专利名称：具有高容量的金属空气电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属空气纽扣电池、尤其是锌空气纽扣电池。
背景技术：
金属空气电池通常总是包括基于金属的阳极和空气阴极作为电化学活性组件，所述基于金属的阳极和所述空气阴极通过离子导电的电解质彼此分离。在放电时，在空气阴极处氧在电子摄取下被还原。形成可以通过电解质迁移到阳极的氢氧离子。在那里，金属在电子发射下被氧化。形成的金属离子与氢氧离子反应(abreagieren)。不仅一次的而且二次的金属空气电池得以发展。二次金属空气电池被再次充电，其方式是，在阳极和阴极之间施加电压和逆转所描述的电化学反应。在此释放氧气。金属空气电池的最有名的例子是锌空气电池。这以纽扣电池形式尤其作为用于助听器的蓄电池使用。众所周知，纽扣电池是高度与直径的比例小于I的电池。所述电池通常具有由碗状的电池杯、碗状的电池盖和密封垫组成的液密地封闭的壳体。电池杯和电池盖通常分别具有底部、环绕的外罩、连接所述底部和所述外罩的过渡区和位于末端的切边。电池杯的底部和电池盖的底部优选地分别构造为平坦的并且优选构造为圆的、在必要时也构造为椭圆形的。所述电池杯的外罩和电池盖的外罩能够优选地被描述为具有圆的或椭圆形的横截面的空心圆柱体的环形的片段。通常，电池杯和电池盖的外罩与所属的底部正交地定向。电池杯和电池盖的所提到的过渡区优选包括电池杯和电池盖的、位于相应的底部的平面以外、但还不是所属的外罩的一部分的部分。所述过渡区可以构造为倒圆角的，例如肩状的，或者也可以具有尖锐的沿边的形状。电池杯和电池盖优选由金属材料如镀镍的钢或钢板制成。此外适合的尤其是还有三金属(Trimetalle)、例如具有镍、钢和铜(从外向内)序列。在安装纽扣电池壳体时，电池盖利用切边向前推入到电池杯中。这两个部分在得出的壳体中通过所提到的密封垫彼此空间和电分离，所述密封垫因此不仅承担密封功能而且承担绝缘功能。此外，在得出的壳体中，电池杯和电池盖的底部相互并行地设置。所述底部的间距定义了纽扣电池的高度，通过底部的中点的连接直线定义了基准轴(轴向方向)，沿着所述基准轴在安装纽扣电池时将电池盖推入到电池杯中。所述电池杯和电池盖可以例如由镀镍的深冲钢板作为冲压拉深件来制造。通常，电池杯极化为正的而电池盖极化为负的。这样的电池的液密的封闭性经常通过电池杯的边缘的卷边实现。金属空气电池具有相对高的能量密度，因为在阴极处对氧气的需求能够通过来自环境中的空气氧满足。但相应地需要有针对性的措施，以便在放电过程时将来自环境空气的氧气输送给阴极。并且相反地，在充电过程时，在空气阴极处形成的氧气必须被排出。为此目的，金属空气电池的壳体 有针对性地配备进入口或排出口。这通常通过在壳体中冲压孔而实现。在壳体内，通常通过合适的膜片或过滤器实现所进入的空气氧的精细分布。因此，锌空气纽扣电池的壳体在各种情况下在使用电池杯的情况下制成，在所述电池杯的底部中冲压进气孔。为了制成锌空气纽扣电池，在这样的电池杯中插入滤纸(或其他合适的微孔层)，所述滤纸覆盖所述杯的底部和在其中所冲压的底部的进气孔。所述滤纸用作用于电池内的通过进气孔进入的空气氧的精细分布的装置。从US-4, 118，544公知一种具有这样的用于空气分布的装置的纽扣电池。在所述出版物中描述的纽扣电池情况下，通过微孔层或然而通过进气孔的大小调节空气到电池中的进入。微孔层的细孔或进气孔的大小限制了电池的电功率。然而，瞬间地电池也应该能够放出较强的电流。这是可能的，因为在电池中(在功能上类似于所提到的滤纸地)设置了用于空气分布的层(air diffusion layer:空气扩散层),在所述层中存储一定量的氧气。随后在滤纸上放置空气阴极，在所述空气阴极处可以实现空气氧的还原。该空气阴极又借助平面的分离器覆盖，所述分离器在电池中在阳极室和阴极室之间构成分界层。这样的预安装的杯部件(Becherteil)通常与碗状的电池杯组合,所述碗状的电池杯用锌粉末或其他合适的可还原的金属作为阳极材料并且用电解质填充并且在其外侧张紧环形的塑料密封垫。它被推入到电池杯中，从而塑料密封垫在两个壳体部分之间平放着。通过将电池杯的位于末端的边缘卷边到被推入的电池盖上，液密地封闭电池。
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种具有简化的结构和改善的容量的金属空气纽扣电池。所述任务通过具有权利要求1的特征的纽扣电池解决。根据本发明的纽扣电池的优选实施方式在从属权利要求2至6中说明。所有权利要求的措辞在此通过参考而成为该说明书的内容。
根据本发明的金 属空气纽扣电池尤其是锌空气纽扣电池、即是其中阳极包含金属锌或由金属锌组成的纽扣电池。替代锌，作为电化学活性材料，也可以使用例如铝或镁。根据本发明的金属空气纽扣电池不仅可以是一次金属空气纽扣电池，而且可以是二次(可再充电的)金属空气纽扣电池。根据本发明的金属空气纽扣电池的壳体原则上不与传统的纽扣电池相区别，根据本发明的金属空气纽扣电池的壳体包括开头所述的组件，即电池杯、电池盖和密封垫。对此参照对于这些部分的相应的实施。此外，根据本发明的纽扣电池的壳体如由现有技术已知的纽扣电池的壳体那样，具有孔的形式的进入口，通过所述进入口，空气氧可以进入所述壳体。这些进入口优选是圆孔。本发明的中心特征之一是，根据本发明的纽扣电池的壳体中的进入口或孔中的至少一部分具有小于0.025mm2,优选地小于0.0lmm2的开口面积。特别优选地，这些进入口的开口面积位于 0.00000000785mm2 和 0.00785mm2 之间、尤其在 0.0000196mm2 和 0.00709mm2之间的范围内。传统的金属空气纽扣电池的壳体通常具有显著更大的进入口。因此，具有0.4_的直径(在基本上圆形的孔的情况下相应于约0.125mm2的面积)和多于进入口的孔并不罕见。所述孔在根据本发明的纽扣电池情况下至少部分通过显著较小的进入口代替，这随之带来大优点。也即已经发现，这样小的孔可以同时接管用于通过进入孔进入的空气氧的精细分布的装置的功能。滤纸或功能上等价的微孔材料的所述插入在制作根据本发明的金属空气纽扣电池时可以相应取消，这显著简化了制作过程。
在开头提到的US-4，118, 544中描述的锌空气电池同样具有很小的空气进入口。然而，在US-4，118，544中描述的电池的发明人没有认识到，通过引入特别小的孔到壳体中能够实现放弃开头提到的用于空气分布的层(空气扩散层)。通过省略所述层，更多的内部容积可用于活性材料。根据本发明的纽扣电池的特征尤其在于，在壳体中的进入口和空气阴极之间不设置用于空气分布的单独的、例如在功能上相应于滤纸的装置。根据本发明的电池因此通常具有比可比的传统纽扣电池高得非常多的容量。进入口的总数在根据本发明的电池情况下优选位于I和128之间，优选在2和48之间、特别优选在4和36之间、尤其在8和32之间。根据本发明的纽扣电池优选仅仅具有带有所提到的尺度小于0.025mm2的开口面积的进入口。然而，也可以设想根据本发明的电池的实施方式:所述实施方式除了具有小于0.025mm2的开口面积的进入口之外，还具有一个或者多个较大的、带有大于0.025mm2的开口面积的进入口。优选地，进入口被引入到根据本发明的纽扣电池的电池杯的底部中。插入到电池杯中的空气阴极可以直接由进入的空气氧袭来(anstroemen )。优选地,根据本发明的纽扣电池具有以平坦层的形式的空气阴极，所述空气阴极这样覆盖电池杯的底部、尤其是其中所引入的进入口，使得通过进入口进入的空气氧不能够经过空气阴极而侵入到壳体中。可以通过隔离物、例如平坦的网或栅格使空气阴极与电池杯的底部分离，但优选地，所述空气阴极直接和紧靠着地放在所述电池杯的底部上。特别优选地，在根据本发明的金属空气纽扣电池中，作为空气阴极使用以平坦的层的形式的塑料连接的气体扩散电极。这样的气体扩散电极例如在DE 37 22 019 Al中得以描述。在这样的电极中，塑料粘合剂(大多是聚四氟乙烯，简写:PTFE)构成多孔的基质，其中由电催化活性材料(例如由贵金属如钼或钯或由氧化锰)组成的颗粒被填入到所述多孔的基质中。这些必须能够催化空气氧的所提到的转化。这样的电极的制造在各种情况下以如下方式实现:由粘合剂和催化剂组成的干混合物被轧制成薄膜。所述薄膜又可以滚压到例如由银、镍或镀银的镍组成的金属网中。所述金属网形成电极内的导电体结构并且用作电流导电体。替代地或附加地，在层状的空气阴极被插入到电池杯中之前，金属网或金属栅格可以被放在根据本发明的纽扣电池的电池杯的底部上。所述金属网或金属栅格于是可以用作电流导电体和/或用作所提到的隔离物。特别优选地，进入口基本上在电池杯的底部上均匀地分布。“均匀的分布”尤其应理解为，如果通过直线将所述底部分成两个相同大小的区域，则所述区域中的每一个具有类似数量、优选相同数量的进入口。进入口的布置在此基本上任意可变。所述进入口例如可以以同心圆的形式或光栅式地设置。根据本发明的纽扣电池、尤其是根据本发明的锌空气纽扣电池的壳体通常具有在0.08mm和0.15mm之间的厚度。这尤其适用于由进入口穿过的区域，即尤其是所提到的电池杯的底部。如上提到的，进入口优选地是圆孔。然而，这些进入口并不一定必须具有恒定的孔直径。在特别优选的实施方式中，孔从壳体外侧出发，向壳体内侧锥形展开。因此，孔直径从外向内增高。 在这点上，对于术语“开口面积”还有一些文字:如果孔或进入口的横截面在轴向上(即从壳体外侧向壳体内侧或相反)变化，则在本申请的意义上，开口面积相应于轴向上最小的可确定的横截面。否则，开口面积相应于孔或进入口的(恒定的)横截面面积。孔或进入口、尤其被构造为圆孔的进入口的最小的可确定的直径优选不超过极限值0.15mm,特别优选地位于0.1mm以下。特别优选地,进入口的最小的可确定的直径位于0.0OOlmm和0.1mm之间、尤其在0.005mm和0.095mm之间的范围内。为了制作根据本发明的金属空气纽扣电池，电化学活性组件、即例如所提到的锌阳极和同样已经提到的空气阴极被包围在壳体中，所述壳体的特征在于，其具有所描述的、尤其被构造为圆孔的、用于空气氧的进入口，所述进入口具有小于0.025mm2、优选地小于
0.0lmm2的开口面积。
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因此，例如为了制作根据本发明的锌空气纽扣电池，可以提供碗状的、在底部区域中具有被构造为圆孔的进入口的电池杯，所述进入口具有在ΙΟμπι和ΙΟΟμπι之间的直径。如已经提到的那样，可以取消插入作为空气氧分配器的滤纸。代替之，电池杯的内底部优选直接借助平坦的空气阴极层覆盖，在所述空气阴极层处可以实现通过进入口引来的空气氧的还原。此外，可以如同从现有技术中已知的那样处理。具有小于0.025mm2的开口面积的用于空气氧的进入口特别优选地借助于激光器熔化进壳体中。根据本发明的电池的壳体的进入口因此优选是熔化到壳体中的圆孔，而不是冲压的孔。所述进入口相应地也不强制地具有圆形形状。在此可以得到上述的锥形形状，其方式是，将开口从在完成的电池中构成壳体的内侧的该侧引入到壳体中。合适的激光器是例如商业上可获得的纤维激光器、即固体激光器，其中玻璃纤维的掺杂的芯构成活性介质。激光器的运行参数必须尽可能精确地匹配于壳体的厚度，其中进入口应引入到所述壳体中。功率例如可以通过激光的脉冲频率的变化被调制。
本发明的所述的和其他的优点尤其还结合从属权利要求从现在以下的对附图的说明中得出。在此，本发明的各个特征可以本身单独地或者彼此组合地实现。所描述的实施方式仅仅用于阐述和用于更好地理解本发明并且绝不应理解为限制性的。
具体实施例方式图1示意性地示出根据本发明的金属空气纽扣电池100的横截面。示出碗状的电池杯101、被推入到所述电池杯中的、同样是碗状的电池盖102和在其间设置的塑料密封垫103，根据本发明的电池的壳体由它们构成。密封垫103将电池杯101和电池盖102在空间上和电地彼此分离。所述壳体具有圆柱形形状。壳体在端面通过电池杯101和电池盖102的底部限制，在外罩侧通过电池杯101的环绕的外罩限制。空气阴极104在电池100中作为薄的、完全覆盖电池杯101的底部的层被包含。阴极层在此直接并且紧靠着地放在电池杯101的内底部上。所述阴极层包括由塑料组成的多孔基质，其中催化剂分散在所述多孔基质中。金属网108在基质内形成导电体结构。在阴极层104上方绘出平面的分离器105。所述平面的分离器105将电池100的空气阴极104与阳极室106分离。作为活性材料，金属粉末、尤其是锌被引入到所述阳极室中。借助激光器将进入口 107a_d熔化到电池杯101的底部中。两个位于外部的进入口在此比两个设置在中央的进入口具有更大的直径。所述进入口中的一个被放大地示出(不按比例)。可以看出，进入口从外部朝壳体内侧未来地锥形地展开。进入口因此不具有恒定的直径。锥形构造的进入口的直径在外侧是大约15 μ m (dA),而在内侧大约60 μ m ((I1)0所示出的电池杯的壳体在底部区域中具有大约130μπι的厚度。假设进入口在外侧(在那里横截面最小)具有圆形的横截面，则可以计算进入口的开口面积，所述开口面积大约是
0.0001767mm2。在图2中绘出在图1中以横截面所示的电池100的底部的俯视图。所述底部是电池100的两个端面中的一个，第二个由被推入到电池杯101中的电池盖102的底部构成。图1中所示的电池100的切割沿着线Z-Z’实现。可以看出，总共20个用于空气氧的进入口，其中可以看出以剖视图在图1中绘出的进入口 107a-d。所述20个进入口以两个同心设置的圆的形式均匀地分布在电池底部上。在此，内圆的进入口具有比外圆的进入口小的开口面积和 直径。
权利要求
1.金属空气纽扣电池、尤其是锌空气纽扣电池，包括含金属的阳极和空气阴极作为电化学活性组件和具有进入口的、包围所述含金属的阳极和所述空气阴极的壳体，通过所述进入口，空气氧可以进入到所述壳体中，其中所述壳体具有电池杯和电池盖并且所述进入口引入到所述电池杯的底部中，并且其中所述进入口中的至少一部分具有小于O. 025mm2、优选地小于O. Olmm2的开口面积，并且其中所述空气阴极具有平坦的层的形式并且紧靠着地放在所述电池杯的底部上。
2.根据权利要求I所述的纽扣电池，其特征在于，所述进入口基本上均匀地分布在所述电池杯的底部上。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的纽扣电池，其特征在于，所述进入口的总数位于I和128之间、优选在2和48之间、特别优选在4和36之间、尤其是在8和32之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的纽扣电池，其特征在于，所述壳体具有带有不同大小的开口面积的进入口。
5.根据上述权利要求中任一项所述的纽扣电池，其特征在于，所述壳体具有在O.08和O. 15mm之间的壳体厚度，尤其是在由所述进入口穿过的区域中。
6.根据上述权利要求中任一项所述的纽扣电池，其特征在于，所述进入口从外部向壳体内侧锥形展开。
全文摘要
说明了一种金属空气纽扣电池、尤其是锌空气纽扣电池，包括含金属的阳极和空气阴极作为电化学活性组件和具有进入口的、包围所述含金属的阳极和所述空气阴极的壳体，经由所述进入口，空气氧可以进入到所述壳体中，其中所述壳体具有电池杯和电池盖并且所述进入口被引入到电池杯的底部中，并且其中所述进入口的至少一部分具有小于0.025mm2，优选地小于0.01mm2的开口面积，并且其中所述空气阴极具有平坦的层的形式并且紧靠着地放在所述电池杯的底部上。
文档编号H01M2/02GK103238230SQ201180050854
公开日2013年8月7日 申请日期2011年8月18日 优先权日2010年8月20日
发明者W.高格勒, W-U.巴伦蒂恩, R.布伦纳 申请人:瓦尔达微电池有限责任公司