地指出，否则所公开的各个特征仅为一系列通用的等效或类似特征中的一个例子。
权利要求
1.一种电化学电池组电池，包括包括封闭底部、直立侧壁和初始开口的顶部的金属容器，所述开口顶部具有端边；设于所述容器内的正电极、负电极、隔板和电解质；正电极集电器；负电极集电器；和金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过所述容器的开口顶部以用于密封所述电池内的电极、隔板和电解质；其中所述金属容器相对于所述电极和电解质无电化学活性；所述正电极和负电极之一与所述侧壁的内表面直接接触，使得所述侧壁为同其直接接触的所述电极的集电器的至少一部分；所述侧壁在所述容器最上部的下方向内成形以便形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于所述颈部上方的容器外表面宽度；所述盖折边在所述颈部上方围绕着所述侧壁的外侧成形，以便在所述盖折边和颈部上方的侧壁之间形成密封界面，同时所述盖折边不处于所述筒体侧壁的相邻层之间；和所述盖折边的端边的宽度小于颈部上方的侧壁的宽度。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述盖折边和容器之间的密封界面中设有压缩材料。
3.根据权利要求2所述的电池，其特征在于，在所述盖折边和容器中至少之一的密封界面表面上设有密封剂。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述盖和容器中至少之一的密封界面上涂覆有不导电材料。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池具有设在所述盖上的接触端子。
6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，所述正电极和负电极集电器中的一个延伸穿过所述盖中的孔，所述这个集电器与接触端子电接触，所述这个集电器通过在所述盖和所述这个集电器之间形成了密封的密封件而与所述盖电绝缘。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述盖折边和颈部上方的容器侧壁包括最内的密封，其用于将所述电极和电解质保持在所述电池内。
8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述盖折边和颈部上方的容器侧壁的密封接合能够在电池的正常储存和使用期间将所述电极和电解质包含在所述电池内，同时不需要电池封套。
9.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池为圆柱形并具有处于颈部上方的外径，其基本上不大于颈部下方的电池外径。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，颈部上方的所述外径不大于颈部下方的所述外径。
11.一种电化学电池组电池，包括包括封闭底部、垂直侧壁和初始开口的顶部的金属容器，所述开口顶部具有端边；设于所述容器内的正电极、负电极、隔板和电解质；正电极集电器；负电极集电器；和金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过所述容器的开口顶部以用于密封所述电池内的电极、隔板和电解质；其中所述金属容器相对于所述电极和电解质无电化学活性；所述正电极和负电极之一与所述侧壁的内表面直接接触，使得所述侧壁为同其直接接触的所述电极的集电器的至少一部分；所述侧壁在所述容器最上部的下方向内成形以便形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于所述颈部上方的容器外表面宽度；所述盖折边在所述颈部上方围绕着所述侧壁的外侧成形，以便在所述盖折边和颈部上方的侧壁之间形成密封界面，同时所述盖折边不处于所述筒体侧壁的相邻层之间；所述盖折边的端边的宽度小于颈部上方的侧壁的宽度；和所述容器的端边径向向外地成形。
12.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，所述容器的端边向下地成形。
13.根据权利要求12所述的电池，其特征在于，所述容器的开口顶部包括两层并排的容器侧壁。
14.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，所述容器包括钢。
15.一种电化学电池组电池，包括包括封闭底部、垂直侧壁和初始开口的顶部的金属容器，所述开口顶部具有端边；设于所述容器内的正电极、负电极、隔板和电解质；正电极集电器；负电极集电器；和金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过所述容器的开口顶部以用于密封所述电池内的电极、隔板和电解质；其中所述金属容器相对于所述电极和电解质无电化学活性；所述正电极和负电极之一与所述侧壁的内表面直接接触，使得所述侧壁为同其直接接触的所述电极的集电器的至少一部分；所述侧壁在所述容器最上部的下方向内成形以便形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于所述颈部上方的容器外表面宽度；所述盖折边在所述颈部上方围绕着所述侧壁的外侧成形，以便在所述盖折边和颈部上方的侧壁之间形成密封界面，同时所述盖折边不处于所述筒体侧壁的相邻层之间；所述盖折边的端边的宽度小于颈部上方的侧壁的宽度；和所述容器的端边径向向内地成形。
16.根据权利要求15所述的电池，其特征在于，所述容器的端边向下地成形。
17.根据权利要求16所述的电池，其特征在于，所述容器的开口顶部包括两层并排的容器侧壁。
18.根据权利要求15所述的电池，其特征在于，所述容器包括钢。
19.一种电化学电池组电池，包括包括封闭底部、垂直侧壁和初始开口的顶部的金属容器，所述开口顶部具有端边；设于所述容器内的正电极、负电极、隔板和电解质；正电极集电器；负电极集电器；和金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过所述容器的开口顶部以用于密封所述电池内的电极、隔板和电解质；其中所述金属容器相对于所述电极和电解质无电化学活性；所述正电极和负电极之一与所述侧壁的内表面直接接触，使得所述侧壁为同其直接接触的所述电极的集电器的至少一部分；所述侧壁在所述容器最上部的下方向内成形以便形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于所述颈部上方的容器外表面宽度；所述盖折边在所述颈部上方围绕着所述侧壁的外侧成形，以便在所述盖折边和颈部上方的侧壁之间形成密封界面，同时所述盖折边不处于所述筒体侧壁的相邻层之间；所述盖折边的端边的宽度小于所述颈部上方的侧壁宽度；和所述正电极与所述容器侧壁的内表面直接接触。
20.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述负电极设在所述正电极中的空腔内。
21.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电极和隔板具有螺旋形卷绕的构造。
22.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电池具有垂直于电池纵轴的圆柱形横截面。
23.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电池还包括覆盖了所述容器侧壁的外表面的封套。
24.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述容器为带有整体式封闭底部的筒体。
25.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述容器包括钢。
26.根据权利要求19所述的电池，其特征在于，所述电池为原电池，所述正电极包括二氧化锰，所述负电极包括锌，所述电解质包括氢氧化钾水溶液。
27.一种电化学电池组电池，包括包括封闭底部、直立侧壁和初始开口的顶部的金属容器，所述开口顶部具有端边；设于所述容器内的正电极、负电极、隔板和电解质；正电极集电器；负电极集电器；和金属盖，其具有带端边的周向折边，并且设置成跨过所述容器的开口顶部以用于密封所述电池内的电极、隔板和电解质；其中所述电池具有圆柱形的径向横截面；最大容器宽度小于最大电池高度；所述正电极包括二氧化锰，所述负电极包括锌，所述电解质包括碱性水溶液；所述容器为导电的和无电化学活性的；所述正电极与所述侧壁的内表面直接接触，使得所述侧壁为所述正电极集电器的至少一部分；所述负电极设在所述正电极中的空腔内；所述侧壁在所述容器最上部的下方向内成形以便形成颈部，使得颈部外表面的宽度小于所述颈部上方的容器外表面宽度；所述盖折边在所述颈部上方围绕着所述侧壁的外侧成形，以便在所述盖折边和颈部上方的侧壁之间形成密封界面，同时所述盖折边不处于所述筒体侧壁的相邻层之间；和所述盖折边的端边的宽度小于颈部上方的侧壁的宽度。
28.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述容器的端边径向向外地成形。
29.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述容器的端边径向向内地成形。
30.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述容器为带有整体式封闭底部的金属筒体。
31.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述容器的封闭底部包括减压孔。
32.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述盖包括减压孔。
33.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述电池包括设在所述封闭的容器底部上的正极接触端子。
34.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述电池包括设在所述盖上的负极接触端子。
35.根据权利要求34所述的电池，其特征在于，所述电池包括负电极集电器，其延伸穿过所述盖中的孔以便与所述负极接触端子电接触。
36.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，所述电池包括围绕所述容器侧壁的封套，如果未使用电池封套，所述盖折边和颈部上方的容器侧壁的密封接合也能够在电池的正常储存和使用期间将所述电极和电解质包含在所述电池内。
37.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，在所述盖折边和容器之间的密封界面中设有压缩材料。
38.根据权利要求27所述的电池，其特征在于，在所述盖和容器中至少之一的密封界面上涂覆有不导电材料。
全文摘要
一种电化学电池组电池，其包括带有被金属盖封闭的开口端的金属容器。容器侧壁的顶部具有位于向内颈缩区域上方的凸环，该盖具有折边，其围绕凸环外侧成形并伸入到颈缩区域中。盖折边的内径小于凸环的外径，使得盖可被锁定在筒体的顶部上。密封了电池顶部的部件只需要较小的容积，因此用于活性材料和电解质的内容积就比较大。该电池可通过作用在颈部下方的筒体侧壁上的很小向下力来封闭和密封，从而允许使用更薄的筒体。
文档编号H01M2/04GK1748329SQ200480003723
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月9日 优先权日2003年2月11日
发明者J·X·吴, R·E·小雷 申请人:永备电池有限公司