电池状况指示器的制造方法
【专利摘要】本发明针对于电池状况指示器。该电池状况指示器包括至少一个指示器电极、该至少一个指示器电极的对电极、以及与电解质结合的分隔体。该至少一个指示器电极与电池的第一端子电连接。该至少一个指示器电极包括至少一种氧化还原材料。该对电极是电池的第二端子。所述与电解质结合的分隔体位于该至少一个指示器电极和对电极之间。
【专利说明】
电池状况指示器
技术领域
[0001]本发明总体上涉及电化学电池或电池，并且更具体地涉及电池和电池状况指示器的组合，所述电池状况指示器显示电池的状况。
【背景技术】
[0002]电化学电池或电池通常被用作电能源。电池包含负电极(典型地称作阳极)和正电极(典型地称作阴极)。阳极包含可以被氧化的活性材料。阴极包含可以被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。将分隔体设置在阳极和阴极之间。这些部件容纳在典型地由金属制成的罐或外壳内。
[0003]当电池用作器件中的电能源时，使阳极和阴极电接触，从而允许电子流过器件并且使各自的氧化和还原反应发生以提供电功率。与阳极和阴极接触的电解质包含离子，所述离子流过阳极和阴极之间的分隔体以在放电期间维持整个电池的电荷平衡。
[0004]包括在视觉上显示电池的状况(例如充电状态)的指示器的电池是已知的。已知的指示器包括:例如与电池电接触的电致变色材料和与电阻元件热接触的热致变色材料，该电阻元件适合于跨接在电池两端。电致变色材料是当经历充电时其改变颜色或透明度的材料。热致变色材料是当经历温度改变其改变颜色或透明度的材料。
[0005]已知的指示器典型要求用户与指示器物理互动以便使电池相关的信息被显示。热致变色的指示器(例如)可以包括电阻器，该电阻器与电池串联以在电压测量期间形成电路。在电路内必须存在开关以便当指示器未使用时中断从指示器到电池的电连接。如果热致变色的指示器与电池持久电接触，那么电池将过早地放电，因为泄漏电流将从电池流出穿过热致变色的指示器。在指示器电路内不存在开关时，已知的电致变色指示器也将遭受与电池泄露电流相关的问题(与热致变色指示器相似)。另外，有或没有灵活(dexterity)问题的用户可发现难以操作指示器内的开关。该开关通常包括至少一个且更经常为两个按压点，必须利用该按压点来关闭电路。按压点典型地非常小;可能难以看到;并且可能难以按压。已知的指示器也对用以关闭按压点的力的大小敏感。所显示的电池状况(如果确实显示状况的话)可能受敏感性影响，因此可能不利地影响指示器的精确度。
[0006]也可以将已知的指示器持久地连接至电池使得不需要用户互动以激活电池状况指示器。然而，该类型的已知指示器典型地在指示器结构内包括不同的指示器电极和不同的对电极。在指示器内包括两个电极占据空间并且增加制造指示器的复杂度。另外，额外的部件增加制造指示器的总成本。
[0007]本发明通过利用一种与电池持久电连接的电池测试器克服了与已知指示器有关的问题，该电池测试器包含电化学产生的显示。用以显示电池的充电状况或状态的用户交互不是需要的。指示器的精确度不受开关操作的不利影响，因为不需要用户交互以激活指示器。在本发明的电池状况指示器内的寄生放电作用被最小化并且电池的有效容量在延长的存储期内最低限度地减少。本发明的指示器在设计上也是简单的并且相对于已知指示器而言制造成本更低。
【发明内容】
[0008]在一个实施方案中，本发明针对与一种电池状况指示器。所述电池状况指示器包括至少一个指示器电极、所述至少一个指示器电极的对电极、以及与电解质结合的分隔体。所述至少一个指示器电极与电池的第一端子电连接。所述至少一个指示器电极包括至少一种氧化还原材料。所述对电极是电池的第二端子。所述与电解质结合的分隔体位于所述至少一个指示器电极和所述对电极之间。
【附图说明】
[0009]虽然说明书特别指出并且清楚地宣称主题的权利要求结束，所述主题被视为形成本发明，然而据认为结合附图从以下描述将更好地理解本发明。
[0010]图1是一次碱性电池的横截面。
[0011]图2是电池和本发明的电池状况指示器的组合的透视图。
[0012]图3是电池和本发明的电池状况指示器的组合的另一透视图。
[0013]图4是电池和本发明的电池状况指示器的组合的另一透视图。
[0014]图5是电池和本发明的电池状况指示器的组合的另一透视图。
[0015]图6是电池和本发明的电池状况指示器的组合的另一透视图，其中电池状况指示器包含在附着于电池的标签内。
[0016]发明详述
[0017]电化学电池(或蓄电池)可以是一次的或二次的。一次电池意味着放电(例如至耗尽)仅一次并且然后废弃。一次电池记载于例如David Linden ,Handbook of Batteries(McGraw-Hi 11，第四版，2011)。二次电池是要再次充电。二次电池可以放电和充电许多次，例如超过五十次、一百次或者更多。二次电池记载于例如David Linden ,Handbook ofBatteries(McGraw-Hill，第四版，2011)中。因此，电池可以包括各种电化学偶对和电解质组合。虽然本文中提供的描述和实施例通常针对用于一次碱性电化学电池或蓄电池的电池状况指示器，但应理解本发明适用于含水或无水系统的一次电池以及二次电池。用于含水或无水系统的一次电池以及二次电池的电池状况指示器因此在本申请的范围内并且发明不限于任何特定的实施方案。
[0018]现在参照图1，显示了包括阴极12、阳极14、分隔体16和外壳18的电化学电池或蓄电池10。电池10还包括集流体20、密封件22和端盖24。电解质溶液分散遍及电池10。电池10是例如一次碱性电池并且可以是AA、AAA、AAAA、C或D型碱性电池。
[0019]外壳18可以是在电池生产中常用的任何常规类型的外壳并且可以由任何合适的材料制成，例如冷乳钢或者镀镍的冷乳钢。外壳18可以具有圆柱形形状一或者可以具有任何其它合适的非圆柱形形状，例如棱柱形状，如包含至少两个平行板的形状，例如矩形或正方形形状。外壳18可以例如由一片基础材料深冲制得，例如冷乳钢或镀镍钢。
[0020]可以在形成外壳18之前处理外壳18的基础材料，例如用表面涂层预镀覆。可以将表面涂层施加到基础材料的至少一个表面。可以将表面涂层施加到基础材料的所有表面。表面涂层可以是，例如金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、镍、氧化镍、氢氧化镍、羟基氧化镍、氧化钒、锰、氧化锰、氢氧化锰、羟基氧化锰、二氧化锰、铜、氧化铜、氢氧化铜、铁、氧化铁、氢氧化铁、羟基氧化铁、钴、氧化钴、氢氧化钴、羟基氧化钴、铬、氧化铬、氢氧化铬、碳黑、石墨烯、石墨或它们的任何组合。
[0021]外壳18可以是例如从基础材料冲压成圆柱形成形状。外壳18可以具有至少一个开口端。外壳18可以具有封闭端和开口端，在其间具有侧壁。外壳18的表面涂层(如果从预镀覆的基础材料冲压得到)可以至少位于外壳18的外壁上。
[0022]可以在形成外壳18之后用表面涂层处理外壳18，例如后镀覆。外壳18的表面涂层可以至少位于外壳18的外壁上。夕卜壳18的表面涂层可以覆盖外壳18的外表面面积的一部分或全部。表面涂层可以是，例如金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、镍、氧化镍、氢氧化镍、羟基氧化镍、氧化钒、锰、氧化锰、氢氧化锰、羟基氧化锰、二氧化锰、铜、氧化铜、氢氧化铜、铁、氧化铁、氢氧化铁、羟基氧化铁、钴、氧化钴、氢氧化钴、羟基氧化钴、铬、氧化铬、氢氧化铬、碳黑、石墨烯、石墨或它们的任何组合。
[0023 ]可以用在外壳18的内壁和电极之间提供低电接触电阻的材料处理外壳18的内壁。可以例如用镍、钴镀和/或用载炭的涂料涂外壳18的内壁以减少外壳的内壁和阴极12之间的接触电阻。
[0024]外壳18可以充当电池10的正极端子或负极端子。外壳18可以是电池10的第一端子或第二端子。如图1中所示，外壳18是电池10的第二端子120。图1中的电池10的第二端子120也是电池10的正极端子。
[0025]阴极12包括一种或多种电化学活性的阴极材料。电化学活性的阴极材料可以包括氧化锰、二氧化锰、电解二氧化锰(EMD)、化学二氧化锰(CMD)、高功率电解二氧化锰(HPEMD)、λ二氧化锰、γ 二氧化锰、β二氧化锰和它们的混合物。其它电化学活性的阴极材料包括但不限于:氧化银;氧化镍;烃基氧化镍;氧化铜;铜盐例如碘酸铜;氧化铋;高价的镍化合物;氧气;和它们的混合物。氧化镍可以包括氢氧化镍、烃基氧化镍、涂覆烃基氧化钴的烃基氧化镍、脱锂的层状锂镍氧化物和它们的组合。氢氧化镍或烃基氧化镍可以包括烃基氧化镍、γ -烃基氧化镍、和/或β-烃基氧化镍和/或γ -烃基氧化镍的交互生长物(intergrowths)。涂覆经基氧化钴的经基氧化镍可以包括涂覆经基氧化钴的β-经基氧化镍、涂覆烃基氧化钴的Y -烃基氧化镍和/或烃基氧化镍和Y -烃基氧化镍的涂覆烃基氧化钴的交互生长物。氧化镍可以包括部分脱锂的层状氧化镍，其具有化学通式LinHyN12,其中0.1 ?0.9并且0.1彡y彡0.9。高价的镍化合物可以例如包括四价镍。
[0026]阴极12也可以包括导电添加剂(如碳颗粒)和粘合剂。阴极12也可以包括其它添加剂。将碳颗粒包括在阴极中以允许电子流过阴极。碳颗粒可以是石墨(如膨胀石墨和天然石墨)、石墨烯、单壁纳米管、多壁纳米管、碳纤维、碳纳米纤维和它们的混合物。优选地，阴极中碳颗粒的量是相对较低的，例如少于约7.0 %、少于3.75 %或者甚至少于3.5 %，例如2.0%至3.5%。阴极12将具有可计算的孔隙率。阴极12的可计算的孔隙率可以是约15%至约45 %并且对于圆柱形碱性电池优选地在约22 %和约35 %之间。
[0027]可以将阴极组分(例如活性阴极材料、碳颗粒、粘合剂和任何其它添加剂)与液体(例如水性的氢氧化钾电解质)结合、混合并且压成丸粒(pellet)以用于成品电池的制造。为了最佳的丸粒加工，通常优选的是阴极材料具有约2.5%至约5%、更优选地约2.8%至约4.6 %范围内的湿度水平。在电池组成过程期间在电池外壳内放置丸粒之后，将丸粒典型地再压实以形成均匀的阴极组件。
[0028]可在阴极12中使用的粘合剂的实例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳树脂(例如PVDF或PTFE)。聚乙烯粘合剂的实例是以商品名COATHYLENE HA-1681销售(可向Hoechst或DuPont购买)。其它阴极添加剂的实例记载于例如美国专利US 5,698,315,US 5，919，598和US 5，997，775和US 7，351，499中，通过引用将它们全部并入本文。
[0029]阴极12内的电化学活性的阴极材料的量可被称为阴极装料(loading)。阴极12的装料可根据电池内使用的电化学活性阴极材料以及电池的单元尺寸而变化。包括二氧化锰电化学活性阴极材料的电池的阴极装料可以是:例如，对于AA电池从约9.0克或更多；对于AAA电池从约4.0克或更多；对于AAAA尺寸电池从约2.0克或更多;对于C尺寸电池从约25.0克或更多；以及对于D尺寸电池从约54.0克或更多。
[0030]阳极14可以由至少一种电化学活性阳极材料、胶凝剂和少量的添加剂(例如有机和/或无机析气抑制剂)形成。电化学活性阳极材料可以包括锌。
[0031]阳极14内的电化学活性阳极材料的量可被称为阳极装料。阳极14的装料可以根据电池内使用的电化学活性阳极材料以及电池的单元尺寸而变化。包括锌电化学活性阳极材料的电池的阳极装料可以是:例如对于AA电池从约3.3克或更多;对于AAA电池从约1.9克或更多；对于AAAA尺寸电池从约0.6克或更多；对于C尺寸电池从约9.5克或更多；以及对于D尺寸电池从约19.5克或更多。
[0032]可以使用的胶凝剂的实例包括:聚丙烯酸；与二乙烯基二醇的聚链烯基醚交联的聚丙烯酸，如卡波普(Carbopol);接枝淀粉材料;聚丙烯酸的盐;羧甲基纤维素;羧甲基纤维素的盐(例如羧甲基纤维素钠)或它们的组合。阳极可以包括析气抑制剂，所述析气抑制剂可以包括无机材料，例如铋、锡或铟。作为替代，所述析气抑制剂可以包括有机化合物，例如磷酸酯、离子型表面活性剂或者非离子型表面活性剂。
[0033]电解质可分散遍及阴极12、阳极14和分隔体16。电解质包含水溶液中的离子导电的成分。该离子导电的成分可以是氢氧化物。氢氧化物可以是例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铯和它们的混合物。离子导电的成分也可以包括盐。所述盐可以是例如氯化锌、氯化铵、高氯酸镁、溴化镁和它们的混合物。可以根据电池设计和其期望性能选择所述离子导电成分的浓度。含水碱性电解质可以包括在具有水的溶液中的氢氧化物作为离子导电成分。在电解质总重量的基础上，在电解质内的氢氧化物的浓度可以是约0.25至约0.40，或者约25%至约40%。含水碱性电解质也可以包括溶解在其内的氧化锌(ZnO) JnO可用于抑制阳极内的锌腐蚀。电解质内包括的ZnO的浓度可以是电解质的小于约3重量％。在AA碱性电池内的含水碱性电解质的总重量例如可以大于约3.0克。在AAA碱性电池内的含水碱性电解质的总重量例如可以大于约1.0克。
[0034]分隔体16包含电解质可湿润或电解质润湿的材料。当液体与表面之间的接触角小于90°时或者当液体倾向于自发地铺展在表面上时，声称材料被液体润湿;这两个条件通常共存。分隔体16可以包含织造或非织造的纸或布(fabric)。分隔体16可以包括例如与一层非织造材料结合的一层玻璃纸。分隔体也可包括非织造材料的附加层。也可以在电池10内原位形成分隔体16。例如美国专利US6，514，637公开了这样的分隔体材料和它们应用的可能合适方法，并且通过引用将其整体并入本文。分隔体材料可以是薄的。分隔体例如可以具有小于250微米(micron)的干燥厚度。分隔体例如可以具有小于100微米的干燥厚度。分隔体优选地具有约70微米至约90微米的干燥厚度，更优选地约70微米至约75微米。分隔体16具有40g/m2或更少的基础重量。分隔体优选地具有约15g/m2至约40g/m2并且更优选约20g/m2至约30g/m2的基础重量。分隔体16可以具有如ISO 2965中所定义的透气率值。分隔体16的透气率值可以是约2000cm3/cm2.minOlkPa至约5000cm3/cm2.minOlkPa。
[0035]可以通过本领域内任何已知的方法将集流体20制成用于特定电池设计的任何合适形状。集流体20可以具有例如钉子状的形状。集流体20可以具有柱状主体和位于该柱状主体的一端的头部。集流体20可以由金属例如锌、铜、黄铜、银或任何其它合适的材料制成。集流体20可以任选地镀覆有锡、锌、铋、铟或其它合适材料，所述其它合适材料在集流体20和例如阳极14之间表现出低的电接触电阻以及抑制气体形成的能力。
[0036]可以通过将聚合物(例如聚酰胺、聚丙烯、聚醚氨酯诸如此类)、聚合物复合物和它们的混合物注射成型为具有预定尺寸的形状来制备密封件22。密封件22可以由例如以下制成:尼龙6，6 ；尼龙6,10；尼龙6,12；聚丙烯;聚醚氨酯;共聚物；以及它们的复合物和混合物。示例性的注射成型方法包括冷流道法和热流道法两者。密封件22可以包含其它已知的功能材料例如塑化剂、结晶成核剂、抗氧化剂、脱模剂、润滑剂和抗静电剂。也可以用密封剂涂覆密封件22。在用于电池10内之前可将密封件22潮湿化。取决于密封件材料，密封件22可以具有例如约1.0重量百分比至约9.0重量百分比的水分含量。可以将集流体20插入并穿过密封件22。
[0037]可以以足以关闭各电池的任何形状形成端盖24。端盖24可以具有，例如圆柱或棱柱形状。可以通过将材料压制成具有合适尺寸的期望形状来形成端盖24。端盖24可以由将在电池10的放电期间传导电子的任何合适材料制成。端盖24可以由例如镀镍的钢或镀锡的钢制成。可以将端盖24电连接至集流体20。通过将端盖24焊接至集流体20，端盖24可以例如与集流体20电连接。端盖24还可以包括一个或多个开口(未示出)，例如孔，以便排放可能在电池10内的析气事件期间在端盖24下方积累的任何气体压力，例如在器件内的电池的深度放电或逆转期间，所述气体压力可导致排气孔的破裂。
[0038]可以在端盖24形成之后用表面涂层处理端盖24，例如后镀覆。端盖24的表面涂层可以覆盖端盖24的外表面面积的部分或全部。该表面涂层可以是，例如金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、镍、氧化镍、氢氧化镍、羟基氧化镍、氧化钒、锰、氧化锰、氢氧化猛、轻基氧化猛、二氧化猛、铜、氧化铜、氢氧化铜、铁、氧化铁、氢氧化铁、轻基氧化铁、钴、氧化钴、氢氧化钴、羟基氧化钴、铬、氧化铬、氢氧化铬、碳黑、石墨烯、石墨或它们的任何组合。
[0039]如图1中所示，端盖24是电池10的第一端子110。在该构造中，也可以将电池10的第一端子110称为电池10的负极端子。
[0040]电池状况指示器可以包括校准至电池的充电状态的电化学显示。电池状况指示器包含至少一个指示器电极和对于该至少一个指示器电极的对电极。将电池状况指示器与电池结合。该电池可以具有第一端子和第二端子。该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极可以与电池的第一端子电连接。该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极包含至少一种氧化还原材料。对电极包含电池的第二端子。与电解质结合的分隔体可以位于所述至少一个指示器电极和所述对电极之间。
[0041]所述至少一个指示器电极可以包括导电基底或非导电基底。所述至少一个指示器电极可以包括至少一个表面。导电基底可以是金属箔、金属膜、金属栅格、金属网、碳箔、碳膜、碳栅格、碳网、铜箔、铜膜、铜栅格、铜网或任何类型的石墨网络，例如石墨膜、石墨箔、石墨栅格或石墨网。非导电基底可以是聚合物膜、聚合物栅格和聚合物网。合适的聚合物的实例包括聚酯、聚丙烯、聚丙烯酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯基、聚氯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酰亚胺和聚醚。可以将导电材料涂覆在非导电基底的至少一个表面上。导电材料可以是任何电传导的金属、碳或聚合物，例如石墨、石墨烯、铜、锌、锡和铟。
[0042]所述至少一个指示器电极可以包括至少一种电化学活性材料，本文中将电化学活性材料称作氧化还原材料。该至少一种氧化还原材料可以包括锌、锡、铟、铬、锑、铋、铜、黄铜、青铜、氧化铜、氢氧化铜、氧化铬、氧化镍、烃基氧化镍、它们的任意合金、或它们的任何组合。可以通过任何合适的电化学工艺、化学工艺或物理工艺将该至少一种氧化还原材料涂覆到指示器电极上，例如电镀、无电镀、涂绘或刷涂。
[0043]可以通过电镀工艺将该至少一种氧化还原材料(例如锌)涂覆到该至少一个指示器电极上。可以通过无电镀工艺将该至少一种氧化还原材料(例如锡)涂覆到该至少一个指示器电极上。可以将至少两种氧化还原材料依次涂覆到该至少一个指示器电极上。例如，可以通过无电镀工艺将第一氧化还原材料(例如锡)涂覆到该至少一个指示器电极上。然后可以通过电镀工艺将第二氧化还原材料(例如锌)依次地涂覆到在该至少一个指示器电极上的锡涂层上方。然后可以在电池状况指示器内使用包括第一氧化还原材料和第二氧化还原材料的指示器电极。
[0044]导电基底可以包括长度。至少一个基底氧化还原区域可以沿导电基底的长度定位。该至少一个基底氧化还原区域可以包括第一基底氧化还原区域、第二基底氧化还原区域、第三基底氧化还原区域、第四基底氧化还原区域、第五基底氧化还原区域或任何其它编号的额外的基底氧化还原区域。
[0045]具有至少两个基底氧化还原区域的指示器电极可被称为多叉(mult1-prong)指示器电极。可以离散地设置第一基底氧化还原区域和任何额外编号的基底氧化还原区域，例如沿多叉指示器电极的导电基底的长度彼此间隔或分离、区别、分隔、间断或通过间隙分隔。第一基底氧化还原区域和任何额外编号的基底氧化还原区域可以沿多叉指示器电极的导电基底的长度彼此邻近，例如靠近、接近、邻接或贴近。所述至少两个基底氧化还原区域可电连接至同一基底或该基底上的表面涂层。
[0046]所述至少一个基底氧化还原区域可以包括至少一种氧化还原材料。可以通过电镀工艺将单一氧化还原材料(例如锌)镀覆到指示器电极的所述至少一个基底氧化还原区域上。所述至少一个氧化还原区域可以包括第一氧化还原材料和至少一种第二氧化还原材料。可以通过无电镀工艺将第一氧化还原材料(例如锡)镀覆到指示器电极的第一基底氧化还原区域上。可以通过电镀工艺将第二氧化还原材料(例如锌)镀覆到指示器电极的所述至少一个氧化还原区域上的锡涂层上方。
[0047]响应于在电池的使用或放电期间发生的电池中的电压变化，该至少一种氧化还原材料将经历电化学变化，例如还原或者氧化。氧化还原材料的电化学变化可以伴随视觉变化。该视觉变化可以包括观看电池状况指示器的用户可见的氧化还原材料颜色改变变化。颜色变化将电池的电压关联到所述至少一种氧化还原材料的氧化状态。变化的颜色将表现例如电池的有用剩余容量。
[0048]指示器电极上的氧化还原材料可以在电池放电期间经历单一颜色变化或者一系列颜色变化。氧化还原材料可以例如最初是亮灰色的。然后随着电池电压下降，氧化还原材料可以变为类似黄铜的颜色或者类似青铜的颜色。然后随着电池进一步放电以及电池电压继续下降，氧化还原材料可以变成暗铜色或微黄的暗灰色。然后随着电池进一步放电以及电池电压进一步下降，氧化还原材料可以变成暗铜色、浅灰色或微黄的暗灰色。
[0049]例如，在电池的放电期间在约1.6伏至约0.40伏的电池电压窗口内，指示器电极指示器可以经过三个不同的颜色变化。当电池电压大于1.5伏时指示器电极可以表现出亮灰色。随着电池电压减低，指示器电极可以开始改变颜色。当电池电压在约1.3伏和1.5伏之间时指示器电极可以表现出类似黄铜的颜色。当电池电压在约0.75伏至1.0伏之间时指示器电极可以表现出暗铜色。可以用一次碱性电池(例如AA圆柱形电池)的有用剩余容量校准指示器电极的颜色。亮灰色可以向用户指示该电池是新的。类似黄铜的颜色可以向用户指示该电池已经开始放电或使用。暗铜色可以向用户指示该电池耗尽以及应被更换。
[0050]在另一个实例中，在电池的放电期间在约1.35伏至约0.40伏的电池电压窗口内，指示器电极可以经过两个不同的颜色变化。当电池电压大于约1.3伏时指示器电极可以显示亮灰色。当电池电压变为低于约1.3伏时指示器电极改变颜色。当电池电压小于约1.3伏且大于约0.45伏时指示器电极显示微黄的暗灰色。可以用一次碱性电池(例如AA圆柱形电池)的有用剩余容量校准指示器电极的颜色。亮灰色可以向用户指示该电池是新的。微黄的暗灰色可以向用户指示该电池耗尽并且应被更换。
[0051]在另一个实例中，在电池的放电期间在约1.6伏至约0.70伏的电池电压窗口内，指示器电极可以经历三个不同的颜色变化。当电池电压大于1.5伏时指示器电极可显示亮灰色。随着电池电压降低，指示器电极可以开始改变颜色。当电池电压在约1.3伏和1.5伏之间时，指示器电极可以显示淡黄的黄铜色。当电池电压在约1.2伏至约1.3伏之间时，指示器电极可以显示浅灰色。当电池电压小于约1.2伏且大于约1.1伏时，指示器电极可以显示微黄的暗灰色。可以用一次碱性电池(例如AA圆柱形电池)的有用剩余容量校准指示器电极的颜色。亮灰色可以向用户指示该电池具有其有用容量的约100%。淡黄的黄铜色可以向用户指示该电池具有其有用容量的约75%。浅灰色可以向用户指示该电池具有其有用容量的约50%。微黄的暗灰青铜色可以向用户指示该电池具有其有用容量的约25%。
[0052]在另一个实例中，在电池的放电期间在约1.65伏至约0.7伏的电池电压窗口内，多叉电极的第一和第二指示器电极各自可以经过四个不同的颜色变化。当电池电压大于1.5伏时第一和第二指示器电极可以各自显示亮灰色。当电池电压在约1.5伏和1.3伏之间时第一指示器电极可以显示青铜色并且第二指示器电极可以显示浅灰色。当电池电压在约1.3伏和1.2伏之间时第一指示器电极可以显示铜色并且第二指示器电极可以显示青铜色。当电池电压小于约1.2伏时第一指示器电极可以显示铜色并且第二指示器电极可以显示带青铜色的暗灰色。可以用一次碱性电池(例如AA圆柱形电池)的有用剩余容量校准多叉电极的颜色。浅灰色可以向用户指示该电池是新的。类似黄铜的颜色可以向用户指示该电池开始放电或者使用。类似铜的颜色可以向用户指示该电池耗尽并且应被更换。
[0053]氧化还原材料的视觉变化也可以包括:(I)在指示器电极上的沉积物的外观；(2)氧化还原材料从指示器电极的消失；(3)氧化还原材料的形态变化；(4)氧化还原材料的折射率变化。沉积物的外观可以例如是作为电化学反应结果的不透明沉积物或者沉淀的外观，其阻挡下方的背景。氧化还原材料从指示器电极的消失可以例如是作为电化学反应结果的氧化还原材料的消失，其揭示下方的背景。氧化还原材料的形态变化例如可以是通过氧化还原材料的光散射性质的变化可注意到的氧化还原材料的电化学引起的变化。氧化还原材料的折射率变化例如可以与氧化还原材料的氧化态变化(例如当铜金属氧化至氧化铜或氢氧化铜)有关。
[0054]氧化还原材料可以经历可逆反应。本文中所述的氧化还原材料的相应的视觉变化也可以是可逆的。例如，由于电池电压瞬时或偶然减低所致的氧化还原材料视觉变化的外观可恢复至初始视觉状态，如果电池电压要增加或恢复的话。例如如果电池被偶然错放在器件腔体内或者电池以高电流放电短时段，则氧化还原材料的视觉状态的可逆性可以是电池状况指示器的有益属性。这些状况可降低电池电压通过过渡阈值电压从而导致氧化还原材料的视觉变化，但电池容量可以不显著地减少。氧化还原材料的视觉状态的可逆性因此将消除向用户错误指示电池已经失去显著容量或者接近其有用容量的尽头。
[0055]该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极可以与电池的第一端子持久电连接。该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极可以与电池的第二端子持久电连接。持久电连接可以包括电引线。电引线可以包括任何导电的材料，例如石墨、石墨烯、碳黑、铜、镍、锌和它们的任何组合。可以通过任何可接受的工艺将电引线施加在指示器电极和电池的第一端子之间。例如，可以通过涂绘或印刷施加电引线其成分为墨水形式。合适的墨水可以包括:导电组分，例如碳(例如石墨或者石墨烯)或铜;载体液体(例如乙醇或水)；和粘合剂。示例性的碳墨水包括可从Creative Materials,Inc.(Ayer，MA)购得的112-48导电墨水和可从Vorbek Materials(Jessup,MD)购得的Vor-1nk?。不例性的铜墨水包括可从DuPontMicrocircuit Materials (Research Triangle Park, NC)购得的DuPont CB200。
[0056]选择该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极的电化学容量为小于该指示器电极所连接至的电池的端子的电极中的电化学活性材料。当该至少一个指示器电极被明智地选择为具有在电池状况指示器所结合的电池的放电电压范围内的氧化-还原电压时，电池中的电压变化将有效地反映在该电池状况指示器的所述至少一个指示器电极的颜色变化中。
[0057]对电极可以是金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、镍、氧化镍、氢氧化镍、羟基氧化镍、氧化钒、锰、氧化锰、氢氧化锰、羟基氧化锰、二氧化锰、铜、氧化铜、氢氧化铜、铁、氧化铁、氢氧化铁、羟基氧化铁、钴、氧化钴、氢氧化钴、羟基氧化钴、铬、氧化铬、氢氧化铬、碳黑、石墨烯、石墨、氧气或它们的任何组合。电池状况指示器的对电极可以同时是电池的第二端子。对电极可以包括被与电解质结合的分隔体覆盖的电池的第二端子的区域。
[0058]当电池电压为高时，电池状况指示器的对电极将处于氧化形式。随着电池电压降低(例如在放电期间)，对电极将部分地还原。对电极的电化学容量大于该至少一个指示器电极的电化学容量。因此，指示器电极上的氧化还原材料的耗尽可以发生在对电极上的氧化还原材料的任何耗尽之前。在该配置中，电池中的电压变化主要应用于指示器电极而不是对电极。对电极的容量可以例如是指示器电极的容量的至少3倍、约3至约1000倍、或者约5至约100倍。所述至少一个指示器电极的容量可以是例如约50mC/cm2至约1000mC/cm2。该对电极的容量可以是例如约 150mC/cm2 至约 3，000111(:/0112、约25011￡/0112至约5，00011￡/0112、约5，000mC/cm2至约 10，000mC/cm2或者约50，000mC/cm2至约I，000，000mC/cm2。
[0059]电池状况指示器包括与电解质结合的分隔体。与电解质结合的分隔体位于该至少一个指示器电极和对电极之间。与电解质结合的分隔体使得电池状况指示器内的电化学反应能够与电池电压的变化联同发生。与电解质结合的分隔体可以包括固体聚合物、流体(例如碱性水溶液)和它们的任何组合。固体聚合物可以包括:例如聚氧化乙烯;聚甲基丙烯酸甲酯;含例如纤维素、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯及其任何组合的凝胶；以及它们的任何组合。与电解质结合的分隔体可以包括盐例如氯化锌、氢氧化钾、碳酸钾、磷酸二氢钾和氯化铵。与电解质结合的分隔体将具有可大于约I X 10—6S/cm的电导率。
[0060]可以将电池状况指示器固定到电池的表面。可以将电池状况指示器直接粘附到电池的表面。可以将电池状况指示器直接印刷在电池上。电池可以包括收缩包裹在电池状况指示器和电池周围的标签。可以将电池状况指示器纳入标签内，该标签直接固定到电池的表面。
[0061]电池状况指示器可以不需要用户介入以便在视觉上地向用户指示电池的状态。当电池电压为高(例如1.65V)时，电池状况指示器可以具有大的内电阻，例如大于约0.5M0hm。电池状况指示器的高内电阻导致低的从电池的泄漏电流。结果，产生了不会通过电池的泄漏电流显著减少电池的可用容量的电池状况指示器。从电池流过电池状况指示器的电流可以例如在约十年的时期内将电池的总初始容量减少约10%。例如，与本发明的电池状况指示器结合的AA电池在约十年的时期内可以具有约3%至约5%的总初始容量减少。具有约3Ah的初始容量的AA电池，例如可以在约10年的闲置存储之后具有约2.9Ah的容量。本发明的电池状况指示器也导致更加简化的设计和组装。同时利用电池的端子作为电池状况指示器的对电极。结果，该电池状况指示器当与已知的指示器比较时需要更少的部件、更易于组装并且更便宜，该已知的指示器利用的对电极不同于电池状况指示器所连接的电池端子。
[0062]参考图2，显示了电池状况指示器100和电池10的组合。电池10包括第一端子110和第二端子120。电池状况指示器100包括指示器电极130;指示器电极130的对电极140;和与电解质150结合的分隔体。电池状况指示器100的指示器电极130包括导电基底180。导电基底180可以具有至少一个表面190。导电基底180可以包括在该至少一个表面190上的至少一种氧化还原材料160。指示器电极130可以经由引线170与电池10的第一端子110电接触。弓丨线170的一端可以与指示器电极130的导电基底180电接触并且引线170的另一端可以与电池10的第一端子110电接触。对电极140包括被分隔体覆盖的电池10的第二端子120的面积，该分隔体与电解质150结合。将电池状况指示器100和电池10结合使得用户不需要与电池状况指示器100交互以启动电池10的当前充电状态的显示。
[0063]参考图3，显示了电池状况指示器100和电池10的组合。电池10包括第一端子110和第二端子120。电池状况指示器100包括:指示器电极230;指示器电极230的对电极240;和与电解质250结合的分隔体。电池10的指示器电极230可以包括非导电的基底260。该非导电基底260可以具有至少一个表面270。非导电基底260的该至少一个表面270可以包括至少一个导电涂层280。可以将至少一种氧化还原材料160涂覆到该至少一个导电涂层280上。指示器电极230可以经由引线170与电池10的第一端子110电接触。引线170的一端可以与指示器电极230的导电涂层280电接触并且引线170的另一端可以与电池10的第一端子110电接触。对电极230包括被分隔体覆盖的电池10的第二端子120的面积，该分隔体与电解质250结合。将电池状况指示器100和电池10结合使得用户不需要与电池状况指示器100交互以启动电池10的当前充电状态的显示。
[0064]参考图4，显示了电池状况指示器100和电池10的结合。电池10包括第一端子110和第二端子120。电池状况指示器100包括:指示器电极330;指示器电极330的对电极340;和与电解质350结合的分隔体。指示器电极330可以包括导电基底300。导电基底300可以具有至少一个表面310。导电基底300可以包括长度L。第一基底氧化还原区域360可以位于沿着该至少一个表面310上的导电基底300的长度L。至少一个第二基底氧化还原区域370可以位于沿着该至少一个表面310上的导电基底300的长度L。可以通过沿指示器电极330的长度L的间隙分离第一基底氧化还原区域360和所述至少一个第二基底氧化还原区域370。指示器电极330可以经由引线170与电池10的第一端子110电接触。引线170的一端可以与指示器电极330的导电基底300电接触并且引线170的另一端可以与电池1的第一端子110电接触。对电极340包括被分隔体覆盖的电池10的第二端子120的面积，该分隔体与电解质350结合。将电池状况指示器100和电池10结合使得用户不需要与电池状况指示器100交互以启动电池10的当前充电状态的显示。
[0065]第一基底氧化还原区域360可以包括至少一种第一氧化还原材料160。该至少一个第二基底氧化还原区域370可以包括至少一种第二氧化还原材料162。第一和第二氧化还原材料160、162可以是相同的或者不同的材料并且各自可以涂覆或者镀到指示器电极的第一基底氧化还原区域360和所述至少一个第二氧化还原区域370。
[0066]参考图5，显示了电池状况指示器100和电池10的组合。电池10包括第一端子110和第二端子120。电池状况指示器100包括:指示器电极430;指示器电极430的对电极440;和与电解质450结合的分隔体。指示器电极430可以包括导电基底400。导电基底400可以具有至少一个表面410。导电基底400可以包括长度L。第一基底氧化还原区域460可以位于沿着该至少一个表面410上的导电基底400的长度L。第二基底氧化还原区域470可以位于沿着该至少一个表面410上的导电基底400的长度L。第三基底氧化还原区域480可以位于沿着该至少一个表面410上的导电基底400的长度L。第一基底氧化还原区域460、第二基底氧化还原区域470和第三氧化还原区域480可以沿导电基底400的长度L彼此邻近，例如靠近、接近、邻接或贴近。指示器电极430可以经由引线170与电池10的第一端子110电接触。引线170的一端可以与指示器电极130的导电基底400电接触并且引线170的另一端可以与电池10的第一端子110电接触。对电极440包括被分隔体覆盖的电池1的第二端子120的面积，所述分隔体与电解质450结合。将电池状况指示器100和电池10结合使得用户不需要与电池状况指示器100交互以启动电池10的当前充电状态的显示。
[0067]第一基底氧化还原区域460可以包括至少一种氧化还原材料160。第二基底氧化还原区域470可以包括至少一种氧化还原材料162。第三基底氧化还原区域480可以包括至少一种氧化还原材料164。氧化还原材料160、162、164可以是相同的或者不同的材料并且各自可以涂覆或镀到指示器电极的第一基底氧化还原区域460、第二基底氧化还原区域470和第三基底氧化还原区域480。
[0068]参考图6，显示了电池状况指示器100和电池10的组合，其中将电池状况指示器100用标签560包括并且将其固定至电池10。电池10包括第一端子110和第二端子120。电池状况指示器100包括:指示器电极530;指示器电极530的对电极540;和与电解质550结合的分隔体。电池状况指示器100的指示器电极530包括导电基底500。导电基底500可以具有至少一个表面510和至少一个第二表面520。导电基底500可以包括在该至少一个表面510上的至少一种氧化还原材料160。指示器电极530可以经由引线170与电池10的第一端子110电接触。引线170的一端可以与指示器电极130的导电基底500电接触并且引线170的另一端可以与电池1的第一端子110电接触。对电极540包括被分隔体覆盖的电池1的第二端子120的面积，该分隔体与电解质550结合。标签560可以是具有承载标签图形和文字的透明或半透明层的层压多层膜。标签560可以包括观察窗口570，用户可以通过其观察指示器电极530并且基于指示器电极530的视觉活动确定电池10的当前状况。标签560可以由聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其它类似的聚合物材料制成。可以在第二端子120和引线170之间放置绝缘体580以防止第一端子110和第二端子120之间的电短路。将利用标签560包括的电池状况指示器100和电池10结合使得用户不需要与电池状况指示器100交互以启动电池10的当前充电状态的显示。
[0069]本文中公开的尺寸和数值不应理解为严格限定到所述的精确数值。相反，除非另有指定，每个这样的尺寸意指所述值和该值附近的功能等同的范围两者。例如，公开为“40mm”的尺寸意指“约40mm”。
[0070]本文中引用的每篇文献(若有的话)，包括任何交叉引用或相关的专利或申请以及本申请要求优先权或权益的任何专利申请或专利，通过引用整体并入本文中，除非清楚地排除或以其他方式限定。任何文献的引用不是承认其是关于本文中公开或要求保护的任何发明的现有技术，或者其单独或与任何其它文献结合教导、建议或者公开了任何这样的发明。此外，就一个术语在本文中的任何含义或定义与该术语在通过引用并入的文献中的任何含义或定义冲突来说，在本文中向术语赋予的含义或定义应占主导。
[0071]虽然已经说明和描述了本发明的具体实施方案，本领域技术人员将清楚的是，可以在不背离发明的精神和范围的情况下进行各种其它变化和修改。因此意图在所述权利要求书中覆盖本发明范围内的所有这些变化和修改。例如，可用于电池内的电化学系统是多种多样的并且电池构造可以不同于上文讨论的示例性碱性电池构造。本发明的电池状况指示器可用于利用任何电化学系统的任何电池构造。该电池状况指示器可例如用于高价镍电池，其中阳极活性材料包括锌，阴极活性材料包括高价镍，并且电解质是碱性且含水的。该电池状况指示器可例如用于烃基氧化镍电池，其中阳极活性材料包括锌，阴极活性材料包括烃基氧化镍，并且电解质是碱性且含水的。该电池状况指示器可例如用于锂金属一次电池，例如锂二硫化铁电池，其中阳极活性材料包括锂，阴极活性材料包括二硫化铁，并且电解质是非水的。该电池状况指示器可例如用于镍金属氢化物电池，其中阳极活性材料包括能够吸收氢的金属合金，阴极活性材料包括烃基氧化镍，并且电解质是氢氧化钾水溶液。该电池状况指示器可例如用于锂金属二次电池，其中阳极活性材料包括碳，阴极活性材料包括锂插层化合物，并且电解质是非水的。该电池状况指示器可例如用于锂离子二次电池，其中阳极活性材料包括碳，阴极活性材料包括锂插层化合物，并且电解质是非水的。
【主权项】
1.一种电池状况指示器，其包含: 与电池的第一端子电连接的至少一个指示器电极，该至少一个指示器电极包含至少一种氧化还原材料； 该至少一个指示器电极的对电极，该对电极是电池的第二端子;和 与电解质结合的分隔体，所述与电解质结合的分隔体位于该至少一个指示器电极和对电极之间。2.根据权利要求1所述的电池状况指示器，其中该至少一个指示器电极进一步包含导电基底，该导电基底包含金属箔、金属膜、金属栅格、金属网、碳箔、碳膜、碳栅格、碳网、铜箔、铜膜、铜栅格、铜网、石墨网络、石墨膜、石墨箔、石墨栅格或石墨网。3.根据权利要求1所述的电池状况指示器，其中该至少一个指示器电极进一步包含导电基底，该导电基底包含长度、第一基底氧化还原区域和至少第二基底氧化还原区域;该第一基底氧化还原区域沿导电基底的长度邻近该至少一个第二基底氧化还原区域;该第一基底氧化还原区域包含至少一种氧化还原材料;并且该至少一个第二基底氧化还原区域包含至少一种氧化还原材料。4.根据权利要求1所述的电池状况指示器，其中该至少一个指示器电极进一步包含:非导电基底，该非导电基底包含聚合物膜、聚合物栅格或聚合物网；涂覆到非导电基底的至少一个表面上的导电材料，该导电材料包含石墨、石墨烯、铜、锌、锡和铟；以及涂覆到该导电材料的至少一个表面上的至少一种氧化还原材料。5.根据前述权利要求任一项所述的电池状况指示器，其中该至少一种氧化还原材料包含锌、锡、铟、络、铺、祕、铜、黄铜、青铜、氧化铜、氢氧化铜、氧化络、氧化镍、经基氧化镍、它们的任何合金或它们的任何组合。6.根据前述权利要求任一项所述的电池状况指示器，其中所述对电极包含金属氧化物、金属氢氧化物、金属羟基氧化物、镍、氧化镍、氢氧化镍、羟基氧化镍、氧化钒、锰、氧化猛、氢氧化猛、轻基氧化猛、二氧化猛、铜、氧化铜、氢氧化铜、铁、氧化铁、氢氧化铁、轻基氧化铁、钴、氧化钴、氢氧化钴、羟基氧化钴、铬、氧化铬、氢氧化铬、碳黑、石墨烯、石墨、氧气或它们的任何组合。7.根据前述权利要求任一项所述的电池状况指示器，其中该至少一个指示器电极经由电引线与电池的第一端子持久电连接，该电引线包含石墨、石墨烯、碳黑、铜、镍、锌或它们的任何组合。8.根据权利要求3所述的电池状况指示器，其中所述导电基底包含铜;所述第一基底氧化还原区域的至少一种氧化还原材料包含锌;并且所述第二基底氧化还原区域的至少一种氧化还原材料包含锡或铟。9.根据前述权利要求任一项所述的电池状况指示器，其中所述电池选自碱性电池、锂金属一次电池、镍金属氢化物电池、烃基氧化镍电池、高价镍电池、锂金属二次电池和锂离子二次电池。10.根据前述权利要求任一项所述的电池状况指示器，其中所述对电极具有电化学容量;所述至少一个指示器电极具有电化学容量;并且所述对电极的电化学容量是所述指示器电极的电化学容量的至少3倍。11.根据权利要求10所述的电池状况指示器，其中所述对电极的电化学容量是所述指示器电极的电化学容量的约3倍至约100倍。12.根据权利要求11或权利要求12所述的电池状况指示器，其中所述对电极的电化学容量是约150mC/cm2至约1，000，0001^/0112并且所述指示器电极的电化学容量是约50111(:/0112至约 I, OOOmC/cm2。
【文档编号】H01M10/48GK105934849SQ201480073619
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2014年11月24日
【发明人】I·T·贝, M·波津
【申请人】杜拉塞尔美国经营公司