专利名称：圆柱形蓄电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有螺旋绕制电极板组件的圆柱形蓄电池，更具体地，涉及适用于例如车辆驱动电源的碱性蓄电池。该电池对焊接到电极板组件上部和下部的电流收集器形状进行了改进，以便保证电极板组件的螺旋绕制开始部分与电流收集器的焊接，从而允许通过电流收集器快速充电和放电。
已知有多种不同的圆柱形碱性蓄电池，其中，有代表性的包括镍-镉蓄电池和镍-金属氢化物蓄电池。这些电池广泛用于各种设备，例如便携式电话和笔记本个人电脑，这是因为它们具有高可靠性和维护方便。近年来，热切地等待适用于高放电率的圆柱形蓄电池作为马达助动自行车，割草机以及未来的电动汽车和其他类似机器的电源。
这种高放电率圆柱形蓄电池有一个电极板组件，它包括一个条形正电极板和一个条形负电极板，它们绕制成螺旋绕制，有分隔器放置在它们之间，并且，该组件放在金属制的电池外壳中。关于收集从适用于大电流的电极板来的或者流到电极板去的输入和输出电流的结构，例如美国专利号3,732,124和5,238,757公布了分别为矩形或者近似于圆形板式电流收集器(这种形式在以下称为无突出物型)，它们在多个点上焊接到分别从电极板组件的上端和下端平面分别向外突出的相应一侧电极板的端边缘上，并且在本发明中普遍应用。
已经建议有多种焊接到电极板组件端部的电流收集器，图7所示的电流收集器14是一个代表。
这种电流收集器有一个矩形平板部分14a，肋形突出物14b是沿平板部分14a的长度方向延伸的两个侧边缘垂直向下弯曲形成的，还有两个U形切开部分14c或冲孔。将电流收集器14焊接到电极板组件是通过电阻焊进行的，使肋形突出物14b与电极板组件向上突出的单侧电极的端边缘交叉，将一对条形焊接电极压在电流收集器14的平板部分14d的上侧，使切开部分14c位于两焊接电极之间，或者将电极压到突出物14b的上侧，并且在压力下在电极间通过电流。
但是，在上述电流收集器14中，肋形突出物14b是在平行于沿平板部分14a的长度方向延伸的两侧边缘方向上形成的。相应地，甚至当将一对焊接电极压到平板部分14a上，平板部分14a位于保持切开部分14c在其中间的位置，并且在施加压力下通过电流，流过一对焊接电极之间的平板部分14a的电流(称为在焊接中损失的电流)大，这是由于电流流过的距离和电阻的不利条件造成的；相反地，通过该对突出物14b和电极端边缘的交叉部分的电流小，所以不容易充分熔化突出物14b和电极端边缘的交叉部分，以保证满意的焊接。
其结果是熔化部分，或称为由肋形突出物14b和电极端边缘形成的结合部分，具有高接触电阻，并且，当电池以大电流放电时，例如，3c(三倍于电池容量的电流)时，熔化部分上的电压降IR太大(导致电能损耗)，因而不能提供满意的电池性能。
本发明的主要目的是克服上述困难，提供一种通过电流收集器可以高速充电和放电的蓄电池，它是由改进焊接到螺旋绕制电极板组件端部的电流收集器形状，将焊接电流集中在电流收集器所提供的肋形突出物和电极的突出端边缘的交叉部分上，从而将该交叉部分充分熔化，达到牢固焊接的效果。
根据本发明提供一个圆柱形蓄电池，它包括一个主要由均为条形的正电极板，负电极板，以及分隔器组成的螺旋绕制电极板组件，和基本上由矩形或近似圆形的板形成的各一个电流收集器，该收集器分别焊到分别由电极板组件的上端和下端平面向外突出的正电极或负电极的端边缘上，至少焊接到电极板组件的上端面的电流收集器上提供有一个切开孔，该孔通过该板的中心，并且中止在板的内部接近其外周边缘的地方，还有多个切开部分从板的中心附近开始延伸到板的外周边缘，不与孔相交，肋形突出物在切开孔和各个切开部分的边缘部分向下整体形成，该肋形突出物(的尖端)在各件与端边缘交叉并且部分压入其中的情况下，被焊接到单侧电极板的端边缘上。
图1为本发明例的镍-镉蓄电池的局部剖面侧视图，图2A为焊接到电极板组件的上部电流收集器的顶视图，图2B为焊接到电极板组件的下部电流收集器的顶视图，图3为上述电池的电流收集器的前视图，图4为另一例的电流收集器的前视图，图5为电流收集器的突出物的下端部分的前视图，图6为另一例的电流收集器的前视图，和图7为现有技术的电流收集器的透视图。
电流收集器的切开孔和切开部分的形状，对于可靠和牢固地焊接到从电极板组件向外突出的电极板端边缘上是非常重要的。
这样，如果用于电阻焊的一对电极仅保持在电流收集器的平板部分上，即没有任何切开部分，流过电极之间的平板部分表面并且对焊接没有作用的损失电流增加，使得难于将电流收集器的肋形突出物在多点上牢固地焊接到电极的端边缘上。
在本发明中，最好用镍板钢制的电流收集器上，提供有一个切开孔，该孔通过该板的中心，并且中止在板的内部接近其外周边缘的地方，还有多个切开部分从板的中心附近开始延伸直到板的外周边缘处打开，不与切开孔相交，向下的肋形突出物在切开孔和各个切开部分的边缘部分分别整体形成。
相应地，肋形突出物和从电极板组件的端部向外突出的电极板端边缘相互交叉；因此，将一对焊接电极压到电流收集器的平板部分，以保持切开孔在焊接电极之间，并且也将切开部分保持在其中间，由于切开孔和切开部分，在电极对之间的电流收集器的平板部分表面通过的损失电流减少，并且，流入在切开孔和切开部分的背面的突出物与电极板的端边缘的交叉部分的有效焊接电流增加，因此，在一些交叉部分上牢固地焊接。特别是在切开孔处提供的突出物可以保证在该组件的直径方向上包括在电极板组件中心部分大范围内的焊接点，因为这些突出物还与电极板组件中心附近的电极板螺旋卷始端边缘交叉。
切开部分的形状不是限定的，例如，矩形切开部分，椭圆形切开部分和梯形切开部分都是可以的。为了便于加工肋形突出物，最好是矩形切开部分。考虑到切开孔，最好以相等距离形成切开部分。切开部分的数量最好是2-6个，更希望是2-4个，最希望是2个。肋形突出物可以只在每个切开部分的两个相对边缘部分形成。切开孔的形状也是不限定的，但是最好是Ⅰ形孔。Ⅰ形孔的中间部分可以有一个圆弧，以便焊接电极穿过。肋形突出物可以只在切开孔的两个较长的相对边缘部分形成。
与电极板端边缘交叉的肋形突出物的高度(宽度)和厚度对于保证上述交叉部分和集中焊接电流来说也是重要的。在本发明中，肋形突出物的突出高度必须小于组成电极板突出端边缘的冲孔板裸露部分的宽度；最好从平板部分突出的高度为冲孔板裸露部分宽度的1/5到2/3，因此，甚至在完成焊接以后，突出物也可以不触到相对电极的端边缘。突出物的厚度最好是冲孔板厚度的2到8倍，因此，突出物的尖端可以牢固地保持紧靠在电极板的冲孔板裸露部分的末端表面上，并且，交叉部分可以由电阻均匀产生热，可以均匀熔化和变形。
在权利要求1中叙述的本发明规定了用于被焊接到分别从螺旋绕制电极板组件的上边和下边向外突出的电极板端边缘上的正电极和负电极的电流收集器的切开部分的焊接形状和状况，分别用于正电极和负电极的电流收集器跨接在电极板组件的绕制开始部分，并且，在组件的直径方向上的广泛区域内的一些点上，可靠地焊接到电极板端边缘上，从而提供了一种允许高速充电和放电的优异的电流收集器结构。
在权利要求2至8中叙述的本发明规定了在电流收集器的切开部分上，形成的肋形突出物的尺寸和形状，以及突出物的尺寸与所焊接到的电极板端边缘的冲孔板裸露部分的尺寸的关系，以充分地坚固适合于高放电率的焊接部分。
在权利要求10至12中叙述的本发明公布了一个最佳的特别电池结构，它允许通过电流收集器高速率充电和放电，其中，组成螺旋绕制电极板组件的条形电极板在其长度方向几乎整个长度上与电流收集器一起形成一些焊接部分。
下面参考附图来叙述本发明的一些特有例子。
图1所示为本发明例中所示的具有无突出物型电流收集结构的镍-镉蓄电池的局部剖面侧视图。电池A的直径为33mm，高61.5mm，额定容量5000毫安小时(mAh)。该电池A的结构详述如下。
准备一个厚度为1.0mm的烧结型镍正电极板1以及一个厚度为0.7mm的条形糊状镉负电极板2。在各电极板长度方向端边缘上，提供有裸露冲孔板部分3和4，宽度分别为1.5mm。考虑到螺旋地绕制电极板的方便性和焊接的牢固性，分别有一个约为0.08mm厚度的镀镍铁板用于正电极的冲孔板3，和一个厚度约为0.06mm的镀镍铁板用于负电极的冲孔板4。分隔器6放置在这些电极板之间，因而，裸露冲孔板部分3和4分别对电极板组件5向上和向下突出约1.5mm。并且整个被螺旋绕制形成一个直径约为30mm，高约为50mm的电极板组件5。
一个对角长度约27mm，提供有一个Ⅰ型切开的孔，宽约为5mm，跨接在该电极板组件的螺旋绕制的中心的矩形正电极电流收集器7安排到正好在上述电极板组件5的上端平面上面。在该电极板组件5的下端平面上，也有一个与上述有相同对角长度的矩形负电极电流收集器8，如图2B所示，提供有与上述同样宽度的Ⅰ形切开孔8b，在其中心部分有一个与平板部分整体成形的舌形引出片8e与冲孔板部分4接触。然后，电流收集器7和8用一对焊接电极在多点上分别焊接到裸露冲孔板3和4。焊接的详细情况将在下面叙述。该电极板组件5插入一个金属外壳9中，一个焊接电极穿过电流收集器7的中心孔，并且通过抽去在绕制组件时用的芯以后，在板组件的中心留下的孔，以便用电极的尖端压在电流收集器8的中心部位提供的连接用舌形引片上，并且将被压的部分焊接到电池外壳的内底表面上。
然后，通过正电极侧电流收集器7的孔和切开部分，将预先定量的碱性电解质灌入电池外壳9，在另一端焊接到电流收集器7的连接引线10的一端焊接到密封板11的下表面，使正电极端成为双的，并且，壳9的开口用密封板11密封。这样便得到本发明的电池A。
如图2A所示，焊接到电极板组件5的上端平面的矩形正电极电流收集器7提供有一个I形切开孔7b，它通过厚度为0.5mm的平板部分7a的中心部分，并且中止在接近板的外周边缘以内。有两个矩形切开部分7c，它们大约与I形孔成直角，并且从板的中心附近延伸到其外周边缘，不与Ⅰ形孔相交叉。Ⅰ形切开孔7b的中心部分为圆弧形，有一个比其他部分较大的开口，以便于上述焊接电极穿过。
如图3所示，切开孔和切开部分分别在它们的边缘部分7d处提供有整体形成的向下肋形突出物7e，突出物的突出高度(长度)为0.5mm，厚度为0.3mm。突出物7e和电板板端部的裸露冲孔板用保持有一个矩形端部的一对焊接电极沿边缘部分7d接触到平板部分7a，以便保持切开孔7b或矩形切开部分7e在两极中间，并且，将焊接电极压到平板部分7a上时，在一对电极板之间通过约2000安培交流电约10微秒焊接在一起。
用这样的方法，在一对焊接电极之间通过电流收集器7的平板表面的焊接电流由于矩形切开孔7b或切开部分7c的阻碍，和增加电流流过的距离的原因而减小。另一方面，通过裸露冲孔板的焊接电极之间的距离相对缩短，以便增加流入电极板的裸露冲孔板部分和肋形突出物的交叉部分中的电流。此时，为了同时熔化大量的突出物7e和电极板的裸露冲孔板部分的交叉部分，一对焊接电极的端部形状最好为矩形，它可以保持焊接电极的尖端部近似沿着切开孔7b和切开部分7c的长度方向。
此外，在Ⅰ形切开孔7b的边缘部分提供的突出物7e还与在电极板组件的中心部分的电极板的螺旋绕制的起始部分的端边缘交叉，所以，在电极板组件直径方向的几乎整个长度上焊接。这是非常有利的，因为可以从包括电极板组件的螺旋绕制的中心部分在内大的范围内的整个电极板收集电流。
这种焊接技术不仅用于正电极侧电流收集器7，也用于焊接负电极侧电流收集器8，即焊接电流收集器8的肋形突出物和负电极板的裸露冲孔板部分4的交叉部分。
为了与上述电池进行比较，准备了一个除了用前面谈到的电流收集器14代替焊接到电极板组件5的上部的电流收集器7以外，与上述电池有同样结构的比较例子电池B。如图7所示，电流收集器14由一个厚度为0.4mm的平板部分14a，具有同样厚度的，由平板部分14a的两侧边缘垂直弯曲形成的肋形突出物14b以及切开部分14c组成。
将两个电池A和B分别用5A电流充电1.5小时，然后以215A电流放电(即，3C)，直到端电压达到1.0伏。由试验确定的放电容量和平均放电电压示于表1。
表1
如表1所示，电池A的放电容量比电池B高300mAh，并且，电池A的平均放电电压比电池B高0.02伏。
为了检验性能上的差别，拆开电池A和B作检查。在电池A中，发现焊接到电极板组件的上部的正电极电流收集器7焊接很牢固，因为在所有的肋形突出物7e和裸露冲孔板部分3的交叉部分上，突出物7e压入冲孔板部分3，并且被熔化，焊接部分显示出足够的抗拉强度。另一方面，在电池B中，焊接到电极板组件上部的正电极电流收集器14在突出物14b和裸露冲孔板部分3的交叉部分的多点上没有充分地焊接好，这些未充分焊接的部分在受拉时很容易撕开，并且，焊接部分总体上表现出抗拉强度不够。
电池B有许多个部分，其中突出物14b与裸露冲孔板部分3没有充分熔化和焊接的事实意味着突出物14b的焊接部分对裸露冲孔板部分3的接触电阻总体上增大了，造成电池B的内电阻增加，因此表现出放电容量和平均放电电压比电池A低。
在电池A中，电流收集器7的肋形突出物7e是整体提供的，在切开孔7b和切开部分7c的相对边缘部分7d向下弯曲得到的；相应地，当一对焊接电极保持压在电流收集器上时，流过突出物7e外面的通过平板部分7a的焊接电流小，而大部分焊接电流集中到突出物部分7e，因此，在每一个突出物7e与裸露冲孔板部分3的交叉点上，突出物7e压入裸露冲孔板部分3，并且被熔化，完成部件的牢固焊接。因此，电池的内电阻低于电池B，允许以大电流充分放电；其结果是电池A可以充电和放电的电流值以及放电容量均高。
在上述例子中，如图3所示，采用一个由厚度相同的肋形突出物7e以及平板部分7a构成的电流收集器7。但是，如图4所示，还可以用另一个电流收集器12，肋形突出物12a在切开部分相对的边缘部分被拉以减小其截面积的同时，向下弯曲，以提供突出物12a的厚度小于平板部分12b的厚度，例如平板部分的厚度为0.4mm，突出物12a的厚度为0.3mm。这种结构的优点是在把突出物12a焊接到电极端边缘时，焊接电流更容易流过厚的平板部分12b，并且集中到突出物12a，以便实现更牢固的焊接。
在上述例子中，如图3所示，所用的电流收集器7的肋形突出物7e在其整个高度上均为相同的形状。但是，另一种结构，如图5的断面图所示，突出物7e的下端被削，提供刀口形尖的部分7f，其优点是尖的部分7f更容易压入电极端边缘的裸露板部分，以便形成点接触部分，因此大大改善由电阻产生的热，焊接状态更加可靠，焊接强度提高。
此外，另外还有一种电流收集器13，从上面看的形状与图2中的一样，但是如图6所示，平板部分13受到压处理，得到的厚度小于原来的厚度，例如，厚度从0.5mm减少到0.4mm，突出物13b的厚度选为0.5mm，大于平板部分13a的厚度，并且也可以将突出物13b的端边缘13c削尖成刀口形状。在这种情况下，削成刀口形的端边缘与裸露冲孔板部分交叉并且形成点接触部分，给出与上述例子相似的同样焊接效果。特别是突出物13b的厚度增加，加大了电流收集器的电流取出部分的面积，因此增大了可以通过电流的极限，因此，这种电流收集器适用于取出大电流的情况。
因此，提高给电流收集器的肋形突出物的厚度最好约为0.25至0.5mm，尽管它也取决于该突出物将焊接到的裸露冲孔板的厚度。考虑到由于上述原因，用于电极板侧的冲孔板的厚度约为0.05至1.0mm，突出物的厚度是冲孔板厚度的2至8倍。希望上述各范围的结合落在以前所述范围内，以便得到好的焊接，增大电流通过的截面以及增大可通过的电流。尽管突出物的高度也取决于该突出物交叉并且压入的冲孔板的突出部分的长度(即宽度)，如果冲孔板突出部分的长度约为0.7至1.8mm时，该突出物的高度最好约为0.4至0.7mm。当上述各范围均在以前所述范围内时，在减少不参与电动势反应的电极板部分的同时，可以得到牢固的焊接。此外，可以防止可能由于突出物与其他电极端边缘接触造成的内部短路。
尽管在上述例子中已经列举了镍-镉蓄电池，本发明还可以用于其他碱性蓄电池，例如镍-金属氢化物蓄电池，只要它们是圆柱形的即可。
因此，根据本发明，在一个有螺旋绕制的电极板组件的圆柱形蓄电池中，焊接到电极板组件上部的电流收集器上，提供有一个切开孔，该孔通过平板的中心部分，中止在板的内部靠近其外周边缘的地方，还提供有多个切开部分，从平板中心附近向其外周边缘延伸，但不与切开孔相交，整体形成的肋形突出物在切开孔以及各切开部分的各边缘部分向下弯曲，各肋形突出物在与端边缘交叉并且部分地压入其中的同时，在多点上焊接到电极板的端边缘。相应地，该螺旋绕制电极组件在从绕制开始部分的电极板的螺旋绕制始端边缘到外周的大范围内，牢固地焊接到电流收集器上。因此可以提供一个具有优异的电流收集效果，并且允许快速放电的电池。
权利要求
1．一种圆柱形蓄电池，包括螺旋绕制的电极板组件，该组件基本上由均为条形的一个正电极板，一个负电极板和一个分隔器组成，一个电极板的端边缘向上突出，另一个电极板的端边缘向下突出；电流收集器，由基本上为矩形或者近似圆形的板形成，分别焊接到从电极板组件的上部或下部突出的各电极板的各个端边缘上；一个金属外壳，电极板组件以及电流收集器放入其中；和一个带有帽形端的密封板，其在顶部密封该外壳，至少焊接到电极板组件上部的电流收集器提供一个切开的孔，该孔穿过板的中心，中止在板的内部靠近其外周边缘的地方，还有多个切开的部分，从中心附近向其外周边缘延伸，但不与孔相交，向下的肋形突出物在切开孔以及各切开部分的边缘部分处分别整体形成，各肋形突出物和电极板的端边缘相互交叉，同时，突出物部分地压入电极板的端边缘内，并在多个点上相互焊接。
2．根据权利要求1的圆柱形蓄电池，其特征在于，向下的肋形突出物形成为与电流收集器的平板部分有同样的厚度。
3．根据权利要求2的圆柱形蓄电池，其特征在于，向下的肋形突出物的端边缘是尖的。
4．根据权利要求1的圆柱形蓄电池，其特征在于，向下的肋形突出物形成为其厚度小于电流收集器的平板部分的厚度。
5．根据权利要求4的圆柱形蓄电池，其特征在于，向下的肋形突出物的端边缘是尖的。
6．根据权利要求1的圆柱形蓄电池，其特征在于，肋形突出物形成为其厚度大于电流收集器的平板部分的厚度，并且突出物的端边缘是尖的。
7．根据权利要求1的圆柱形蓄电池，其特征在于，螺旋绕制的电极板组件的向下和向上突出物基本包括正的和负的电极板的各冲孔板的裸露部分，并且，焊接到冲孔板裸露部分的端边缘上的电流收集器的肋形突出物厚度为冲孔板厚度的2至8倍。
8．根据权利要求7的圆柱形蓄电池，其特征在于，从板部分突出的肋形突出物的突出高度在冲孔板裸露部分长度的1/5至2/3的范围内。
9．根据权利要求1的圆柱形蓄电池，其特征在于，焊接到螺旋绕制的电极板组件的向上突出的一侧电极板的端边缘上的电流收集器焊接到引出线一端，引出线的另一端有至少一个点焊接到密封板的下表面。
10．一个圆柱形蓄电池，包括一个电极板组件，该组件基本包括一个条形正电极板，它包括上面保持有活性材料的烧结型镍基片；一个负电极板，该负电极板包括一个两面都有糊状电极材料包覆的条形冲孔板；和一个条形分隔器，其完全按照螺旋形电极板组件的形状绕制，正电极板有基片端部分向上突出的冲孔板，负电极板有基片端部分向下突出的冲孔板，正电极电流收集器基本包括一个矩形或圆形平板，该平板焊接到电极板组件的向上突出的正电极板的冲孔板突出部分上，负电极电流收集器基本上包括一个矩形或圆形平板，该平板焊接到向下突出的冲孔板的突出部分上，一个金属外壳，将上述部件装入其中，并且加倍了负电极的输出-输入端，在其上侧提供有密封板，电气上与该外壳绝缘，有一个帽将外壳密封，并且加倍了正电极的输入-输出端，正电极电流收集器提供有一个切开孔，该孔通过收集器的中心部分，并且中止在板的内部接近其外周边缘的地方，还有多个切开部分，从板的中心附近开始延伸到板的外周边缘，不与切开孔相交，肋形突出物在切开孔和各个切开部分的各边缘部分整体形成，使其与正电极板的冲孔板突出部分交叉，部分压入冲孔板，在多点上焊接到其上，一条引线的一端焊接到平板部分，另一端焊接到密封板的下面，负电极电流收集器提供有在其中心部分形成的连接舌形引出片，以及至少一个切开孔，该孔从连接舌形引出片附近开始延伸，中止在其外周边缘附近，还有多个切开部分，从中心附近开始延伸到其外周边缘，不与连接舌形引出片及孔交叉，肋形突出物在切开孔和切开部分的各边缘部分各自整体形成，并且使其与负电极板的冲孔板裸露部分交叉，并且部分地压入冲孔板，在多点上焊接在一起，连接舌形引出片焊接到电池外壳的内部底上。
11．根据权利要求10的圆柱形蓄电池，其特征在于，在正和负电极板中形成的冲孔板突出部分的长度约为0.7至1.8mm，而在正电极电流收集器和负电极电流收集器的各个切开孔和切开部分上整体提供的肋形突出物的高度约为0.4至0.7mm。
12．根据权利要求10的圆柱形蓄电池，其特征在于，正电极电流收集器和负电极电流收集器均基本由镀镍铁平板形成，而一端焊接到正电极侧电流收集器的引线基本上由镍板制成。
全文摘要
一种圆柱形蓄电池,其中,基本上由矩形平板形成的电流收集器上,提供有一个I形切开孔,该孔穿过板的中心,并且中止在板的内部接近其外周边缘的地方,还有两个矩形切开部分大体上与I形孔垂直,从板的中心附近开始延伸到其外周边部分,不与I形孔相交叉,向下的螺旋突出物分别在切开孔以及各切开部分的边缘部分整体形成,各肋形突出物与电极板的端边缘相交叉,并且在多个点上焊接到端边缘上。
文档编号H01M2/22GK1218999SQ98107338
公开日1999年6月9日 申请日期1998年4月24日 优先权日1997年12月5日
发明者中丸久男, 铃木宪男, 江口寿英, 大西正人 申请人:松下电器产业株式会社