專利名稱：鋅/空氣電池組裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有含鋅陽極和空氣陰極的金屬/空氣電池。本發(fā)明涉及具有含鋅陽極和含二氧化錳空氣陰極的金屬/空氣電池及組裝電池的工藝。
背景技術(shù)：
鋅/空氣去極化電池通常以小型鈕扣電池的形式，這些電池具有作為包括可編程型助聽器的電子助聽器用電池的特殊用途。這些小型電池通常具有直徑在約4-12mm之間、高度在約2-6mm之間的盤狀圓柱形狀。鋅空氣電池還可以制造成具有相當(dāng)于常規(guī)的AAAA、AAA、AA、C和D尺寸的Zn/MnO2堿性電池的圓柱形殼體尺寸的稍大尺寸，甚至制造成更大的尺寸。
小型鋅/空氣鈕扣電池通常包括陽極殼(陽極罐)和陰極殼(陰極罐)。陽極殼和陰極殼都具有封閉端、開口端以及從封閉端向開口端延伸的整體側(cè)壁。陽極殼匹配有絕緣密封環(huán)，該絕緣密封環(huán)緊緊環(huán)繞陽極殼側(cè)壁。在將所需材料插入陽極殼和陰極殼之后，通常在組裝過程中將陰極殼的開口端推向陽極殼的開口端，使得一部分陰極殼側(cè)壁覆蓋一部分陽極殼側(cè)壁并在它們之間絕緣密封。然后通過將陰極殼的邊緣卷曲在絕緣密封件和陽極殼上的第二步驟互鎖陽極和陰極殼。
可用含顆粒鋅的混合物填充陽極殼。通常，鋅混合物含有汞和膠凝劑，當(dāng)將電解液加入混合物中時凝膠化。電解液通常是氫氧化鉀的水溶液，但也可以采用其它水性堿性電解液。陰極殼的封閉端(當(dāng)殼體處于封閉端在頂部的垂直位置時)通常在其中心附近具有突起部分。該突起部分形成正極端子，通常含有貫穿其中的多個空氣孔。陰極殼封閉端通常也具有環(huán)繞正極端子的環(huán)形凹進臺階部。
陰極殼含有空氣擴散體(空氣過濾體)，該空氣擴散體襯在殼體封閉端的突起部分(正極端子接觸區(qū)域)的內(nèi)表面上?？諝鈹U散體可選自包括紙和多孔聚合物材料的各種空氣可透過材料。空氣擴散體鄰近在殼體封閉端的突起部分中的空氣孔放置。將典型含有顆粒二氧化錳、碳和疏水性粘合劑的催化劑材料壓緊成盤狀，在陰極組裝內(nèi)形成陰極盤。然后，把其中具有陰極盤的陰極組裝插入陰極殼中，并放在不接觸空氣孔的空氣擴散體一側(cè)的空氣擴散體上。通常，通過將電解質(zhì)阻擋材料層(疏水性空氣可透過膜)優(yōu)選是Teflon(四氟乙烯)層疊在催化陰極盤的一側(cè)、將電解質(zhì)可透過(離子可透過)隔膜材料層疊到催化陰極盤的相反側(cè)，從而形成陰極組裝。通常情況下，接著將其中具有陰極盤的陰極組裝插入陰極殼中，使得其中央部分覆蓋空氣過濾體，一部分電解質(zhì)阻擋層保持抵靠臺階內(nèi)表面的狀態(tài)。成品電池中的陰極盤接觸陰極殼壁。
如果沒有充分密封電池，電解液會遷移至催化陰極組裝的邊緣，可能出現(xiàn)電解液從陰極殼的泄漏。泄漏如果發(fā)生，則易于沿陰極催化組裝和陰極殼的外圍邊緣出現(xiàn)，然后通過在陰極殼封閉端的空氣孔從電池中逐步滲漏出來。當(dāng)陽極殼和陰極殼的壁厚非常薄例如在約2-5mil(0.0508-0.127mm)時，泄漏的可能性更大。這種低壁厚是所希望的，因為它導(dǎo)致了更大的內(nèi)部電池體積。然而，在通過卷邊而使電池封閉之后，壁厚非常薄的陰極殼更易于松弛或“反彈”。這種松弛會造成在陰極催化組裝和陰極殼內(nèi)表面之間的微觀路徑形成或擴大，反過來提供了電解液泄漏的路徑。
通常，陰極殼是優(yōu)選在冷軋鋼或不銹鋼的內(nèi)和外表面上覆有鎳層的鍍鎳?yán)滠堜摶蚋叉嚥讳P鋼。陽極殼同樣可以是鍍鎳不銹鋼，通常鎳鍍層形成殼體的外表面。陽極殼可以是三覆層材料，由具有鎳外層、銅內(nèi)層的不銹鋼構(gòu)成。在這種實施例中，鎳層通常形成陽極殼體的外表面，銅層形成陽極殼體的內(nèi)表面。銅內(nèi)層是理想的，因為它在鋅顆粒和陽極殼封閉端處的電池負極端子之間提供了高導(dǎo)電路徑?？蓪⒛途玫木酆衔锊牧系碾娊^緣體密封環(huán)插在陽極殼側(cè)壁的外側(cè)表面上。該絕緣環(huán)典型是高密度聚乙烯、聚丙烯或尼龍，這些材料抗擠壓時的流動(冷流)，并且抗堿性電解液的化學(xué)侵襲。
在電池組裝之后，在陰極殼表面上的空氣孔之上放置可去除接片。使用前將接片去除，露出空氣孔，使空氣進入電池中并激活電池。
利用更常規(guī)的陽極和大于約6mil(0.152mm)，例如，約6-20mil(0.152mm-0.508mm)，典型約為6-10mil(0.152-0.254mm)的殼壁厚度，其上具有絕緣密封件的陽極殼的外徑通常小于陰極殼的內(nèi)徑。(這些尺寸是在組裝過程中在將陰極殼放在陽極殼上之前測出的)。在這種情況下，當(dāng)在組裝步驟中(卷邊之前)把陽極殼和陰極殼推到一起時在絕緣密封體的外表面和陰極殼壁的內(nèi)表面之間實際上存在一些自由空間(零干擾)。這例如在美國專利3897265(Jaggard)第6欄第59-68行的舉例中得以證實。在Jaggard的舉例中，陰極殼具有0.020英寸的壁厚。陰極殼的內(nèi)徑是0.440英寸。陽極殼的外徑是0.410英寸。絕緣密封件具有0.010英寸的厚度。因此，在把陽極殼和陰極殼推在一起之后(卷邊前)，其上具有密封件的陽極殼的外徑是0.430英寸，該尺寸小于0.440英寸的陰極殼內(nèi)徑。
通常在a)組裝和b)卷邊的兩步驟中將陽極和陰極組裝在一起。在組裝步驟中，在電池直徑?jīng)]有出現(xiàn)任何縮小的情況下將陰極殼推到陽極殼之上。在卷邊步驟中使組裝電池經(jīng)過卷邊模具，其中，整個電池直徑通常會略微縮小，與此同時，陰極殼壁的邊緣卷曲在絕緣密封件和陽極殼之上，從而提供緊密密封的電池。
近年來，人們正致力于減小用于鋅/空氣鈕扣電池的陽極殼和陰極外殼的壁厚。此壁厚可減薄至低于更常規(guī)的6mil(0.152mm)-20mil(0.508mm)的標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)值。例如，在美國專利5582930(Oltman)中，提出了陽極殼壁厚度約為0.114-0.145nm(4.49-5.71mil)、陰極殼壁厚約為0.114-0.155mm(4.49-6.10mil)的鋅空氣鈕扣電池(第4欄，第26-33行)。在美國專利6436156(Wandeloski)中，提出了陽極殼和陰極殼的壁厚約為1-15mil(0.0254mm-0.381mm)的鋅/空氣鈕扣電池。因此，甚至低至1mil(0.0254mm)的陽極殼和陰極殼是人們所期待的。
具有減小壁厚的陽極殼和陰極殼的鋅/空氣鈕扣電池是人們希望的，因為更大的內(nèi)部體積可用于活性材料，由此延長了電池的使用壽命。然而，對于這種具有薄殼壁厚度例如約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的鋅/空氣鈕扣電池而言，在提供緊密、耐久密封方面比具有更常規(guī)殼壁厚度例如約為6-20mil(0.152-0.508mm)或更高壁厚的電池存在更大挑戰(zhàn)。
在對這種具有例如約為2-5mil(0.0508-0.127mm)、最好約為2-4mil(0.0508-0.102mm)的薄殼壁厚度的鋅/空氣鈕扣電池進行緊密耐久密封的設(shè)計時的一個困難在于，在將電池組裝好并將陰極殼邊緣卷曲在絕緣密封件和陽極殼上之后，陰極殼側(cè)壁松弛或反彈的趨勢。這種反彈作用會使陽極殼和陰極殼之間的密封界面松弛，由此提供了用于使堿性電解液從電池中漏出的路徑。
在組裝鋅/空氣電池的過程中例如在組裝步驟中(卷邊前)將陰極殼推向陽極殼之上的過程中的另一個挑戰(zhàn)在于，如果沒有非常小心地進行組裝，薄殼壁易于變形。例如，在常規(guī)的組裝步驟中，實際上是采用平?jīng)_頭并將該平?jīng)_頭推向陽極殼封閉端的平坦中央部分，同時將另一沖頭以相反方向推向陰極殼。這例如在美國專利5658356(Burns)中得以說明，其中，所示出的平?jīng)_頭48具有平坦表面，平齊地壓緊陽極殼54的封閉平面端52，另一沖頭46推向陰極殼20的封閉端22。并且，在卷邊步驟中(組裝后)，實際上是將平?jīng)_頭平齊地推向陽極殼的平坦封閉端，同時將另一沖頭以相反方向推向陰極殼的封閉端。這例如在美國專利3897265(Jaggard)中得以說明圖9和9a示出了將具有平面92的沖頭90以力F2壓緊電池10的陽極殼的封閉端，同時將另一沖頭82以更大的反力F1向下壓緊陰極殼的封閉端。這導(dǎo)致當(dāng)把電池推過模具腔81時電池尺寸縮小、陰極殼卷曲。盡管把這種組裝和卷邊技術(shù)應(yīng)用于例如具有約6-20mil(0.152-0.508mm)的壁厚的常規(guī)的陽極殼和陰極殼時是合適的，但對于厚度非常薄例如約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的陽極殼和陰極殼的組裝和卷邊來說是不合適的。
具體而言，當(dāng)把常規(guī)技術(shù)應(yīng)用于這種薄壁的陽極殼和陰極殼時，擠靠陽極殼封閉端的平坦中央部的平?jīng)_頭易于在組裝步驟中、尤其在卷邊步驟中使陽極殼的封閉端向內(nèi)變形(向內(nèi)凹進)。由于陽極殼的封閉端同時還用作電池負極端子，因此陽極殼封閉端的這種向內(nèi)凹進是不希望的，因為希望此電池端部平坦以便確保在所述負極端子和供電設(shè)備之間封閉、均勻的接觸。并且，陽極殼封閉端向內(nèi)凹進會減小用于活性材料的電池可用內(nèi)部體積。
與對薄壁鋅/空氣電池進行良好設(shè)計有關(guān)的另一挑戰(zhàn)是確保在陰極盤和陰極殼的內(nèi)表面之間建立和維持封閉、持久的接觸。鑒于在電池組裝和卷邊之后陰極殼松弛和反彈的趨勢，必須要完成此項挑戰(zhàn)。當(dāng)陽極殼和陰極殼的壁厚減薄至低值例如約為2-5mil(0.0508-0.127mm)時，上述“反彈作用”更為顯著。在將陰極殼推向陽極殼上之前，將陰極盤插入陰極殼。插入陰極盤使其緊靠陰極殼的封閉端，陰極盤的外圍邊緣面對陰極殼的內(nèi)表面。如果將陰極盤設(shè)計為與陰極殼的內(nèi)徑相等或比陰極殼的內(nèi)徑更小，反彈作用會降低在陰極盤邊緣和陰極殼之間接觸的均勻性。反彈作用還會圍繞陰極盤邊緣形成使電解液泄漏的路徑。另一方面，如果將陰極盤設(shè)計為使其直徑遠遠大于陰極殼的內(nèi)徑，則會發(fā)生陰極盤的變形和表面起皺。這同樣會導(dǎo)致電解液從電池內(nèi)部漏出。
希望制成一種鋅/空氣電池，在陰極殼壁卷繞在陽極殼之上并將絕緣材料放置其間之后該電池保持緊密地密封。
希望制成一種鋅/空氣電池，該電池在陰極盤的邊緣和陰極殼壁的內(nèi)表面之間保持緊密接觸。
希望制成一種盡管陽極殼和陰極殼具有非常小的壁厚例如約為2-5mil(0.0508-0.127mm)卻仍能維持緊密密封的鋅/空氣電池，由此減少電解液泄漏的機會。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及鋅/空氣電池，尤其是鈕扣電池狀的小型鋅/空氣電池，還涉及用于它們制造的改進的組裝方法。
本發(fā)明的一方面涉及一種組裝方法，其中，鋅/空氣電池的陽極殼和陰極殼(陽極罐和陰極罐)填充有活性材料和所需的內(nèi)部組裝。通常，陽極殼和陰極殼分別呈杯狀，具有封閉端和相對開放端。尤其是，將其中含有陰極盤的陰極組裝插入陰極殼中，使得其圓周邊緣面對陰極殼側(cè)壁的內(nèi)表面。將沖頭施加于陰極盤以將其壓向陰極殼的封閉端。這使陰極盤徑向伸展，致使陰極盤和陰極殼側(cè)壁的內(nèi)表面之間緊密地緊配合。然后，對其中帶有所有電池組裝的陽極殼和陰極殼進行a)組裝步驟和b)卷邊步驟，在a)組裝步驟中將陽極殼和陰極殼推到一起，在b)卷邊步驟中將陰極殼的邊緣卷在陽極殼的側(cè)壁之上并將絕緣密封件設(shè)置其間。陽極殼的封閉端最好是平坦的并用作電池負極端子。陰極殼的封閉端具有平坦的中央部分，空氣孔穿過該中央部分。陰極殼封閉端的平坦中央部用作電池正極端子，該平坦中央部典型被凹進(recessed)環(huán)形臺階所圍繞。本發(fā)明的方法特別適用于具有約為2.0-5.0mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、最好約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼和陰極殼壁厚的鋅/空氣電池。這些壁厚適用于單層(未折疊)陽極殼和陰極殼側(cè)壁的厚度，也適用于陽極殼和陰極殼的封閉端的厚度。在某些實施例中，陽極殼側(cè)壁可有效折疊一次，形成雙側(cè)壁。在此實施例中，應(yīng)認識到以上壁厚范圍適用于雙側(cè)壁的每一側(cè)壁。
作為優(yōu)選，將填充后的陽極殼和陰極殼經(jīng)過a)組裝步驟，其中，在沒有使總電池直徑出現(xiàn)任何縮小的情況下將它們推到一起以形成中間電池；然后，b)將中間電池沖進模具腔，其中，將陽極殼的邊緣卷曲到陰極殼的斜側(cè)部之上，并使絕緣密封材料位于其間。模具腔可具有稍尖的圓錐形狀，使得在將電池沖入所述模具腔時使總電池直徑略微減小了至少約5mil(0.127mm)。在組裝步驟中，可將陽極殼放置在支撐座中，希望該支撐座具有從其突出并與陽極殼的封閉端的拐角邊緣接觸的環(huán)形邊緣。作為優(yōu)選，在此實施例中，支撐座的任何部分都不接觸陽極殼封閉端的平坦中央部。將陽極殼對齊使其正對于陽極殼之上。在組裝步驟中，環(huán)形陰極殼沖頭可抵靠陰極殼封閉端的凹進臺階部，陽極殼的封閉端的拐角邊緣留在環(huán)形支撐座上。在此情況下，沖頭抵靠陰極殼的力把陰極殼推向底部陽極殼側(cè)壁之上。
在替代的組裝步驟中，用于陽極殼的支撐座可以是環(huán)形沖頭，該沖頭僅撞擊陽極殼封閉端的拐角邊緣。陰極殼優(yōu)選是定向的，使其直接位于陽極殼之上。將向下的力施加于陰極殼沖頭使得陰極殼受力向下，同時將小一些的反向向上力施加于陽極殼封閉端的拐角邊緣。由此在沒有使陽極殼封閉端出現(xiàn)任何向內(nèi)凹進或偏轉(zhuǎn)的情況下將陽極殼陰極殼推到一起。
在組裝之后，將中間電池沖入模具腔中，以便將陰極殼的邊緣卷在陽極殼的斜部之上，并使絕緣密封件位于其間。根據(jù)本發(fā)明，環(huán)形陰極沖頭可受力向下沖壓陰極殼的環(huán)形臺階部，與此同時，環(huán)形沖頭可受力向上沖壓陽極殼封閉端的拐角邊緣。陰極殼沖頭的向下力大于陽極殼沖頭的向上力，從而使中間電池通過模具腔移動并致使卷邊。作為優(yōu)選，陽極殼沖頭僅接觸并擠壓陽極殼的拐角邊緣。也就是說，在卷邊步驟中，發(fā)現(xiàn)所希望的是，陽極殼沖頭的任何部分都不撞擊陽極殼封閉端的平坦中央部分。所得到的是最終的鋅/空氣電池，該電池在沒有使陽極殼的封閉端出現(xiàn)任何向內(nèi)凹進或變形的情況下卷邊并緊密密封。
在本發(fā)明的另一方案中，優(yōu)選對鋅/空氣電池進行設(shè)計，使得在其上帶有絕緣密封件的陽極殼的外側(cè)總量(總直徑(d1))和陰極殼的內(nèi)部直徑(d2)之間存在強制緊配合。也就是說，當(dāng)在將陰極殼推向陽極殼上之前進行測量時，陽極殼加上在其上的絕緣密封件的外徑最好大于陰極殼的內(nèi)徑。作為優(yōu)選，對于約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的陽極殼和陰極殼壁厚，希望在這些直徑中的差值(d1-d2)約為0.5-4.5mil(0.0127-0.114mm)，優(yōu)選約為2-4.5mil(0.0508-0.114mm)。對于約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼和陰極殼壁厚，希望在這些直徑中的差值(d1-d2)約為0.5-4.5mil(0.0127-0.114mm)，優(yōu)選約為2-4.5mil(0.0508-0.114mm)，希望約為1.5-2.5mil(0.0381-0.0635mm)。壁厚可以在將陰極殼推到陽極殼上之前(圖3)或在將電池完成之后(圖1)進行測量。對于約為5-6mil(0.127-0.152mm)的陽極殼和陰極殼壁厚，希望強制緊配合(d1-d2)約為0.5-3mil(0.0127-0.0762mm)，優(yōu)選約為1-3mil(0.0254-0.0762mm)。對于約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼和陰極殼壁厚，希望強制緊配合(d1-d2)約為2-4.5mil(0.0508-0.114mm)。
在另一方案中，陽極殼和陰極殼具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的薄的壁厚，希望壁厚約為2-4mil(0.0508-0.0762mm)，優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)，已明確，希望將陰極盤設(shè)計成當(dāng)把陰極組裝插入并沖入陰極殼之后進行測量時使得陰極盤的直徑大于陰極殼的內(nèi)徑。尤其是，希望在將陰極組裝插入并沖入陰極殼中之后進行測量時，形成陰極組裝的一部分的陰極盤(典型包含二氧化錳)的外徑大于陰極殼的內(nèi)徑。因此，在將陰極組裝插入并沖入陰極殼中之后，在陰極盤的邊緣和陰極殼壁的內(nèi)表面之間將存在強制緊配合。這確保了在陰極盤邊緣和陰極殼內(nèi)表面之間保持緊密一致的接觸，進一步確保了放電時電池的一致性能。即使在卷邊步驟之后存在薄壁厚的陰極殼松弛并“反彈”的趨勢，也將維持這種緊密均勻的接觸。
當(dāng)陽極殼和陰極殼的壁厚約為2-5mil(0.0508-0.127mm)時，希望陰極組裝的直徑、尤其是其中的陰極盤的直徑比陰極殼的內(nèi)徑大0.5mil-2.5mil(0.0127-0.0635mm)左右，更優(yōu)選大1mil-2.0mil(0.0254-0.0508mm)左右。當(dāng)陽極殼和陰極殼的壁厚約為2-3mil(0.0508-0.0762mm)時，希望陰極組裝的直徑、尤其是其中的陰極盤的直徑比陰極殼的內(nèi)徑大1.0-1.5mil(0.0254-0.0381mm)左右?？梢岳斫猓睆缴系牟顒e是在將陰極盤插入并沖入陰極殼之后測量的。


參照附圖更好地理解本發(fā)明，其中圖1是本發(fā)明的鋅/空氣電池的實施例的等大橫截面圖。
圖2是圖1所示的催化陰極組裝的優(yōu)選實施例的分解圖。
圖3是在將陰極殼推到陽極殼上之前電池的陽極殼和陰極殼的橫截面圖。
圖4是在組裝步驟中被推到陽極殼之上的陰極殼的橫截面圖。
圖5是通過將電池沖入模具中而對其進行卷邊步驟的電池的橫截面圖，其中將陰極殼邊緣卷到陽極殼側(cè)壁之上并使絕緣密封件處于其間。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及氣體去極化電化學(xué)電池。這種電池具有通常含鋅的金屬陽極和空氣陰極。該電池通常被稱作金屬/空氣去極化電池，更多情況下稱作鋅/空氣電池。
本發(fā)明的鋅/空氣電池最好是以小型鈕扣電池的形式。特別適用于作為電子助聽器的電源。本發(fā)明的小型鋅/空氣鈕扣電池通常具有盤狀圓柱形狀，直徑約為4-16mm，優(yōu)選約為4-12mm，高度約為2-9mm，優(yōu)選約為2-6mm。小型鋅/空氣電池通常具有約為1.2伏-0.2伏的工作負載電壓。該電池在約1.1伏和約0.9伏之間具有基本上平坦的放電電壓曲線，然后電壓相當(dāng)迅速地降為零。該小型鈕扣電池通常以約為0.2-25milliAmp的速率放電。在此使用的術(shù)語“小型電池”或“小型鈕扣電池”想要包括這種小尺寸的鈕扣電池，但并不想限制于此，因為其它形狀和尺寸的小型鋅/空氣電池也是可行的。例如，鋅空氣電池還可以制造成具有相當(dāng)于常規(guī)的AAAA、AAA、AA、C和D尺寸的Zn/MnO2堿性電池的圓柱形殼體尺寸的稍大尺寸，甚至制造成更大的尺寸。
本發(fā)明的電池可含有添加汞，例如，約為陽極中鋅重量的3％，或者可基本上不含汞(零添加汞電池)。在這種零添加汞電池中沒有添加的汞，僅微量存在著自然存在于鋅中的汞。因此，本發(fā)明的電池可具有每一百萬重量份的鋅低于約100重量份(ppm)的總汞量，優(yōu)選每一百萬重量份(ppm)的的總汞量鋅中低于約40重量份，更優(yōu)選每一百萬重量份的鋅中的總汞量低于約20重量份。(在此采用的術(shù)語“基本上不含汞”表示電池具有每一百萬重量份的鋅低于約100重量份的汞量)。本發(fā)明電池的陽極中可含有非常少量的鉛添加劑。如果向陽極中加入鉛，則電池中的鉛含量通常為陽極中鋅含量的約100-600ppm。但最好電池不含添加量的鉛，因此基本上不含鉛，也就是說，陽極中的總鉛量低于20ppm，最好低于15ppm。
本發(fā)明的鋅/空氣電池210(圖1)具有陽極殼260、陰極殼240以及設(shè)置其間的電絕緣材料270。陽極殼260和陰極殼240優(yōu)選分別呈罐子或杯子的形狀，具有封閉端和相對開放端。陽極殼260具有形成側(cè)壁的主體263、一體的封閉端269和開口端267。陰極殼240具有主體242、一體的封閉端249和開口端247。陰極殼的封閉端249(當(dāng)殼體保持在封閉端向上的垂直位置時)通常具有接近其中心的突出部分244。該突出部分244形成正極端子接觸區(qū)，通常含有貫穿其中的多個空氣孔243。陰極殼封閉端249通常還具有環(huán)形凹進臺階部245，該臺階部245從突出端子部分的外圍邊緣246延伸至外圍邊緣248。
陽極殼260含有陽極混合物250，陽極混合物250包含顆粒鋅和堿性電解液。顆粒鋅最好與約100-1000ppm的銦合金化。陽極殼240封閉端表面的突出部分244中有多個空氣孔243。將含有催化復(fù)合材料234的陰極催化組裝230(圖2)放在殼體內(nèi)接近空氣孔的位置。催化復(fù)合材料234包括涂覆在篩網(wǎng)237上的盤狀催化陰極混合物233。在電池放電過程中，催化材料233與通過空氣孔243進入的環(huán)境氧氣進行電化學(xué)反應(yīng)。沿陰極殼240內(nèi)表面的一部分涂覆粘接密封劑143。在優(yōu)選實施例中，粘接劑可作為連續(xù)環(huán)涂覆在圖1所示的外殼的封閉端249的凹進環(huán)形臺階部245的內(nèi)表面245a上，如美國專利6436156B1中所描述的那樣。如果陰極殼的封閉端是平的，也就是說，不具有凹進臺階部245，粘接密封劑134可涂覆在鄰接所述封閉端的外圍邊緣248的封閉端249的內(nèi)表面。在后一種情況下，粘接密封劑143最好以連續(xù)環(huán)的方式涂覆到封閉端249的內(nèi)表面，使得粘接劑143的連續(xù)環(huán)具有約為封閉端249的內(nèi)徑的75-100％的外徑，優(yōu)選約為90-100％，更優(yōu)選約為95-100％。
通過將電解質(zhì)阻擋膜材料層235優(yōu)選Teflon(四氟乙烯)層疊在催化復(fù)合材料234的一側(cè)，將離子可透過隔膜材料238層疊在它的另一側(cè)，從而形成陰極催化組裝230(圖1和2)。電解質(zhì)阻擋膜235優(yōu)選為Teflon具有以下性質(zhì)可透過空氣，但保留從其經(jīng)過水和電解液?？蓪㈥帢O催化組裝230的邊緣提供到臺階部245上的所述粘接環(huán)143，由此在陰極復(fù)合材料234和殼體臺階部245之間提供永久的粘接密封。在特定實施例中，陰極催化組裝230可提供到臺階部245上的粘接環(huán)143，電解質(zhì)阻擋層235接觸該粘接環(huán)。在優(yōu)選實施例中，將單獨的電解質(zhì)阻擋片232優(yōu)選為Teflon提供給臺階部245的內(nèi)表面245a上的粘接環(huán)143，由此將電解質(zhì)阻擋片232粘到臺階部245的內(nèi)表面。然后將催化組裝230提供到電解質(zhì)阻擋片232上，優(yōu)選使第二電解質(zhì)阻擋片235(優(yōu)選為Teflon)的表面接觸阻擋片232(圖2)。當(dāng)阻擋片232粘接到臺階部245的內(nèi)表面245a時，尤其是與相對于阻擋片232提供的第二阻擋片235(圖2)結(jié)合時，該阻擋片232防止了電解液圍繞催化組裝230的邊緣遷移并逐漸泄漏到空氣孔243之外，從而提供了非常有效的密封。粘接密封件143的使用還減小了在將外圍邊緣242b卷到陽極殼體上的過程中所需的卷邊力的量。這對于壁厚約為0.001英寸(0.0254mm)-0.015英寸(0.38mm)的薄壁厚的陽極殼和陰極殼240和260、尤其是壁厚約為0.002-0.005英寸(0.0508-0.127mm)的陽極殼和陰極殼是特別有利的。當(dāng)采用薄催化陰極組裝230時粘接密封劑143的使用同樣是有利的，這是因為高卷邊力可能使這種薄殼體和陰極組裝扭曲或裂開。
圖1中示出了本發(fā)明的成品鋅/空氣電池的優(yōu)選實施例。圖1所示的實施例呈小型鈕扣電池狀。電池210包括陰極殼240(陰極罐)、陽極殼260(陽極罐)、電絕緣材料270設(shè)置其間。絕緣件270最好呈環(huán)形，插在陽極殼體263的外表面上，如圖1所示。絕緣環(huán)270最好具有在陽極殼240的外圍邊緣263d外延伸的增大部分273a(圖1)。具有增大部分273a的絕緣體270防止了在電池密封后陽極活性材料接觸陽極殼240。絕緣體270是當(dāng)凍結(jié)時抗流動(抗冷流)的耐久電絕緣材料，例如高密度聚乙烯、聚丙烯或尼龍。
陽極殼260和陰極殼240是最初分離的部件。陽極殼260和陰極殼240分別填充有活性材料，然后將陽極殼260的開口端267插入陰極殼240的開口端247。陽極殼260可具有由垂直向上延伸的第一外直體部分263e(圖1)形成的折疊側(cè)壁，該第一外直體部分263e形成殼體260的外側(cè)壁。該直體部分263e最好在邊緣263d處一次彎折，以形成陽極殼側(cè)壁的第一向下延伸內(nèi)部263a。折疊部分263a和263e由此形成雙側(cè)壁，該雙側(cè)壁一起提供彈簧狀張力，附加支撐在陽極殼體263和相鄰密封壁270之間。這有助于在陽極殼和陰極殼之間保持緊密密封。作為選擇，陽極殼240的側(cè)壁可形成為單壁263a，沒有折疊部分263e。然而，在此圖中所示出的具有折疊(雙)側(cè)壁的陽極殼240被確定為最好是非常薄壁厚的殼體，例如，具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)、2-4mil(0.0508-0.102mm)、優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的壁厚，該厚度范圍適用于各折疊部分263a和263e。此厚度范圍同樣適用于陽極殼的封閉端269。在具有折疊側(cè)壁的陽極殼中(圖1)，內(nèi)側(cè)壁部分263a終止于向內(nèi)傾斜部分263b，向內(nèi)傾斜部分263b終止于第二向下延伸垂直部分263c。第二垂直部分263c比垂直部分263a的直徑更小。部分263c以90度的彎角終止，形成優(yōu)選具有平坦負極端子表面265的封閉端269。
陰極殼240的主體242具有從封閉端249垂直向下延伸的最大直徑的垂直部分242a。主體242終止于外圍邊緣242b。陰極殼240的外圍邊緣242b和絕緣環(huán)270的下部外圍邊緣273b最初垂直直立(如圖3和4所示)，并機械地卷曲在陽極殼260的傾斜中部263b(如圖5所示)。這種卷邊工藝將陰極殼240原位鎖定在陽極殼260之上并形成緊密密封的電池。
陽極殼260可通過首先制備顆粒鋅和粉末狀膠凝劑材料的混合物的方式單獨填充有陽極活性材料。鋅的平均粒徑最好約為30-350微米。鋅可以是純鋅，但優(yōu)選是以與銦(100-1000ppm)合金化的顆粒鋅的形式。鋅也可以是以與銦(100-1000ppm)和鉛(100-1000ppm)合金化的顆粒鋅的形式。也可以采用鋅的其它合金，例如，與銦(100-1000ppm)和鉍(100-1000ppm)合金化的顆粒鋅。這些顆粒鋅合金主要由純鋅構(gòu)成，具有主要為純鋅的電化學(xué)容量。因此，術(shù)語“鋅”應(yīng)當(dāng)理解為包括這些材料。膠凝劑材料可選自各種已知的膠凝劑，它們基本上不溶于堿性電解液。這種膠凝劑例如可以是交聯(lián)的羧甲基纖維素(CMC)；淀粉接枝共聚物，如以水解的接枝到淀粉骨架上的聚丙烯腈的形式，可采用商品Waterlock A211(Grain Processing Corp.)；交聯(lián)的聚丙烯酸聚合物，可采用商品Carbopol C940(B.F.Goodrich)；堿性皂化聚丙烯腈，可采用商品Waterlock A 400(Grain Processing Corp.)；和被稱作聚丙烯酸鈉高吸收聚合物的聚丙烯酸的鈉鹽，可采用商品Waterlock J-500或J-550。所形成的顆粒鋅和膠凝劑粉末的干混物中膠凝劑的含量典型為干混物的約0.1-1wt％。將含有約30-40wt％KOH和約2wt％ZnO的水性KOH電解液的溶液加入到干混物中，并將成形的濕陽極混合物250插入陽極殼260中。作為選擇，可首先將顆粒鋅和膠凝劑的干粉混合物放入陽極殼260中，并加入電解液以形成濕陽極混合物250。
可按下述方式將催化陽極組裝230(圖1和2)和空氣擴散體231插入殼體240中可把以空氣多孔濾紙或多孔聚合物材料形式的空氣擴散體盤231(圖1)插入陰極殼240中，使其相對于空氣孔243靠緊殼體的突出部分244的內(nèi)表面。最好將粘接密封環(huán)143提供給在陰極殼封閉端處的凹進臺階部245的內(nèi)表面24a。將例如為聚四氟乙烯(Teflon)的單獨電解質(zhì)阻擋層(圖1和圖2)選擇性地插在空氣擴散體231之上，以使阻擋層232的邊緣接觸粘接環(huán)143。阻擋層232可透過空氣，但不可透過堿性電解液或水。粘接環(huán)143由此永久地將阻擋層232的邊緣粘接到凹進臺階部245的內(nèi)表面。具有粘接其上的阻擋層232的粘接環(huán)143防止了電解液從陽極遷移到陰極催化組裝230并圍繞該組裝230并通過空氣孔243從電池中泄漏出來。圖2所示的催化陰極組裝230制成為疊層體，包括電解質(zhì)阻擋材料層235、在阻擋層235下面的陰極復(fù)合材料盤234和在催化復(fù)合材料盤234下面的離子可透過隔膜材料層238，如圖2所示。隔膜238可選自常規(guī)的離子可透過隔膜材料，包括玻璃紙、聚氯乙烯、丙烯腈和微孔聚丙烯。這些層的每一層可單獨制備并通過施加熱量和壓力而層疊在一起，由此形成催化組裝230。電解質(zhì)阻擋層235最好是聚四氟乙烯(Teflon)。然后將催化組裝230提供到電解質(zhì)阻擋片232之上(圖2)，該催化組裝230優(yōu)選帶有與阻擋片232接觸的阻擋(Teflon)片235表面。
催化陰極復(fù)合材料234最好包括顆粒二氧化錳、碳和疏水性粘合劑的催化陰極混合物233，該催化陰極混合物233通過常規(guī)涂覆方法涂覆到導(dǎo)電篩網(wǎng)237優(yōu)選為鎳篩網(wǎng)的表面。陰極混合物233形成為盤狀，在此可稱作陰極盤。其它催化材料可包括或采用例如像銀、鉑、鈀和釕那樣的金屬、或其它金屬或錳的氧化物(MnOx)、以及現(xiàn)有用于催化氧化還原反應(yīng)的其它元素。在應(yīng)用過程中，催化混合物233幾乎都被吸入篩網(wǎng)237的多孔網(wǎng)中。用在催化混合物233中的二氧化錳可以是常規(guī)的電池級二氧化錳，例如電解二氧化錳(EMD)。在催化混合物233中的二氧化錳還可以是由硝酸錳Mn(NO3)2的熱分解形成的二氧化錳。用于混合物233制備的碳可以是包括石墨、碳黑和乙炔黑的各種形式。優(yōu)選的碳是碳黑，因為它的高表面積。合適的疏水性粘合劑可以是聚四氟乙烯(Teflon)。催化混合物233通?？砂s為3-10wt％MnO2、10-20wt％的碳和余量粘合劑。在電池放電過程中，催化混合物233主要用作催化劑以推進包含進入空氣的電化學(xué)反應(yīng)。然而，可將附加的二氧化錳加入到催化劑中，使電池轉(zhuǎn)化為空氣協(xié)助鋅/空氣電池或空氣協(xié)助堿性電池。在這種可呈鈕扣電池形式的電池中，至少一部分二氧化錳放電，也就是說，在連同進入氧氣一起進行的電化學(xué)放電過程中，一些錳被還原。粘接環(huán)143最好也應(yīng)用于這種空氣協(xié)助電池中以防止電解液從中泄漏。
在優(yōu)選實施例(圖1)中，陽極殼260的內(nèi)表面上具有鍍銅或覆銅層266，這樣在組裝電池中，鋅陽極混合物250接觸銅層。鍍銅層是最好的，因為它提供了高導(dǎo)電性路徑，當(dāng)鋅放電時，該高導(dǎo)電性路徑使電子從陽極250傳遞到負極端子265。陽極殼260最好由在其內(nèi)表面上鍍有銅層的不銹鋼形成。作為優(yōu)選，陽極殼260由三覆層材料形成，三覆層材料由在其內(nèi)表面具有銅層266、在其外表面具有鎳層262的不銹鋼264構(gòu)成，如圖1所示。因此，在成品組裝電池210(圖1)中，銅層266形成與鋅陽極混合物250接觸的陽極殼內(nèi)表面，鎳層262形成陽極殼外表面。銅層266最好具有約為0.0002英寸(0.005mm)-0.002英寸(0.05mm)的厚度。鎳層約為0.0001英寸(0.00254mm)-0.001英寸(0.0254mm)。
借助具體的、非限制性的實施例，電池尺寸可以是標(biāo)準(zhǔn)尺寸312鋅/空氣電池，該電池的外徑約為0.3025-0.3045英寸(7.68-7.73mm)，高度約為0.1300-0.1384英寸(3.30-3.52mm)。陽極250可含有零添加汞(汞含量低于電池重量的20ppm)，并可具有以下組成鋅77.8wt％(鋅可以與分別為200-500ppm的銦和鉛合金化)、電解液(40wt％KOH和2wt％ZnO)21.9wt％、膠凝劑(Waterlock J-550)0.3wt％、鉛400ppm(0.04wt％)。陰極催化劑組分237可具有以下組成MnO24.6wt％、碳黑15.3wt％、Teflon粘合劑18.8wt％、鎳篩網(wǎng)61.2wt％?？偟年帢O催化極組分237可以是0.140g。陽極250可含有零添加汞(汞含量低于電池重量的20ppm)，并可具有以下組成鋅77.8wt％(鋅可以與分別為200-500ppm的銦和鉛合金化)、電解液(40wt％KOH和2wt％ZnO)21.9wt％、膠凝劑(Waterlock J-550)0.3wt％、鉛400ppm(0.04wt％)。提供足量的陽極材料250以填充陽極殼260的內(nèi)部容積。粘接密封劑143可作為連續(xù)環(huán)提供給陰極殼凹進臺階部245的內(nèi)表面。
施加于臺階部245內(nèi)表面245a的粘接劑141可以是含有聚丙烯酰胺基粘接劑組分的溶劑基混合物，正如在美國專利6436156B1中描述的那樣，在此引作參考。粘接劑組分因此最好是低分子量熱塑性聚酰胺樹脂。優(yōu)選的聚酰胺樹脂可采用以下商品REAMID-100或VERSAMID-100(出自Henkel公司或Cognis公司)。REAMID-100或VERSAMID-100是低分子量聚酰胺，在室溫下為凝膠。它是分子量約為390的二聚脂肪酸，是二聚脂肪酸與二元胺的反應(yīng)產(chǎn)物。它具有糖蜜濃度(molasses consistency)和室溫下約為30-50泊的粘度。通過將REAMID-100聚酰胺溶解于50wt％的異丙醇和50wt％的甲苯的溶劑中，從而容易地形成粘合劑混合物。適用于REAMID-100的另一種溶劑是40wt％的異丙醇、40wt％的甲苯和20wt％的丁醇的混合物。包括REAMID-100和與其混合以達到約1100厘泊的所需混合粘度的溶劑的粘接劑混合物可從Specialty化學(xué)公司獲得。聚酰胺基粘接劑是最好的，因為它以低粘接厚度在材料之間例如Teflon和金屬之間、如Teflon片和鍍鎳鋼之間提供了非常強的粘結(jié)力。具體而言，涂覆到陰極殼臺階部245內(nèi)表面245a的聚酰胺粘接劑層143以低粘接厚度(例如，在溶劑蒸發(fā)后為7微米厚)在Teflon片232和鍍鎳殼體之間提供了非常強的粘結(jié)(步驟245)。聚酰胺基粘接劑混合物也是理想的，因為它抗氫氧化鉀電解液的化學(xué)侵襲。雖然更高分子量的聚酰胺基粘接劑組分也可用在混合物中，但是最好采用更低分子量的聚酰胺例如REAMID-100，這是因為更低分子量的粘接劑更易溶于溶劑中。在將粘接劑涂覆到臺階部245之后，它在大約1-3秒內(nèi)迅速變干，在臺階部245上留下了約7-10微米厚的膠粘環(huán)。粘接劑在約1-3秒內(nèi)迅速變干。
通過首先將上述陰極組分插入預(yù)彎邊的陰極殼240(圖3)中，從而組裝電池210。空氣擴散體231緊靠空氣孔42插入，電解質(zhì)阻擋層232優(yōu)選為Teflon放在空氣擴散體231上。作為優(yōu)選，陰極殼臺階部245的內(nèi)表面245a涂覆有上述粘接劑143，因而電解質(zhì)阻擋層232的邊緣粘接到臺階部245的內(nèi)表面245a。作為優(yōu)選，絕緣密封盤270的增大部分273a的底表面(面向電池內(nèi)部)涂覆有如圖3所示的粘接劑144。粘接劑144可具有與粘接劑143相同的組分。雖然可以省略粘接劑層143和144，但是最好包括，尤其對于具有非常薄的陽極殼和陰極殼壁厚的電池。例如，對于陽極殼和陰極殼厚度約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、更優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.762mm)的電池210而言，最好包括粘接劑層143和144。將陰極組裝230(圖2)插入電解質(zhì)阻擋層232之上。
當(dāng)電池以陰極殼在上的方式垂直設(shè)置時，陰極殼240的側(cè)壁242從垂直位置朝邊緣242b略微向外傾斜約3-6度。在此確定的陰極殼240的內(nèi)徑d2是側(cè)壁242的三分中一的平均直徑。也就是說，確定側(cè)壁242的三分中一的位置，確定在所述側(cè)壁的所述三分中一內(nèi)陰極殼的平均內(nèi)徑。通過限定，這是陰極殼240的平均內(nèi)徑d2。陰極殼233在插入殼體240之前具有略小于陰極殼240的內(nèi)徑d1的直徑(例如，小于約1mil(0.0254)更小)，從而在沒有損壞側(cè)壁242的內(nèi)表面的情況下將陰極盤233插入陰極殼240。將包括陰極盤233的陰極組裝230插入陰極殼240，使得包括陰極盤233的陰極組裝230緊靠陰極殼的封閉端，如圖3所示。然后采用沖頭以約為50-60psia(力F’)的壓力沖壓陰極組裝230的露出表面，陰極組裝230擠壓陰極盤233，從而使陰極盤233的直徑徑向擴展。
不改變陰極殼的平均內(nèi)徑d2。在朝陰極殼240的封閉端進行沖壓之后，陰極殼的直徑大于陰極殼240的平均內(nèi)徑d2。通過下述方式容易地測量出陰極盤233的直徑剝?nèi)リ帢O殼側(cè)壁242，由此露出陰極盤233的邊緣，從而測出所述盤的直徑。當(dāng)陽極殼160和陰極殼240各具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的壁厚時，如此測量時(在沖壓了陰極殼240的封閉端之后)陰極盤233的直徑比陰極殼240的平均內(nèi)徑d2大約0.5-2.5mil(0.0127-0.0635mm)。作為優(yōu)選，當(dāng)所述陽極殼和陰極殼各具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的壁厚時，陰極盤233的直徑(在沖壓了陰極殼240的封閉端之后測出的)比陰極殼240的平均內(nèi)徑d2大1.0-2.0mil(0.0254-0.0508mm)左右。具體而言，當(dāng)260陽極殼和陰極殼240各具有約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的壁厚時，陰極盤233的直徑(在沖壓了陰極殼240的封閉端之后測出的)優(yōu)選比陰極殼240的內(nèi)徑d2大1-1.5mil(0.0254-0.0381mm)左右。該壁厚既可以在將陰極殼推到陽極殼上之前(圖3)測量，也可以在將電池完成后(圖1)測量。作為優(yōu)選，如圖3所示折疊陽極殼側(cè)壁263。在這種情況下，各折疊部分263a和263e具有約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的壁厚。
陽極殼260可繪成圖3所示形狀，例如，具有由在內(nèi)部分263a形成的直側(cè)壁，將該在內(nèi)部分263a翻折一次以形成外部263e。因此，實際上雙側(cè)壁由內(nèi)壁263a和外壁263e形成。絕緣密封環(huán)270放在陽極殼側(cè)壁上。然后用上述陽極材料250填充陽極殼260。在組裝步驟中，陽極殼260可位于環(huán)形支撐體400的突出環(huán)形表面410上，從而僅使圓角邊緣260r接觸支撐體400，如圖4所示。作為優(yōu)選，優(yōu)選具有凸面的整個圓角邊緣260r與支撐體400的環(huán)形表面410接觸。沖頭400的環(huán)形接觸面410可具有凹面，該凹面配合在凸面260r上。但沖頭400的環(huán)形接觸面410可以是傾斜的平面，例如，當(dāng)陽極殼260處于如圖4所示的垂直位置并從水平方向進行測量時，是以約為30-60度、典型為45度的角度傾斜的平面。
支撐體400被設(shè)計成具有環(huán)形邊緣410，因此陽極殼260位于支撐體400上。陽極殼的封閉端269的中央部分不接觸支撐體400。除非另外說明，否則在此定義的封閉端269的中央部分是指所述封閉端的以下部分在從所述封閉端的中心延伸到所述封閉端的半徑的至少1/3之內(nèi)的部分。(封閉端269的中心與中心縱軸190相交)。作為選擇，封閉端269的中央部分可定義為所述封閉端的以下部分在從所述封閉端的中心延伸的所述封閉端半徑的2/3內(nèi)的部分。作為優(yōu)選，支撐體400僅擠壓陽極殼260的封閉端269的圓角邊緣260r，因此不擠壓封閉端269的中央部分。對于壁部非常薄的陽極殼而言，例如，對于最終壁厚約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、更優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼而言，這種支撐體400是非常理想的。在如圖1所示的雙(折疊)側(cè)壁的情況下，應(yīng)理解，上述范圍適用于各部分，即內(nèi)壁263a和外壁263e。這些范圍最好應(yīng)用于陽極殼封閉端269和陰極殼封閉端249。當(dāng)陽極殼和陰極殼以常規(guī)方式經(jīng)過組裝線時，它們的殼體應(yīng)當(dāng)是對齊的(圖3)。當(dāng)這樣對齊時，常規(guī)的環(huán)形沖頭300以力Fa擠壓陰極殼臺階部245，從而把陰極殼側(cè)壁242推到陽極殼上的絕緣密封件270的邊緣上。當(dāng)沖頭300擠壓陰極臺階部245時，支撐體400可以固定不動。然而，當(dāng)陰極沖頭以力Fa向下擠壓時，支撐體400也可以環(huán)形沖頭的形式以向上力Fb沿圓周擠壓到凸起圓角邊緣260r上。在這種情況下，力Fa優(yōu)選大于力Fb。在此實施例中，環(huán)形沖頭400優(yōu)選不擠壓陽極殼封閉端的中央部分。由此將陽極殼和陰極殼組裝在一起，形成如圖4所示的中間電池210。
然后，對圖4所示的中間電池210進行卷邊步驟(圖5)，其中，將陰極殼邊緣242b和絕緣密封件邊緣273b卷曲在陰極殼傾斜側(cè)部263b，從而形成成品卷邊電池(圖1)。在卷邊步驟中，將組裝好的中間電池(圖4)沖入模具500的空腔520中(圖5)。由略呈圓錐形的向內(nèi)傾斜壁限定空腔520(未示出)。在卷邊步驟中(圖5)，提供具有突出環(huán)形表面610的環(huán)形沖頭600，從而將所述環(huán)形表面610推向陰極殼臺階部245。作為優(yōu)選，與此同時，將環(huán)形沖頭700提供給陽極殼260，從而使沖頭700的環(huán)形邊緣710以力Fd向上沖壓陽極殼的凸起圓角邊緣260r，同時使沖頭600以更大的力Fc向下沖壓陰極殼240。環(huán)形沖頭700優(yōu)選僅沖壓陽極殼的凸起圓角邊緣260r，因此不沖壓、甚至接觸陽極殼260的封閉端269的中央部分。沖頭600以力Fc向下沖壓陰極殼240，該力Fc大于向上沖壓陽極殼260的反力Fd。當(dāng)施加了這些反力時，電池受力向下進入模具空腔520，電池直徑減小通常至少約為5mil(至少0.127mm)，陰極殼邊緣242b和密封邊緣273b卷在陰極殼傾斜壁部分263b之上。此卷邊步驟(圖5)由此使成品電池的陽極殼和陰極殼在絕緣密封件270夾在它們之間的同時牢固地互鎖。
采用環(huán)形沖頭700的卷邊步驟被認為是本發(fā)明的工藝中的新特點，該環(huán)形沖頭700沖壓陽極殼凸起拐角邊緣260。環(huán)形沖頭700最好用于具有薄壁的陽極殼和陰極殼。例如，當(dāng)陽極殼和陰極殼的壁厚約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、更優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)時，在卷邊步驟中最好采用環(huán)形沖頭700。在如圖1所示的雙(折疊)陽極殼側(cè)壁的情況下，應(yīng)理解，上述范圍適用于各部分，即內(nèi)壁263a和外壁263e。這些范圍最好應(yīng)用于陽極殼封閉端269和陰極殼封閉端249。環(huán)形沖頭700的使用確保了在沒有使陽極殼封閉終端269的中央部分向內(nèi)偏轉(zhuǎn)的條件下將陽極殼和陰極殼卷曲在一起。(陽極殼封閉端的中央部分被定義為當(dāng)從所述封閉端的中心測量時，在封閉端半徑的約2/3半徑內(nèi)的封閉端的任意部分。)也就是說，在本發(fā)明的上述卷邊工藝中，陽極殼終端269保持平坦，從確保在負極終端269與用電器如助動器之間的良好電接觸的角度出發(fā)，這是非常需要的。并且，平坦終端269賦予電池了美觀的外形。
當(dāng)希望陽極殼和陰極殼的最終壁厚非常薄時，例如約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選當(dāng)此最終壁厚約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、更優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)時，存在著與電池組裝有關(guān)的特殊問題。這些最終壁厚范圍最好應(yīng)用于陽極殼260的封閉端269和陰極殼240的封閉端249。在如圖1所示的雙(折疊)陽極殼側(cè)壁的情況下，應(yīng)理解，上述范圍適用于各部分，即內(nèi)壁263a和外壁263e。希望陽極殼和陰極殼的壁厚在此范圍之內(nèi)，但應(yīng)理解，陽極殼和陰極殼的壁厚不一定相同。已確定，利用這種薄的壁厚，存在著陰極殼側(cè)壁242在卷邊步驟之后松弛或反彈的更大可能性。這種松弛或“反彈”如果沒有被檢查出來，易于使卷邊步驟后陽極殼和陰極殼之間的互鎖隨時間變得松弛。這種松弛使電池更易于通過陰極殼壁242和密封件270之間的松弛界面泄漏電解液。
已確定，通過小心地設(shè)計電池，使陽極殼260加上密封件270的外徑即直徑d1大于陰極殼240的內(nèi)徑d2(如圖3所示)，能夠減緩這種松弛或“反彈”。應(yīng)理解，當(dāng)陽極殼260如圖3所示處于封閉端在底部的豎直位置時，絕緣密封件270的側(cè)壁273按照高達約10度、優(yōu)選約為3-6度的角度朝著邊緣273b向外逐漸變薄。因此，包括陽極殼260和其上的絕緣密封件270的直徑的外徑d1表示在密封側(cè)壁273的三分中一內(nèi)的平均直徑。應(yīng)注意，如圖3所示的這種尺寸關(guān)系是在組裝步驟(圖4)中將陽極殼和陰極殼推到一起之前測量的。由于直徑d1大于直徑d2，因此當(dāng)將陽極殼和陰極殼推到一起時在陰極殼的內(nèi)壁面和密封件270的外表面之間存在著強制的緊配合。因此，正如在此所用的那樣，在陽極殼242和具有貼附其上的密封件270的陽極殼壁263之間的強制緊配合表明在組裝之前(圖3)，陽極殼260加密封件270的外徑即直徑d1大于陰極殼240的內(nèi)徑d2。雖然根據(jù)本發(fā)明直徑d1大于直徑d2(圖3)，但不一定比直徑d2大很多，而導(dǎo)致在組裝過程中將陽極殼260和陰極殼240推到一起時(圖4)陰極殼242壁中的顯著變形(變鼓)和弱化。
已確定，如果將帶有密封件270的陽極殼260設(shè)計成具有這種強制緊配合(圖3)，那么在電池組裝并卷邊后，成品電池210(圖1)將在其間帶有密封件270的陽極殼和陰極殼之間保持緊密密封和互鎖。在此描述的這種緊設(shè)計減少了在卷邊后陰極殼松弛或彈回的趨勢，由此減少了電解液從電池中泄漏的機會。即使電池暴露于環(huán)境溫度的極限值例如約為-10-120(-23.3-49℃)，也顯著減少了電解液泄漏的機會。
具體而言，對于壁厚分別為大約2-5mil(0.0508-0.127mm)的陽極殼和陰極殼來說，如圖3所示的在密封件270的外徑和陰極殼的內(nèi)徑之間的強制緊配合(d1-d2)最好約為0.5-4.5mil(0.0127-0.114mm)、優(yōu)選約為2-4.5mil(0.0508-0.114mm)、更優(yōu)選約為1-3mil(0.0254-0.0762mm)。特別是，對于壁厚分別為大約2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼和陰極殼來說，這些直徑的差值(d1-d2)優(yōu)選約為2.0-4.5mil(0.0508-0.114mm)、更優(yōu)選約為1-3mil(0.0254-0.0762mm)。對于壁厚分別為大約5-6mil(0.127-0.152mm)的陽極殼和陰極殼來說，強制緊配合(d1-d2)優(yōu)選約為0.5-3mil(0.0127-0.0762mm)、更優(yōu)選約為1-3mil(0.0254-0.0762mm)。對于壁厚分別為大約2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的陽極殼和陰極殼來說，強制緊配合(d1-d2)優(yōu)選約為2-4.5mil(0.0508-0.114mm)。壁厚既可以在將陰極殼推到陽極殼上之前(圖3)測量，也可以在將電池完成之后(圖1)測量。這些提到的壁厚適用于具有單壁的陽極殼和陰極殼。它們也適用于具有雙(折疊)陽極殼側(cè)壁的陽極殼，如圖1所示。應(yīng)理解，在這種情況下，前述范圍適用于每一部分，即內(nèi)壁263a和外壁263e。
此外，采用各具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)、優(yōu)選壁厚約為2-4mil(0.0508-0.102mm)、更優(yōu)選約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的薄壁厚的陽極殼和陰極殼時，已確定最好對陰極組裝230內(nèi)的陰極盤進行設(shè)計，使得陰極盤233的直徑大于陰極殼240的內(nèi)徑(圖2和3)。如上所述，在將陰極盤233插入陰極殼244中、接著沖壓所述殼體的的封閉端由此徑向擴大陰極盤233之后，進行這些測量。徑向擴張?zhí)峁┝岁帢O盤233對陰極殼240的內(nèi)表面的緊密配合，這樣當(dāng)陰極殼顛倒時，陰極盤233也不會松動。由于陰極殼側(cè)壁242可略微傾斜，因此在此定義的陰極殼的內(nèi)徑d2表示沿陰極殼側(cè)壁242的三分中一截取的平均直徑。壁厚既可以在將陰極盤233插入并沖入陰極殼240之后測量，也可以在電池完成之后(圖1)測量。這些范圍也適用于具有雙(折疊)陽極殼側(cè)壁的陽極殼，如圖1所示。應(yīng)理解，在這種情況下，前述范圍適用于每一部分，即內(nèi)壁263a和外壁263e。尤其是，當(dāng)在其中帶有陰極盤233的陰極組裝230插入并沖入陰極殼240中之后進行測量時，陰極盤233的外徑大于陰極殼240的內(nèi)徑。沖頭通常對陰極組裝230的底面施以約為50-60psi的壓力，形成對陰極組裝230底面的力F’。這使陰極盤233徑向擴大，在陰極殼外徑和陰極殼240的內(nèi)徑之間產(chǎn)生上述緊配合。因此，當(dāng)把陰極組裝230插入并沖入陰極殼中時，在陰極組裝230的邊緣和陰極殼240的內(nèi)表面之間、尤其是在陰極盤233和陰極殼240的內(nèi)表面之間存在強制緊配合。這確保了在陰極盤233的邊緣和陰極殼內(nèi)表面之間保持緊密和平均的接觸。即使在卷邊步驟之后(圖5)存在著上述陰極殼松弛和反彈的趨勢的情況下，仍能維持這種緊密、平均的接觸。
具體而言，已確定，當(dāng)陰極殼242的厚度約為2-5mil(0.0508-0.127mm)時，在將陰極盤233插入并沖入陰極殼240之后，陰極殼233的直徑最好比陰極殼240的內(nèi)徑(d2)大0.5-2.5mil(0.0127-0.0635mm)左右、優(yōu)選比內(nèi)徑(d2)大1-2mil(0.0254-0.0508mm)左右、更優(yōu)選比內(nèi)徑(d2)大1-1.5mil(0.0254-0.0381mm)左右。當(dāng)陰極殼242的厚度約為2-3mil(0.0508-0.0762mm)時，在將陰極盤233插入并沖入陰極殼240之后，陰極殼233的直徑最好比陰極殼240的內(nèi)徑大1-1.5mil(0.0254-0.0381mm)左右。
應(yīng)理解，直徑上的這些差別是在將其中帶有陰極盤的陰極組裝230插入并沖入陰極殼240之后測出的。由此在將陰極組裝230插入并沖入陰極殼240之后形成了沿陰極盤233的外周邊和陰極殼壁242的強制摩擦緊配合。雖然陰極盤233的直徑大于陰極殼240的內(nèi)徑，但是陰極盤233的直徑不應(yīng)當(dāng)比陰極殼240的內(nèi)徑大很多，而導(dǎo)致在將陰極盤233插入殼體240時陰極殼242壁中的顯著變形(變鼓)和弱化。在陰極盤和陰極殼之間的緊配合使得陰極盤邊緣和陰極殼側(cè)壁的內(nèi)表面之間緊密均勻地接觸。
以下是通過本發(fā)明的組裝方法制成的優(yōu)選鋅/空氣鈕扣電池的例子。
實施例1陽極殼和陰極殼壁厚4mil(0.102mm)根據(jù)本發(fā)明的工藝制造總體尺寸如下的鋅/空氣電池直徑約為8mm，厚度約為4mm(Duracell 312尺寸)。成品電池的陽極殼260和陰極殼240具有4mil(0.102mm)的薄壁厚。陽極殼具有包括在內(nèi)部分263a和在外部分263e的折疊(雙)側(cè)壁。絕緣密封件270的側(cè)壁厚度為6.5mil(0.165mm)。在將陰極盤233插入并沖入陰極殼之后測量陰極盤233的總直徑，該陽極盤233總直徑比陰極殼的內(nèi)徑(d2)大2.0mil(0.0508mm)。在將陰極殼240推到陽極殼260之上并使絕緣密封件270設(shè)置其間之前，如圖3所示的陽極殼加上密封件270的外徑(直徑d1)比陰極殼的內(nèi)徑(d2)大3.5mil(0.0889mm)。以上參照圖1和2，描述了包括陰極盤233和陽極250的電池組裝和剩余電池組裝。如上所述，把粘接劑層143施加到陰極殼臺階部245的內(nèi)表面245a，把粘接劑層144施加到絕緣密封盤270的增大部分273a的底表面。然后在圖4所示的組裝步驟中將填充好的陽極殼和陰極殼推到一起，形成中間電池。然后將中間電池沖入模具空腔520中，并在參照圖5所描述的的卷邊步驟中進行卷邊。在組裝(圖4)和卷邊步驟(圖5)中，將環(huán)形沖頭400和500分別僅施加于陽極殼封閉端269的拐角邊緣260r，而將另一沖頭300和600分別以更大并相反的力施加于陰極殼的封閉端249。
該電池在其作為助聽器電池正常使用時保持優(yōu)異的性能。在存儲或正常使用期間電池沒有發(fā)生任何明顯的電解液泄漏。
實施例2陽極殼和陰極殼壁厚2.5mil(0.0635mm)根據(jù)本發(fā)明的工藝制造總體尺寸如下的鋅/空氣電池直徑約為8mm，厚度約為4mm(Duracell 312尺寸)。成品電池的陽極殼260和陰極殼240具有2.5mil(0.0635mm)的薄壁厚。陽極殼具有包括在內(nèi)部分263a和在外部分263e的折疊(雙)側(cè)壁。絕緣密封件270的側(cè)壁厚度為4.0mil(0.102mm)。在將陰極盤233插入并沖入陰極殼之后測量陰極盤233的總直徑，該陽極盤233總直徑比陰極殼的內(nèi)徑(d2)大1.5mil(0.0381mm)。在將陰極殼240推到陽極殼260之上并使絕緣密封件270設(shè)置其間之前，如圖3所示的陽極殼加上密封件270的外徑(直徑d1)比陰極殼的內(nèi)徑(d2)大4.5mil(0.114mm)。以上參照圖1和2，描述了包括陰極盤233和陽極250的電池組裝和剩余電池組裝。如上所述，把粘接劑層143施加到陰極殼臺階部245的內(nèi)表面245a，把粘接劑層144施加到絕緣密封盤270的增大部分273a的底表面。在將電池組裝(圖1和圖2)插入陽極殼和陰極殼并且在圖4所示的組裝步驟中將陽極殼和陰極殼(圖3)推到一起之后，形成中間電池。然后將中間電池沖入模具空腔520中，并在參照圖5所描述的的卷邊步驟中進行卷邊。在組裝(圖4)和卷邊步驟(圖5)中，將環(huán)形沖頭400和500分別僅施加于陽極殼封閉端269的拐角邊緣260r，而將另一沖頭300和600分別以更大并相反的力施加于陰極殼的封閉端。
該電池在其作為助聽器電池正常使用時保持優(yōu)異的性能。在存儲或正常使用期間電池沒有發(fā)生任何明顯的電解液泄漏。
權(quán)利要求
1.在組裝具有陽極殼和陰極殼的電化學(xué)電池的方法中；其中所述陰極殼具有開口端和相對封閉端，并且開口端和封閉端之間具有整體側(cè)壁；其中所述陽極殼具有開口端和相對封閉端，并且在開口端和封閉端之間具有整體側(cè)壁；其中所述陽極殼側(cè)壁和所述陽極殼封閉端的交叉部分形成一體拐角邊緣；其中陰極殼被推到陽極殼之上，使得陰極殼的側(cè)壁在絕緣密封材料夾在其間的情況下覆蓋所述陽極殼的所述壁的至少一部分，從而形成中間電池，改進點包括通過在沒有接觸所述陽極殼封閉端的中央部分的情況下對陽極殼封閉端的拐角邊緣的一部分施力、并同時對陰極殼封閉端施以更大的反力由此迫使所述中間電池進入模具空腔中的方式，將所述中間電池沖入所述模具空腔中；其中把陰極殼在其開口端處的邊緣在絕緣密封材料位于其間的情況下卷曲到陽極殼側(cè)壁的一部分上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中陽極殼的拐角邊緣具有凸面，施于所述拐角邊緣的所述力在沒有擠壓陽極殼所述封閉端的中央部分的情況下施于所述凸面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在所述卷邊之后各具有約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)的壁厚。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在所述卷邊之后各具有約為2-4mil(0.0508-0.102mm)的壁厚。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在所述卷邊之后各具有約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的壁厚。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中電池是呈盤狀圓柱形的鈕扣電池，總直徑約為4-16mm，高度約為2-9mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該電池是鋅/空氣去極化電池，包括在陽極殼內(nèi)的含鋅和堿性電解液的陽極材料和在陰極殼內(nèi)的含二氧化錳的催化陰極材料。
8.一種組裝具有陽極殼和陰極殼的電化學(xué)電池的方法，其中所述陽極殼具有開口端和相對封閉端，并且開口端和封閉端之間具有整體側(cè)壁，而且絕緣密封材料覆蓋所述陽極殼側(cè)壁的一部分；其中所述陽極殼側(cè)壁和所述陽極殼封閉端的交叉部分形成一體拐角邊緣；其中所述陰極殼具有開口端和相對封閉端，并且開口端和封閉端之間具有整體側(cè)壁，所述方法包括a)將陰極殼推到陽極殼之上，使得陰極殼的側(cè)壁覆蓋絕緣密封材料的至少一部分，從而形成中間電池，b)通過對陽極殼封閉端的拐角邊緣的一部分施力、并同時對陰極殼封閉端施以更大的反力由此迫使電池進入模具空腔中的方式，將所述中間電池沖入所述模具空腔中；其中把陰極殼在其開口端處的邊緣在所述絕緣密封材料位于其間的情況下卷曲到陽極殼側(cè)壁的一部分上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在沒有對所述陽極殼封閉端的中央部分施力的情況下在步驟(b)中對陽極殼的所述拐角施力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述陽極殼的所述拐角邊緣具有凸面，對所述凸面的至少一部分施加所述力。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在步驟(b)后各具有約為2.0-5mil(0.0508-0.127mm)的壁厚。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在步驟(b)后各具有約為2-4mil(0.0508-0.102mm)的壁厚。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中陰極殼側(cè)壁和陽極殼封閉端在步驟(b)后各具有約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的壁厚。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中陽極殼是三覆層材料，包括在其外表面具有鎳層、在其內(nèi)表面具有銅層的不銹鋼。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中陽極殼具有形成雙側(cè)壁的一體翻折側(cè)壁，其中所述雙壁各具有約為2-5mil(0.0508-0.127mm)的厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中陽極殼具有形成雙側(cè)壁的一體翻折側(cè)壁，其中所述雙壁各具有約為2-4mil(0.0508-0.102mm)的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中陽極殼具有形成雙側(cè)壁的一體翻折側(cè)壁，其中所述雙壁各具有約為2.0-3.0mil(0.0508-0.0762mm)的厚度。
18.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在步驟(a)中采用環(huán)形沖頭，從而在沒有沖壓所述封閉端的中央部分的情況下對所述陽極殼的封閉端的拐角邊緣施力。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中所述陽極殼的封閉端的所述拐角邊緣具有凸面，將所述環(huán)形沖頭在沒有擠壓所述封閉端的中央部分的情況下施加于所述凸面。
20.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中將中間電池沖入所述模具空腔中時，在步驟(b)中所述電池的外徑減少了至少約0.5mil(0.0127mm)。
21.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中電池是呈盤狀圓柱形的鈕扣電池，直徑約為4-16mm，高度約為2-9mm。
22.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中電池是呈盤狀圓柱形的鈕扣電池，直徑約為4-12mm，高度約為2-6mm。
23.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中該電池是鋅/空氣去極化電池，包括在陽極殼內(nèi)的含鋅和堿性電解液的陽極材料和在陰極殼內(nèi)的含二氧化錳的催化陰極材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中陽極殼的所述封閉端的中央部分被定義為當(dāng)從所述封閉端的中心起測量時在所述封閉端的半徑的三分之一內(nèi)的任意部分。
25.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中陽極殼的所述封閉端的中央部分被定義為當(dāng)從所述封閉端的中心起測量時在所述封閉端的半徑的三分之二內(nèi)的任意部分。
26.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在沒有向除所述拐角邊緣之外的陽極殼的封閉端的任意部分施力的情況下在步驟(b)中向陽極殼的所述拐角邊緣施力。
全文摘要
一種用于制造鋅/空氣電池典型為鋅/空氣鈕扣電池的組裝方法。電池具有杯狀陽極殼和杯狀陰極殼，它們各具有開口端和封閉端。該方法包括組裝步驟，其中將兩個殼體推到一起；接著是卷邊步驟，其中將電池沖到模具中，由此將陽極殼邊緣卷到陽極殼側(cè)壁上，絕緣密封件位于其間。在各步驟中，特別是在卷邊步驟中，具有環(huán)形突出表面的陽極沖頭擠壓陽極殼的封閉端的拐角邊緣，同時另一沖頭對陰極殼施以反力。該方法特別適用于優(yōu)選為2－5mil(0.0508－0.127mm)的薄壁厚的陽極殼和陰極殼。
文檔編號H01M12/08GK1839494SQ200480012559
公開日2006年9月27日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者基思·巴克爾 申請人:吉萊特公司