专利名称：具有负极罐体的圆柱形镍锌电池的制作方法
具有负极罐体的圆柱形麟电池
絲领域
本发明总体上涉及镍锌蓄电池。更*^,本发明涉及圆柱形镍锌电池的 物理设朴构造。
背景鉢
便携设备的最i^势对适合用户使用以代f次蓄电池或不可再充电蓄电 池的 ^好的可再充电蓄电,出了增加的需求^>求。常规可再充电戚性
蓄电池，例:H^^r属氩^^或舰蓄电池，具有负极罐^jE^体。圆柱形 镍锌电池可被设计为与常織性蓄电池反向或相反的极性。在反向板性设计中， 蓄电池的排U体为负极端而圆柱形壳絲罐体为蓄电池JL^l端。该反向极性 设计在负极端处提供了低阻^^低的析氢。当反向极性设计用于电动便携设备 如电动工具(power tool)时，由于可再充电蓄电池可以内置于设备中或被独立 地^il仏，因此并不会对用户产生影响。然而，当单独提供电池时，用户 可能^^^ft反向极性电池，以及因将反向极性电池当作常M^l性电极^^或 充电而导紀叶电M装置产生损害。
为了制造可被大量用户^^的轉电池，需要为镍锌电财找常^l性电 舰计，该设计在负极端处提供,JL^Il^合。
发明内容
由负极罐体、JE^体、以及内部的电化学活'I^ L材;^负;feN"料的巻 绕体(jelly roll)构成##蓄电池组电池。罐体的内表面用可通it^覆或镀 覆到^h的防腐蚀材WM^。通过折:1^#以接触> 1集^^来实 ^体 与盖^t间的^电^^触。
一方面，本发明涉;^蓄电池组电池，其包^M^体、位于罐体底部的负极集 ，itt、位于负极集^tjLh方的巻绕体、位于4^体上方的iE^l集a^、与集流
盘相连^a与罐体电g的排气组件。电地x^排^i且件与^^錄的交狄密
5封。该罐体包括底部和圆柱形侧面。罐体包括防腐蚀材料。负极集^Jt与罐体 电接触。巻绕体包括正电极、负电极以及一个或多个位于其间的分隔体。负电
极与负极彰M电接触，JUE电极与JE^集^Jt电接触。排^i且件位于錄集 减顶部。
可以包括防腐蚀材^H^为电池-"^分，要么作为罐体的""-^分，要么作为
独立元件。作为罐体的一部分，防腐蚀材料可以具有罐体本身或涂层的^或 者至少na在罐体内表面上。可以涂布涂层或者另外用如條、^a或其它粘 ^^脉的技术iM^涂层。还以通过电皿无电皿的方式向罐体的内表面上 ^^该材扦。防腐蚀材料可以是铜、锡、铜/^^、锌、银、导电碳、黄铜或
其组合。在一个实施:^中，防腐>^*#料;|^覆或赍凃在罐体上的导电^#。 在其它实施方案中，防腐Wt料是^t锡或者锡和铜的^^双层。在另外的实 施方案中，防腐蚀材料是4ta锌、铜或银。其它实施例包括具有M^^为超 过50%， ^过75%的铜、锌、锡或黄铜的罐体。作为独立元件，所述防腐蚀
材料可以是在周边包H4^体的分,、^r属片或箔。所述防腐蚀材^F可附着
于絲M罐体。
需要防腐蚀材料，因为锌负电^t料与负极罐4^触以^a^电和导热。 然而如上所述，#^^^#料之间的腐>^^可对电地^1^损害。
防腐蚀材料也可以是负极集^^的"-^分，所迷负极集;鮮的防腐蚀材料 可以是与罐体的防腐蚀集流器相同或不同的材料。通常，向罐上附加或施加防
腐^N"料的方法^tit^！于集^L^。
以下皿过参考附图进一步讨ifeit些和其它的特4iE^优点。
图1是锌电极中的电荷传it^质量传ilL^的图解。
图2A是依据本发明不同实;^r案的电池的分解图。
图2B是依据本发明不同实施方案的电池的横戴面图。
图3A和3B是依据本发明不同实施方案的电地各部^l横戴面图。
图4是从电池顶部看到的排^体图。
图5是依据本发明不同实^r案的示例性电处设计的分解图。
图6是依据本发明不同实^r案的巻绕体部件的相关位置示意图。在此，在设计和制造镍锌电池的背景中描述本发明的实施方案。本领域普 通技#员^i人识到本发明的以下描述仅为说明性的而并不意图以任何形M 行限制。本发明的其它实施方案具有;^Hf中的优点，树于^4页域技私员 B而易见的。例如，防腐蚀材料可以iM)其它工序^在电';^b^体内部。
下面脊洋细参考在附图中所说明的本发明的M实施。在^申请中，可交 换^f^l术语"蓄电池"和"电池"，这样的术^fM在讨论的上下文中是清楚 的。
简介
便携设备的最i^^势对适合用户使用以代P次蓄电M不可再充电蓄电 池的环^A好的可再充电蓄电,出了增加的需求^"求。镍锌蓄电池是环嫂 友好的，但以反向极性形iU^供以获^f氐的P且^^析氲。当单独提供电池时，
用户可能^^辦反向极性电池，以及因将反向极性电池当作常^L性电^f吏
用或充电而导IW电M装置的损害。
对于用户来说， 一种解决方法是制造与具有标准用户尺寸如AA、 AAA、 C和 D的常M^性电 tM^以的反向极性电池。可以通过冲压出妙形(button)而使 jt^L罐体底部看^M^JE^体。负M体可以制成平的以^fJtl"^M象负极罐 体的底部。然而，该解决方法减小了罐体内的电化学活性材料的可用体积。在 底部冲压出的*形#(51仅具有装饰作用。该#形的#^、不能用于^^可电池 功能。在平J&4面下方的负极端子处隐藏的排U体^加了不能用于电fc^ 能的体积。净影响就是缩小了用于电化学反应的可用^ 、。实际的电池为符合 这种构造将必须比标准电池^i。尺寸的减小将斷氐或消R^锌电^目对于其 它电池类型的优势之一，即相同尺寸的电地具有更多的能量。
本发明A^常g性(i^体和负极罐体)的蓄电池組电地4殳计，该 设计絲了反向极性设计的一些原始准则并且仍获得了其它优势。辆常舰 ，lii€i€^ 了与反向极性电池的装饰性再设计相关的电池能量减少。在某些实施 方案中，本发明的蓄电J^且电池为43^蓄电池。
一方面，本发明涉及蓄电池组电池，其包;^^体、位于罐体底部的负极集 位于负极彰jyt顶部的4^&体、位于ii^体顶部的J^l集^J:、与集流盘相连^a与罐体电,的排气组件。电一排^i且^^体^之间的交界 处密封。
包麟为电池4分的防腐^t料，要么作为罐体的-^p分要么作为独立 元件。作为^^的4分，防腐烛材料可以具有罐体本身或涂层的细成或者至 少4I^在罐体的内表面上。可以涂布涂层或者另外iMJ其它才t^如:W、 M 或其它粘结^MuMfe^p涂层。还可以通过电镀或无电铖覆将该材^^在罐体 的内表面上。在某些',中，可以在所i^^"^^在罐体上^对其进行处理， 例如烘烤(在约260'C或更高温度下)或者化学清洗。该防腐Wt料可以是铜、 锡、铜/^^r、锌、银、导电碳、黄铜或其组合。在一个实施方案中，防腐蚀 材料是导电^W。在其它实施方案中，防腐Wt料是^t锡或者锡和铜的镀 覆双层。在另外的实施方案中，防腐蚀材料是^a锌、铜或银。其它实施例包
括具有^^^为超过50%，优￡^￡过75%的铜、锌、锡或黄铜的罐体。作为独
立的元件，防腐蚀材料可以是在周围包H4绕体的金属片、箔或不可润湿性聚
*或分隔体。所述防腐wt料可以附着于巻绕^^罐体。
不可润湿性聚*或分 可以是疏7|<^聚^7片。尽管可以釆用任意疏 水性聚*， ^^U^将是合适的，如孔隙率为约30-80且平均孔隙尺寸为约 0. 005-0. 3微米的 烃膜。非多孔片也是有效的。可以作为巻绕体中分,的 延伸来添加不可润湿性分跳，^#^￡絲出絲>^^秋间的负电极的
末端。不可润湿性聚^;还可以按环^4^体的独立包裹体而添加。
导电^H"可以是导电'It^墨涂层。典型地，它;l7JC基的糾受KOH。据认
为该涂层减少镍^a钢的氧4^i^腐蚀，并改善阴极罐#电解质之间的电接触。 这种材料的一种合适来源是Acheson Industries of Madison Heights, Michigan,均勻JL^fe^p该导电碳以获得絲的优点。典型胁可以包括在 负极集^J:处冲压或涂刷罐体的底部，包括5W'Kwiper)組件。罐体的侧面可用 M"喷涂或刷涂。涂布^，该材料可缺高的温度下干燥一段时间，例如在 约70X:下干燥30分钟。
需要防腐Wt料，因为辞负电Wt料与负极耀^^触以^f地导电和导热。 然而如上所述，锌^^^#料之间的腐蚀反应可以对电处^损害。因而需要 谨慎:Nk^^活'J^H"料在罐体处所接触的材料以狄这样的反应。发明人意外 发现来自不同厂家的^^罐体表现得不一样。特别地，发现由中国深圳的Shenzhen Longgang PingShan Gaohengsheng Company 4^_制造的蓄电 ^纟且电池 具有优良的性质。该过程包括用4^^^]^去油污、用7K清洗三次、用酸冲洗、 用7jc清fe次、用去离子7jc清'冼一次、^MJ减性电)^质^a铜层、用7K清fe 次、用去离子水清洗一次、用i^L^盐的电)^质^a^^层、用7K清洗三次、用 去离子水清洗、及干氣
^i人为，采用具有较高分軟能力(throwing power)的l^t化学M可以 实现具有良好均匀性(在罐体的^区^)的l^a。当对罐体内表面进行电 镀时，电极附近区域倾向于比远离电极区鄉集更多的^t材料。i!U^高导电
性的电解质可减小这种非均匀性。在金属薄片加工成罐^^前在其上进^ma
或iM)无电4t^A^提高均匀性的不同方式。
保护罐^巻绕^^^蚀A^的另一种方iU:确保^aA够的锡，使得 罐体表面^Hi置的最小厚度都足够高，例如约为3-20孩沐。
对于防腐蚀材料的其它考虑包^#料以及制造的成本。因而，如果蓄电池 组电池的总#大*^加，则更昂贵的涂^r法或材料也许不可行。
负极集^^:位于罐体的底部。该负极集^tJ:通常由铜制成，但也可以是与 负电船目容的其它材料。在一个实施方案中，负极集^JS^1铜泡沫盘或网板。 在某些实施方案中，负极集;M:ii^覆或^^有防腐蚀材料。该防腐Wt料可 以是与罐体内表面相同或不同的材料。jH^卜，整个负极集;m:可以由防腐蚀材 ^Htp铜、锡、铜/H锌、银、导电碳、黄铜或其組合制成。
在某些实施方案中，在罐体底部与负极集^^之间可以添加弹f^)。该 弹^N^J可以是与碱性电解质相容的o形环形式，或者以一定张力成形的金属。 弹^^i^在蓄电'^作期间(例如在电动工具中)以及在^^期间(例如蓄电 池的意外掉落)吸收沖击或振动。当弹^#赠吸收沖击力时，其它电转件， 如负极集-娃或4^^#不会变形。在某些实施方案中，该弹^^赠可以是负 极集;M的-^分(例如， 一个或多个在盘中切出的弯曲触片)和/或通itW 或其它连^^t^与^N^^接。
4^錄于负极集^iLh方。该巻绕体包括正电极、负电妙其间的一个 或多个分IW。以下文献中7^了负电极的^a^制造2004年8月17号提交 的美国专利申请No. 10/921, 062 (J.Phillips) (low carbonate zinc electrode); PCT公开No. W0 02/39517 (J.Phillips); PCT公开No. W0
902/039520 (J.Phillips);PCT甜No. WO 02/39521; PCT贿No. WO 02/039534 (J.Phillips);以及美国专矛Vi^fNo. 2002182501，出于所有目的将其中^-" 篇的4^P内叙过51用并^^文。在以下文献中Z/Hf 了正电极的M^和制造， 出于所有目的将其中^-"篇的4^内^ii过引用并/v^文PCT公开No. W0 02/039534 (J.Phillips) (co-precipitated Ni (0H)2， CoO and finely divided cobalt迈etal)以及2002年3月15日提交的(J. Phillips)美国专利乂^f No. 20020192547 (fluoride additives )。在美国专利申请11/116,113中7^f了整 体的,蓄电池4殳计，出于所有目的将^^内^t过引用并^^文。
由以上所述的切割电^p分隔体薄片形成4^￡体。负电#正电极被一个 或多个分隔体薄片分隔开。分隔体可以具有很多不同的组成，并可以是用于不 同目的的不同材料的复合薄片，所述目的例如润湿和对枝晶生长提供阻挡同时 允许离子交换。^!设备同时牵4iVh薄片并将它们4^巻绕^MW构。在 产生足够厚度的圆柱体后，该设*割分齡和电极的层以制备最终的4^体。 中空芯体延伸穿过该巻绕体的中心。该芯体的半径^^状可由^^i期间夹持 住电鄉片和分跳薄片的麟工具綠制。
麟状态的巻绕体的夕卜^to为负性锌电极。提供的锌活'1±#械常多于 絲'關料。锌活'l:i^料的^^^低。在反向极性设计中，在罐体辦活性 材料之间需要附加的分隔体层，以^jE电极罐体与负电^ife^。然而，在常规
的极性设计中，夕卜层^^W"有相同的极性，如果罐体的防腐蚀成分足够，则
可以不需要附加的分隔体层。和肖夕NP分隔体增大了用于电化学活性材料的罐
体内的可用^p、，并且因^^1较少分1^#料而斷氐了絲。
然而在某些实施方案中，分隔^#料层仍可用于罐#^#活'^#料之间。
当该层为^7jO性时，^^供额外的防腐蚀'歸。^i人为，辆發u7jO性分]^L延
长了电解质的路径，其延^^呈度有^4吏罐#4^体电隔绝(decouple),并 因jtb^了罐体表面的腐蚀X^。
该分隔#^#料层可以包11^卜部负电极层的周围作为分隔包IU作为亲水 性分RI^层的不可润湿性的延伸物。当^S^i体时，分隔体的不可润湿', 伸物在4^i体外側周围形成最终包裹。
可以麟电极使得^HyMt偏移，其中正电妙分隔体突出高于负电极， 并且负电^U^伸低于正电极。这样的偏^^it了与各自集^J:之间的接触。可糸仗片，该板片与JM L集流盘形成良好接触。在巻绕体的顶部，4^包^#料延
伸^L^大，然后^^隔>(^#料，JL^低泉将是负电极。由于^Mi体周边向
中心折:i4^包、絲分隔^t料，因jH^斤叠的分隔体似负电极顶部并且防止镍
泡沫直#^触负电极。歉包沫^Ak^l使得来自各连续^fc体的4^包沫将与
来自下个内部4t^体的泡沐接触以形成重叠的4i^包,片。在某些实施方案中，
4W^^^顶部ii^小心地开槽以^^i形成泡朱仗片并防止过多的折铍同时仍 絲分瞎完整跳
iE^l集^J:可以位于或附着于巻绕体的顶部与正电极电接触。J^l集^Jt 可以由不镣纲制成，并且可用4Ml与缘iE电拟目容的其它材^菱。^iE^l集 ^AJi的一个或多^r属触片连接至排^i且件。该金属触片可條到糸Ki且件
以形成良好接触。4^集^^顶部之间是0形环以提供压力及应变的#^。
在某些实施方案中，通过由插7um集流盘和顶部之间的"弹簧"产生的 压力来^#与巻绕体的电接触。该弹簧可以是 _有镍的钢弹簧。作为替代，
该弹^￡可以#皮耐受>^<^质的加压^^环或o形环代替。il样的材料可以是 EPDM (^H^乙丙^t^)或Viton⑧(来自DuPont Dow Elastomers, L. L. C.的含氟 举性体系列)。在其它实施方案中，弹簧可以是或包括集^J:的一个或多个弯曲 部分。在^^',中^##足够的压力使得在盖体和4^狀间^#低的阻 抗电阻。在某些实;^案中，通过o形环向下压或者由电池罐体中的弯折^Mfe 加所述压力。
蓄电池组电池的排气组件包括糸K^几构、密封垫團和底板，该;yi可通过
焊点(weld)连接到錄集^JL该排^N^J包括具有排气孔洞的盖体以及橡 胶垫，该^^垫^b^过300psi、 450psi或甚至高达600psi的压力下提供压力 的#^。在若干位置将该排^iM^的盖体;^^在底部。在一个实施例中，距离 中心等距离地形成四个焊点。在其它实施例中，可以将更多或更少的焊点^A
体的^周iW^到^Ji。
将所述密封垫團叙e^糸Ki且件周围并插A^罐体中。然后折^^体錄 并弯浙该密封垫團以封闭罐体。罐体的弯折形成了气密密封，同时该密封垫團 鄉粘排^iE件魄
在电池制造it^呈中，罐体的-"^^i^ii(bead)。将位于4^:棘置上方的该罐体的一小部分圆周压缩使得在4ii的ii^下方的绝缘体处于合适位置， 并防止^^体与正电Wt^"之间的^^触。所id4^用于包封密封垫團。
另一方面，本发明涉及镍锌蓄电池组电池，^^有罐体、负极集^J:、巻 绕体、防腐Wt料层、Jm集J5yt和排^i且件。该防腐蚀材料层可以附着于罐 体的内表面或4^:体的夕卜^&体。该防腐^#料可以是铜、锡、铜/^^、锌、 银、导电碳、黄铜或其组合。所述防腐蚀材料可以是位于罐体内表面或巻绕体 夕卜表面上的箔、薄片、涂4^或lt^。
为了阐明M电地设计特征的背景，以下描述镍锌电池中的电化学反应以
及可能的副产物。
,蓄电池的电化学A^
碱性电化学电池中的氢氧^^iE电极的充电过程受以下A^支配
Ni (0H) 2+0H"—Ni00H+H20+e_ (1)
正电极的充电效率和正电^Ut料的利用率受析IUi程的影响，该过程受以
下^I控制
20H"—H20+l/202+2e_ (2)
析HX^通常在充电状态(S0C)达到70 ~ 80 %时开始。镍电极的it^导致镍 电极的充电效率降低，因为更多的电荷转向析气。在电化学电池的第一次充电 后，氢氧^^^IL化形^J^&IU械。在电化学电池的放电期间，羟^IL化 4Mte^形成氢氧^^。可逆的氬氧^DMl^MtM目结构，^Eii常tf^中， 当充电/放电循环次数增加时镍电极因厚度的膨胀而遭受一定禾級的劣化'
碱性电解质在Zn电极中的电化学^中充当离子栽体。在可再充电Zn电 极中，絲活'1±#料是Zn0粉 ^#^氧化#^末的;^^。 Zn0粉^i^于 K0H溶液以形成锌^ik (Zn(0H)/—)，其在充电i^呈中^^^成锌金属。锌电极
处的X^可ie/ft如下
Zn0+20H"+H20—Zn(0H)广 (3)及
Zn(0H)广+2e— Zn+40H" (4) 于是，Ni/Zn蓄电池的总A^可表示如下 Zn+2NiOOH+H20=ZnO+2Ni (OH) 2 (5)
在图1中还可以示出Zn电极中的电荷传#物质传11|^。如图所示，在Zn电极的放电过程中(如向右的箭头所示),锌金属101给出电子以形成锌^ 103。同时，K0H溶液中的锌餘^Ui升。锌舰舰的上升导致锌雌^定 形成Zn0105。在锌电;M^生的这些转变和I^是多次充电放电循环后电旨 性最终损失的主要因素。在专利US20060127761、 US20060207084和EP1819002 中公开了 Ni-Zn蓄电池技术中消除分,中锌,增长的一些改违，在比出于 所有目的将这些文献中的^-"篇的全郎内^ii过引用并^^:。
总体电赠构
图2A和2B是依据本发明实;^案的圆柱形动力电池主^件的示意图， 图2A显示了电池的分解图。在圆柱形组件201 (<1^#作"巻绕体")中提供交 替的电极和电解质层。该圆柱形组件或4^i体201位于罐体203或其它容纳容 器内。将负极集流盘205和JE^l集流盘207连接到圆柱形组件201的相对端。 负极集^J:和J^l集^^内部端子的作用，而负极集^J[电连接至负电极， JJE^L集流盘电连接至正电极。作为排^ia件209 ""^分的排^^^体203 充当夕h^端子。在图示的实;^r案中，iE^L集^tt207包括o形环211用于将 j^L集;M: 207连接至朝Ki且件209。将负极集^tt 205 ;tf^或用其它方式电连 接至^体203。绝缘体213位于罐体203和4^体201的圆周角(corner )之间，
以使罐^^4^体顶部的^^rj^的正电极电绝缘。在其它实施方案中，
集;AJ:连接至罐体，且负极集^J:连接J^体。
可以将负极集^J: 205和iE^L集i;她207穿孔以^ii与4^体的4^V或 使电解质从电池的,分到达另一部分。在其它实施方案中，集;M:可利用狭 槽(径向或周向)、凹槽或其它结构以促进^K或电解质分布。在某些实施 方案中，负极集i^4^铜泡沫。该铜泡沫可以具有金M片作为在最靠近罐体 底部侧上的支撑。在某些实施方案中，弹f^l^可以位于负极集^J:与罐体底 部之间以向着巻绕^^口压力，由此4呆证^的电^^触。该弹^^i^J还会在操 旨工作期间吸收冲击或振动。
图3A是蓄电池组电 ikjE^的特写滅面图。柔性垫圏311位于圆形絲 315上，该4it沿罐体313上部的周边提供，"^il^体309。该垫團311用于将 盖体309与罐体313电g。在某些实施方案中，垫圏311位于其上的巻边315
上涂覆有聚M涂罢。该垫團可以是^i/^^体电,的^^r材料。伏选该材料在高温下不会絲变形； 一种这样的材料A^。在其它实施方案中，可 能期望^M)相对^^Iii的材料以减小引Mlt电解质渗漏并最终在接M或其 它可到达的出口点处从电池中泄漏的驱动力。可润湿',小的材料的例子A^: 丙彿。
在罐絲其它辆絲絲电解质后，密#^亥絲以将电*电解质与环 境隔离。通常通过弯折过程密封垫團。在某些实财案中，^^)密封剂以狄 泄漏。合适的密封剂的例子包括沥青密封剂、焦油以及来自Cognis of Cincinnati, OH的VERSAMI胸。
在某些实施方案中，构造电池以工作在电解质"贫液"糾下。W卜，在 某些实施方案中，本发明的鄉电^^II贫液电解质形式。相对于活性电树 料的量，这样的电池具有相对少量的电解质。所述电池可以容易地与富液电池 相区分，该富液电一电池内部区域中具有自由液体电解质。如2005年4月26 日提交的妙"Nickel Zinc Battery Design"的美国专利申请No. 11/116,113 中所述，在》bit过引用将其并A^，因多种原因而期望使电棘贫液糾下
质占据的电池:在典型实施例中:填充电解质后，贫絲^体的空隙^K可至
少为填充前总空隙^MK的约10%。
本发明的蓄电池组电池可具有多种不同形#尺寸中的任一种。例如，本 发明的圆柱形电池可具有常规AAA电池、AA电池、A电池、C电'綺的直4沐长 度。定制电^i殳ifit于一些应用中。在特定实施辨中，电池尺寸为亚C电池 尺寸，其直径为22咖且M为43咖。注意，本发明也可用于相对小的方形电池 形式中，，于树非便携应用中的树更大形式的电池。例如，通常电动工 具或割草机的蓄电池组的外形轮廓会指示出蓄电池组电池的尺寸和形状。本发 明还涉及包括一个或多个本发明的,蓄电^M且电池的蓄电池组，；sji当的壳 体、接触部和导线以允许在电^i殳备中充电和放电。
该罐体^作最终电池的夕NP盒M壳体的^H。在常M;^镉电池中，其 中罐体为负极端子，该罐糾常为4t^镍的钢。对于辦电池，罐^t料可以 具有与用于常M^镉蓄电池中的材樹目似的《誠，例如钢，只要该材料涂覆有与锌电极电势相容的另一材料。例如，负极罐体可以涂覆有防腐蚀材#^铜以
^Lh述其它材料以抑制腐蚀。通常，通过将薄片金属材料拉制或冲压成罐体形 W^制作该罐体。该薄片金属材料可以包^^到薄片金属上的防腐蚀材料。
例如，可以在制造罐体前将防腐wt料^a、職、轧制或拉制到薄片金属上。
排u体
尽管通常将电池密封与环嫂隔离，^a可以允ifi亥电^Mf在充电和放电期间 产生的气^w蓄电池中排出。典型的^l电錄约200磅斜方英寸(PSI)的 压力下排出气体。在某些实施方案中，可设计本发明的镍锌电池以在该压力或 更高压力(例如高达约300PSI)下工作而无需排气。这可以促逸电池内产生的 ^^#氬的复合。在某些实施方案中，构造电池以保持内部压力高达约450 PSI或甚至高达约600PSI。在其它实施^中，设计镍锌电池以拟目对较^^ 力下排出气体。当该设计^iiiL^/或氧气体的受控，而不在电池中复合时， 这可食^:合适的。
图3A和图4是依据本发明一个实施方案的排气羞^^排^+几构的示意图。 图3A和图4显示出排气組件包括排U体309/401、密封垫圏311和;^SL 307/407。 >^^，设i"H亥糸KiM^以允许气体而非电解质逸出。盖体309/401 包括位于垫團上的板片307/407。板片307/407包括孔洞303，该孔洞允许气体 通过排^JL洞409逸出。排气密封体301絲孔洞303 JW皮逸出的气^^多动。 排气密封体3oi通常为m，但也可以由允许气M出且耐受高温的^^T材料 制成。发财形的排气口工作狄。
图4显示了该排^i且件的^^见图。排^^体309在條点403处与板片407 雜，并包括允许气*出的孑1/洞409。所示的)IW点403和409的位置^f是 说明性的JLit些^^点可在^^T合适位置。在舰实施方案中，排^M^J包括
由i^w链^j^制成的排气密封体301。排^aji材料的例子包括微孔聚丙烯、
微孔聚乙烯、微孔PTFE、微孔FEP、微孑l/^HJ^^7及其';^^和共聚物(参 见2005年9月27日授权的美国专利No.6，949，310(J.Phillips)， "LeakProof Pressure Relief Valve for Secondary Batteries", &匕出于所有目的通过 引用将其并A^iO。该材料应该能够耐受高温。在某些实施嫂中，i5M^腿 与曲折的气員出5^圣结^fM 。其它蓄电'^^^4^域中是^#的，且均适用于本发明。在某些实施方案中，选辆造的电^t料以提供氢气
逃逸的区域。例如，可以由透i^:杨材辨'j作电池盖M垫圏。在一*定 实施例中，可以由透氬材彬口丙烯酸类塑料或者一种或多种以上列举的聚^ 材^^造电池盖体的夕MP环形区域。^ iil样的实施方案中，只有实际端子(位 于盖体的中心JL^IL^料环绕)需要是导电的。
图3B显示了负;feiii的一些部件，例如负电^H"321、负极集^Jt325
及电池罐体313。可以由用于集流J^的^Ki^r属制j^i些"W。在一些实
施方案中，负电 #为铜网板，例如约15密耳厚。在一个实财案中，铜网 ;fcl^底部翻折以形成与负极集^J:的接)l^面。选择用于该盘和/或罐体的1^1 材料应具有高电导率并抑制析氬等。在某些实施方案中，该盘^^^L一或二
者可以iMI锌或锌^t为絲金属。在某些实施嫂中，集;础和/或罐体为
铜或铜^ir的薄片或泡沫，其涂覆有锌或含有例如锡、银、铟、铅或其组合的 锌^r。可期望预萍接集流盘和巻绕体，或佳月作为集流盘的组成部分的巻绕 体以及可直接;If^到底部的弹^^构。这样的实施方案可以特别用于相对^^" 率的应用。在如图3B所示的实施例中，负极集流盘325是铜泡沫。如图所示， 负电^#321延伸到泡沫中，形成与泡、^#料的缺电接触。还示出了分隔 ^t料323， ^^伸超出负絲'I4^料327底^ME并不延伸到泡';5Mt料中。当
集^^含有锌时，这些实^r案特别有用。该巻绕体可以包拾;f^在负电极一
侧的触片(未示出)以^ii与集流盘的^^触。
在某些实施方案中，负极集;M可以包括弹f^^;，该;M^位于罐体底部
的盘部妙4^;秋间，如图5中所示。弹簧501可以^f^]弯曲或折叠的金属 触片或M似产生朝向负极集aj:的压力。弹^i^j还可以^^非金属材辨'J 如上述o形环的,Mr属材料以提供压力。负极集j;M:的弹^P分可以^^有与 盘部射目同或不同的防腐Wt料。
已^^5MuMJ适当防腐蚀M (例如锡、铅、银、锌、铟等)的常规罐 体可育t^Wt程中引起锌的腐蚀，从而导致渗漏、放^缩短的*寿命。 在某些十"W中，4^负电子ilit(包M子以及一个或多个彰;ML件)由相同 的材^^成，例辦或涂覆锌的铜。在特定实施方案中，从负电W!J负极端子(集^^基材，集流盘、触片和盖体)的全部电子iMA^a锌的铜或黄铜。可 以在以下专利申请中找到集流盘和排气盖体结构以及载体M本身的一些细
节，^t匕出于所有目的通过引用将它们并/^il: 2006年4月25日提交的 PCT/US2006/015807和2004年8月17日提交的PCT/US2004/026859 (/^号 WO2005/020353 A3)'
图3A显示了jE^Ufii的一些部件，例如正电^Jj时329、正級集流盘319、 以及包括排U体309的排^i且件。正电 材329通常为镍泡沫。如图3A所 示，正电 # 329延伸到分瞎薄片331和JL^'I^H"料333顶部的上方。 图6 A^4^体部件的相对位置示意图。如上所迷，正电#负电^#料位于层 中，其间具有一种或多种分P^N"料。然后， 一定才械将这些层^*^&体。 图6显示了朝向正端的约两圏巻绕体。分隔^#料603位于负电极材料605和 正电Wt料601之间。正电^# 604延伸到负电极605上方并且折叠到分隔 体层603上方'如图所示，该折叠的正电^Jj时604^ffc^与来自内團的JL^L ^#*叠。分 603将两种电fe^i^，并且不允许正电^# 604与负 电极605之间有^frt^^触。在某些实施方案中，正电絲材604上可开槽 以促进折叠而不产生过多的折铍。在折叠期间要注意不^^隔体穿孑L。折叠技
术产生了正电 # 604的板片，其产生了与狄iy棘的优良电接触。在罐
体的4i^K平处进行it^jH"的折叠。在反向极性设计中，负极端子存在于相 同位置。然而，对不具有类似折叠的负核JjN"在4^下方的区域中的接触进行 限制。为增强接触，可能必须在絲下增加板片或环形物。然后，该板片能够 与集^^弹簧或合适的接l^^接触。
电解质
电解质应具有限制锌电极中的枝晶形成和其它形态的材料再分布的组合 物。在1993年6月1日授;^MEisenberg的美国专利No. 5， 215， 836中描述 了一种似乎符合该标准的组合物，扭bit过引用将其并4文。^卜，优选的 电解质的例子包括(1) >^^属^±^^属氢氧化物，其以产生氢氧化物对酸 的化学i"hl:比过量为^fh约2.5-11当量的量而存在；(2)可溶的碱金属或#金属氟^^，其以对应于辆总ii^约0. 01-1当量的狄范围的量而存在；及
钠、和/或^^钠或磷酸钾)。在一错定实施方案中，电解质包含约4. 5-10当 量/升的氩氧化钾，约2-6当量/升的硼g自酸钠以及约0. 01-1当量的氟化 钾。对于高^用，特别她的电解质包含约8.5当量/升的IL^fW、约4.5 当量的硼酸以及约0. 2当量的氟化钾。
本发明不限于Eisenberg专利中所提出的电解质组杨。通常，满^所 目标应用而规定的标准的任何电解质组合物均可胜任。如果需要高功率应用， 那么电解质应当具有非常好的电导率。如果需要长的循环寿命，那么电解质应 才^t晶的形成。^L^发明中，使用包含KOH电解质的氟^^和/或硼酸盐以及 合适的分隔体层减少了枝晶的形成，从而获得了更耐用且M命的动力电池。
在特定实#案中，电解质组#包^±量约3-5当量/升的ILIL^^ (例 如KOH、 NaOH和/或LiOH )。这假设负电^bl氧化锌基电极。对于锌酸钩负电极， 替换的电解质制剂可^l^ii的。在一个实施例中，用于锌酸钾的合适电解质 具有下列M:约15-25重J14的K0H、约0. 5-5. 0重量％的LiOH。
才緣^t实施方案，电解质可以包含液体和皿。皿电解质可以包^ 稠剂例如购自Noveon of Cleveland, OH的CARB0P0L⑧。在^it实施方案中， "^p分活性电解质材料是^^形式。在特定实施方案中，约5-25重*%的电解 质以^^形^C^Wf且^i且分包含约1-2重*%的CARB0P0L 。
在一些情形中，电解质可以包^目对高 1的>#^根离子，如在2006年2 月1日提交的美国专利申请No. 11/346， 861中所迷，扭出于所有目的通过引 用将其并A^L。
结论
^^斤Z/Hf的辦蓄电^^且电池的常M^性设计相比反向极性设计具有若 干优势，同时仍4緣了镍锌蓄电池组电一目对其它碱1"仁次电池的优势。通过 负电^Ji^^触电^^体的内表面而非具有环绕4^体的分隔体层，在负电极 和负极端子之间获得了更好的电接触和热接触。除去该分隔体层^巻绕体中 为电化学活'14#料产生了更多的空间，增加了相同尺寸电池的可用容妙能量。
在4i^K平处折叠iBfeJ^提供了优良电连接而无需反向极性设计中所需的附加盘或环形物。如上所述，通过使用减少的分隔^t料斷氐了蓄电池组电
^，常M^l性设计制氐了电解质泄漏的可能性。电解质趋向于沿着负极 通道。在反向极性设计中，负城itii向排U体，^LE电解质可能崎时 间而在排气密封体周围渗出。在常M^l性设计中，负城道不效向电解质可 能逸出的^^f开口。
权利要求
1.镍锌蓄电池组电池，该蓄电池包含(a)具有底部和圆柱形侧面的罐体，所述罐体包含第一防腐蚀材料；(b)负极集流盘，位于罐体的底部并且与罐体电接触；(c)卷绕体，包含正电极、负电极以及一个或多个位于其间的分隔体，所述卷绕体位于负极集流盘上方且所述负电极与负极集流盘电接触；(d)正极集流盘，位于卷绕体上方且与正电极电接触；(e)排气组件，位于正极集流盘上方，所述排气组件与所述正极集流盘电连接且与罐体电绝缘。
2. j^'J^求1所述的电池，其中第一防腐Wt做自铜、锡、铜/* 金、锌、银、导电碳、黄铜及其组合。
3. :N5^'漆求1所述的电池，其中将第一防腐蚀材料涂覆^ftl^属上。
4. :ftwM'漆求l所述的电池，其中将第一防腐WtW^在^i^属上。
5. 如W'漆求4所述的电池，其中第一防腐Wf械电镀或无电镀。
6. :N5U，漆求1所述的电池，其中在制作罐^:前，将第一防腐Wt料包 覆在罐体金属的表面上。
7. :H5U'j^求2所述的电池，其中第一防腐>{^#料比罐体组#多50%。
8. ^^'涹求7所述的电池，其中第一防腐Wt料是锌。
9. :^，J^求1所述的电池，其中负极集^it包賴。
10. :N5^'要求1所述的电池，其中负极集^Jt涂覆有第二防腐蚀材料。
11. :^'虔求10所迷的电池，其中第二防腐Wf械自锡、铜/^^r、 锌、银、导电碳、黄铜及其组合。
12. 如W'决求10所迷的电池，其中所选賴第二防腐Wt料是与罐体的第一防腐Wt^W目同的材料。
13. :ft^U'j要求l所述的电池，其中所述负极集a^li包^^料。
14. 如^'j^求1所述的电池，还包棘于负极集-M^^体底^t间的 弹^1^,构it^斤，^N^以吸收罐体的冲击和振动。
15. 如W'J要求1所述的电池，其中4^&体的夕卜层是负电极。
16. 如;^f'涹求15所述的电池，其中夕卜层与罐体电接触。
17. :N5U'j^求l所述的电池，其中罐体包括4^体上方的絲区域。
18. :H5U，J^求17所述的电池，还包棘于;U&体上方、与絲区域下方 的^^^目对的^_体。
19， fc^U'J要求1所述的电池，其中i^i体的正电极包^H^包、林i^ '1±#料，所述4!^包^^1集^^下方在4^体上方折叠，其中每圏4^包沫的 所述折叠与另一个以狄隔体重叠，使#1^包沫形條片并且不与负电极电接 触。
20. :N5U'j要求18所述的电池，其中4^包沫开有槽口。
21. :H5U'J要求1所述的电池，还包棘于JE^L集;jtt^部和排^i且件之 间的密封o形环。
22. 如^5U，漆求1所述的电池，其中錄集^^的一个或多个触片雜至排^i且件。
23. ^f5U'漆求1所述的电池，其中排气组件包含排^#密封垫圏， 所述密封垫圏不导电且附着于罐体。
24. ^"蓄电^i且电、池，i亥电池包^:(a) 罐体，絲有底部和周向侧壁；(b) 负极集^J:，位于罐体的底部且与罐体电接触；(c) 巻绕体，包含正电极、负电极、以及一个或多个位于其间的分隔体， 所^4^^于负极集^JJi方i^斤迷负电极与负极集^J:电接触；(d) 第一防腐Wt料的层，位于所i^4^M罐仏间；及(e) Jt^l^体，与正电极电i^ii。
25. :N5U，J^求24所迷的电池，还包舍(a) 集流盘，位于所^4^绕体上方且与正电极电接触；及(b) 排气組件，位于je^i集j;娃上方，所述排^i且件与iE^l集流盘电连接且与罐体电魄
26. 力w^ij^求24所述的电池，其中第一防腐蚀材,自铜、锡、铜/锡 M、锌、银、导电碳、黄铜，不可润湿性聚杨层及其组合。
27. :^，J^求24所述的电池，其中笫一防腐Wt料涂覆在罐体的内表面上。
28， N5^，漆求24所述的电池，其中第一防腐Wt料附着于负电极。
29, :N5U']^求24所述的电池，其中第一防腐Wt料附着于分,，所述 分RI^延伸超出^一圏负电极。
30. :N5^，]^求24所述的电池，其中负极彰M涂覆有第二防腐蚀材料。
31， M5U'J要求30所述的电池，其中第二防腐Wt械自锡、铜/#^、锌、银、导电碳、黄铜及其组合。
32. 如WJ要求31所述的电池，其中所选賴第二防腐Wt料是与第一防 腐##*目同的材料。
33. :H5U'J^求24所述的电池，其中4^体的正电极包^^色、絲i^ '^#料，所述4^包、^J^集^it下方在巻绕体上方折叠，其中每圏4^包沫的 所述折叠与另 一个及分隔体重叠，使得所述4^包沫形錄片且不与负电极电接 触。
全文摘要
由负极罐体、正极盖体、以及内部的电化学活性正极材料和负极材料的卷绕体形成的镍锌蓄电池组电池。利用涂覆或镀覆到罐体上的防腐蚀材料保护罐体的内表面。通过折叠镍基材以接触正极集流盘来实现卷绕体与正极盖体之间的良好电接触。
文档编号H01M2/34GK101557010SQ20091020393
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月1日 优先权日2008年4月2日
发明者C·马斯克, E·M·利曼诺斯基, F·J·克鲁戈, J·菲利普斯, J·赵, S·克林顿, S·萨玛莱什, 范正刚 申请人:鲍尔热尼系统公司