专利名称：具有减小的集电器组件体积的电池结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种电化学电池结构。更具体说，本发明涉及用于电化学电池如碱性电池的容器和集电器组件。
图1示出一传统C型尺寸碱性电池10的结构。如图所示，电池10包括一具有一敞开端和一封闭端的圆钉形罐体12。罐体12最好用导电材料制造，这样在罐体12的封闭端处焊接在底面14上的一外盖板11就用作电池的一电接触终端。
典型地，电池10进一步包括一第一电极材料15，其可用作正极。第一电极材料15可以被预先成形并插入罐体12，或者可以被就地模制以与罐体12的内表面接触。对于碱性电池，第一电极材料15一般包括MnO2。在第一电极已经设置在罐体12内之后，将一分离器17插入由第一电极15限定的空间。分离器17最好是一无纺织物。设置分离器17是为了维持第一电极材料15和电解液与一第二电极材料20的混合物之间的物理分离，同时允许离子在电极材料之间传送。
一旦分离器17在由第一电极15限定的空间内就位，就将电解液连同电解液和第二电极材料的混合物20一起装入由分离器17限定的空间，混合物20可以是负极。电解液/第二电极的混合物20最好包括胶凝介质。对于典型的碱性电池，混合物20由含水KOH电解液和锌的混合物形成，锌用作第二电极材料。在混合物20中也可以包括水和附加的添加剂。
一旦在罐体12内已经形成第一电极15，分离器17，电解液和混合物20，就可将一预先组装的集电器组件25插入罐体12的敞开端。罐体12在其敞开端一般略微成锥形。在将集电器组件固定就位之前，该锥形用来以所需的取向支承该集电器组件。在将集电器组件25插入后，将一外盖板45放置在集电器组件25上。通过顶着集电器组件25径向挤压罐体将集电器组件25固定在位。将罐体12的端部边缘13卷在集电器组件25的周边唇缘上，由此将外盖板45和集电器组件25固定在罐体12的端部上。如下面进一步描述的，由集电器组件25所起的一个功能是为电化学电池提供一第二外部电触点。此外，集电器组件25必须密封罐体12的敞开端，以防止其中的电化学材料从该电池泄露。此外集电器组件25必须具有足够的强度，以承受电池一般要经历的物理意义上的不合理使用。而且，由于电化学电池可能产生氢气，集电器组件25可允许内部产生的氢气通过以逃逸到电化学电池的外部。而且，集电器组件25应当包括某种形式的减压机构，如果电池内部产生的压力过大，用以减压。当电化学电池以这样一个速率在内部产生氢气时可能发生这种情况，即该速率超过了内部产生的氢气穿过集电器组件到电池外部的速率。
图1示出的集电器组件25包括一密封30，一集电器钉40，一内盖板44，一垫圈50，和一组支承片52。所示的密封30包括一具有一孔的中毂32，集电器钉40穿过该孔。密封30还包括一可接触第一电极15的上表面16的V形部分34。
密封30还包括一周向的直立壁36，其以环形的方式沿密封30的周边向上延伸。周向的直立壁36不仅用作集电器组件25和罐体12的界面之间的密封，而且也用作一电绝缘器，用以防止在电池的正极罐体和负极触点之间发生短路。
设置由刚性材料形成的内盖板44是为了增加刚性并支承集电器组件25的径向压缩，由此改善密封效果。如图1所示，内盖板44被构造成接触中毂部分32和周向的直立壁36。通过以这种方式构成集电器组件25，内盖板44用作使集电器钉40能够压缩中毂部分32，同时也支持用罐体12的内表面压缩周向的直立壁36。
外盖板45一般用镀镍的钢材制造，并被构造成从由密封30的环形周向直立壁36所限定的区域延伸且与集电器钉40的头部42电接触。外盖板45可被焊接在集电器钉40的头部42上，以防止任何接触损耗。如图1所示，当集电器组件25被插入一罐体12的敞开端时，集电器钉40深深地插入电解液/第二电极混合物20内，以便与之建立充分的电接触。在图1所示的例子中，外盖板45包括一沿外盖板45的圆周向上延伸的周边唇缘47。通过形成长度大于周边唇缘47的密封30的周向直立壁36，在卷边工艺期间可以将周向直立壁36的一部分在周边唇缘47上翻卷，从而防止罐体12的上边缘13的任何部分与外盖板45接触。
密封30最好由尼龙形成。在图1所示的构造中，设置有一减压机构，用以在压力过大时能够使内部压力减压。而且，内盖板44和外盖板45一般设有孔43，以允许氢气逃逸到电池10的外面。所示的机构包括一环形金属垫圈50和一组设置在密封30和内盖板44之间的支承片52。各支承片52包括一压靠在密封30的一薄的中间部分38上的尖端53。支承片52被偏压在内盖板44的下面的内表面上，这样当电池10的内部压力增加并且结果使密封30由于向上压向内盖板44而变形时，支承片52的尖端53就穿透密封30的薄的中间部分38，由此刺破密封30并允许内部产生的其他通过孔43逃逸。
尽管上述集电器组件25可以令人满意地完成所有上述功能，但从其截面轮廓可以看出，这种特定的集电器组件占据了电池10内相当大的空间。应当注意图1所示的结构只是电池结构的一个例子。现有其他的集电器组件，可能有较低的轮廓并因此占据电池内的较小空间。但是，一般这种集电器组件在占据的体积上得以减小，但以集电器组件的密封特性或者减压机构的性能和可靠性为代价。
在本申请的优先权日在市场上可得到的几种电池的所测得的外部和内部体积列于图2A和图2B所示的表中。该表列出了D,C,AA，和AAA型尺寸电池的体积(cc)。在图2B中为图2A所列出的市场上可得到的这些电池提供了集电器组件体积和集电器组件占总的电池体积的百分比。图2A中还提供了用以容纳电化学活性材料的内部体积占总的电池体积的百分比。
“总的电池体积”包括电池的所有的体积，包括任何内部空间体积。对于图1所示的电池而言，总体积应当包括图3A所示的所有画有阴影线的区域。电池的“内部体积”由图3B中所示的画有阴影线的区域表示。如这里所用的，“内部体积”是指电池内部容纳限制在电池密封体积内的电化学活性材料以及化学惰性材料(不包括集电器钉)的体积。这种化学惰性材料可包括分离器，导体和电极中的任何其他惰性添加剂。如这里所用的，术语“电化学活性材料”包括正极和负极和电解液。“集电器组件体积”包括集电器钉，密封，内盖板，垫圈，支承片和负极盖板的下表面与密封之间的任何空间体积(在图3C中用阴影线区域表示)。“容器体积”包括罐体，标签，负极盖板(外盖板45)的体积，标签和负极盖板，正极盖板之间的空间体积，以及正极盖板和罐体之间的空间体积(在图3D中用阴影线区域表示)。如果标签延伸到且接触负极盖板，标签和负极盖板之间存在的空间体积就被包括在容器体积中，并因此也被认为是总体积的一部分。否则，该空间体积就即不包括在容器体积中也不包括在总体积中。
应当理解，“内部体积”，“集电器组件体积”和“容器体积”的总和等于“总体积”。因此，可以通过测量集电器组件体积和容器体积并从所测得的电池总体积中减去集电器组件体积和容器体积而确定用于容纳电化学活性测量的内部体积。
由于电化学电池的外部尺寸通常由美国国家标准局(ANSI)或其他标准组织决定，由集电器组件所占据的空间越大，电池内用于电化学材料的空间就越小。结果，减小在电池内设置的电化学材料的数量就导致电池的服务寿命缩短。所以，希望尽可能加大一电化学电池内用于电化学活性元件的内部体积。
我们现在发现通过构成一种电化学电池可以达到这一点，在该电池中使由集电器组件所占据的空间和由容器体积所占据的空间最小，同时仍然保持了充分的密封特性并具有一可靠的减压机构。
因此，本发明的一个方面是，或是通过从电池中淘汰集电器组件同时保持其功能或是通过提供轮廓明显低的并因此在电化学电池内占据小的多的空间的集电器组件而解决上述问题。本发明的另一方面是提供这种电池结构，其与现有组件相比在时间上具有较低的水流失，由此增加了电池的储存寿命。本发明的一附加方面是提供一种具有可靠的减压机构的电池，该减压机构不占可用电池体积的明显的百分比。本发明的还一方面是提供这种电池结构，其制造简单且需要较少的材料，因此可能具有较小的制造成本。本发明的另一方面是提供这种电池结构，其需要较小的由罐体施加以充分密封电池的径向压缩力，因此允许使用具有较薄侧壁的罐体，这样导致较大内部电池体积。
为了获得上述方面和优点，本发明的电池包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料包括至少正极和负极以及电解液，该罐体具有一敞开端和一封闭端；和一横跨罐体的敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了一小于电池总体积的5.0％的集电器组件体积。
本领域熟练技术人员参照下面的说明书，权利要求书和附图将进一步理解和明白本发明的这些和其他特征，优点和目的。
参照附图将进一步理解本发明。
图1是传统的C型尺寸碱性电化学电池的剖视图；图2A是一个表，示出了对本申请递交之日市场上可得到的这些电池所测得的相对的总电池体积和用于电化学活性材料所用的内部电池体积；图2B是一个表，示出了对如图2A所示的市场上可得到的这些电池所测得的相对的总电池体积和集电器组件体积；图3A-3D是一传统的C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，示出了总电池体积和各种部件的体积；图4是一C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明的第一实施例构造的一低轮廓密封；图5是采用一AA型尺寸电池用的第一实施例的局部剖视图，与采用目前AA型尺寸电池所用传统结构的剖视图的比较；图6是C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明第二实施例的超低轮廓密封；图7是C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明第三实施例的一超低轮廓密封和一正极盖板凸起；图8A是根据本发明的一第四实施例构成的C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有一反转盖板，一环形的L形或J形密封，和-在罐体的底表面形成的减压机构；图8B是根据本发明的第四实施例构成的C型尺寸碱性电化学电池的顶部的剖视图，具有一反转盖板并还包括-L形环形密封；图8C是图8A所示电化学电池的分解透视图，示出了集电器密封的组件和盖板组件；图9是一电池罐体的底视图，具有一在罐体的封闭端上形成减压机构；图10是沿图9所示的罐体通气口的X-X线所取的剖视图；图11是一C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明的第五实施例的饮料罐型结构；图12A是图11所示电池的局部分解透视图；图12B和12C是图11所示电池的一部分的剖视图，说明了形成该饮料罐型结构的过程；图12D是图11所示电池的一部分的放大剖视图13是一C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明的第六实施例的饮料罐型结构；图14A是一个表，示出了根据本发明所构成的各种电池的计算出的总体积和内部电池体积；图14B是一个表，示出了根据本发明所构成的各种电池的计算出的总体积和集电器组件体积；图15是一C型尺寸碱性电化学电池的剖视图，具有根据本发明的第七实施例构成的集电器直通结构；图16是图15所示电化学电池的分解组装视图；图17是一流程图，示出了图15和16所示电化学电池的组装方法。
如上所述，本发明的一主要目的是将电池内用于容纳电化学活性材料的内部体积增加到以前没有达到的体积。为了达到这一目的而不致有害地减小设置在电池中的减压机构的可靠性且不致增加电池泄漏的可能性，下面对各种尺寸的电池的结构建议了多种新颍的改动。下述改动可在一电池中独立地或者组合地实施，以改善其体积效率。
如下面所进一步详细描述的，为容纳电化学活性材料而获得更大内部体积的本发明的各种改动包括一低轮廓密封(图4)，一超低轮廓密封(图5)，在罐体的封闭端上直接形成的一正极外部盖板凸起，与超低轮廓密封(图6)或低轮廓密封结合使用，一在电池罐体的封闭端上形成的罐体通气口(图7-9)，包括-L形和J形的环形密封(图8A-8B)，一饮料罐型结构，与一罐体通气口结合使用(图11)，和一带有集电器直通结构的饮料罐型结构(图15-17)。
此外，通过使用上述结构，可制造具有较薄的壁的电池，该壁在0.10-0.20mm(4-8mils)的范围内，这是因为下面所描述的结构技术不需要较厚的壁，在传统电池中需要较厚的壁以确保足够的卷边和密封。而且根据本发明，可将一标签直接平版印刷在电池罐体的外表面上。通过使罐体的壁较薄并将标签直接平版印刷在罐体的外表面上，可进一步增加电池的内部体积，这是因为设计者不需考虑标签基片的厚度来构造一个满足ANSI的外尺寸标准的电池。
通过观察一计算机辅助设计(CAD)图纸，一照片，或者已经封闭在环氧树脂中且被纵向剖开的电池的实际断面，即可确定每个电池的总电池体积，集电器组件体积和电化学活性材料用的内部体积。采用一CAD图纸，照片或实际纵向断面来观察和确定电池的尺寸允许包括在电池内可能存在的所有空间体积。为了测量总电池体积，观察通过其中心纵轴线所取的电池的断面并通过几何计算确定总体积。为了确定电化学活性材料用的内部体积，观察通过其中心纵轴线所取的电池的断面，通过几何计算测量构成内部体积的部件，包括限制在电池密封体积内的电化学活性材料，空间体积和化学惰性材料(并非集电器钉)。同样，为了确定集电器组件的体积，观察通过其对称中心纵轴线所取的电池的断面，通过几何计算测量构成集电器组件的部件，包括集电器钉，密封，内盖板和在负极盖板的底面和密封之间所限定的任何空间体积。同样，通过观察电池的中心纵向断面并计算由罐体，标签，负极盖板，标签和负极盖板之间的空间体积，正极盖板，和正极盖板和罐体之间的空间所占用的体积，可测量容器体积。
通过观察通过其对称的纵轴线所取的电池的一断面，可对体积进行测量。由于电池及其部件通常是轴向对称的，所以这样可精确测量体积。为了获得一电池断面的几何视图，首先将电池封装在环氧树脂里，在环氧树脂固化后，将封装的电池和其部件向下研磨到通过对称轴线的中心断面。更具体说，首先将电池封装在环氧树脂内，然后研磨到接近中心断面。随后，取出所有的内部部件，如正极，负极和分离器纸，以便更好地测量最后的断面。然后，清除封装的电池上任何剩余杂质，用空气干燥，并且用环氧树脂充填其余的空间体积，以便在完成研磨和抛光至其中心之前赋予电池一定的整体性。再次研磨和抛光电池直至到达其中心断面为止，之后将其描绘成图，并由图测量体积。
在将电池封装在环氧树脂之前，用卡尺对电池进行测量，以测量总高度，卷边高度和在顶部、底部和电池中部的直径。此外，分解一相同的电池并测量其部件。对分解电池的部件的测量包括电流集电器钉的直径，电流集电器钉的长度，电流集电器钉到负极盖板的长度，和没有标签时电池的顶部、顶部和中部的外径。
一旦将电池完全地封装在环氧树脂内并研磨到通过对称纵轴线的中心，就可用电池的断面作图。使用一带QC-4000软件的Mitutoyo光学比较器来描绘电池的轮廓及其各个部件，以产生一电池中心断面的图纸。在此过程中，将电池牢固地固定在位并以随后可在固态模拟软件中使用的格式储存电池各部分的轮廓，以计算有关的电池体积。但在进行任何体积测量之前，可调整图纸以补偿未通过电池中心精确对齐的任何电池部件。通过利用在剖开电池之前从电池所取的测量结果和从分解的相同电池所取的这些结果可实现这一过程。例如，通过调整图纸以包括相应的已知断面尺寸，可改变现在集电器钉的直径和长度和电池的总外径，以更精确地制出图纸，使得图纸可更精确地用以进行体积测量。当密封，盖板和卷边区域的细节在光学比较器上绘出时，可使用它们。
为了计算体积，将图纸输入固态模拟软件。通过将在左和右两侧上的断面轮廓绕对称纵轴线转动180度，产生一固态三维的体积图象。因此，通过该软件计算出有关各区域的体积，并且通过将左、右两侧转动180度并将左、右体积加在一起，就确定了一平均的体积值，在电池具有非对称特征的情况下这可能是有利的。包括任何非对称特征的体积可被按需要调整以获得更精确的体积测量。
低轮廓密封图4示出了采用根据本发明第一实施例的低轮廓密封构造的一电池。类似于图1所示的电池，电池100包括一具有封闭端114和一敞开端的导电罐体112，在该敞开端内一集电器组件125和一负极盖板145被固定在位。而且，电池100包括一与罐体112的内壁接触并与处在正极115和负极120之间的分离器层117接触的正极115。此外，电池100包括一连接在罐体112的封闭端的底面上的正极外盖板111。
电池10和100之间的差别在于集电器组件125和盖板145的结构。尽管密封130与30类似之处在于它包括一直立壁136和一中毂132，其上形成有一孔用以接纳集电器钉140的头部142，密封130与密封30不同之处在于密封30的V形部分34被颠倒而朝内盖板144向上延伸，如参考编号134所示。通过颠倒此V形部分，集电器组件125可更加稳定地靠在正极115的上表面116上。而且，由电池10的V形部分34所占据的体积可用于电化学活性材料。
也是为了减小由集电器组件125占据的内壁体积，内盖板144被构造成更为紧密地符合外盖板145的内表面，以便淘汰电池10内在外盖板45和内盖板44之间的空余空间。此外，通过使集电器组件125牢固地靠在正极115的顶面116上，外盖板145的周边边缘147就可以是平坦的而非向上延伸，如电池10的情况。通过使周边边缘147是平坦的，就可以将集电器组件125设置的更靠近电池100的端部。
电池100的集电器组件125与电池10的集电器组件25另一不同之处在于淘汰了支承片52和垫圈50。尽管如此，通过在密封130上紧靠中毂132处形成的减薄部分138，集电器组件125仍具有一减压机构。在减薄部分138附近设置密封130的一加厚环形部分139，使得减薄部分138位于加厚环形部分139和相对更厚的中毂132之间。这样，当电池100的内部压力过大时，密封130在减薄部分138的位置处破裂。如电池10的结构，内部产生的气体然后就通过在内盖板144和外盖板145上形成的孔143逃逸。
在具有图1所示的传统结构的一D型尺寸电池中，用以容纳电化学活性材料的内部体积是44.16cc，这是50.38cc的总体积的87.7％。(见图2A的表中的相应表值)。如果同样的电池采用图4所示的低轮廓密封结构来构成，该内部电池体积可被增加到44.67cc，这占50.07cc的总体积的89.2％。用本发明的低轮廓密封构成的电池的内部和外部体积是对于罐体厚度为10密耳的电池而言。而且，通过减小罐体的壁厚，可获得更大的内部电池体积。
上述低轮廓密封公开于共同转让的美国专利申请No.08/882,572中，该申请由Gary R.Tucholski于1997年6月27日递交，名为“用于电池的V形密封垫”，其公开内容结合于此共参考。
图5示出了用于一AA型尺寸电池100′的改进的低轮廓密封，与用于一AA型尺寸电池10′的图1所示的市场采用的结构进行比较。与电池100(图4)的集电器组件相同，电池100′的集电器组件包括一密封130，具有一倒V形部分134，一毂盘部分132，和一设置在毂盘132与加厚部分139之间的减薄部分138。
电池100和100′的集电器组件之间的主要区别在于淘汰了电池100的内盖板144。为了确保针对密封130的直立腿部136的足够的径向压缩力，在电池100中所用的凸缘型盖板145的位置，电池100′采用了一卷边的盖板145′，并采用了一保持器150。对比图4和5可明显看出，一卷边盖板与一凸缘型盖板的区别在于凸缘型盖板145的周边边缘147是平坦的，而一卷边盖板145′的周边边缘147′轴向向下延伸并被折叠而轴向向上延伸。卷边的盖板145′沿径向提供了一足够的弹簧力，以便在正常使用期间反抗罐体112的内壁保持压缩密封130的直立腿部136。
保持器150设置在密封130的毂盘132的上部上和周围，以针对集电器钉140压缩毂盘132。而且，通过上保持器150具有一J形或L形截面，保持器150的下径向延伸部分可确保在内压过大时密封130在减薄部分138的附近破裂。
超低轮廓密封图6示出了根据本发明的第二实施例构造的电池，其采用了一超低轮廓密封。同图1所示的传统电池10一样，电池200包括一由导电材料制造的圆钉形罐体212。而且，一第一电极215最好通过模制紧靠罐体212的内壁形成。一分离器217同样插在由第一电极材料215所限定的空间内，并且由第二电极和电解液构成的混合物220设置在由分离器217所限定的空间内。
如图6所示，集电器组件225包括一整体的密封/内盖板组件228和一集电器240，后者穿过设置在整体的密封/内盖板组件228上的中心孔236。集电器240最好是一包括头部242和保持器凸缘241的铜钉，该保持凸缘241被设置成与一快速螺母250配合以将集电器钉240固定在整体的密封/内盖板组件228的中心孔236之内。
整体的密封/内盖板组件228包括一刚性的内盖板210和一通过模制或叠层直接在刚性内盖板210上形成的密封230。密封230最好由氯丁橡胶，丁基橡胶，或乙丙橡胶制造，刚性内盖板210最好由低碳钢1008或1010制造。由于橡胶比在这种集电器组件中常用的尼龙或聚丙烯材料更为可压缩，所以刚性内盖板210的径向压缩强度不必这样大。这样，内盖板可以用较薄和/或较软的金属制造。而且，可以使用非金属的材料。而且，密封230可以用其他材料形成，如果这种材料在化学上是惰性的，不透水的，可压缩的以及具有粘结到形成刚性内盖板210所用材料上的能力。
此外，通过减小压缩密封的周边直立壁所需的径向力，罐体壁的厚度可以从0.25mm(0.010英寸)减小到约0.15mm(0.006英寸)，甚或减小到0.10mm(0.004英寸)。
通过提供一种能使氯丁橡胶和丁基橡胶之类的橡胶材料用作密封材料的结构，可明显减小集电器组件的透水性。通过减小电池的透水性，可增加电池的服务寿命。
刚性内盖板210通常是盘形的并具有在其中心形成的一中心孔218，以及一组附加的孔217。中心孔218和附加孔217通过刚性内盖板210从其上表面延伸到其底表面。如果由金属形成，刚性内盖板210最好通过从一金属板冲压而成。但可以采用其他已知的制造技术形成内盖板210。随后，刚性内盖板210可以承受表面糙化处理，如喷沙或化学蚀刻，以便提高在刚性内盖板210和密封230之间形成的粘结强度。对于一C型尺寸电池而言刚性内盖板210最好是0.38mm到0.76mm(0.015到0.030英寸)厚。
在刚性内盖板210已经被冲压和表面处理后，最好将其插入一转移模具压机内，然后将一形成密封230的橡胶送入该压机。转移模具最好被成形为允许送入的橡胶横跨刚性内盖板210的底表面形成一个层232。层232的厚度在0.25mm和0.50mm(0.010和0.020英寸)之间，最好在约0.46mm(0.016英寸)厚。橡胶也流入孔217一形成栓塞238。而且，橡胶流入中心孔218内从而为中心孔218的表面加衬，但不会完全充填该孔，以便提供一个随后可插入集电器钉240的中心孔236。中心孔236的直径最好充分地小于集电器钉240的直径，使得在将集电器钉240通过中心孔236移动到位时衬在中心孔218中的橡胶在孔218内被明显地压缩。通过在集电器240上提供一个压靠在密封230的底层232上的保持器241，当集电器钉240已经被移动到位时，其快速螺母250和保持器241便配合以垂直地压缩处在其间的橡胶层232的部分。通过以这种方式压缩在集电器钉240附近橡胶密封，就大大减小了在集电器钉240和整体的密封/内盖板组件228之间的界面处的泄漏可能性。
通过用橡胶密封栓塞238以所示的方式充填孔217，提供了一减压机构，其不仅能够可靠地工作，而且能够在内压释放后有效地再密封。在内压达到认为是过大的水平时，过大的压力使得至少其中一个栓塞238破裂，以允许加速释放内部产生的气体。基于选作密封的材料，密封材料的厚度和孔217的直径，发生这种破裂的压力是可控制的。而且，由于橡胶密封材料的弹性，一旦压力已经释放，橡胶栓塞238基本上可以呈其原始状态。这样，与传统的集电器组件中所用的其他通气机构不同，本发明的减压机构不会在集电器组件内产生一个永久的孔，电化学材料随后通过该孔可能泄漏。而且，这种再密封尽可能减小了电池的内部部件的恶化，由此可延长电池的使用寿命。
尽管只需设置一个孔217和栓塞238用作一减压机构，通过设置一组这种被塞住的孔可提高可靠性。与现有技术的减压机构不同，本发明允许多个可独立操作的减压机构。包括多个支承片的图1所示的减压机构依靠垫圈50的颠倒，以便支承片的任一个刺破该密封。但在本发明的集电器组件中所设置的各塞住的孔并不相互依靠，所以提供了一整体上更可靠的减压机构。
如图6所示，密封230具有一在刚性内盖板210的周边边缘上直接形成的直立壁135。通过设置该直立壁235，当集电器组件225插入罐体212时，可形成一足够的密封。通过使密封230的外径形成的大于罐体212的内径，可进一步提高该密封，内盖板210在罐体212的内表面上压缩直立壁235。
密封230可以附加地成形为包括直立壁235的一延伸部分237，该延伸部分垂直地向上延伸通过内盖板210的上表面。通过设置一延伸部分237，可以将密封230用作罐体212的卷边端部224和外盖板245的周边边缘之间的一电绝缘。
尽管所示的密封230包括一横跨内盖板210的底表面的连续层232，本领域熟练技术人员应当理解不必在内盖板210的整个底表面上形成该密封230，尤其是如果内盖板210是由惰性的塑料形成。取决于用以形成密封230和内盖板210的材料的性质，可以将粘结剂施加在内盖板210的表面上，该粘结剂将接触并粘结在密封材料230上。
一旦密封230已经模制在内盖板210上并且将集电器钉240穿过整体的密封/内盖板组件228的中心孔236以及穿过保持器240，就将外盖板245放在集电器组件225的上表面上并将最好其焊接在集电器钉240的头部242上。然后，将带有连接于其上的外盖板245的集电器组件225插入电池罐体212的敞开端。为了在卷边前将集电器组件225保持在位，使集电器组件225的底表面靠在第一电极215的上表面216上。这样，可以用一定程度的力插入集电器组件225，以保证密封230的底层232均匀地位于在电极215的上表面216敞开的电池罐体内。
如果通过在罐体212内将电极215模制在位而形成电极215，则最好以由Gray R.Tucholski等于1998年3月6日递交的名为“采用密封用电极支承的电化学电池结构”的共同转让的美国专利申请No.09/036,115所公开方式来构造第一电极215，以防止由模制第一电极215导致的毛刺干涉由集电器组件所提高的适当准直和密封。该美国专利申请No.09/036,115的公开内容结合于此供参考。
通过使集电器组件225靠在电极215上，可以将罐体212在其敞开端处卷边，以便提供由电极215反制的朝下的力。这样，图1所示的传统电池结构中所用的较高轮廓的卷边可以用较低轮廓的卷边代替，由此在电池内产生一约1.25mm(0.060英寸)的更大空间。
采用图6所示结构的一集电器组件225与图1所示的传统集电器组件相比具有低的多的轮廓。这样，采用集电器组件225的电池200包含更大数量的电化学材料215和220，并且相应地增加了电池的服务寿命。尽管其较低的轮廓，集电器组件225仍具有充分的密封和电绝缘性能。此外，本发明的集电器组件提供了一减压机构，其不仅可靠而且提供了多个独立操作之减压机构和通气后部分再密封的优点，从而防止电化学材料随后从电池泄漏。而且本发明的集电器组件提供了改善的透水性能，由此提高了电池的服务维护性能。
对于采用图6所示的超低轮廓密封所构成的各种尺寸的电池而言，可用于容纳电化学材料的计算出的总体积(cc)和内部体积(cc)列于图14A所示的表中。从图14A可明显看出，这种电池的内部电池体积通常大于任何现有技术的商业上可获得的电池。例如，一采用超低轮廓密封的D型尺寸的电池具有用于容纳45.53cc的电化学活性材料的内部体积，这是50.07cc的总体积的90.9％。这大于在图2A所列的任何传统电池上所测的内部体积。而且，对于具有0.20mm(8mils)或0.15mm(6mils)的罐体厚度的电池而言，可进一步明显增加内部电池体积。在由图14B所代表的表中进一步示出了计算出的总体积(cc)，与采用图6所示超低轮廓密封所构成的各种尺寸的电池的集电器组件体积进行比较。这里所限定的集电器组件体积包括集电器钉，密封，内盖板，和在负极盖板的底表面和密封之间的任何空间体积。这里所限定的容器体积包括由罐体、标签、负极盖板、标签和负极盖板之间的空间体积、和正极盖板和罐体之间的空间体积所用的体积。应当理解电池的总体积等于电化学活性材料可用的内部体积，集电器组件体积和容器体积的总和。通过观察电池的中心纵向剖视图确定电池的总体积，集电器组件体积和容器体积。从图14B的表中可明显看出，集电器组件体积通常小于任何现有的商业上可获得的电池。应当理解，通过采用超低轮廓密封结构减小了集电器组件体积。例如，在超低轮廓密封中所占用的集电器组件体积是1.89cc，这是图14B所示的50.07cc的总体积的3.8％。与此相比，这小于任何一种从图2B所列传统电池所测得的集电器组件体积。容器体积亦可被减小。类似地，对于具有0.20mm(8mils)或0.15mm(6mils)的减小的罐体厚度而言，可进一步明显提高内部电池体积，同时减小容器体积。
上述超低轮廓密封，以及超低轮廓密封的几个可选择实施例公开于由Gary R.Tucholski在1998年3月6日递交的名为“包括整体的密封/内盖板的电化学电池所用的集电器组件”的共同转让美国专利申请No.09/036,208中，其公开内容在此作为参考。
低轮廓密封和超低轮廓密封加成形的正极凸起如图7所示，图6所示的第二实施例可以被改造成电池正极所用的隆起是直接在罐体212的封闭端214′上成形。以这种方式，存在于罐体212的封闭端214和正极外盖板211(图6)之间的空余空间可用来容纳电化学活生材料，或者提供收集气体的空间，该空间否则必须在电池内提供。本领域熟练技术人员可以进一步理解图4所示的第一实施例可以被类似地改造，这样使得正极外盖板凸起直接在罐体112的底部上形成。尽管图14A中没有提供通过在罐体底部直接形成凸起而获得的电池体积的增加，本领域熟练技术人员应当理解，该内部体积一般比为该表中所列超低轮廓密封或低轮廓密封列出的体积大1％，该表中所列的电池包括一独立的盖板。
在罐体底部形成的带有L形密封的减压机构图8A至图8C示出了根据本发明第四实施例构造的一电化学电池300。电池300与现有电池结构的不同之处在于减压机构370形成在罐体312的封闭端314。结果，可以用占据较小体积并具有更少零件的集电器组件体积来代替复杂的集电器/密封组件。这样，可以显著改善内部电池体积效率。如图8A,8B,9和10所示，通过在罐体312的底表面设置一槽372形成该减压机构370。通过在罐体312的底表面上压花，在该底表面上开槽，或者在模制正极电极时在罐体的该底表面上模制该槽，可以形成该槽。对于AA型尺寸的电池而言，在压花的槽的底部处的金属厚度约为0.05mm(2mils)。对于D型尺寸的电池而言，在压花的槽的底部处的金属厚度约为0.076mm(3mils)。该槽可以被成形为约300度的弧。通过保持由槽形成的形状略微是敞开的，该减压机构将具有一有效的铰链。
由槽372所圈绕的区域的尺寸最好如此选择，即由于过大内部压力而破裂时，在槽372内的区域可以在外盖板311的正极凸起之内在该铰链处摆动，而不会干涉外盖板311。通常，由槽372所限定的区域的尺寸，以及所选择的槽的深度，取决于罐体的直径和减压机构欲破裂并允许内部产生的气体逃逸时的压力。
与在现有技术中已经描述的在罐体的侧面或端部形成的减压机构不同，本发明的减压机构370设置在外盖板311的下面，以防止在破裂时电化学材料从电池危险地直接向外溅出。而且，如果该电池与另一电池串联使用，即电池正极的端部压靠另一电池的负极，外盖板311在减压机构370上面这一措施允许机构370在正极凸起的下面向外弓起并最终破裂。如果在这种环境下不存在外盖板311，两个电池之间的接触可能阻止减压机构破裂。而且，如果外盖板311不是设置在减压机构370的上面，在电池正极端处的该减压机构将更易于受损。外盖板311亦保护减压机构370免受周围环境的腐蚀，故减小了过早通气和/或泄漏的可能性。这样，通过在外盖板的下面形成该减压机构，本发明克服了与现有技术相关的问题，这样为电池给出了一种商业上可行的减压机构。
由于在一电池的底表面上形成减压机构可不再需要复杂的集电器/密封组件，可以用以前行不通的结构技术来密封电池的敞开端，这是因为必须允许气体通过减压机构逃逸到电池的外面。例如，如图8A和8B所示，通过将或是一个具有J形断面的尼龙密封330或是一个具有L形断面的尼龙密封330′放置在罐体312的敞开端，在尼龙密封330或330′内插入一具有卷边的周边边缘347的负极外盖板345，并随后使罐体312的外边缘313卷边以保持密封330或330′在位，可以密封罐体312的敞开端。为了保持密封330或330′在位，绕罐体312的敞开端的周边可以形成一波纹316。可以用沥青涂覆尼龙密封330或330′以保护它免受电化学材料侵蚀并提供一更好的密封。
具体参照图8A和8B，所示的环形密封330被构造成具有一J形的断面，包括一在其最外边界处延伸的垂直壁332，一在密封的径向内侧处的短垂直壁336，并具有一在垂直壁332和336之间形成水平的基部件334。由于存在短垂直壁336，这里环形密封被称为具有或是一J形或是一L形断面。应当理解J形尼龙密封330亦可被构造成没有短垂直壁336，以形成一简单的L形断面，如图8B所示。
具体参照图8C，其中示出了图8A所示的电化学电池的组装。圆柱形罐体312由限定了敞开端和波纹316的侧壁形成，用以在封闭罐体之前接纳设置在内部的电池材料。设置在罐体312内的是活性电化学电池材料，包括正极和负极电极和电绝缘，以及分离器和任何添加剂。将外盖板345和集电器钉340焊接在一起，或者将集电器钉340用其他方式固定在盖板345的底面上，并将环形尼龙密封330装入和插入罐体312的敞开端以密封和封闭罐体312。集电器钉340最好通过电焊焊接在外盖板345的底面上。使集电器钉340和盖板345一起与密封330啮合以形成该集电器组件，并且将集电器组件插入罐体312，使得外盖板345的卷边的周边边缘347抵着波纹316上方的环形密封330的内壁设置，该波纹支承密封330。强迫地将集电器组件设置在罐体312的敞开端内，以紧密地啮合和封闭罐体开口。随后，将罐体12的外边缘向内卷边，以沿轴向压迫和保持密封330和外盖板345在位。
再参照图8B，其进一步示出用一抗腐蚀涂层344涂覆外盖板345的内表面和集电器钉340的至少一顶部。抗腐蚀涂层344包括在电化学上可以与阳极相容的材料。这种电化学上可相容的材料的例子包括环氧树脂，Teflon，聚烯烃，尼龙，弹性体材料，或任何其他惰性材料，或是单独地或是与其他材料组合地。涂层344可以被喷涂或涂刷上并且最好覆盖外盖板345的内侧表面和集电器钉340在电池的正极和负极上方空间区域内暴露于活性材料的部分。应当理解盖板345的内侧表面可以镀以锡，铜或其他类似的电化学相容材料。通过设置该耐腐蚀涂层344，可以减少和/或防止外盖板345和集电器钉340的任何腐蚀，这样就有利地减少了否则在电化学电池内可能发生的出气的数量。电池内出气的减少导致减小了内部压力的积累。
如图14A所示，在称为“在罐体底部上减压”和“在有薄壁的罐体底部上的减压”两行中，采用图8A所示的结构构成的一D型尺寸的电池当罐体壁是0.25mm(10mils)厚时具有一为93.5体积百分比的内部体积，并当罐体壁是0.20mm(8mils)厚时具有一为94.9体积百分比的内部体积。如图14B所示，采用图18所示的构造的一D型尺寸的电池当罐体壁是0.25mm(10mils)厚和0.20mm(8mils)厚时具有一为总体积之2％的集电器组件体积。具有类似结构的C,AA和AAA型尺寸的电池在内部体积效率方面也有明显改善，如图14A所示。
饮料罐型结构采用图8A-10所示的减压机构进一步允许使用图11所示的饮料罐型结构。所示的饮料罐型结构与其他形式的电池密封结构的不同之处是它不需要插入罐体412敞开端内的任何形式的尼龙密封。相反，采用通常用来将一食品或饮料罐的顶部密封在罐体的圆柱形部分上的密封技术，将负极外盖板445固定在罐体412的敞开端上。这种密封结构以前没有被考虑用在密封电池上，因为它们不会轻易地允许使负极外盖板与罐体电绝缘。
下面参照图12A-12D描述制造一具有图11所示结构的电池的方法。在将负极外盖板445连接在罐体412的敞开端之前，将一集电器钉440焊接在盖板445的内表面上。然后，如图12A所示，用电绝缘材料如环氧树脂，Teflon，尼龙，或乙烯树脂的层475涂覆盖板445的内表面以及盖板445的上表面的周边部分。集电器钉440的在盖板445的底部和负极电极/电绝缘混合物120的顶表面之间的空余区域内延伸的部分也涂以电绝缘。此外，在罐体412的敞开端的区域内罐体412的内和外表面也被涂覆。这种涂层475可以通过喷涂，浸渍或静电沉积直接施加在罐体和盖板上。通过提供这种涂层，负极外盖板445可以与罐体412电绝缘。
通过在电池的内部体积内，对接近空余区域的电池内的罐体，盖板和集电器钉的区域施加绝缘涂层，可以保护这些区域免受腐蚀。尽管由上述单层的环氧树脂，Teflon，尼龙，或乙烯树脂构成的涂层可以起防止腐蚀的作用，可以想象可采用两种不同材料的层施加该涂层，或者该涂层由施加在部件不同区域的不同材料的单层构成。例如，盖板的周边区域可以涂覆起电绝缘和耐腐蚀作用的单层的材料，而盖板内表面上的中央部分可涂覆起耐腐蚀作用但不起电绝缘层作用的单层的材料。这种材料可以包括例如沥青或聚酰胺。作为选择，罐体或盖板的任何一个可被涂覆起电绝缘层和耐腐蚀层两个作用的材料，而这两个部件中的另一个可被涂覆仅起耐腐蚀层作用的材料。以这种方式，可以在需要处(即盖板/罐体的界面之间)设置电绝缘，而在电池的内部体积内部分地限定空余区域的表面则在电池内仍受到保护免受电化学材料的腐蚀影响。而且，通过采用不同的材料，可以选择成本低或者对预期用途有最佳特性的材料。
为了帮助将外盖板445密封在罐体412上，可以将传统的密封胶473施加在盖板445的周边边缘470的底表面上。一旦密封程序完成，密封胶473就移入图12D所示的位置。
一旦已经将集电器钉440连接在外盖板445上并且已经施加电绝缘涂层，就将外盖板445放置在罐体412上，如图12B所示。最好，罐体412具有在其敞开端上形成的向外延伸的凸缘450。而且，外盖板445最好具有一与凸缘450的形状相符的略微弯曲的周边边缘470。一旦将外盖板445放置在罐体412的敞开端上，就将一接缝压盘500放置在外盖板445上，这样接缝压盘500的环形的向下延伸的部分502由在外盖板445上形成的环形凹槽472接纳。然后，朝外盖板445的周边边缘470沿径向移动一第一接缝辊510。随着朝周边边缘470和凸缘450移动第一接缝辊510，其弯曲的表面使得周边边缘470绕凸缘450折叠。而且，随着第一接缝辊510径向向内移动，使接缝压盘500，罐体412和外盖板445绕一中心轴线转动，使得周边边缘470在罐体412的整个圆周上绕凸缘450折叠。而且，随着第一接缝辊510继续沿径向向内移动，凸缘450和周边边缘470被向下折叠到图12C所示的位置。
在周边边缘470和凸缘450已经被折叠到图12C所示的位置，使第一接缝辊510移动离开罐体412，然后使第二接缝辊520沿径向向内朝凸缘450和周边边缘470移动。第二接缝辊520具有不同于第一接缝辊510的轮廓。第二接缝辊520对凸缘450和周边边缘470施加一足够的力，以抵着罐体412的外表面挤压和压平折叠的凸缘和周边边缘，该罐体412的外表面由接缝压盘500支承。作为这一过程的结果，使得罐体412的周边边缘470绕并在凸缘450之下折叠，并在凸缘450和罐体412的壁的外表面之间卷边。如图11和12D所示。这样通过该过程形成一气密密封。
为了说明这种密封的气密性质，如同例如图1所示的用传统密封构成的D型尺寸罐体，用水充填根据本发明的该实施例构成的D型尺寸罐体。将两个罐体保持在71℃并过一段时间称重以确定从罐体流失的水的数量。传统结构每星期失去270mg，根据本发明的结构在同样时间期间内没有失去任何重量。使用KOH电解液可以确认这些结果，传统结构每星期失去50mg，本发明的结构仍然未失去任何重量。
本领域熟练技术人员可以明显看出，饮料罐型结构利用了电池内部的最小空间，减少了制造一电池所需的工艺步骤的数量，明显减少了材料的成本和制造过程的成本。而且，罐体壁的厚度可以被明显地减小到0.15mm(6mils)或更小。结果，可以增加用于容纳电化学活性材料的内部体积。例如，对于一D型尺寸的电池，可用来容纳电化学活性材料的总电池体积的百分比可高达97的体积百分比，而集电器组件体积可低至1.6的体积百分比。图14A和14B所示的表中包括了其他尺寸的电池的体积。
通过利用本发明的密封结构，不仅可以减小罐体壁厚，而且可以增加用来形成罐体的可能材料的数量，这是由于罐体所必须具有的强度要求降低。例如，上述本发明的结构可以使得铝和塑料用于罐体，而非目前使用的镀镍钢。
在图13中示出了饮料罐型结构的一种变型。在所示的实施例中，电池罐体首先被成形为一具有两个敞开端的管。采用传统技术，该管可以被挤压，焊缝，焊接，粘接等。该管可以用钢，铝和塑料形成。如图13所示，该管限定了罐体612的侧壁614。然后，采用上面所勾勒出的饮料罐型密封技术，通过将一内盖板616固定在其上来密封该管的第一敞开端，例外是在内盖板616和侧壁614之间不需要电绝缘。一正极外盖板618可以被焊接在或者用其他方式固定在内盖板616的外表面上。然后可以充填电池并且可以用与上面所述的相同方式将一负极外盖板645固定在罐体612的第二敞开端上。
在罐体上的印刷的标签如上所述，本发明的电池可以结合一印刷的标签一起使用，而非目前采用的标签基片。目前的标签基片的厚度在0.076mm(3mils)的量级。由于这种标签基片叠置而形成一个沿电池的长度延伸的缝，这些传统标签对于直径有效地增加了约0.25mm(10mils)并对于电池的卷边高度增加了0.33mm(13mils)。结果，电池罐体必须具有这样一个直径，该直径被选择来容纳标签缝的厚度，以便满足ANSI的尺寸标准。但是，通过按照本发明在罐体的外表面上直接印刷一平版印刷的标签，罐体的直径可以被相应地增加约0.25mm(10mls)。在罐体直径上的这一增加显著地增加了电池的内部体积。在图14A和14B的表中所列出的所有电池，除了饮料罐型结构之外，都包括基片标签。如果将标签直接印刷在罐体的外面，带有基片标签的电池的内部体积对于一D型尺寸的电池而言可以被进一步增加2％(1.2cc)，对于一C型尺寸的电池可以增加2.6％(0.65cc)，对于一AA型尺寸的电池可以增加3.9％(0.202cc)，对于一AAA型尺寸的电池可以增加5.5％(0.195cc)。也可以采用转移印刷技术将标签印刷在罐体上，在这种转移印刷技术中，标签图案首先被印刷在一转移介质上，然后被直接转移到罐体外面上。也可以采用变形平版印刷术，由此将一故意变形的图象印刷在一平坦材料上，以便考虑到在该平坦材料被成形为电池罐体的管或者圆柱体时其随后的应力变形。
在印刷平版印刷的标签之前，最好清洁罐体的外表面。为了提高在罐体上印刷的附着力，可以在罐体的外表面上施加一底层涂料。然后通过已知的平版印刷技术，将印刷的标签直接施加在罐体上底层的顶面上。最好在印刷的标签上施加一上光的表层，以覆盖和保护所印刷的标签，并也用作一电绝缘层。可以用高温加热或者紫外线辐射技术固化印刷的标签。
采用印刷的标签，传统的标签基片的厚度被明显减小到约0.5mils的最大厚度。具体说，底层的厚度在约0.1到0.2mil的范围内，印刷层的厚度为约0.1mil，上光表层的厚度在约0.1到0.2mil的范围内。通过减小标签的厚度，罐体直径得以增加，因此增加了活性电池材料的可用体积，同时保持了电池的预定外径。
带有直通集电器的饮料罐体参照图15，示出了根据本发明第七实施例的由一直通集电器构成的电化学电池700。类似于图11所示的具有饮料罐型结构的电化学电池400，电化学电池700包括一带有封闭端314和敞开端的导电罐体712，一低体积集电器组件725和负极外盖板组装在该敞开端内。电化学电池700包括一与罐体712的内壁和分离器117接触的正极115，分离器117处在一正极115和一负极120之间。这里正极115也被称为阳极，而负极120也被称为阴极。应当理解，材料的种类和它们在电化学电池内的位置可以变化，而不偏离本发明的教导。
电化学电池700还包括在罐体712的封闭端314上形成的一减压机构370。这允许采用低体积的集电器组件725，后者比传统的集电器组件占据更小的体积，所以获得提高了的内部电池体积效率。减压机构370可以被成形为一个槽，如结合图8A、8B、9和10所描述的。此外，正极外盖板311被连接于罐体712的封闭端并覆盖该减压机构370。如这里结合图8A示出和说明了正极外盖板311的组装和设置。
电化学电池700包括一封闭和密封罐体712的敞开端的集电器组件725。集电器组件725包括一设置成与负极120导电接触的集电器钉740。还包括在集电器组件725内的是一第一或者内盖板745，其具有一形成在其上的中心孔751。集电器钉740延伸通过内盖板745上的孔751。一介电绝缘材料744设置在集电器钉740和第一盖板745之间，以便在其间提供电绝缘。因此，集电器钉740与内盖板745是电绝缘的。介电绝缘材料是一有机高分子材料，如有机聚合物，并可以包括环氧树脂，橡胶，尼龙或其他介电材料，该介电材料可抵挡KOH的侵蚀并在碱性电池中存在氢氧化钾时是非腐蚀性的。如下面所述地组装介电绝缘材料。
将内盖板745依次连接和密封在罐体712的敞开顶端。如结合图11-13所解释的，可以将内盖板745插入罐体712并通过在周边边缘450和470处形成一个双缝封闭结构将其密封在罐体712上。尽管结合本发明的第七实施例示出了一双缝的罐体对盖板的封闭结构，应当理解可以采用其他罐体对盖板的封闭结构，而不偏离本发明的教导。
根据第七实施例的电化学电池700允许罐体712和内盖板745之间的直接连接，这最好在它们之间提供一压力密封，但不需要在内盖板745和罐体712侧壁之间的电绝缘。相反，使集电器钉740与内盖板745电绝缘，使得电化学电池的正极和负极相互电绝缘。尽管没有要求在罐体712和内盖板745之间保持电绝缘，但在连接罐体和盖板的封闭处最好施加密封胶以充分地密封罐体。可以如结合图11-12D描述和示出的电池所解释的，施加适当的密封胶。应当理解，密封的封闭结构与绝缘材料一起应当能够承受比通气压力大的内部压力积累，在该通气压力下减压机构370释放压力。
为了根据广泛接受的电池标准提供一个可接受外部电池电极，电化学电池700还包括一与集电器钉740导电接触的外盖板750。外盖板750可以通过点焊742焊接在或者通过其他方式导电连接在集电器钉740上。为了确保在外盖板750和内盖板745之间的电绝缘，将一介电材料如环形垫748设置在外负极盖板750和内盖板745之间。适当的介电材料可以包括施加在内盖板745的顶面或者外盖板750的底面上的尼龙，其他弹性体材料，橡胶和环氧树脂。因此，可以在电化学电池700的负极端部处设置一可接受的标准的电池电极。
在组装视图16中说明了根据本发明第七实施例的电化学电池700的组装，并在图17的流程图中进一步作了说明。电化学电池700的组装方法770包括提供形成有一封闭的底端和一敞开的顶端的罐体712。步骤774包括将活性电化学材料设置在罐体712内，该电化学材料包括负极，正极和电绝缘，以及分离器和其他电池添加剂。一旦将活性电化学电池材料设置在罐体712内，就可准备对罐体712进行封闭和用集电器组件725密封。在封闭罐体前，根据步骤776，通过首先将集电器钉740与一绝缘材料环一起设置在于内盖板745上形成的孔751内，而组装集电器组件。将集电器钉740设置在绝缘环744的孔742内，该绝缘环可包括一由环氧树脂形成的环和盘，其提供了介电绝缘并可被加热而再成形并设置在内盖板745和集电器钉740之间。作为选择，可以采用其他有机高分子介电材料来代替环氧树脂，如一橡胶绝缘垫圈，一弹性体材料，或者其他可在集电器钉740和内盖板745之间形成充分绝缘的介电材料。
根据优选实施例，将绝缘材料的环744设置在内盖板745的顶部上的凹槽755内，并将集电器钉740的头部设置在其上方。在步骤778中，将绝缘环744组装在集电器钉740和盖板745上并将绝缘环744加热到足以熔化环744的高温，使得环744再成形并流入盖板745上的孔751中，以便在集电器钉740和内盖板745之间提供连续的介电绝缘。对于由环氧树脂构成的环744，在几秒钟至24小时的时间内保持20至200℃的温度可能足以再成形并固化绝缘材料。一旦介电材料744在集电器钉740和内盖板745之间形成充分的绝缘，最好在步骤780使绝缘的材料冷却。在加热和冷却步骤778和780期间，使集电器钉740在孔751中对中，使得集电器钉740不会接触盖板745。随后，在步骤782中，将一介电绝缘垫748如一环形的介电垫设置在内盖板745的顶部，并且其从钉740的周边向外径向延伸。在步骤784中，设置在集电器钉740的顶部和垫748上的是一导电的负极盖板750，其焊接或以其他方式形成与集电器钉740的电接触。一旦集电器组件完全组装完毕，就将该集电器组件连接在罐体上以密封地封闭该敞开端，如在步骤786中所完成的。罐体封闭可以采用双缝封闭或者其他适当的罐体封闭技术。此外，组装方法770包括将一第二外盖板连接在罐体封闭端的步骤788，该外盖板最好覆盖减压机构370。
尽管在上面本发明被描述为主要应用于碱性电池，本领域熟练技术人员应当理解，将本发明结构应用于采用其他电化学系统的电池可以获得类似的优点。例如，本发明的结构可以用在碳-锌和锂基电池之类的原系统中或者用在可充电电池上，如NiCd、金属氢化物、和锂基电池。而且，本发明的某些结构可以用在原始电池(即用在电池组或者多层电池中的无标签的电池)上。此外，尽管上面所描述的电池与圆柱形电池有关，但本发明的某些结构可以用在构成棱柱形电池上。
应当理解附图中所示的以及上面所描述的实施例只是出于说明目的，无意限制本发明的范围。
权利要求
1．一种电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，该集电器组件限定了小于电池总体积的5.0％的集电器组件体积。
2．如权利要求1所述的电池，其中集电器组件限定了不大于电池总体积的约4.6％的集电器组件体积。
3．如权利要求1或2所述的电池，其中集电器组件还包括一密封，用于将盖板密封在罐体的敞开端上。
4．如任一上述权利要求所述的电池，其中集电器将盖板电连接于负极。
5．如任一上述权利要求所述的电池，其中该罐体是圆柱形的。
6．如任一上述权利要求所述的电池，其中该电池是一碱性电池，具有一包括MnO2的阳极，一包括Zn的负极和包括KOH的电解液。
7．如任一上述权利要求所述的电池，其中该罐体由化学上惰性的材料制造。
8．一种D型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于电池总体积的5.0％，优选不大于4.0％，更好不大于3.8％，最好不大于2.0％，的集电器组件体积。
9．一种C型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于电池总体积的7.0％，优选不大于4.5％，更好不大于3.9％，最好不大于3.1％，的集电器组件体积。
10．一种AA型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于电池总体积的6.0％，优选不大于4.6％，更好不大于3.2％，最好不大于2.5％，的集电器组件体积。
11．一种AAA型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于电池总体积的7.0％，优选不大于4.1％，更好不大于3.4％，最好不大于2.6％，的集电器组件体积。
12．一种D型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于2.5cm3，优选不大于2.0cm3，更好不大于1.0cm3，的集电器组件体积。
13．一种C型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于1.7cm3，优选不大于1.5cm3，更好不大于1.10cm3，的集电器组件体积。
14．一种AA型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于0.5cm3，优选不大于0.40cm3，更好不大于0.25cm3，的集电器组件体积。
15．一种AAA型尺寸的电池，包括一用以容纳电化学活性材料的罐体，该电化学活性材料至少包括正极，负极和电解液，该罐体具有一封闭端和一敞开端；和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件，该集电器组件具有一集电器和一盖板，其特征在于该集电器组件限定了小于0.24cm3，优选不大于0.15cm3，更好不大于0.12cm3，的集电器组件体积。
全文摘要
提供了一种电池,包括:一用以容纳电化学活性材料的罐体,该电化学活性材料至少包括正极,负极和电解液,该罐体具有一封闭端和一敞开端;和一横跨罐体敞开端设置的集电器组件,该集电器组件具有一集电器和一盖板,该集电器组件限定了一集电器组件体积。在一个实施例中,该集电器组件体积小于电池总体积的5.0%。在其他实施例中,集电器组件体积小于总内部体积的5.0%(D型尺寸电池),小于6.0%(AA型尺寸电池),和小于7.0%(C型和AAA型尺寸电池)。在其他实施例中,集电器组件体积小于2.5cm
文档编号H01M2/02GK1323456SQ99812047
公开日2001年11月21日 申请日期1999年8月17日 优先权日1998年8月21日
发明者G·R·图乔尔斯基 申请人:永备电池有限公司