專利名稱：具有扁平外殼的堿性電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有基本扁平外部外殼的堿性電池。本發(fā)明涉及具有包含鋅的陽極、包含二氧化錳的陰極以及包含含水氫氧化鉀的電解質(zhì)的堿性電池。
常規(guī)的堿性電化學(xué)電池具有包含鋅的陽極和包含二氧化錳的陰極。電池典型地形成有圓柱形外部外殼。新電池具有約1.5伏的開路電壓(EMF)，并在中等漏電服務(wù)(100至300毫安)下具有在約1.0至1.2伏之間的典型平均運行電壓。圓柱形外殼最初形成有擴大的開口端和相對的封閉端。當(dāng)提供了電池內(nèi)容物之后，將具有絕緣索環(huán)和負(fù)端端帽的端帽組件插入到外殼的開口端內(nèi)。通過將外殼邊緣卷曲到絕緣插頭邊緣上并徑向壓縮絕緣插頭周圍的外殼使開口端封閉以提供緊密的密封。絕緣索環(huán)使負(fù)端帽與電池外殼電絕緣。在相對的封閉端處的電池外殼的一部分形成正端。
與各種電化學(xué)電池尤其是堿性電池的設(shè)計相關(guān)的一個問題是當(dāng)電池繼續(xù)放電超過某一點，通常是接近電池可用容量的完全耗盡點時，該電池趨于產(chǎn)生氣體。電化學(xué)電池尤其是堿性電池在端帽組件內(nèi)通常具有可破裂隔膜或可破裂膜。可破裂隔膜或膜可在塑料絕緣構(gòu)件內(nèi)形成，例如，如美國專利3,617,386中所述。
現(xiàn)有技術(shù)公開了可破裂排氣膜，其整體成形為絕緣盤內(nèi)的變薄區(qū)域，該盤包括在端帽組件內(nèi)?？啥ㄏ蜻@種排氣膜使得它們位于垂直于電池縱向軸線的平面內(nèi)，例如，如美國專利5,589,293所示，或者可定向這種排氣膜使得它們與電池的縱向軸線相比是傾斜的，如美國專利4,227,701所示。美國專利6,127,062公開了絕緣密封盤以及整體成形的可破裂膜，其垂直定向，即平行于電池的中心縱向軸線。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力升高到預(yù)定水平時，所述膜會破裂，從而通過端帽內(nèi)的小孔將氣體壓力釋放到外部環(huán)境中。
本領(lǐng)域公開了其它類型的排氣口以用于減輕電化學(xué)電池內(nèi)的氣體壓力。一種此類排氣口是可復(fù)位橡膠栓，其可與小型扁平矩形形狀的鎳金屬氫化物可充電電池結(jié)合而有效使用。一種此類具有可復(fù)位橡膠栓排氣口的可充電電池是7/5-F6型的鎳金屬氫化物可充電電池，該電池以電池型號GP14M145商購獲得，由Gold Peak Batteries，Hong Kong制造。將橡膠栓物理壓縮使其緊密地位于斜孔內(nèi)，所述斜孔位于電池端帽組件中的腔體或場所內(nèi)。當(dāng)電池內(nèi)部氣體壓力達到預(yù)定水平時，橡膠栓升離其位置，從而使氣體通過下面的小孔逸出。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力恢復(fù)正常時，橡膠栓本身復(fù)位。
一次堿性電化學(xué)電池典型地包括鋅陽極活性材料、堿性電解質(zhì)、二氧化錳陰極活性材料以及電解質(zhì)可滲漏的隔離膜，該膜典型為纖維素或纖維質(zhì)及聚乙烯醇纖維膜。例如，陽極活性材料可包括與常規(guī)膠凝劑(例如羧甲基纖維素鈉或者丙烯酸共聚物的鈉鹽)混合的鋅粒和電解質(zhì)。膠凝劑用于懸浮鋅粒并使它們保持相互接觸。典型地采用插入到陽極活性材料中的導(dǎo)電金屬釘作為陽極集電器，其電連接到負(fù)端端帽。電解質(zhì)可以是堿金屬氫氧化物例如氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰的水溶液。陰極典型地包括作為電化學(xué)活性材料的粒狀二氧化錳，其與典型為石墨材料的導(dǎo)電添加劑混合以提高導(dǎo)電率。任選地，可以在陰極中加入少量聚合物粘合劑(例如聚乙烯粘合劑)和其它添加劑(例如含鈦化合物)。
用于陰極的二氧化錳優(yōu)選為電解二氧化錳(EMD)，其可以通過含硫酸錳和硫酸的電解液的直接電解而制備。EMD是可取的，因為其具有高密度和高純度。EMD的導(dǎo)電率(電阻率)相當(dāng)?shù)?。在陰極混合物中加入導(dǎo)電材料以提高單獨的二氧化錳顆粒之間的導(dǎo)電性。這種導(dǎo)電添加劑還可以提高二氧化錳顆粒和電池外殼之間的導(dǎo)電性，該電池外殼也用作常規(guī)圓柱形堿性電池的陰極集電器。合適的導(dǎo)電添加劑可以包括例如石墨、石墨材料、導(dǎo)電碳粉末，如碳黑，包括乙炔黑。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料包括薄片狀結(jié)晶天然石墨或薄片狀結(jié)晶人造石墨，包括柔性或膨脹石墨或者石墨類碳納米纖維以及它們的混合物。
現(xiàn)在可得到小尺寸矩形形狀的可充電電池，用于給小型電子裝置如MP3音頻播放器和迷你盤(MD)播放器提供電源。這些電池典型地為約一包口香糖尺寸的小立方體(長方體)形狀。本文所用術(shù)語“立方體”是指其通常的幾何定義，即“長方體”。例如，這種電池可為可替換的充電鎳金屬氫化物(NiMH)形式，尺寸為按照InternationalElectrotechnical Commission(IEC)提出的這種電池的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的F6型或者7/5F6型立方體。F6型(無標(biāo)簽)具有6.0mm的厚度、17.0mm的寬度和35.7mm的長度。有一種形式的F6型，其中長度可以達到約48.0mm。7/5-F6型具有6.0mm的長度、17.0mm的寬度和67.3mm的長度。依照IEC標(biāo)準(zhǔn)，7/5-F6型的允許偏差為厚度為+0mm、-0.7mm，寬度為+0mm、-1mm，長度為+0、-1.5mm。當(dāng)用于給微型數(shù)字音頻播放器如MP3音頻播放器或迷你盤(MD)播放器提供電源時，F(xiàn)6或7/5F6 NiMH可充電電池的平均運行電壓介于約1.1和1.4伏之間，典型為約1.12伏。
當(dāng)用于給迷你盤(MD)播放器提供電源時，電池在介于約200和250毫安之間的速率下被消耗。當(dāng)用于給數(shù)字音頻MP3播放器提供電源時，電池典型地在約100毫安的速率下被消耗。
期望能有與小尺寸立方體形狀(長方體)鎳金屬氫化物電池同樣尺寸和形狀的小型扁平堿性電池，使得小型堿性電池可以與鎳金屬氫化物電池交替使用，以給小型電子裝置如迷你盤或者MP3播放器提供電源。
期望使用一次(不可充電)堿性電池，優(yōu)選鋅/MnO2堿性電池替換小型矩形形狀的可充電電池，尤其是小型鎳金屬氫化物可充電電池。
然而，與矩形(立方體)形狀的一次Zn/MnO2堿性電池設(shè)計有關(guān)的具體問題是電極在電池放電期間趨于溶脹。陽極和陰極在放電期間均溶脹。
對給定的外殼壁厚，應(yīng)當(dāng)理解矩形形狀的電池外殼不如相當(dāng)尺寸與體積的圓柱形形狀的外殼能夠承受給定的電池內(nèi)部壓力增加(由于氣體生成和陰極膨脹)。這是由于對于任何給定的壓力及外殼壁厚，施加在矩形(立方體)形狀外殼上的周圍應(yīng)力(環(huán)向應(yīng)力)顯著高于施加在相似尺寸的圓柱形外殼上的周圍應(yīng)力。與矩形形狀電池有關(guān)的膨脹或溶脹問題可通過顯著增加外殼的壁厚來克服。然而，對于具有小的總厚度，例如低于約10mm的矩形電池，外殼壁厚的顯著增加可導(dǎo)致陽極與陰極材料可用體積的顯著減少。增加的壁厚增加了電池制造的成本。在這點上，保持外殼壁厚小于約0.50mm，優(yōu)選小于約0.47mm是可取的。
因此，需要設(shè)計小型扁平(不可充電)堿性電池，例如具有矩形(立方體)形狀外殼，但仍具有小的外殼壁厚的F6或7/5-F6型電池，其中在正常電池使用期間外殼不顯著膨脹或溶脹。
期望這種矩形電池用于取代相同尺寸的扁平鎳金屬氫化物可充電電池。
本發(fā)明的一個主要方面涉及在放電時產(chǎn)生氣體，典型地為氫氣的一次(不可充電)堿性電池，其中所述電池具有外部殼體(外殼)、包括排氣機構(gòu)的端帽組件，當(dāng)氣體壓力達到預(yù)定水平時，該排氣機構(gòu)容許氣體由電池中逸出。殼體具有至少一對貫穿電池長度的相對平壁。
將端帽組件插入殼體開口端內(nèi)并通過卷曲或焊接密封以封閉所述殼體?？蓪㈤_口端處的殼體邊緣卷曲在插入開口端內(nèi)的絕緣密封構(gòu)件(典型為尼龍或聚丙烯)上，但優(yōu)選將金屬罩激光焊接到殼體上以封閉其開口端。堿性電池可為平行六面體形狀，但理想地為立方體(長方體)形狀。因此，殼體優(yōu)選為不具有任何整體圓柱形部分的立方體形狀。堿性電池理想地具有包含鋅以及含水堿性電解質(zhì)，優(yōu)選氫氧化鉀水溶液的陽極。
端帽組件包括排氣機構(gòu)和優(yōu)選矩形形狀的金屬罩。此罩用于當(dāng)電池內(nèi)容物插入殼體中后封閉殼體的開口端。如果絕緣體或絕緣密封構(gòu)件插在所述罩邊緣和所述殼體邊緣之間并且所述殼體邊緣卷曲在絕緣體上，則金屬罩可形成電池的負(fù)端?？晒┻x擇地，此罩可直接焊接到殼體邊緣上。如果此罩焊接到殼體邊緣上，則與此罩絕緣的單獨端帽可用來與陽極電氣連通以用作電池的負(fù)端。殼體為正的并形成電池的正端。
在一個方面，將金屬罩直接焊接到殼體邊緣上以封閉殼體開口端，塑料填料或紙墊圈堆積在金屬罩之上，負(fù)端板繼而堆積在塑料填料或紙墊圈之上。
在一個方面，端帽組件其內(nèi)具有小孔，并且典型地為聚丙烯或尼龍的絕緣密封構(gòu)件的至少一部分插入到所述小孔內(nèi)以密封電池。在本發(fā)明的一個方面，密封構(gòu)件包括在徑向方向，例如，在大致垂直于電池的中心縱向軸線的方向上壓縮的這種塑性材料。在另一個方面，密封構(gòu)件的至少一部分也可在垂直方向，例如，平行于電池縱向軸線的方向上壓縮。(電池的長度可被限定為介于外殼的所述封閉端和開口端之間，因此電池的中心縱向軸線沿著電池的長度。)在本發(fā)明的一個方面，通過將金屬罩板的周邊邊緣激光焊接到電池開口端處的殼體而使電池殼體(外殼)的開口端封閉。這樣做的優(yōu)點是不必卷曲封閉的殼體。在本發(fā)明的一個方面，金屬罩板其內(nèi)具有中心定位的小孔，并理想地具有由該板向電池內(nèi)部延伸的整體成形的套管。在可供選擇的實施方案中，套管當(dāng)然可由電池內(nèi)部向上向外延伸。絕緣密封構(gòu)件優(yōu)選具有其內(nèi)具有腔體的整體成形的轂。該轂由面向殼體開口端的絕緣密封構(gòu)件側(cè)延伸。絕緣密封轂過盈配合在金屬罩套管內(nèi)。細(xì)長的陽極集電器釘繼而過盈配合到所述轂中的腔體內(nèi)。這就導(dǎo)致絕緣轂側(cè)壁夾在金屬罩套管和陽極集電器釘之間，并且這種過盈配合促使所述轂側(cè)壁進行徑向壓縮。這種壓縮在陽極集電器釘和絕緣密封轂側(cè)壁之間以及絕緣密封轂側(cè)壁和金屬罩套管之間的接口處提供非常緊密的密封。這就減少了電解質(zhì)通過這些接口從電池滲漏的機會，即使電池殼體可能還沒有卷曲封閉。換句話講，這種緊密的密封可通過向電池內(nèi)部中的絕緣轂施加徑向壓縮力獲得，這樣可避免向電池殼體的外表面施加徑向卷曲力。取代之的是通過將金屬罩邊緣激光焊接到殼體而將殼體開口端容易地封閉。
在另一個方面，除了徑向壓縮之外，例如在垂直于電池的中心縱向軸線的方向上，絕緣密封轂還可以垂直壓縮放置，例如在平行于電池縱向軸線的方向上。絕緣密封轂以垂直壓縮放置的方式可為將另一個金屬支撐板加在紙墊圈或塑料墊圈位于其間的金屬罩上，并將陽極集電器釘?shù)念^部鉚接到這種支撐板上。
因此，可將陽極集電器頭部直接焊接到堆積在金屬罩之上的末端端帽上，塑料墊圈或紙墊圈位于其間?？晒┻x擇地，可將陽極集電器頭部焊接到堆積在金屬罩之上的中間金屬支承構(gòu)件上，塑料墊圈或紙墊圈位于其間。金屬支承構(gòu)件繼而焊接到末端端帽上，以在集電器和末端端帽之間提供必要的電路。
已確定絕緣轂側(cè)壁的徑向壓縮越大，在絕緣轂側(cè)壁和金屬罩套管之間必然產(chǎn)生的接口長度越小，以在這種接口處提供足夠緊密的電解質(zhì)滲漏阻擋通道。如果絕緣密封轂側(cè)壁的徑向壓縮百分比(即，這種側(cè)壁厚度的壓縮百分比)為Δ％，并且金屬罩套管和絕緣轂側(cè)壁之間的接口長度為L(mm)，則優(yōu)選L介于約0.4和6mm之間，而Δ％理想地介于約0.1和40％之間。Δ％乘以L的乘積理想地介于約0.04和240之間。與具體的電池尺寸無關(guān)，這個范圍旨在普遍適用。在有關(guān)7/5 F6型扁平電池的一個優(yōu)選實施方案中，L理想地介于約1.08mm和2.66mm之間，而Δ％理想地介于約15％和35％之間。因此，對于7/5 F6型扁平電池，Δ％乘以L的乘積最理想地在約16.2和93.1之間的范圍內(nèi)。然而，應(yīng)當(dāng)理解介于0.04和240之間的較寬范圍的Δ％乘以L也適用于這種7/5 F6型電池。
將包含MnO2的陰極插入，優(yōu)選以多個緊湊塊或片的形式。陰極塊或陰極片優(yōu)選為矩形形狀，每個具有貫穿所述塊厚度的中心空核。將所述塊插入使得它們一個堆積在另一個上。將所述塊沿著電池長度對齊，使得其外表面與殼體的內(nèi)表面接觸。堆積的陰極塊形成貫穿電池縱向軸線的中心空核。堆積的陰極塊內(nèi)的中心空核形成陽極腔體。限定所述塊內(nèi)的中心空核(陽極腔體)的每個陰極塊的內(nèi)表面優(yōu)選為曲面。這種彎曲的內(nèi)表面改善了所述塊在轉(zhuǎn)移和處理期間的機械強度，并且也提供電解質(zhì)可滲透的隔離膜和陰極之間的更均勻接觸。將隔離膜插入電池的中心空核(陽極腔體)內(nèi)，使得隔離膜的外表面毗鄰并緊密接觸陰極的內(nèi)表面。將包括鋅粒的陽極漿液插入陽極腔體內(nèi)，其中隔離膜提供陽極和陰極之間的界面。端帽組件具有細(xì)長的陽極集電器，該集電器插入陽極漿液中并與電池負(fù)端電氣連通。端帽組件具有絕緣密封構(gòu)件，該構(gòu)件使這種陽極集電器與電池的外部殼體絕緣。
當(dāng)在沿著垂直于電池縱向軸線的平面截取的陰極塊的橫截面的平面圖內(nèi)觀察陽極腔體時，所述陽極腔體優(yōu)選具有細(xì)長的或長方形構(gòu)型。外部殼體(外殼)理想地為鋼，優(yōu)選為鍍鎳鋼。殼體壁厚理想地介于約0.30和0.50mm之間，典型地介于約0.30和0.45mm之間，優(yōu)選介于約0.30和0.40mm之間，更理想地介于約0.35和0.40之間。
在一個方面，可采用可重復(fù)使用的或可再啟動的排氣口，優(yōu)選可復(fù)位栓排氣機構(gòu)作為主排氣機構(gòu)。當(dāng)電池的內(nèi)部氣體壓力達到介于約689.5×103和2069×103帕斯卡表(100和300psig)之間，理想地介于約689.5×103和1379×103帕斯卡表(100和200psig)之間的閾值水平壓力P1時，優(yōu)選將可復(fù)位栓設(shè)計成啟動。
在另一個方面，可采用多個間隔開的凹槽排氣口作為主要排氣機構(gòu)，優(yōu)選為在殼體表面上包括至少一個壓印區(qū)域或刻痕區(qū)域的單個連續(xù)的凹槽排氣口(壓花排氣口)。可將凹槽排氣口壓印、切割或刻痕到殼體表面內(nèi)，使得在介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的壓力P1下，下面的變薄區(qū)域破裂。在這種設(shè)計中，可去除可復(fù)位栓。優(yōu)選地，可定位凹槽排氣口鄰近與正端相鄰的殼體封閉端。凹槽邊界可封閉或開口。凹槽可為直的或基本直的，優(yōu)選平行于殼體邊緣。凹槽寬度典型較小，例如低于約1mm。然而，本文所用術(shù)語“凹槽”或“凹槽排氣口”并不旨在限制于任何特定的寬度或形狀，而是在電池殼體上包括任何凹陷，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到目標(biāo)閾值水平時導(dǎo)致下面的變薄材料區(qū)域預(yù)期斷裂或破裂。作為非限制性例子，在7/5-F6型的矩形電池中，可具有位于殼體寬面上并平行于寬邊緣的凹槽排氣口，優(yōu)選鄰近殼體封閉端。在殼體的寬側(cè)面上可具有多個這種凹槽排氣口，但理想地僅一個單一凹槽排氣口，其長度約8mm且距殼體封閉端約5至10mm。
在本發(fā)明的這個方面，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力P1時，可設(shè)計凹槽排氣口下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)爆裂壓力介于1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的這個范圍，凹槽下面的變薄材料可具有介于約0.04和0.15mm之間的厚度?？晒┻x擇地，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間，理想地介于約2758×103和4136×103帕斯卡表(400和600psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽排氣口下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)介于2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的破裂壓力，凹槽下面的變薄材料可具有介于約0.07和0.15mm之間的厚度。
可通過用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體表面產(chǎn)生凹槽排氣口。當(dāng)壓印模頭沖壓進殼體外表面中時，軸柄對準(zhǔn)殼體的內(nèi)表面。凹槽可被方便地切割成具有相等長度側(cè)邊的V形或者具有不等長度側(cè)邊的V形。在前一種情況下，形成V形凹槽的側(cè)邊理想地形成約40度的銳角，而在后一種情況下，它們形成優(yōu)選介于約10和30度之間的角度。
與凹槽排氣口聯(lián)合，可具有包括一個或多個將金屬罩固定到殼體上的激光焊接的補充排氣系統(tǒng)。這種焊接可包括一個或兩個弱激光焊接以及一個強激光焊接，所述強激光焊接可被設(shè)計成在高于凹槽排氣口下面變薄區(qū)域的破裂壓力P1的壓力下破裂。這種激光焊接優(yōu)選利用Nd:Yag激光器產(chǎn)生。
在本發(fā)明的一個方面，可以只有一個激光焊接，即將金屬罩的整個周圍邊緣固定到殼體上的強焊接。強焊接可用作補充排氣系統(tǒng)，其被設(shè)計成在災(zāi)難性條件下破裂，例如，如果電池?zé)o意中在極高電流下或者極度濫用條件下進行再充電，造成電池內(nèi)的氣體產(chǎn)生突然升高至介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800psig和2500psig)之間的水平。
因此，在一個優(yōu)選方面，至少有一個單一凹槽排氣口壓印或切割在電池殼體上。所述單一凹槽排氣口的功能為可用作電池的主排氣機構(gòu)，其中如果電池內(nèi)的氣體升高至介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間，更典型地介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的水平時，凹槽下面的變薄材料被設(shè)計成破裂。并且聯(lián)合具有包括將金屬罩邊緣固定到殼體上的強激光焊接的補充排氣系統(tǒng)。這種強激光焊接被設(shè)計成在災(zāi)難性情況下斷裂或破裂，其中電池內(nèi)的氣體突然升高到介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800psig和2500psig)之間的水平。在這種情況下，電池內(nèi)的氣體將迅速通過小孔逸出，并且電池的內(nèi)部壓力將立即恢復(fù)到標(biāo)稱水平。
在本發(fā)明的一個方面，電池被平衡使得陰極過量。理想地，電池被平衡使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2的理論比值)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅的理論比值)的比率介于約1.15和2.0之間，理想地介于約1.2和2.0之間，優(yōu)選地介于約1.4和1.8之間。已確定本文平堿性電池在較高MnO2理論容量與鋅理論容量比率下的設(shè)計可減少總的溶脹量。為了減少總?cè)苊洠鲜鯩nO2理論容量與鋅理論容量的比率可行地最高約2.5或者甚至最高約3.0，但在高于約2.0這種高比率下的電池設(shè)計會更顯著地減小電池容量，因此從這點考慮變得不太可取?，F(xiàn)在不能確切地知道為什么會發(fā)生這種情況?？赡懿糠质怯捎趲缀跛械匿\被放電的事實。在這種情況下，有很少(如果有的話)氫氧化鋅中間物留在陽極中，其可促使溶脹。
陽極厚度與殼體外部厚度的比率理想地介于約0.30和0.40之間。(這些厚度是沿著垂直于電池縱向軸線、越過電池外部厚度的平面測量。)因此放電時電池的溶脹被控制，使得平的或矩形形狀的堿性電池用作電子裝置例如便攜式數(shù)字音頻播放器等的一次電源。
在一個具體方面，堿性電池具有小立方體(長方體)的總體形狀，典型地具有介于約5和10mm之間的外側(cè)厚度，尤其是介于約5和7mm之間的厚度。通過限定電池的短尺寸的外殼相對側(cè)的外表面之間的距離來測量外側(cè)厚度。在這種實施方案中，本發(fā)明的一次(不可充電)堿性電池可用作例如小尺寸的扁平可充電電池的替代品。具體地講，這種一次堿性電池可用作相同尺寸的可充電鎳金屬氫化物電池，例如，7/5-F6型的矩形可充電鎳金屬氫化物電池的替代品。
在本發(fā)明的一個方面，可將隔離膜加工成具有開口端和相對的封閉端的袋子形狀。這種隔離膜可通過纏繞單片的隔離膜材料并用粘合劑或通過熱密封封閉一端而容易地形成。將陰極片插入電池殼體后，隨后插入纏繞隔離膜使得隔離膜表面面向暴露的陰極表面。優(yōu)選地，隔離膜寬度稍微小于總陽極腔體的寬度。這會在隔離膜的一個短側(cè)面和陰極片之間產(chǎn)生間隙。該間隙介于約2和4mm之間，優(yōu)選介于約2和3mm之間。然后可將陽極材料通過隔離膜開口端填充到陽極腔體中。這樣會產(chǎn)生填充有陽極材料、陰極材料和位于其間的隔離膜的殼體，其中在隔離膜的一個短側(cè)面和陰極片之間產(chǎn)生間隙(空隙空間)。
現(xiàn)在可通過將附加堿性電解質(zhì)溶液注入間隙中而將其加到電池內(nèi)部。當(dāng)陽極和陰極在電池內(nèi)適當(dāng)放置后將少量的附加電解質(zhì)溶液加到電池內(nèi)部是可取的?？梢孕〉倪f增量將附加電解質(zhì)加到隔離膜和陰極之間的所述間隙中，理想地在遞增的電解質(zhì)分配之間具有短的時間間隔。在一個可供選擇的實施方案中，部分附加電解質(zhì)可在陰極適當(dāng)放置之后但陽極材料插入到陽極腔體中之前加到間隙中。然后將陽極材料插入到電池的陽極腔體中，其后可將附加電解質(zhì)加到間隙中。當(dāng)將最后量的堿性電解質(zhì)加到隔離膜和陰極之間的所述間隙之后，陽極溶脹以推動隔離膜表面緊貼著陰極，從而造成間隙消失。
附加電解質(zhì)溶液可有助于改善陽極利用及總的電池性能。其也可為趨于延遲電池溶脹的一個因素。如果將附加電解質(zhì)加到所述間隙中，其優(yōu)選以在分配之間具有充分時間延遲(例如介于約1至4分鐘之間)的分配遞增量加入，以容許電解質(zhì)的吸收。這種步驟使得加入的電解質(zhì)吸收到陽極和陰極中，而不會造成電解質(zhì)溢流至端帽組件腔體內(nèi)，即，陽極之上的空間。這種溢流可造成金屬罩表面與邊緣足以潤濕至妨礙金屬罩向殼體上的均勻激光焊接。


圖1為示出電池負(fù)端的本發(fā)明平堿性電池的透視圖。
圖1A為示出電池正端的圖1平堿性電池的透視圖。
圖2為圖1A所示電池沿觀測線2-2截取的截面圖。
圖2A為圖1所示電池沿觀測線2-2截取并示出改進的栓設(shè)計的截面圖。
圖3為圖1A所示電池沿觀測線3-3截取的截面圖。
圖3A為圖1A所示電池沿觀測線3-3截取并示出改進的栓設(shè)計的截面圖。
圖4為組成用于平堿性電池的端帽組件的組件分解圖。
圖4A為圖2A與3A所示改進的栓在壓縮至其外殼腔體之前的透視圖。
圖4B為在垂直于電池縱向軸線的平面內(nèi)沿圖1A視線4B-4B截取以示出細(xì)長陽極腔體的電池橫截面的平面圖。
圖4C為示出細(xì)長陽極腔體的另一個實施方案的電池橫截面的平面圖。
圖4D為示出細(xì)長陽極腔體的第三個實施方案的橫截面的平面圖。
圖5為示出將電池內(nèi)容物和端帽組件安裝到電池殼體(外殼)內(nèi)的分解圖。
圖6為示出沿其邊緣用強焊接和弱焊接激光焊接到電池殼體內(nèi)表面上的金屬罩板的平面圖。
圖6A為示出沿其邊緣用強焊接和弱焊接激光焊接到電池殼體卷曲邊緣上的金屬罩板的平面圖。
圖7為示出其內(nèi)的強焊接和弱焊接實施方案的電池殼體主體視圖。
圖7A為示出其內(nèi)的彎曲強焊接和弱焊接實施方案的電池殼體主體視圖。
圖8為示出殼體主體內(nèi)的凹槽形成下面的變薄材料區(qū)域的電池側(cè)視圖。
圖8A為示出殼體內(nèi)多個凹槽的電池側(cè)視圖，其中每個凹槽形成下面的變薄材料區(qū)域。
圖9為圖8和8A中所示的有代表性凹槽的截面圖。
圖10為激光焊接到圖10A中所示的電池殼體上的金屬罩的頂部平面圖。
圖10A為示出殼體寬側(cè)面上單個凹槽排氣口的平堿性電池實施方案的側(cè)視圖。
圖11為沿圖10A中所示電池的寬側(cè)面的截面圖。
圖12為沿著圖10A所示電池的短側(cè)面的截面圖。
圖13為組成用于圖10A中所示電池的端帽組件的組件分解圖。
圖14示出由單片隔離膜材料制造用于圖10A電池的隔離膜。
圖14A示出形成纏繞隔離膜片的過程。
圖14B示出具有開口端和相對的封閉端的成品纏繞隔離膜。
圖15示出向后切割有凹槽的排氣口的V形凹槽的可供選擇類型。
圖16示出其中在隔離膜的短側(cè)面和陰極之間具有間隙的實施方案。
圖17示出類似于圖11電池的可供選擇的實施方案，不同的是紙墊圈是堆積在焊接的金屬罩上而不是塑料填料上。
圖18A為沿本發(fā)明電池實施方案的寬側(cè)面截取的具有裝套管的罩的局部截面圖。
圖18B為沿圖18A所示電池的短側(cè)面截取的局部截面圖。
圖18C為圖18A和圖18B的實施方案所示的端帽組件的組件分解圖。
圖18D為圖18A中絕緣轂組件在該轂側(cè)壁被徑向壓縮之前處于其原始狀態(tài)的放大截面圖。
圖18E為如圖18A所示的絕緣轂在該轂側(cè)壁被徑向壓縮之后的局部放大截面圖。
圖19A為沿本發(fā)明電池的第二實施方案的寬側(cè)面截取的具有裝套管的罩的局部截面圖。
圖19B為圖19A的實施方案所示的端帽組件的組件分解圖。
圖20A為沿本發(fā)明電池的第三實施方案的寬側(cè)面截取的具有裝套管的罩的局部截面圖。
圖20B為圖20A的實施方案所示的端帽組件的組件分解圖。
本發(fā)明平堿性電池10的具體實施方案示于圖1至5中。電池10具有至少兩個平行于電池縱向軸線的平相對側(cè)面。如圖1和1A所最佳示出的，電池10優(yōu)選為矩形形狀，即，立方體。本文所用術(shù)語“立方體”是指幾何定義，其為長方體。然而，電池10也可為平行六面體。如圖所示的外部殼體100優(yōu)選為立方體形狀，因此不具有任何整體的圓柱形部分。電池10典型地具有小于其寬度的厚度以及小于其長度的寬度。當(dāng)電池厚度、寬度和長度為不同尺寸時，將通常認(rèn)為厚度為這三個尺寸中最小的。
電池10優(yōu)選包括立方體形狀的優(yōu)選為鍍鎳鋼的殼體(外殼)100。殼體100的內(nèi)表面優(yōu)選涂布有一層基于溶劑的碳涂層，例如，以商業(yè)命名TIMREX E-LB碳涂層購得。在如圖所示的實施方案中，殼體(外殼)100被一對相對的大平壁106a和106b、一對相對的小平壁107a和107b、封閉端104和相對的開口端102限定。電池的厚度由壁106a和106b的外表面之間的距離限定。電池的寬度由壁107a和107b的外表面之間的距離限定。殼體100理想地在其內(nèi)表面上涂布有一層碳或銦以改善導(dǎo)電性。包括陽極150、陰極110以及位于其間的隔離膜140的電池內(nèi)容物通過開口端102提供。在一個優(yōu)選實施方案中，陽極150包含粒狀鋅，陰極110包含MnO2。氫氧化鉀水溶液形成陽極和陰極的一部分。
如圖5所最佳示出的，陰極110可以為多個具有穿過其厚度的中空中心核110b的塊110a的形式。陰極塊110a優(yōu)選為總體矩形形狀。如圖2、3和5所示，將陰極塊110a插入到殼體100中并沿著電池長度將一個垂直堆積在另一個之上。每個陰極塊110a可在其插入到殼體100中后再次壓緊。這種再次壓緊確保每個陰極塊110a的外表面與殼體100的內(nèi)表面緊密接觸。優(yōu)選地，陰極塊110a內(nèi)的中空中心核110b被對齊以沿著電池的縱向軸線190形成一個連續(xù)的中心核，用于接納陽極漿液150。任選地，最靠近殼體100封閉端104的陰極塊110a可具有毗鄰并罩住封閉端104內(nèi)表面的底部表面。
陰極塊110a可為壓鑄的或壓縮模制的?？晒┻x擇地，陰極110可由陰極材料形成，所述材料擠壓通過噴嘴以形成具有空核的單一連續(xù)陰極110。陰極110也可由多個具有空核110b的塊110a形成，其中每個塊被擠壓至殼體100中。
將陰極110插入后，隨后將電解質(zhì)可滲透的隔離膜140放置在每個塊110a的中心核110b內(nèi)，使得隔離膜140的外表面毗鄰陰極內(nèi)表面，如圖2、3和5所示。限定所述中空中心核110b的每個陰極塊110a的內(nèi)表面優(yōu)選為曲面。這種彎曲的內(nèi)表面改善了所述塊在轉(zhuǎn)移和處理期間的機械強度，并且也提供隔離膜140和陰極110之間的更均勻接觸。
將所述塊110a的中心核110b對齊以形成如上所述的一個連續(xù)核。將隔離膜140插入后，所述連續(xù)核形成用于容納陽極材料150的陽極腔體155。陽極腔體位于陰極塊110a的不含陰極材料的中心核內(nèi)。當(dāng)在沿垂直于電池的縱向軸線190的平面截取的陰極塊110a的橫截面的平面圖(圖4B)內(nèi)觀察時，陽極腔體155具有細(xì)長的或長方形形狀。被邊界周邊156限定的陽極腔體155的橫截面可為橢圓形或基本橢圓形。腔體155具有大于其短尺寸D2的長尺寸D1。因此，腔體155可具有沿平行于電池的寬側(cè)面(106a或106b)的平面通道的直徑(或?qū)挾?D1，其大于所述腔體在平行于電池的窄側(cè)面(107a或107b)的平面方向上的直徑(或?qū)挾?D2。因此，作為非限制性例子，當(dāng)在沿著垂直于中心縱向軸線190的平面的橫截面內(nèi)觀察時，陽極腔體155可呈橢圓形狀或顯示出基本橢圓形。當(dāng)在橫截面(圖4B)內(nèi)觀察時，陽極腔體相對的長邊界邊緣158a和158b可為平的或基本平的，使得總體構(gòu)型不是純橢圓，但不過是所示的細(xì)長或長方形形狀。
當(dāng)在通過用垂直于電池的中心縱向軸線190的平面切割陰極塊110a得到的橫截面(圖4B、4C和4D)內(nèi)觀察時，腔體155具有細(xì)長的或長方形形狀。如圖4C所示，這種細(xì)長形狀可為細(xì)長的多邊形或矩形。如圖4D所示，被邊界周邊156所限定的限定腔體155的長尺寸D1與短尺寸D2的軸線可為歪斜的。優(yōu)選地，當(dāng)在通過用垂直于電池的中心縱向軸線190(圖1A)的平面切割陰極塊110a得到的橫截面(圖4B)內(nèi)觀察時，腔體155的邊界周邊156至少一部分是彎曲的。腔體155理想地為長方形構(gòu)型。在一個優(yōu)選實施方案中，限定腔體155的幾乎所有的邊界周邊156是彎曲的。具體地講，期望至少最接近電池的相對窄側(cè)面107a和107b的腔體155的相對表面157a和157b是彎曲的，如圖4B所最佳示出的。優(yōu)選地，當(dāng)在如上所述的橫截面內(nèi)觀察時，腔體155幾乎所有的周邊156是彎曲的。如圖4B所示，當(dāng)從外部觀察殼體100時，相對的長邊緣158a和158b優(yōu)選向外彎曲(凸的)。然而，長邊緣158a和158b可為平的或基本平的?？晒┻x擇地，長邊緣158a和158b可稍微向內(nèi)彎曲(凹的)或輕輕向外彎曲(凸的)或者可為旋繞彎曲，例如具有交替的凸凹表面。類似地，短邊緣157a和157b可稍微向內(nèi)彎曲(凹的)或輕輕向外彎曲(凸的)或者可為旋繞彎曲，例如具有交替的凸凹表面。在沿垂直于電池的縱向軸線的平面截取的陰極塊110a的任何橫截面內(nèi)，具有腔體155的代表其在平面內(nèi)的最大長度的長尺寸D1和代表其在所述平面內(nèi)的最大寬度的短尺寸D2。如圖4B所示，長直徑(D1)將通常位于沿著平行于電池寬側(cè)面(106a或106b)的平面方向上，小直徑(D2)位于沿著平行于電池窄側(cè)面(107a或107b)的平面方向上。當(dāng)在如上所述的橫截面內(nèi)觀察時，腔體155具有至少一些曲率，并且其特征在于D1/D2的比率大于1.0，表明所述腔體為細(xì)長的或長方形構(gòu)型。當(dāng)在沿垂直于縱向軸線190的平面截取的橫截面內(nèi)觀察時，腔體155的形狀理想地為具有大于1.0的D1/D2比率的對稱長方形構(gòu)型。在這種情況下，如圖4B所示，尺寸D1和D2互相垂直。作為具體的非限制性例子，當(dāng)在這種橫截面內(nèi)觀察時，腔體155的形狀可為長方形并且可為橢圓形或基本橢圓形。
陽極150，優(yōu)選為包括鋅粒與含水堿性電解質(zhì)的凝膠鋅漿液形式。沿著電池的縱向軸線190將陽極漿液150注入電池的中心核155中。因此，陽極150通過位于其間的隔離膜140避免與陰極110直接接觸。
當(dāng)提供了電池內(nèi)容物之后，隨后將電池組合件12(圖4)插入到開口端102內(nèi)以密封電池并提供負(fù)端290。殼體的封閉端104可用作電池的正端。封閉端104可被牽拉或壓印以提供突出的正支托，或者可將具有突出支托180的單獨端板184焊接到殼體的封閉端104上，如圖1A所示。
組成端帽組件12具體實施方案的組件最佳地示于圖4中。端帽組件12包括細(xì)長的陽極集電器160；絕緣密封構(gòu)件220；位于密封構(gòu)件220之上的金屬罩230；部分穿過絕緣密封構(gòu)件220的金屬鉚釘240；使鉚釘240與金屬罩230絕緣的塑料墊片250；位于鉚釘240腔體248內(nèi)的橡膠排氣栓260；橡膠栓260之上的排氣支托帽270；塑料填料密封280以及塑料填料280之上的負(fù)端板290。
據(jù)本文公認(rèn)位于鉚釘240中的腔體248內(nèi)的橡膠排氣栓260以及橡膠栓260之上的排氣支托帽270已被公開并與商業(yè)7/5-F6型的矩形可充電鎳金屬氫化物電池(型號為GP14M145，由GoldPeak Batteries，Hong Kong制造)聯(lián)合使用。然而，本專利申請的本文申請者已確定如果應(yīng)用于一次鋅/MnO2堿性電池，在所述GP14M145型號的鎳金屬氫化物可充電電池中的端帽組件總體上會造成腐蝕并促進氣體生成。發(fā)現(xiàn)這種腐蝕發(fā)生在細(xì)長的集電器和電池外殼的內(nèi)表面之間，這是因為集電器的最寬部分非常接近(小于約0.5mm)電池外殼的內(nèi)表面。應(yīng)當(dāng)理解，集電器160的寬部，即法蘭161與可復(fù)位排氣栓設(shè)計聯(lián)合被采用。需要集電器的這種寬部(法蘭161)，因為要將集電器鉚接到絕緣密封構(gòu)件220的下側(cè)。因此，法蘭161必須足夠?qū)捯詫T釘240的基座246固定到其上。如果電池10為小型扁平電池，例如具有介于約5和10mm之間總體厚度的立方體形狀的電池，則法蘭161的邊緣將因此靠近殼體100的內(nèi)表面而終止。
申請者已通過為絕緣密封構(gòu)件220提供包圍裙226對其重新設(shè)計而改進了包括集電器160與絕緣密封構(gòu)件220的子組件。絕緣密封裙226圍繞陽極集電器160的最寬部分，即法蘭161。絕緣裙161因此在集電器法蘭161的邊緣和殼體100的內(nèi)表面之間提供屏蔽。已確定絕緣裙161可減少電池放電期間腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，典型地為包含金屬的絡(luò)合物或化合物在法蘭161和殼體100內(nèi)表面之間的空間內(nèi)的產(chǎn)生。如果大量產(chǎn)生，這種腐蝕性化學(xué)物質(zhì)可妨礙電池性能并促進電池放氣。此外，在本文所述的改進設(shè)計中，陽極集電器160的最寬部分，即法蘭161，距外殼的內(nèi)表面介于約0.5和2mm之間，優(yōu)選介于約0.5和1.5mm之間。已確定其與圍繞集電器法蘭161的絕緣密封裙226的使用組合可防止任何顯著量的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)在集電器寬部(法蘭161)和殼體100內(nèi)表面之間的產(chǎn)生。本發(fā)明的這種改進設(shè)計繼而使得可復(fù)位橡膠排氣栓組件適于作為本文所述一次平堿性電池的可行排氣機構(gòu)。
最佳地示于圖4和5中的端帽組件12的組件可由以下方式裝配陽極集電器160包括細(xì)長的軸或線材162，其在其底端終止于尖端163，在其頂端終止于向外延伸的整體法蘭161，該法蘭優(yōu)選與軸162成直角。因此，當(dāng)將集電器160插入到陽極150中時，向外延伸的法蘭161的邊緣可比軸162更靠近殼體100的內(nèi)表面。絕緣密封構(gòu)件220具有頂片227和相對的開口底部228。絕緣密封構(gòu)件220優(yōu)選為尼龍66或尼龍612，其為耐用、耐堿且可滲透氫的?？晒┻x擇地，絕緣密封構(gòu)件220可由聚丙烯、滑石填充的聚丙烯、磺化聚乙烯或其它聚酰胺(尼龍)等級組成，其為耐用且氫可滲透的。絕緣構(gòu)件220優(yōu)選為矩形，從而其可緊密地配合在殼體100的開口端102內(nèi)。由絕緣構(gòu)件220的頂端227延伸的相對側(cè)壁226a及相對端壁226b在頂片227周圍形成向下延伸的裙226。裙226限定所述絕緣密封構(gòu)件220的開口底部228的邊界。有一個小孔224穿過頂片227。存在的金屬罩230可為具有通過其間的小孔234的金屬板。存在的金屬鉚釘240具有頭部247和基座245。鉚釘240可為鍍鎳鋼或不銹鋼。鉚釘240在頭部247內(nèi)具有腔體248。腔體248完全穿過鉚釘頭部247和鉚釘軸245。將集電器160的法蘭161插入到絕緣密封構(gòu)件220的開口底部228中，使得集電器160的法蘭161被所述密封構(gòu)件220的絕緣裙226圍繞并保護。如圖4所示，集電器160的法蘭部分161具有穿過其間的小孔164。鉚釘240的基座246可穿過所述小孔164并鉚接到所述法蘭161上以保持集電器160與所述鉚釘電接觸。
在這種實施方案中，絕緣裙226在集電器法蘭161和電池殼體100的內(nèi)表面之間提供屏蔽。已確定陽極集電器160的任何表面和電池殼體100內(nèi)表面之間的狹窄間隙，例如，小于約0.5mm，可提供其中在堿性電池放電期間可產(chǎn)生腐蝕性副產(chǎn)物的區(qū)域。這繼而會鈍化陽極集電器160的鄰近區(qū)域并促進氣體生成。絕緣密封構(gòu)件220向下延伸的裙226旨在圍繞集電器160向外延伸的部分例如整體法蘭161，從而在集電器160的最寬部分和殼體100之間提供屏蔽。已確定這樣可解決腐蝕問題并減少氣體生成。申請者已通過重新設(shè)計集電器的最寬部分，優(yōu)選通過提供屏蔽，即圍繞最寬部分(即陽極集電器160的法蘭161)的絕緣裙226改進了設(shè)計。裙226的放置及效果更詳細(xì)地描述于本文以下段落中。在本文所述的申請者的改進設(shè)計中，陽極集電器160的最寬部分，即法蘭161，距外殼的內(nèi)表面介于約0.5和2mm之間，優(yōu)選介于約0.5和1.5mm之間。此外，包圍絕緣裙226在集電器法蘭161和殼體100之間提供屏蔽。已確定這些設(shè)計特征可解決腐蝕問題并使得可復(fù)位橡膠排氣栓組件適于作為本發(fā)明一次平堿性電池的可行排氣機構(gòu)。
在形成端帽組件12中，放置集電器160的法蘭部分161使得穿過其間的小孔164與通過絕緣密封構(gòu)件220頂片227的小孔224對齊。將金屬罩230放置在絕緣密封構(gòu)件220的頂片227之上，使得通過金屬罩230的小孔234與小孔224對齊。將塑料墊片250插在金屬罩230之上，使得通過墊片250的小孔252與金屬罩230的小孔234對齊。在優(yōu)選的實施方案中(圖4)，鉚釘240的基座246穿過墊片250的小孔252，也穿過金屬罩230的小孔234。鉚釘240的基座246也穿過絕緣密封構(gòu)件220的小孔224以及集電器法蘭161的小孔164。塑料墊片250使鉚釘240與金屬罩230絕緣。鉚釘軸245的基座246延伸穿過絕緣密封構(gòu)件220的小孔224以及陽極集電器160頂部法蘭部分161內(nèi)的下面小孔164?？衫密壍朗姐T釘機等將鉚釘軸的基座246對著集電器法蘭161的底部表面錘打至適當(dāng)位置。這樣將鉚釘軸鎖定在絕緣密封構(gòu)件220小孔224內(nèi)的適當(dāng)位置，并且還將集電器160固定到鉚釘軸245上。這樣可保持集電器160與鉚釘240持久電接觸，并防止鉚釘軸245由絕緣密封構(gòu)件220的小孔224中移除或驅(qū)逐出。鉚釘頭部247緊密地位于塑料墊片250之上。這形成了包括鉚釘240、塑料墊片250、金屬罩230、絕緣密封構(gòu)件220以及陽極集電器160的子組件。所述子組件可被儲存直到準(zhǔn)備用于進一步組裝。
裝配過程通過將橡膠排氣栓260插入到鉚釘頭部247內(nèi)的腔體248中來完成。栓260優(yōu)選為截短的圓錐形狀，并被設(shè)計為緊密地配合到鉚釘頭部247的腔體248內(nèi)。栓260優(yōu)選為耐堿性電解質(zhì)的可壓縮彈性材料。用于栓260的優(yōu)選材料為橡膠，優(yōu)選為氯丁橡膠或EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)橡膠或其它耐堿可壓縮橡膠。栓240表面優(yōu)選涂布有非潤濕劑，例如特氟隆(聚四氟乙烯)、瀝青或聚酰胺。然后將金屬排氣支托帽270插在栓260之上。用足以壓縮栓約0.55mm的力將排氣支托帽270壓在栓260上。已確定這樣可提供承受約13.79×105帕斯卡(200psig)的內(nèi)部氣體壓力累積的密封。可調(diào)整栓260的壓縮，使得所述密封可承受典型地介于約6.895×105和20.69×105帕斯卡表(100和300psig)之間，理想地介于約6.895×105和13.79×105帕斯卡表(100和200psig)之間的內(nèi)部壓力。如果需要，栓260較高程度的壓縮也是可能的，以使密封能夠承受較高壓力，即，高于20.69×105帕斯卡表(300psig)。反過來，如果需要，栓260減小的壓縮是可能的，使得所述密封保持最多在低于6.895×105帕斯卡表(100psig)的任何可取值下的壓力閾值。排氣支托帽270的基座273可具有幾個向下延伸的切片，當(dāng)將排氣帽270擠壓在栓260上時，這些切片配合到塑料墊片250頂部表面內(nèi)的壓痕或裂縫253內(nèi)。這最佳地示于圖5中。在將排氣支托帽270插在栓260之上從而將所述栓壓縮在鉚釘頭腔248內(nèi)之后，將排氣帽270焊接到鉚釘頭部247上。栓260因此保持壓縮在鉚釘頭腔248內(nèi)。將塑料填料構(gòu)件280放置在排氣帽頭部271之上。排氣帽頭部271突出穿過塑料填料280內(nèi)的小孔282。然后將端子端板290(負(fù)端)焊接到排氣帽頭部271上。排氣帽270因此同時焊接到端板290與鉚釘240上。端子端板290由具有良好機械強度和耐腐蝕性的導(dǎo)電金屬構(gòu)成，例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼，優(yōu)選鍍鎳低碳鋼。因此，完整的端帽組件12形成，其中端子端板290與集電器163持久電接觸。
然后將完整的端帽組件12插入到殼體100的開口端102中。集電器軸162穿入陽極漿液150中。將金屬罩230的邊緣焊接(優(yōu)選通過激光焊接)到殼體的頂部周邊邊緣104上。這使得端帽組件12適當(dāng)固定并密封殼體開口端102，如圖1和1A所示。端子端板290與集電器160和陽極150電接觸，并因此形成用于本文所述鋅/MnO2堿性電池實施方案的負(fù)端。應(yīng)當(dāng)理解，負(fù)端板290通過塑料填料280與殼體100電絕緣。鉚釘240和陽極集電器160通過塑料墊片250及絕緣密封構(gòu)件220與殼體100電絕緣。如圖1A、2和3所示，殼體100相對的封閉端處的支托180形成電池的正端。支托180可由殼體的封閉端104整體成形或者可形成于單獨板184，該板可如圖1A所示單獨焊接到封閉端上。完整的電池示于圖1和1A的透視圖中以及圖2和3的截面圖中。
在電池放電或儲存期間的操作中，如果電池內(nèi)的氣體壓力累積達到超過設(shè)計閾值水平，則栓260開始從鉚釘頭腔248中離位。這將容許氣體通過鉚釘頭腔248從電池內(nèi)部逸出，然后通過排氣帽270的排氣小孔272排放到外部環(huán)境中。當(dāng)電池內(nèi)的壓力減小時，栓260開始復(fù)位到鉚釘頭腔248內(nèi)。
作為附加安全特征，電池可具有用于補充可復(fù)位栓排氣260的第二排氣裝置?？稍O(shè)計補充排氣口在災(zāi)難性情況下啟動，例如，如果使用者不小心試圖使用設(shè)計用于扁平可充電電池的電池充電器對一次電池10長期再充電。本發(fā)明的電池10設(shè)計為一次(不可充電電池)。盡管在電池標(biāo)簽上有電池不應(yīng)再充電的大量書面通知，但使用者不小心試圖在常規(guī)的扁平電池充電器(例如，設(shè)計用于對扁平鎳金屬氫化物電池再充電的一種)內(nèi)對電池再充電總是可能的。如果電池以試圖長期再充電的這種方式被濫用，則存在內(nèi)部壓力水平可能突然升高的危險。
如果電池10不小心進行了再充電(盡管其旨在作為一次不可充電電池)，當(dāng)內(nèi)部氣體壓力達到理想地介于約6.895×105和20.69×105帕斯卡表(100和300psig)之間壓力的設(shè)計閾值時，栓排氣口260將離位從而釋放壓力。如果在長期連續(xù)充電時壓力再次累積，栓260將再次離位。栓的這種離位和復(fù)位過程可重復(fù)多次，導(dǎo)致氣體壓力由電池內(nèi)部的脈沖釋放。在這種濫用條件下，KOH電解質(zhì)將有機會逐漸進入栓260與容納栓260的鉚釘頭腔248內(nèi)表面之間的自由空間內(nèi)并結(jié)晶。(栓260通過焊接至鉚釘頭部的排氣帽270保持壓縮在鉚釘頭腔248內(nèi))。這種結(jié)晶KOH的累積減少了栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間的自由空間量。這會使得當(dāng)再充電過程繼續(xù)時栓260的適當(dāng)離位越來越困難，因為當(dāng)達到閾值氣體壓力時將有更少的可用自由空間用于栓260膨脹進入。結(jié)晶KOH在鉚釘頭部248中的少量自由空間內(nèi)的累積也可阻止氣體通過排氣帽270內(nèi)的排氣小孔272的適當(dāng)排放。
為了減少栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間的這種KOH結(jié)晶累積的有害作用，本文在設(shè)計中提出了幾項改進本發(fā)明的排氣系統(tǒng)可包括主排氣機構(gòu)和補充排氣機構(gòu)。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力累積達到設(shè)計壓力閾值水平P1時，主排氣機構(gòu)被啟動。在主排氣機構(gòu)不能恰當(dāng)操作情況下或者如果電池遭受了濫用情形導(dǎo)致氣體壓力快速累積，則具有在較高壓力水平P2下啟動的補充排氣機構(gòu)是可取的。例如，如果電池不小心進行了長期充電，則有可能發(fā)生一次這種濫用情形。在本發(fā)明的一個具體實施方案中，采用可復(fù)位栓240作為主排氣機構(gòu)，其在介于約100和300psig的設(shè)計閾值壓力P1下啟動。補充排氣機構(gòu)可為殼體主體100切去部分或端帽組件12內(nèi)任何位置處的弱激光焊接。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到理想地介于約2748×103和5515×103帕斯卡(400和800psig)之間的較高壓力P2時，弱激光焊接被設(shè)計成破裂。也可具有優(yōu)選與弱焊接相鄰的強焊接。強焊接被設(shè)計成在理想地介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間的仍較高壓力P3下破裂。
可通過沿著金屬罩230和殼體100內(nèi)表面之間的激光焊接接口的一部分形成弱激光焊接來提供補充排氣系統(tǒng)的一個實施方案。(金屬罩230用于封閉殼體100的開口端102。)優(yōu)選地，如圖6所示，弱激光焊接310a可施用在金屬罩長邊緣230a與殼體邊緣108a之一的主要部分之間。可施用弱激光焊接310a，從而當(dāng)電池內(nèi)的氣體累積到最多介于約2748×103和5515×103帕斯卡(400和800psig)之間的壓力時，焊接厚度使得該焊接將斷裂或破裂?？烧{(diào)整弱焊接的滲透深度以實現(xiàn)所需的破裂壓力。介于約2748×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的破裂壓力可用介于約2和4mil(0.0508和0.102mm)之間的激光焊接滲透深度來實現(xiàn)。弱焊接可理想地貫穿金屬罩230的至少一個長邊緣230a的主要部分。優(yōu)選地，弱焊接在點312a處開始，該點距殼體100的短邊緣108c與長邊緣108a相交的拐角至少約1mm。因此，對于平7/5-F6電池，弱焊接的長度可為至少約10mm，典型地約13mm。
金屬罩230邊緣和殼體邊緣(殼體邊緣107c、107d和106d)(圖6)之間的周邊接口的剩余部分可具有強激光焊接310b，該焊接被設(shè)計成在較高壓力水平，例如，介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間，典型地介于約5515×103和11030×103帕斯卡表(800和1600psig)之間的氣體壓力下破裂?？烧{(diào)整強焊接的滲透深度以實現(xiàn)所需的破裂壓力。介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間的破裂壓力可用介于約5和7mil(0.127和0.178mm)之間的激光焊接滲透深度來實現(xiàn)?？筛?xì)地調(diào)整強焊接的滲透深度，使得焊接在所需的壓力水平(例如，介于約8962×103和11030×103帕斯卡表(1300和1600psig)之間)下破裂。
盡管如圖6所示金屬板230的邊緣被示出焊接到金屬殼體100的內(nèi)表面上，但可以有可供選擇的實施方案，其中金屬板230的邊緣被焊接到金屬殼體邊緣上而不是殼體100的內(nèi)表面上。一個這種可供選擇的實施方案示于圖6A中。在這種實施方案中(圖6A)，將被相對的長邊緣108a和108b以及相對的短邊緣108c和108d限定的殼體邊緣108卷曲，使得這些邊緣位于大致與金屬板230相同的平面內(nèi)。因此，可將金屬板230的邊緣230a和230b直接激光焊接到卷曲的殼體邊緣180上。強激光焊接310b可施用在板邊緣230b與殼體邊緣108b、108c和108d之間；弱激光焊接310a可施用在板邊緣230a和殼體邊緣108a之間。
在其它實施方案中，殼體100的主體內(nèi)可具有切去部分。該切去部分可為多種形狀。例如，切去部分可為多邊形(圖7)或者可具有至少其邊界彎曲的一部分(圖7A)。可將金屬板，例如板400(圖7)或板500(圖7A)插入到這種切去部分中?？蓪⒔饘侔?00(圖7)或金屬板500(圖7A)的邊緣激光焊接到殼體上以封閉該切去部分。如圖7實施方案中所示，焊接可理想地為強激光焊接410b和相鄰的弱激光焊接410a的形式。如圖7A實施方案中所示，焊接可為強激光焊接510b和優(yōu)選相鄰的弱激光焊接510a的形式。
強焊接和弱焊接可通過采用在一定的峰功率輸出范圍內(nèi)的不同類型的激光器操作來實現(xiàn)。以下是利用Nd:Yag激光器產(chǎn)生弱焊接和強焊接的非限制性例子。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的閾值壓力時，如上所述的弱焊接將如上所述斷裂或破裂。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間，典型地介于約5515×103和11030×103帕斯卡表(800和1600psig)之間的閾值壓力時，強焊接將破裂。具體地講，弱焊接提供補充排氣系統(tǒng)，如果電池如上所述被濫用則容許氣體從電池內(nèi)逸出。
可供選擇地，補充排氣機構(gòu)可為有凹槽的排氣口形式，即，在殼體100表面上導(dǎo)致下面的變薄材料區(qū)域的一個或多個凹槽?？烧{(diào)整凹槽深度以及下面的變薄材料區(qū)域的厚度，使得當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力升高至大于P1的壓力P2時變薄區(qū)域破裂。在另一個實施方案中，可復(fù)位栓可被去除并且激光焊接可用作在壓力P1下啟動的主排氣機構(gòu)。在這種實施方案中，主排氣機構(gòu)可為殼體表面上凹槽下面的變薄材料區(qū)域?？稍O(shè)計變薄材料在較高壓力水平P2下破裂。
在另一個實施方案中，在殼體表面上可有多個凹槽。一個凹槽可具有下面的小厚度變薄區(qū)域，使其在電池內(nèi)的氣體累積達到設(shè)計壓力水平P1時破裂。殼體表面上可與第一個凹槽相鄰或間隔開的第二個凹槽可具有下面的變薄區(qū)域，如果電池內(nèi)的氣體壓力累積達到較高壓力P2時，該區(qū)域被設(shè)計成破裂。
當(dāng)殼體100為鋼，例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼時，凹槽例如凹槽600a(圖8)可形成在殼體表面上，使得當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的壓力時凹槽下面的變薄材料將破裂。殼體壁無凹槽的部分可典型地具有介于約0.3和0.50mm，理想地介于約0.3和0.45mm之間的平均壁厚。為了實現(xiàn)介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的破裂壓力，形成凹槽使得下面的變薄材料具有典型地介于約0.07和0.08mm之間的厚度。在一個具體的非限制性例子中，如果形成凹槽使得下面的變薄材料具有約0.074mm的厚度，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到約2999×103帕斯卡表(435psig)的水平時，這種下面的材料將破裂。
可以為例如殼體表面上的凹槽600a或600b(圖8至8A)形式的凹槽600可通過用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體表面制成。當(dāng)壓印模頭沖壓進殼體外表面中時，軸柄對準(zhǔn)殼體的內(nèi)表面。對于用這種壓印或切割沖模形成的凹槽，下面變薄區(qū)域610(圖9)的厚度主要決定該變薄區(qū)域?qū)⑵屏褧r的壓力。凹槽切口可理想地為V形(圖9)，其可優(yōu)選用具有刀具邊緣的壓印模頭得到。V形凹槽理想地具有約40度的銳角。凹槽600可通過其它方法，例如通過化學(xué)蝕刻制成。
凹槽600下面的變薄材料優(yōu)選與殼體材料相同，典型為鍍鎳?yán)滠堜摗０疾?00可具有直的或彎曲的邊界，或者可具有直部分與彎曲部分的組合。凹槽600可具有矩形、多邊形或長方形的邊界。凹槽可具有至少一部分旋繞的邊界，該邊界部分是凸的且部分是凹的。凹槽邊界可封閉或開口。在本文一個優(yōu)選的實施方案中，凹槽可為直的或基本直的，優(yōu)選平行于殼體的寬邊108a(圖8至8A)。例如，在7/5-F6型的矩形電池中，凹槽600a(圖8和8A)可理想地平行于殼體寬邊108a且距其約10mm放置，并且可具有約8mm的長度。
可具有與第一凹槽600a間隔開的第二凹槽600b，如圖8A所示。在一個具體的非限制性實施方案中，第二凹槽600b可平行于凹槽600a并且距正端180(封閉端)約10mm。凹槽600b可具有約8mm的長度。在這種情況下，每個凹槽600a和600b下面的材料厚度可以不同，使得當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到不同壓力水平時，下面的材料各自破裂。例如，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600a下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)爆裂壓力介于1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的這個范圍，凹槽600a下面的變薄材料具有介于約0.04和0.15mm之間的厚度?？晒┻x擇地，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600a下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)介于2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的這種爆裂壓力，凹槽600a下面的變薄材料具有介于約0.07和0.15mm之間的厚度。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力在電池被誤用以及電池內(nèi)的氣體壓力快速升高到介于約5515×103和11030×103帕斯卡表(800和1600psig)之間的水平情況下的災(zāi)難性處境下破裂時，可設(shè)計第二凹槽600b下面的變薄材料破裂。為了實現(xiàn)在介于約5515×103和11030×103帕斯卡表(800和1600psig)之間的壓力水平下破裂，凹槽600b下面的變薄材料610典型地具有介于約0.15和0.35mm之間的厚度。
實施例1(利用Nd:Yag激光器的弱焊接)可利用Nd:Yag激光器產(chǎn)生用于將金屬罩230沿著殼體邊緣106c焊接到殼體100上的弱焊接(圖6或6A)。激光器在約100赫茲的頻率下操作。每脈沖的峰功率輸出為約35瓦特。平均功率輸出為0.5千瓦。脈沖寬度(峰值功率之間的周期時間)為約0.7毫秒。激光器進料速率(激光器沿焊接途徑前進的速率)為約7.62cm(3英寸)每分鐘。沿殼體的長邊緣106c產(chǎn)生均勻焊接，從而焊接毗鄰其上的金屬罩230的長邊緣230a。焊接具有介于約2和4mil(0.0508和0.102mm)之間，典型地為約3mil(0.0762mm)的均勻滲透深度。當(dāng)電池內(nèi)的壓力達到介于2757×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的水平時，焊接斷裂，從而用作補充排氣口，使得主排氣口(栓260)的操作被折衷。
實施例2(利用Nd:Yag激光器的強焊接)可利用Nd:Yag激光器產(chǎn)生用于將金屬罩230沿著殼體邊緣106d、107c和107d焊接到殼體100上的強焊接(圖6或6A)?？衫肗d:Yag激光器產(chǎn)生用于將金屬罩230沿著殼體邊緣106d、107c和107d焊接到殼體100上的強焊接。激光器在約12赫茲的頻率下操作。每脈沖的峰功率輸出為約46瓦特。平均功率輸出為0.65千瓦。脈沖寬度(峰值功率之間的周期時間)為約5.9毫秒。激光器進料速率(激光器沿焊接途徑前進的速率)為約5.08cm(2英寸)每分鐘。沿殼體的長邊緣106d、107c和107d產(chǎn)生均勻焊接，從而焊接毗鄰其上的金屬罩230邊緣，如圖6所示。焊接具有介于約5和7mil(0.127和0.178mm)之間，典型地為約6mil(0.152mm)的均勻滲透深度。當(dāng)電池內(nèi)的壓力達到介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間，典型地介于約5515×103和11030×103帕斯卡(800和1600psig)之間的水平時，焊接斷裂。
在商業(yè)生產(chǎn)中，上述Nd:Yag激光器可在產(chǎn)生弱焊接的約125瓦特的較高峰值功率以及產(chǎn)生強焊接的約150瓦特的峰值功率下操作。在較高峰值功率下的這種操作容許激光器沿著焊接途徑以較高速率(進料速率)移動。
此外，為了減少栓260和排氣帽270內(nèi)表面之間的任何KOH結(jié)晶累積的有害作用(如果電池不小心進行了充電，這種累積有可能發(fā)生)，可對栓260進行改進使其在容納栓260的鉚釘頭部247腔體內(nèi)占據(jù)較少空間。這種改進設(shè)計的具體實施方案以栓260示于圖2A、3A和4A中。在示于圖4中的栓260的改進設(shè)計中，該栓在鉚釘頭腔248內(nèi)比示于圖2、3和4中的栓的截頭設(shè)計占據(jù)更少空間。在栓260壓縮至鉚釘頭腔248中后，腔體248內(nèi)容納所述栓的自由空間的量大于約10％，理想地介于約10％和40％之間。作為對比，在示于圖2、3和4中的截頭實施方案所示的栓260的鉚釘腔體內(nèi)的自由空間的量典型地小于約10％。
已確定鉚釘頭腔248內(nèi)典型地介于約10％和40％之間的較大自由空間量(其可由改進的栓設(shè)計(圖4A)實現(xiàn))可確保栓在濫用情況下更有效的操作，例如，如果電池如上所述不小心進行了充電。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到設(shè)計閾值水平，例如介于約689×103和2068×103帕斯卡(100和300psig)之間時，這種改進的栓260(圖4A)理想地離位。鉚釘頭腔248內(nèi)較大的自由空間量可容納其內(nèi)任何逐漸的KOH結(jié)晶累積(如果電池因不小心充電而濫用，這種累積可能會發(fā)生)。然而，有足夠的自由空間保留在鉚釘頭腔248內(nèi)以容許栓260在自身離位中有效操作，使得當(dāng)電池內(nèi)的壓力累積達到設(shè)計閾值水平時氣體壓力釋放。
如圖4A所示，栓260的形狀可以改變以實現(xiàn)鉚釘頭腔248內(nèi)較大的自由空間量。在這種改進設(shè)計中(圖4A)，栓260具有圓柱形基座262以及由其延伸的較小直徑的整體成形的圓柱形主體261。主體261直徑與基座262直徑的比率可按要求調(diào)整，以實現(xiàn)在改進的栓260(圖4A)壓縮至腔體中后在鉚釘頭腔248內(nèi)較大的自由空間量，典型地介于約10％和40％之間。圓柱形主體261充分地承受將栓260壓縮至鉚釘頭腔248中的壓力。通過向栓的頂部表面263施加壓力并隨后將排氣帽270焊接到鉚釘頭部247上，可將改進的栓260(圖4A)壓縮至鉚釘頭腔248內(nèi)。這樣可保持栓260在鉚釘頭腔248內(nèi)緊密地位于壓縮狀態(tài)。在壓縮狀態(tài)下，栓260的主體261呈球狀構(gòu)型，如圖1A和2A所示。當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力累積達到理想地介于約689×103和2068×103帕斯卡(100和300psig)之間的閾值水平時，栓本身離位，從而使氣體通過排氣帽270內(nèi)的排氣小孔272從電池內(nèi)選出。在排氣帽270內(nèi)優(yōu)選具有至少兩個排氣小孔272以確保將有一清晰通道，當(dāng)栓270離位時氣體可通過該通道由排氣帽270逸出。栓260理想地為彈性體材料，優(yōu)選為橡膠材料，其充分地可壓縮并有彈性，并且當(dāng)與堿性電解質(zhì)接觸時抗化學(xué)侵蝕或物理降解。用于栓260的優(yōu)選橡膠材料為硫化EPDM橡膠，其理想地具有介于約80和85之間的硬度測驗器硬度。
盡管如圖4A所示的用于栓260的改進構(gòu)型是優(yōu)選的，應(yīng)當(dāng)理解其它形狀的栓可幫助實現(xiàn)容納栓的鉚釘頭腔248內(nèi)自由空間所需的增加。例如，栓的主體261可稍微傾斜來代替如圖4A所示的圓柱形。鉚釘頭腔的寬度也可沿電池的寬側(cè)面方向增大(圖2A)。在這種情況下，鉚釘頭腔248沿一個軸線(即，沿電池的寬側(cè)面方向)將為細(xì)長的(圖2A)。然而，如目前附圖所示，對稱(圓形)鉚釘頭腔248是優(yōu)選的。
并不旨在限制本發(fā)明為任何具體尺寸的矩形電池。然而，作為具體實施例，堿性電池100可為小尺寸的矩形(立方體)，當(dāng)沿電池厚度方向由殼體的外表面測量時，典型地具有介于約5和10mm之間的厚度，尤其是介于約5和7mm之間的厚度。電池寬度可典型地介于約12和30mm之間，并且電池長度可典型地介于約40和80mm之間。具體地講，本發(fā)明的堿性電池10可用作相同尺寸的可充電鎳金屬氫化物電池，例如，標(biāo)準(zhǔn)7/5-F6型的矩形電池的替代品。7/5-F6型電池具有6.1mm的厚度、17.3mm的寬度和約67.3mm的長度。
代表性電池的化學(xué)組成以下關(guān)于陽極150、陰極110和隔離膜140的化學(xué)組成的電池組成描述適用于上述實施方案中公開的扁平電池。
在上述電池10中，陰極110優(yōu)選包含二氧化錳，而陽極150包含鋅及電解質(zhì)。含水電解質(zhì)包括KOH、氧化鋅和膠凝劑的常規(guī)混合物?？晒┻x擇地，陽極150可包含鋅，而陰極110可包含羥基氧化鎳。在這種實施方案中，含水電解質(zhì)優(yōu)選也包含KOH。包含羥基氧化鎳的陰極制劑在本領(lǐng)域是已知的，并適于本發(fā)明扁平電池10情況下的陰極110。例如，用于羥基氧化鎳陰極的這種典型制劑闡明于美國專利6,686,091 B2或美國專利申請公布US2004/0043292A1中，兩者均全文引入本文以供參考。陽極材料150可以為包含無汞(零加入汞)的鋅合金粉末的膠凝混合物形式。換句話講，電池具有的汞總含量為按重量計每一百萬份的鋅中小于約100份(ppm)，優(yōu)選按重量計每一百萬份的鋅中小于50份的汞。電池優(yōu)選也不包含任何添加量的鉛，因此基本上是無鉛的，換句話講，總鉛含量小于陽極中鋅總量的30ppm，理想小于15ppm。這種混合物可典型地包含KOH電解質(zhì)水溶液、膠凝劑(例如，以商品名CARBOPOL C940購自B.F.Goodrich的丙烯酸共聚物)和表面活性劑(例如，以商品名GAFACRA600購自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑)。僅給出這種混合物作為說明性的實施例，并不意味著對本發(fā)明的限制。用于鋅陽極的其它代表性的膠凝劑公開于美國專利4,563,404中。
陰極110理想地具有以下組成87％至93％重量電解二氧化錳(例如，來自Kerr-McGee的Trona D)、(總計)2％至6％重量的石墨、5％至7％重量的7至10當(dāng)量的KOH水溶液，具有的KOH濃度為約30％至40％重量；以及0.1％至0.5％重量的任選聚乙烯粘合劑。電解二氧化錳典型地具有介于約1和100微米之間，理想地介于約20和60微米之間的平均粒度。石墨典型地為天然石墨或膨脹石墨或它們的混合物的形式。石墨也可包括單獨的或與天然或膨脹石墨混合的石墨類碳納米纖維。這種陰極混合物旨在說明性的，并不意味著對本發(fā)明的限制。
陽極材料150包括62％至69％重量的鋅合金粉末(99.9％重量的包含銦的鋅包含200ppm至500ppm的銦作為合金材料和鍍材)、包含38％重量KOH和約2％重量ZnO的KOH水溶液、以商品名“CARBOPOL C940”購自B.F.Goodrich的交聯(lián)丙烯酸聚合物膠凝劑(例如，0.5％至2％重量)，以及以商品名“WaterlockA-221”購自Grain Processing Co.的接枝到淀粉主鏈上的水解的聚丙烯腈(介于0.01％和0.5％重量之間)、有機磷酸酯表面活性劑RA-600或以商品名RM-510購自Rhone-Poulenc的二壬基酚磷酸酯表面活性劑(介于100ppm和1000ppm之間)。本文所用術(shù)語鋅應(yīng)該理解為包括含有非常高濃度鋅的鋅合金粉末，例如按重量計至少99.9％的鋅。這種鋅合金材料與純鋅的電化學(xué)功能基本相同。
對于本發(fā)明平堿性電池10的陽極150，鋅粉末的中值平均粒度理想地介于約1和350微米之間，理想地介于約1和250微米之間，優(yōu)選介于約20和250微米之間。典型地，鋅粉末可以具有約150微米的中值平均粒度。陽極150中的鋅?？梢詾獒槧罨蚯蛐涡螤睢Ｇ蛐涡螤畹匿\粒是優(yōu)選的，因為它們可更好地從所用的分配噴嘴分配以用鋅漿填充較小的電池陽極腔體。陽極中鋅的堆密度介于每立方厘米陽極約1.75和2.2克鋅之間。陽極中電解質(zhì)水溶液的體積百分?jǐn)?shù)按陽極體積計優(yōu)選介于約69.2％和75.5％之間。
電池10可以常規(guī)方式被平衡，使得MnO2的毫安小時容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為約1。然而，平衡電池使得陰極顯著過量是優(yōu)選的。優(yōu)選電池10被平衡使得MnO2的總理論容量除以鋅的總理論容量介于約1.15和2.0之間，理想地介于約1.2和2.0之間，優(yōu)選介于約1.4和1.8之間，更優(yōu)選介于約1.5和1.7之間。已確定這種陰極過量的電池平衡可減少陰極膨脹量，因為基于電池總重量，在放電時有較少百分比的MnO2轉(zhuǎn)化成MnOOH。這繼而會減少電池殼體的溶脹量。為了減少總?cè)苊洠鲜鯩nO2理論容量與鋅理論容量的比率可行地最高約2.5或者甚至最高約3.0，但在高于約2.0這種高比率下的電池設(shè)計會更顯著地減小電池容量，因此從這點考慮變得不太可取。
已確定期望具有的殼體100壁厚介于約0.30和0.50mm之間，典型地介于約0.30和0.45mm，優(yōu)選介于約0.30和0.40mm之間，更理想地介于約0.35和0.40之間。電池10優(yōu)選為立方體形狀(圖1和2)，具有的總厚度理想地介于約5和10mm之間。與此聯(lián)合的是電池被平衡使得陰極過量。期望電池被平衡使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)比率介于約1.15和2.0之間，理想地介于約1.2和2.0之間，優(yōu)選介于約1.4和1.8之間。陽極厚度與殼體外部厚度的比率理想地介于約0.30和0.40之間。(這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。)隔離膜140可為常規(guī)的離子多孔隔離膜，其由纖維質(zhì)和聚乙烯醇纖維的非織造材料內(nèi)層以及玻璃紙外層組成。這種材料僅為說明性的，并不意味著對本發(fā)明的限制。
殼體100優(yōu)選為鍍鎳鋼。殼體100理想地在其內(nèi)表面上涂布有碳涂層，優(yōu)選為石墨碳涂層。這種石墨涂層可為例如水基石墨分散體的形式，其可被施用到殼體內(nèi)表面上并隨后在環(huán)境條件下干燥。石墨碳改善了導(dǎo)電性，并且可通過減少殼體內(nèi)表面上發(fā)生表面腐蝕的可能性間接減少電池放氣。金屬罩230、負(fù)端板290和正端板180也優(yōu)選為鍍鎳鋼。集電器160可選自多種發(fā)現(xiàn)可用作集電器材料的已知導(dǎo)電金屬，例如，黃銅、鍍錫黃銅、青銅、鍍銅或銦的黃銅。絕緣密封構(gòu)件220優(yōu)選為尼龍66或尼龍612。
以下具體實施例顯示采用不同電池平衡的相同尺寸的矩形電池的對比性能。在每種情況下，新電池具有5.6mm的厚度、17mm的寬度和67mm的長度。(除非另外指明，所有尺寸是殼體周圍無標(biāo)簽的外部尺寸。)對于每個測試電池，殼體100壁厚同為0.38mm。對于每個電池，殼體100為其內(nèi)表面涂布有石墨碳的鍍鎳鋼。如附圖(圖1至5)中所描繪的，電池構(gòu)型在每種情況下相同。陽極集電器160寬部(法蘭161)的邊緣距殼體100的內(nèi)表面為約0.5mm。絕緣密封構(gòu)件220的包圍裙226圍繞集電器160的所述寬部(法蘭161)，從而在其和殼體100的內(nèi)壁表面之間提供屏蔽。
所有電池組件與上述相同，并且每個測試電池具有附圖中所示的排氣端帽組件12。唯一的區(qū)別在于電池平衡和陽極組成。對比電池(對比實施例)被平衡使得平衡比，即MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為1.1。測試實施例1中的測試電池被平衡使得平衡比，即MnO2的理論容量除以鋅的理論容量為1.25。測試實施例2和3中的測試電池被平衡使得MnO2的理論容量除以鋅的理論容量分別為1.6和2.0。
以下實施例中的對比和測試電池被間歇放電，周期為90毫瓦的功率開緊接著三個小時的功率關(guān)，直到達到0.9伏的截止電壓。(這種間歇放電模擬典型的便攜式固態(tài)數(shù)字音頻播放器使用，該播放器典型地能夠使用MP3音頻格式。)然后記錄實際的總服務(wù)時數(shù)，并求取和記錄電池殼體的溶脹量。
對比實施例(對比電池)制備附圖所示的矩形(立方體)構(gòu)型的對比測試電池10及端帽組件。被殼體100外部尺寸所限定的電池具有約67mm的長度和約17mm的寬度以及約5.6mm的厚度(放電前)。陽極150和陰極110具有以下組成。
陽極組成重量百分比(％)鋅170.0表面活性劑20.088(RA 600)電解質(zhì)329.91(9當(dāng)量KOH) 100.00注1.鋅粒具有約150微米的中值平均粒度，合金化并鍍以銦以得到約200ppm的總銦含量。
2.來自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑溶液RA600。
3.電解質(zhì)溶液包含膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940，所述膠凝劑總含量為電解質(zhì)溶液的約1.5％重量。
陰極組成重量百分比(％)MnO2(EMD) 87.5(來自Kerr McGee的Trona D)
石墨17.4(NdG15天然石墨)電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.0注1.石墨NdG15為來自Nacional De Grafite的天然石墨。
用于電池的殼體100的壁厚為0.38mm。新電池10具有67mm的長度、5.6mm的厚度和17mm的寬度。電池的陽極150和陰極110被平衡，使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為1.1。陽極具有2.8克鋅。(陰極具有6.89克MnO2。)陽極150、陰極110和隔離膜140占圖1和1A所示構(gòu)型的殼體100外部體積的約66％。陽極厚度與殼體外部厚度的比率為約0.35。這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。
將電池間歇放電，周期為90毫瓦的“功率開”緊接著三個小時的“功率關(guān)”，直到達到0.9伏的截止電壓。實際服務(wù)壽命為24.5小時。殼體已從5.6mm的厚度溶脹至6.13mm的厚度。(厚度是在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b外表面之間測量。)測試電池實施例1制備具有矩形構(gòu)型并與對比實施例中尺寸相同的測試電池10。陽極150和陰極110具有以下組成。
陽極組成重量百分比(％)鋅166.0表面活性劑20.083(RA 600)
電解質(zhì)334.0(9當(dāng)量KOH)100.08注1.鋅粒具有約150微米的中值平均粒度，合金化并鍍以銦以得到約200ppm的總銦含量。
2.來自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑溶液RA6003.電解質(zhì)溶液包含膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940，所述膠凝劑總含量為電解質(zhì)溶液的約1.5％重量。
陰極組成重量百分比(％)MnO2(EMD) 87.5(來自Kerr McGee的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.0注1.石墨NdG15為來自Nacional De Grafite的天然石墨。
用于測試電池的殼體100的壁厚為0.38mm。新電池10具有67mm的長度、5.6mm的厚度和17mm的寬度。電池的陽極150和陰極110被平衡，使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為1.25。陽極具有2.56克鋅。(陰極具有7.11克MnO2。)陽極、陰極、電解質(zhì)和隔離膜占?xì)んw100外部體積的約66％，更確切地講，當(dāng)在其封閉端104和開口端102之間測量時。陽極厚度與殼體外部厚度的比率為約0.35。這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。
將電池間歇放電，周期為90毫瓦的“功率開”緊接著三個小時的“功率關(guān)”，直到達到0.9伏的截止電壓。實際服務(wù)壽命為24.3小時。殼體已從5.6mm的厚度溶脹至6.03mm的厚度。(厚度是在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b外表面之間測量。)服務(wù)時數(shù)與對比實施例中大約相同，然而，殼體溶脹較少。
測試電池實施例2制備具有矩形構(gòu)型并與對比實施例中尺寸相同的測試電池10。陽極150和陰極110具有以下組成。
陽極組成重量百分比(％)鋅160.0表面活性劑2(RA 600)0.083電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)39.92100.00注1.鋅粒具有約150微米的中值平均粒度，合金化并鍍以銦以得到約200ppm的總銦含量。
2.來自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑溶液RA6003.電解質(zhì)溶液包含膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940，所述膠凝劑總含量為電解質(zhì)溶液的約1.5％重量。
陰極組成重量百分比(％)
MnO2(EMD) 87.5(來自Kerr McGee的Trona D)石墨17.4(NdG15天然石墨)電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.0注1.石墨NdG15為來自Nacional De Grafite的天然石墨。
用于測試電池的殼體100的壁厚為0.38mm。新電池10具有67mm的長度、5.6mm的厚度和17mm的寬度。電池的陽極150和陰極110被平衡，使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為1.6。陽極具有2.01克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽極、陰極和隔離膜占?xì)んw100外部體積的約66％。陽極厚度與殼體外部厚度的比率為約0.35。
這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。
將電池間歇放電，周期為90毫瓦的“功率開”緊接著三個小時的“功率關(guān)”，直到達到0.9伏的截止電壓。實際服務(wù)壽命為20.9小時。殼體已從5.6mm的厚度溶脹至5.95mm的厚度。(厚度是在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b外表面之間測量)。
測試電池實施例3制備具有矩形構(gòu)型并與對比實施例中尺寸相同的測試電池10。陽極150和陰極110具有以下組成。
陽極組成重量百分比(％)鋅152.0
表面活性劑2(RA 600) 0.083電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)47.92100.00注1.鋅粒具有約150微米的中值平均粒度，合金化并鍍以銦以得到約200ppm的總銦含量。
2.來自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑溶液RA6003.電解質(zhì)溶液包含膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940，所述膠凝劑總含量為電解質(zhì)溶液的約1.5％重量。
陰極組成重量百分比(％)MnO2(EMD) 87.5(來自Kerr McGee的Trona D)石墨1(NdG15天然石墨) 7.4電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)5.1100.0注1.石墨NdG15為來自Nacional De Grafite的天然石墨。
用于測試電池的殼體100的壁厚為0.38mm。新電池10具有68mm的長度、5.6mm的厚度和17mm的寬度。電池的陽極150和陰極110被平衡，使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為2.0。陽極具有1.61克鋅。(陰極具有7.13克MnO2。)陽極、陰極和隔離膜占?xì)んw100外部體積的約66％。陽極厚度與殼體外部厚度的比率為約0.35。這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。
將電池間歇放電，周期為90毫瓦的“功率開”緊接著三個小時的“功率關(guān)”，直到達到0.9伏的截止電壓。實際服務(wù)壽命為18.5小時。殼體已從5.6mm的厚度溶脹至5.87mm的厚度。(厚度是在圖1A所示的側(cè)壁106a和106b外表面之間測量)。
測試結(jié)果討論在以上測試中，相同尺寸的扁平電池以逐漸增高的平衡比被平衡。陽極集電器160寬部(法蘭161)的邊緣距殼體100的內(nèi)表面約0.5mm并且被絕緣屏蔽物226圍繞。已將平衡比定義為MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)。在以上對比測試中，當(dāng)電池平衡比(MnO2的理論容量比鋅的理論容量)為約1.1時，平測試電池的溶脹由5.6mm的總厚度顯著增加至6.13mm。在測試實施例1中(平衡比為1.25)，電池溶脹較少，即由5.6mm至6.03mm。在測試實施例2中(平衡比為1.6)，電池由5.6mm溶脹至5.95mm。在測試實施例3中(平衡比為2.0)，電池溶脹更少，由5.6mm至5.87mm。當(dāng)平衡比在1.1和1.6之間增加時，電池服務(wù)壽命適度減少(由24.5小時至20.9小時)，在2.0的最高平衡比下更顯著減少(18.5小時)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案示于圖10至17中。盡管可重復(fù)使用的或可再啟動的排氣機構(gòu)例如可復(fù)位栓260是可取的，但其也可如在圖10至17所示的實施方案中一樣被去除。上文已經(jīng)指出可將可復(fù)位栓260去除并采用弱激光焊接作為主排氣機構(gòu)，在可復(fù)位栓的啟動壓力下，即，優(yōu)選介于約689×103和2068×103帕斯卡(100和300psig)的壓力P1下，該排氣機構(gòu)斷裂或破裂。在這種(可復(fù)位栓被去除)情況下，上文已指出補充排氣機構(gòu)可為在殼體表面上處于凹槽(凹槽600a或600b)之下的變薄材料區(qū)域?？稍O(shè)計變薄材料在較高壓力水平P2下破裂。
如圖10至17的實施方案所示，現(xiàn)已確定可采用一個或多個凹槽排氣口，優(yōu)選單一凹槽排氣口600a或600b作為主排氣機構(gòu)。在這種情況下，單一凹槽排氣口如600a或600b可被切割或刻痕到殼體表面內(nèi)，使得下面變薄區(qū)域在壓力P1下破裂。優(yōu)選地，如圖10A所示，可定位單一凹槽排氣口600b鄰近與正端180相鄰的殼體封閉端。凹槽邊界可封閉或開口。在本文的一個優(yōu)選的實施方案中，凹槽可為直的或基本直的，優(yōu)選平行于殼體的寬邊108a(圖8至8A)。例如，在7/5-F6型的矩形電池中，可有凹槽排氣口600b位于殼體寬面106a上(圖10A)。在一個優(yōu)選實施方案中，凹槽排氣口600b構(gòu)成殼體表面上的唯一凹槽排氣口。作為非限制性例子，凹槽600b可為平行于電池封閉端的直凹槽(圖10A)。優(yōu)選地，直凹槽600b的末端可等距離于殼體的窄側(cè)面。在這種優(yōu)選實施方案中，凹槽600b的長度可為約8mm，并且距殼體的封閉端104約5至10mm，如圖10A所示。盡管直凹槽600b是可取的，但并不旨在限制這種凹槽于這種構(gòu)型上。應(yīng)當(dāng)理解，凹槽排氣口600b可具有其它構(gòu)型，例如曲線形或者部分直線與部分曲線，并且可形成敞開或密閉邊界圖案。
當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600b(圖10A)下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)爆裂壓力介于1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的這個范圍，凹槽600b下面的變薄材料具有介于約0.04和0.15mm之間的厚度?？晒┻x擇地，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600b下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)介于2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的這種爆裂壓力，凹槽600b下面的變薄材料具有介于約0.07和0.15mm之間的厚度。凹槽600b(圖10A)在其底部(鄰近變薄區(qū)域610)的寬度可典型地介于約0.1和1mm之間，更典型地介于約0.1和0.5mm之間。在這種范圍內(nèi)，破裂壓力主要受下面變薄區(qū)域厚度的控制。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在殼體100上具有下面變薄區(qū)域的較寬凹槽面積或切割面積也是可能的。
可通過用模頭，優(yōu)選具有切刀邊緣的模頭壓印殼體100的表面產(chǎn)生凹槽600b。當(dāng)壓印模頭沖壓進殼體外表面中時，軸柄對準(zhǔn)殼體的內(nèi)表面。凹槽600b可被切割成具有相等長度側(cè)邊的V形，如圖9所示，或者具有不等長度側(cè)邊的V形，如圖15所示。在前一種情況下(圖9)，形成V形凹槽的側(cè)邊理想地具有約40度的銳角α，而在后一種情況下(圖15)，其具有優(yōu)選介于約10和30度之間的角度。與凹槽600b聯(lián)合，可有一個或多個將金屬罩230固定到殼體100上的激光焊接。這種焊接可包括一個或兩個弱激光焊接以及一個強激光焊接，所述強激光焊接可被設(shè)計成在高于凹槽600b下面變薄區(qū)域的破裂壓力的壓力下破裂。如先前所述，這種激光焊接可利用Nd:Yag激光器產(chǎn)生。用于將金屬罩230固定到殼體100上的相鄰弱強激光焊接，例如焊接310a與310b的放置已關(guān)于圖6和6A示出并描述。在一個優(yōu)選實施方案中，可以只有一個激光焊接，即將金屬罩230的整個周圍邊緣固定到殼體100上的強焊接310b，如圖10所示。可設(shè)計強焊接310在災(zāi)難性條件下破裂，例如，如果電池?zé)o意中在極高電流下或者極度濫用條件下進行再充電，造成電池內(nèi)的氣體產(chǎn)生突然升高至介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800psig和2500psig)之間的水平。
因此，在圖10和13所示的修正優(yōu)選電池實施方案中，單一凹槽600b用作電池的主排氣機構(gòu)，其中如果電池內(nèi)的氣體升高至介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間，更典型地介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的水平時，凹槽600b下面的變薄材料610(圖9和15)被設(shè)計成破裂。并且設(shè)計將金屬罩230邊緣固定到殼體100上的強激光焊接310b(圖10)以用作電池的補充排氣系統(tǒng)。這種強激光焊接310b被設(shè)計成在電池內(nèi)的氣體壓力突然升高到介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800psig和2500psig)之間的水平時的災(zāi)難性情況下斷裂或破裂。激光焊接310b在這種災(zāi)難性情況下的破裂將容許氣體通過其逸出，快速降低電池內(nèi)的氣體壓力至標(biāo)稱水平。
圖10和10A所示的電池示于沿平行于寬側(cè)面106a的平面截取的圖11截面圖中以及沿平行于窄側(cè)面107a的平面截取的圖12截面圖中。如圖11和12所示，已去除了引入先前具體實施方案(圖2和圖4)的可復(fù)位栓260。也有可能去除形成電池端帽組件12的相關(guān)組件，即，去除先前實施方案(圖2和4)所示的排氣支托帽270與塑料墊片250。形成端帽組件12的編號組件數(shù)量的減少也反映在圖13中，該圖為電池內(nèi)部組件的分解圖。因此，在修正的實施方案中(圖10至13)，鉚釘240可直接焊接到負(fù)端板290上，如圖11和12所最佳示出的。
鉚釘240向負(fù)端板290上的焊接可通過電阻焊接有效進行。鉚釘240優(yōu)選為黃銅，理想地為鍍有一層典型地介于約1至3微米厚之間的錫的黃銅。負(fù)端板290優(yōu)選為鍍鎳?yán)滠堜摗Ｒ汛_定當(dāng)端板290在焊點處的厚度為約4mil(0.102mm)時，焊接可最有效地進行并且容易實現(xiàn)均勻焊接。端板290的剩余部分較厚些，優(yōu)選約8mil(0.204mm)對于總強度是可取的。由于8mil厚的冷軋鋼板可商購獲得，已確定端板290的中部290a(圖13)，即，焊接區(qū)可容易地用軸柄壓印以減小該板在焊點的厚度至約4mil(0.102mm)。壓印優(yōu)選從端板290(圖13)的頂側(cè)開始以形成壓印區(qū)域290a。這種步驟將使端板290的剩余部分290b(圖13)的厚度保持為其最初的8mil(0.204mm)的厚度。
端板290的中部290a(圖13)可以多種構(gòu)型壓印，例如矩形、圓形或橢圓形。在矩形或橢圓形壓印區(qū)域290a的情況下，壓印區(qū)域290a的長尺寸(在殼體的寬側(cè)方向上)應(yīng)稍微大于鉚釘頭部247直徑，以容許焊接電極(未示出)的放置。例如，對于3mm直徑的鉚釘頭部247，壓印區(qū)域290a的長尺寸可為約4mm，并且壓印區(qū)域209a的短尺寸可介于約3至4mm之間。如果鉚釘頭部247的直徑為約3mm，若壓印區(qū)域為圓形，則其直徑可介于約3至4mm之間。
在裝配修正實施方案(圖10至13)的平堿性電池10中，將隔離膜140位于其間的包含鋅的陽極材料150與包含MnO2的陰極材料通過開口端102插入到電池殼體100中。通過將金屬罩230插在絕緣密封構(gòu)件220之上使得密封構(gòu)件的突出頭部221插入到金屬罩230的小孔234中而形成端帽組件12(圖13)。然后將鉚釘軸240通過小孔234插入到金屬罩板230中(圖13)。通過絕緣密封構(gòu)件220的突出頭部221使鉚釘軸240與金屬罩230絕緣。將陽極集電器160的頂部法蘭部分161(優(yōu)選為黃銅)向上推至密封構(gòu)件220的底部表面并通過常規(guī)的鉚接技術(shù)固定到鉚釘240的下部(優(yōu)選為黃銅或鍍錫黃銅)，從而將集電器160電連接至鉚釘240上。在集電器法蘭161中具有小孔164，并且在鉚釘240的下部還具有開口249a，以使得陽極集電器160易于固定到鉚釘240上。(如圖11和12所示，鉚釘240的上部249b理想地為實心的。)當(dāng)集電器160固定到鉚釘240上時，密封構(gòu)件220則楔入于集電器法蘭161與金屬罩230底部表面之間。
如圖10和11所最佳示出的，通過強激光焊接(破裂壓力優(yōu)選為5515×103和17235×103帕斯卡表(800psig和2500psig))將金屬罩230焊接到殼體100的內(nèi)表面上。金屬罩230的中部為鋸齒狀的或凹陷的，形成井區(qū)域235(圖11)。將密封材料236，優(yōu)選為以商業(yè)命名KORITE瀝青密封劑(消費產(chǎn)品)購得的瀝青密封劑施用到金屬罩230表面上的凹陷井區(qū)域235上(圖11和13)。KORITE瀝青密封劑為非硬化瀝青，包括約55％至70％重量的瀝青與30％至45％的甲苯溶劑的混合物。當(dāng)密封劑被施用時，可通過調(diào)整瀝青/溶劑比率以及密封劑的溫度來調(diào)整該密封劑的粘度。優(yōu)選地，在將瀝青密封劑注入井區(qū)域235中之前加熱罩板230內(nèi)的井區(qū)域235以及鉚釘頭部247。理想地，在瀝青密封劑注入井區(qū)域235中之前，該密封劑具有約1000厘泊的粘度。瀝青填充凹陷區(qū)域235并提供鉚釘240和密封構(gòu)件220之間的附加密封保護。然后將包括金屬罩230、鉚釘240以及絕緣密封構(gòu)件220的子組件插入到殼體的開口端102內(nèi)，使得集電器軸162穿入陽極材料150中(圖11和12)。在金屬罩230的周圍邊緣激光焊接到殼體100上之后，可將塑料填料密封件280(圖13)插在鉚釘240之上。這可通過插入鉚釘頭部247穿過塑料填料280的小孔282來實現(xiàn)。然后將平的負(fù)金屬板290放置到塑料填料280的頂部表面上，使其接觸突出的鉚釘頭部247。然后將負(fù)板290焊接到鉚釘頭部247上以完成對端帽組件12的構(gòu)造。電池10內(nèi)完整的端帽組件12示于圖11和12中。
在將金屬罩230邊緣激光焊接到殼體100上時，優(yōu)選將導(dǎo)熱介質(zhì)(理想地為液體或金屬)施加到金屬罩230上。導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)選為可方便地放置于金屬罩230表面上的井或槽區(qū)域235內(nèi)的液體。這種導(dǎo)熱介質(zhì)可吸收激光焊接期間產(chǎn)生的大部分熱量。以這種方式可吸收足夠的熱量以防止金屬罩230在采用Nd:Yag(或等價物)激光器焊接期間達到高于約100℃的溫度?？晒┻x擇地，金屬罩可被預(yù)冷卻至低于環(huán)境室溫(21℃)的溫度，優(yōu)選預(yù)冷卻至接近水凝固點甚至更低的溫度。這種預(yù)冷卻也可有助于保持金屬罩230在焊接操作期間不超過約100℃。此外，金屬罩230可被預(yù)冷卻并且也將導(dǎo)熱介質(zhì)施用到金屬罩230上。
可將塑料填料密封件280壓擠配合到金屬罩230之上的殼體100內(nèi)。如果金屬罩230在激光焊接期間不能保持足夠冷卻，則密封件280可能會過熱至不利地影響其物理性能的點。這可能會導(dǎo)致徑向壓縮的減少，即，密封件280和殼體100之間緊密配合的松弛，繼而為可能已經(jīng)滲漏到金屬罩230和金屬罩280之間區(qū)域內(nèi)的電解質(zhì)提供通向殼體外部的通道。因此，建議保持金屬罩230足夠冷卻，或者向金屬罩施用導(dǎo)熱介質(zhì)以確保激光焊接操作期間足夠的熱量被吸收。實現(xiàn)此的便利方法是向金屬罩230的槽區(qū)域235簡單加入少量的冷卻去離子水，例如介于約5至10℃。這樣可保持金屬罩230的溫度低于約100℃，繼而容許密封件280(圖11和12)保持在有利的工作溫度內(nèi)。(在激光焊接操作之后，可以上述方式將密封劑，例如瀝青密封劑加入到井區(qū)域235中。)可供選擇地，可應(yīng)用金屬板(任選預(yù)冷卻的)與金屬罩230接觸。典型地為鋼的金屬板可在焊接操作期間吸收足夠的熱量以確保金屬罩230不會達到超過約100℃的溫度。
盡管可將水加入到井區(qū)域235中以保持金屬罩230在激光操作期間冷卻，但應(yīng)當(dāng)理解也可使用其它合適的冷卻劑。例如，可使用聚乙烯醇與氫氧化鉀的冷卻水溶液來代替純水。聚乙烯醇將全部涂布在金屬罩230的頂部表面上，從而在金屬罩230和密封件280之間提供附加密封保護。也可將這種溶液直接施用到塑料密封件280(圖11和12)的下側(cè)，從而為密封件280的下表面提供附加密封保護。
可供選擇地，可將膠凝劑加入到供應(yīng)井235的含水冷卻溶液中。術(shù)語膠凝劑旨在包括常規(guī)的膠凝劑以及超吸收劑。這種膠凝劑包括聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、丙烯酸共聚物的鈉鹽、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、淀粉接枝共聚物等。膠凝劑將涂布金屬罩230的表面以在金屬罩230和密封件280之間提供附加密封保護。可利用壓縮輥等將膠凝劑作為粉末施用到塑料密封件280的下側(cè)(圖11和12)，從而用膠凝劑涂布密封件280并提供附加的密封保護。
在圖17所示采用紙墊圈295代替塑料密封件280的實施方案中，紙墊圈可用包含膠凝劑的水溶液或者用聚乙烯醇及氫氧化鉀的水溶液預(yù)飽和。紙墊圈295的這種預(yù)濕提供附加密封保護，防止電解質(zhì)滲漏至金屬罩230和端板290(圖17)之間的區(qū)域內(nèi)。此外，可使用壓縮輥等將包括膠凝劑粉末的單獨層壓在墊圈295的下側(cè)，或者分散在包括墊圈295的纖維性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，如美國專利4,999,264所述。
可將單獨的突出金屬構(gòu)件180焊接到電池相對的封閉端104上。在完整電池10(圖10至13)中，金屬構(gòu)件180與電池殼體電接觸并因此形成電池的正端。端板290與鉚釘240電接觸，其繼而與陽極集電器160電接觸，并因此形成電池的負(fù)端。
盡管已用具體實施方案來詳細(xì)描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解具體組件的設(shè)計變型也是可能的，并且旨在包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。例如，集電器160(圖4和13)被顯示為釘子形狀的細(xì)長構(gòu)件，在其頂端終止于水平延伸的法蘭161，該法蘭具有穿過其的小孔164。這種設(shè)計具有吸引力，因為其使得容易將集電器160的頂部法蘭161固定到鉚釘240的底部表面249上(圖11)。這可通過常規(guī)的鉚接技術(shù)完成，其中將鉚釘?shù)牡撞勘砻?49插入到法蘭小孔164中并隨后卷曲，以將集電器法蘭161固定到鉚釘240上。在這種設(shè)計中，集電器軸偏移，即其不沿著電池的中心縱向軸線定位。這種偏移沒有顯現(xiàn)出顯著妨礙陽極的有效放電或者妨礙電池的總體性能。集電器軸162在圖4的實施方案中顯示為直釘，在圖13所示的實施方案中顯示為具有曲面的直釘。在任一情況下，釘子均偏移電池的中心縱向軸線190，例如，如圖11所示。
應(yīng)當(dāng)理解，其它集電器設(shè)計是可能的。例如，鉚釘240可為具有頭部247的實心構(gòu)件(圖11)，其中釘子形狀的整體成形的細(xì)長軸部(未示出)由頭部247向下延伸并至少部分穿入陽極150中。在這種情況下，集電器軸可被定向使其沿著電池的中心縱向軸線190居中定位。這種鉚釘?shù)念^部247仍可用上述方式焊接到端子端板290上。
本發(fā)明扁平電池的另一個具體的實施方案示于圖17中。在這個實施方案中，在金屬罩290和負(fù)端板290之間可采用紙墊圈295(例如牛皮紙)代替塑料填料280。牛皮紙墊圈耐用并在金屬罩230和端板290之間提供必要的電絕緣。這種設(shè)計減小了鉚釘頭部247的高度，從而壓緊端帽組件12的總高度。其還具有不必模鑄塑料填料280的優(yōu)點。這繼而導(dǎo)致陽極/陰極活性材料在電池內(nèi)部中更多的可用體積。(圖17所示電池的其它組件與關(guān)于圖10至12所示電池所顯示并描述的那些基本相同。)應(yīng)當(dāng)理解，圖17所示具有固定到其上的單獨集電器160的鉚釘240可用單一鉚釘代替，該單一鉚釘具有由其延伸并穿過陽極150的至少一部分的例如釘子形狀的整體細(xì)長的集電器。這種整體集電器可沿著電池的中心縱向軸線190居中定位。
應(yīng)當(dāng)理解，每個電池實施方案旨在具有包裝在電池殼體周圍的常規(guī)薄膜標(biāo)簽。用于這種標(biāo)簽的合適塑料薄膜在本領(lǐng)域是已知的，并典型地包含聚氯乙烯。標(biāo)簽可印有所需的設(shè)計或標(biāo)記。這種標(biāo)簽可典型地在邊緣用粘合劑涂布，并通過包裝在殼體表面周圍而應(yīng)用?？晒┻x擇地，標(biāo)簽可以套管形式應(yīng)用并熱收縮至殼體表面上。典型的標(biāo)簽12示于圖17中。
本發(fā)明電池的三個附加實施方案示于附圖中。第一個附加實施方案示于圖18A至18C，第二個示于圖19A至19B，第三個示于圖20A至20B。這三個實施方案中的每一個均具有改進的端帽組件12a、12b和12c(分別為圖18至18C、圖19A至19B和圖20A至20B)，它們被設(shè)計用來改善陽極集電器和焊接金屬罩之間以及塑料絕緣密封件和所述焊接罩之間的密封。這部分可通過設(shè)計端帽組件使得在組成端帽組件的兩個或多個組件之間存在過盈配合，優(yōu)選至少兩個過盈配合來實現(xiàn)。這種過盈配合在端帽組件配合的組件上施加徑向壓縮，從而提供較緊密的密封。優(yōu)選地，當(dāng)將理想地為直釘形式的陽極集電器通過窄孔推進絕緣密封構(gòu)件中時，產(chǎn)生一個這種過盈配合。當(dāng)絕緣密封構(gòu)件向上延伸(優(yōu)選由金屬罩的中部延伸)的轂部分推進套管中時，產(chǎn)生第二過盈配合。
為實現(xiàn)這種第二過盈配合，在以上參考的三個實施方案(圖18A至20A)中的每一個內(nèi)的塑料絕緣構(gòu)件均具有整體成形的向上延伸的中心轂。反過來，金屬罩優(yōu)選具有向著電池內(nèi)部延伸的中心定位的套管。理想地，這種套管整體成形在所述罩內(nèi)，并具有等于或小于絕緣密封中心轂外徑的內(nèi)徑。因此，當(dāng)將轂推進所述套管中時，在所述金屬罩內(nèi)最初未壓縮的套管和所述轂之間形成過盈配合。當(dāng)形成端帽組件時，金屬罩優(yōu)選沿其周邊邊緣激光焊接到電池殼體上以封閉所述殼體的開口端并保持端帽組件在其內(nèi)適當(dāng)放置。如關(guān)于前述實施方案所述的，激光焊接可采用Nd:Yag(或等價物)激光器來完成?？晒┻x擇地，可將金屬罩邊緣卷曲在殼體上。
在圖18A至18C的電池實施方案中，具有開口頂端102的殼體(外殼)100示于圖18A中，其中端帽組件12a封閉所述開口端102。負(fù)端端帽790顯示出在電池頂部與殼體100電絕緣。殼體100可具有相對的封閉端(未示出)，例如具有正端180的封閉端104，如圖19A實施方案中所示出的。在圖18A至18C的電池實施方案中示出了(圖18A至18C)端帽組件12a，其包括金屬罩(封蓋)730、塑料絕緣密封件720、陽極集電器釘760、端帽790以及末端端帽790和金屬罩730之間的紙墊圈780。金屬罩730和末端端帽790由具有良好機械強度和耐腐蝕性的導(dǎo)電金屬形成，例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼，優(yōu)選鍍鎳低碳鋼。集電器760可選自多種發(fā)現(xiàn)可用作集電器材料的已知導(dǎo)電金屬，例如，黃銅、鍍錫黃銅、青銅、鍍銅或銦的黃銅。如關(guān)于前述實施方案所述的，陰極110可以堆積塊110a的形式或者可以擠向電池殼體100內(nèi)表面的擠出糊劑的形式包含二氧化錳。陽極150可為插入到陽極腔體155中的包含鋅粒的漿液。在這種情況下，端帽790形成電池負(fù)端。端帽790優(yōu)選包括形成負(fù)端觸點的中心定位的凸起部分794。電池正端(未示出)可位于電池相對的封閉端處。電池的封閉端和正端可為相同的構(gòu)造，例如，如關(guān)于前述圖17的實施方案所示和所述的。在陽極150和陰極110之間具有電解質(zhì)可滲透的隔離膜140。端帽組件12a形成后，將其插入到電池的開口端102內(nèi)，使得陽極集電器760(圖18C)的尖端763穿入陽極150中。將金屬罩730的周邊邊緣732優(yōu)選激光焊接到電池殼體100的內(nèi)表面上以封閉殼體開口端102。形成電池末端的端帽790暴露于電池的頂部。
可通過在第一步中將陽極集電器760的頭部762首先焊接到端帽790的底部表面上形成端帽組件12a。如圖18C所最佳示出的，陽極集電器760可理想地為細(xì)長釘?shù)男问剑谝欢司哂蓄^部762，在另一端具有尖端763。金屬罩730具有限定小孔734的整體成形向下延伸的套管733，小孔734貫穿罩730的中部。塑料絕緣密封件720具有形成密封件頂部表面的頂片727。存在由頂片727的一側(cè)向下延伸的整體成形裙726和由頂片727的相對側(cè)向上突出的整體成形轂725。所述裙726包括限定絕緣密封件開口底部728的整體成形側(cè)片726a(圖18C)。如圖18A和18B所示，裙726保護并保持隔離膜140的頂部適當(dāng)放置。由絕緣密封件730延伸的轂725限定其內(nèi)的貫穿所述絕緣密封件730的小孔724。金屬罩套管733的內(nèi)徑等于或小于絕緣密封件720的轂725的外徑。
在第二步中，可將密封劑材料小珠，例如，以商業(yè)命名KORITE密封劑購得的瀝青密封劑施用到轂725的外表面上。(KORITE瀝青密封劑為非硬化瀝青，包括約55％至70％重量的瀝青與30％至45％的甲苯溶劑的混合物。)然后將金屬罩730的套管733推過轂725，從而徑向壓縮轂725并在這兩個組件之間產(chǎn)生過盈配合。金屬罩730以這種方式鎖定在絕緣密封件720上。套管733和轂725之間的密封劑材料，例如KORITE瀝青密封劑等在這兩個組件之間提供附加密封保護。
在第三步中，紙(或塑料)墊圈780可粘附性地位于金屬罩730的頂部表面上。墊圈780的下側(cè)可提前預(yù)涂布有壓敏粘合劑等，使得墊圈780粘附到金屬罩730的頂部表面上?？蓪⒚芊獠牧?，例如KORITE瀝青等施用到陽極集電器釘760的部分表面上。優(yōu)選地，這種瀝青密封劑或等價密封劑可以恰好放置在頭部762下面的小珠形式方便地施用。釘760的外徑等于或大于絕緣密封件720的轂725內(nèi)小孔724的內(nèi)徑。然后推動釘760通過小孔725，使得限定小孔725的轂725的內(nèi)表面沿垂直于縱向軸線190的方向徑向壓縮，從而保持釘760過盈配合地靠著轂725的內(nèi)表面。釘760和轂725內(nèi)表面之間的密封劑材料，例如KORITE瀝青密封劑等在這兩個組件之間提供附加密封保護。當(dāng)推動釘760通過絕緣密封件720的小孔724時，完整的端帽組件12a形成。
然后在第四步中將端帽組件12a插入到殼體100的開口端102內(nèi)，使得釘760穿入陽極150中。然后將金屬罩730的周邊邊緣732優(yōu)選通過激光器焊接到殼體100的內(nèi)表面上，從而封閉殼體開口端102。在端帽組件12a內(nèi)的陽極釘760和絕緣密封件720之間以及絕緣密封件720和金屬罩730之間產(chǎn)生緊密的密封，從而防止電解質(zhì)從電池中滲漏。
在圖19A和19B所示的本發(fā)明的另一個電池實施方案中，具有類似于如上所述端帽組件12a的端帽組件12b。具有開口頂端102和相對的封閉端104的殼體(外殼)100示于圖19A中，其中端帽組件12b封閉所述開口端102。負(fù)端端帽790示出在電池的頂部與殼體100電絕緣，而相對的正端180示出在相對端與殼體電絕緣。薄膜標(biāo)簽112示出施加在殼體表面上。圖19A實施方案與前述實施方案(圖18A)相比的一個區(qū)別在于陽極集電器760為鉚接釘。換句話講，通過促使釘760的頭部762(圖19B)由絕緣密封件720的下側(cè)向上通過小孔724將釘760插入到絕緣密封構(gòu)件720的小孔724中，直到釘760上的法蘭765開始抵靠絕緣密封件720的底部表面。然后將釘頭部762平整或鉚接到距密封件720設(shè)定高度處，優(yōu)選金屬支承構(gòu)件770位于其間以提供附加強度。與先前實施方案(圖18A至18C)中一樣，在釘向上插入通過絕緣密封件720內(nèi)的小孔724之前，可將瀝青密封劑作為小珠施用到陽極集電器釘760介于頭部762和法蘭765之間的外部表面上。此外，在釘760插入通過小孔724之前，小孔724的直徑等于或小于釘760的外徑。因此，當(dāng)釘760被迫通過時，在釘760表面和限定小孔724的轂725的內(nèi)表面之間產(chǎn)生過盈配合。此外，如關(guān)于先前實施方案(圖18A至18C)所述，由金屬罩730向下延伸的套管733的內(nèi)徑等于或小于由絕緣密封件730延伸的轂725的外徑。因此，當(dāng)套管733推過轂725時，轂725被徑向壓縮并在這兩個組件之間產(chǎn)生過盈配合。這種過盈配合將金屬罩730有效鎖定到絕緣密封件720上，并減少電解質(zhì)在絕緣密封轂725和金屬罩套管733之間滲漏的機會。如關(guān)于先前實施方案(圖18A至18C)所述，在由金屬罩730延伸的套管733被迫越過轂725之前，可將諸如KORITE瀝青的瀝青密封劑或等價物施用到轂725的外表面上。這進一步增強了絕緣密封轂725和金屬罩套管733之間的密封性。
圖19A至19B所示的實施方案優(yōu)選也具有放置在紙墊圈780上的金屬支承構(gòu)件770(負(fù)支承插片)。支承構(gòu)件770為具有良好機械強度和耐腐蝕性的導(dǎo)電金屬，例如鍍鎳?yán)滠堜摶虿讳P鋼，優(yōu)選鍍鎳低碳鋼。金屬支承構(gòu)件770的中部772被凹陷使其配合至紙墊圈780中的小孔782內(nèi)。利用鉚接的陽極集電器760與金屬支承構(gòu)件770一起的端帽組件12b構(gòu)造容許絕緣密封轂725的垂直壓縮。具體地講，在釘760插入穿過小孔724并鉚接到絕緣轂725頂部設(shè)定高度處后，轂725在法蘭765和金屬支承構(gòu)件770之間處于垂直壓縮。絕緣轂側(cè)壁725a也處于如上所述的徑向壓縮，這是由于絕緣轂725和金屬罩套管733之間的過盈配合，并且還由于陽極集電器760和轂725內(nèi)表面之間的壓入配合。鉚接也使陽極集電器760溶脹用于附加的徑向壓縮。因此，圖19A至19B所示的端帽組件12b在絕緣密封轂725表面和金屬罩730之間提供非常緊密的密封。這繼而意味著轂725的長度可稍微縮短以在轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口處提供所需的高度電解質(zhì)滲漏阻擋保護。這種設(shè)計實施方案(圖19A)具有附加優(yōu)點，因為其不必將陽極集電器直接焊接到端帽790上。
在圖19A所示實施方案的組合件中，通過將金屬罩套管733推進至絕緣轂725之上從而在其間產(chǎn)生過盈配合，可將金屬罩730首先鎖定到絕緣密封件720上。將金屬支承構(gòu)件770施加在紙墊圈790內(nèi)的凹陷區(qū)域上。其上具有金屬支承構(gòu)件770的紙墊圈780粘附性地施加到頂部表面金屬罩730上，使得墊圈780的底部表面粘附到金屬罩730上。在釘頭部762和法蘭765之間的陽極集電器釘760的頂部可預(yù)涂布有瀝青密封劑或等價物。釘頭部762由絕緣密封件720的下側(cè)向上推，經(jīng)過絕緣密封轂725內(nèi)的小孔724。金屬套管733和絕緣轂725之間的過盈配合以及集電器釘760和絕緣轂725之間的過盈配合一起促使絕緣側(cè)壁725a進行徑向壓縮。換句話講，在圖19A所示的電池實施方案中，轂側(cè)壁725a沿垂直于中心縱向軸線190的方向壓縮。集電器釘頂部之下的法蘭765開始抵靠絕緣密封件720的底部表面。陽極集電器760的頭部762從金屬支承構(gòu)件770內(nèi)的中心小孔772突出。然后通過平整集電器頭部762并因此使其對著金屬支承件770與絕緣密封件720膨脹而將集電器釘760鉚接到設(shè)定高度。該過程向轂725施加垂直壓縮力(沿平行于中心縱向軸線190的方向)，該轂繼而保持?jǐn)D壓在集電器扁平頭部762和法蘭765之間。(因此，在圖19A所示的電池實施方案中，絕緣轂側(cè)壁725a同時處于徑向與垂直壓縮。)然后可將端帽790放置在金屬支承件790之上并焊接到其上，從而形成完整的端帽組件12b。然后可將端帽組件12b插入到殼體100的開口端102內(nèi)，使得集電器釘760穿入陽極150中。然后將金屬罩730的周邊邊緣優(yōu)選通過激光器焊接到殼體100的內(nèi)表面上，從而封閉殼體開口端102。
端帽組件的附加實施方案以組件12c示于圖20A和20B中。后面的這個實施方案具有先前實施方案(圖19A至19B)的所有特征，不同的是金屬支承構(gòu)件770(負(fù)支承片)已被去除。結(jié)果是陽極集電器760的頂端762直接焊接到端帽790上。因此在圖20A至20B所示的設(shè)計實施方案中，由于沒有金屬支承構(gòu)件770而不存在絕緣密封轂725的垂直壓縮。然而，釘760的末端762仍鉚接到設(shè)定高度，從而使其向外溶脹以實現(xiàn)轂側(cè)壁725a的附加徑向壓縮。然而，由金屬罩730向下延伸的套管733的內(nèi)徑等于或小于由絕緣密封件730延伸的轂725的外徑。同樣，絕緣密封轂725內(nèi)小孔724的內(nèi)徑等于或小于集電器釘760的外徑。結(jié)果是絕緣轂側(cè)壁725a被迫進行如上所述的徑向壓縮，這是由于絕緣轂725和金屬罩套管733之間的過盈配合，并且還由于陽極集電器760和轂725內(nèi)表面之間的過盈配合。換句話講，在圖20A所示的電池實施方案中，絕緣轂側(cè)壁725a沿垂直于中心縱向軸線190的方向徑向壓縮。因此，與先前實施方案(圖18A至19B)中一樣，緊密的密封在端帽組件12a內(nèi)的陽極釘760和絕緣密封件720之間以及絕緣密封件720和金屬罩730之間產(chǎn)生，從而防止電解質(zhì)從電池中滲漏。
相對密封轂側(cè)壁長度的徑向壓縮對于分別示于圖18A至18C、圖19A至19B和圖20A至20B中的三個電池實施方案，應(yīng)當(dāng)理解可采用多種塑性材料用于絕緣密封件720和整體轂725。該塑性材料應(yīng)耐用、可壓縮，并且耐堿性溶液的侵蝕。盡管并不旨在將塑料限于任何一種材料，用于絕緣密封件720和整體轂725的優(yōu)選塑料為聚丙烯和尼龍，尤其是尼龍66或尼龍612。用于絕緣密封件720和整體轂725的更優(yōu)選的塑料是尼龍66。
已確定對于以上三個實施方案(圖18A至20B)，為了在轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間以及轂側(cè)壁725a和陽極集電器760之間提供良好的密封性，絕緣轂側(cè)壁725a所需的徑向壓縮量存在理想范圍。通常，絕緣轂側(cè)壁725a的徑向壓縮百分比為至少0.1％，并且理想地介于約5％和40％之間。這考慮了寬范圍的合適塑性材料(包括上述的聚丙烯和尼龍)，并且不旨在限制于任何一種電池尺寸。這個范圍也與密封劑材料，例如瀝青密封劑是否另外施用在轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間無關(guān)。對于介于約5％和40％之間的寬范圍的轂側(cè)壁725a壓縮，轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度分別理想地介于約0.4和6mm之間，典型地介于約1和3mm之間。(應(yīng)當(dāng)理解，除非另外指明，本文所用轂側(cè)壁725a的長度也旨在用于指絕緣轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度。)圖18D和18E示出圖18A的放大部分，即，緊靠金屬罩套管733的絕緣轂725的側(cè)壁725a。圖18D示出轂側(cè)壁725a在其原始狀態(tài)時(即，在其被迫配合到金屬套管733中之前)的厚度。當(dāng)轂側(cè)壁725a被迫配合到金屬套管733內(nèi)的小孔734中緊接著將釘760對著轂側(cè)壁725a的內(nèi)表面插入時，存在一組力F1和F2(圖18E)促使轂側(cè)壁725a徑向壓縮。換句話講，如果轂側(cè)壁725a的原始厚度為Ri(在其插入到套管733中之前)且其最終厚度為Rf，則轂側(cè)壁725a的壓縮百分比Δ％為Δ％＝[Ri-Rf]/Ri×100 (式1)
將被公認(rèn)的是，可認(rèn)為絕緣轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度L(例如，如圖18E所示)為主要電解質(zhì)滲漏阻擋通道。換句話講，如果此通道沒有被適當(dāng)密封，則來自電池中的電解質(zhì)將可能沿此通道從電池內(nèi)部慢慢流出。(可認(rèn)為第二及類似阻擋通道位于陽極集電器釘760和絕緣轂側(cè)壁725a之間。)如上所定義的，如果將絕緣轂側(cè)壁725a的徑向壓縮百分比稱為Δ％，并且將轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度稱為L，則在Δ％和L之間存在廣泛的以及最佳的設(shè)計關(guān)系。總體目標(biāo)是提供高度有效的主密封，即，在絕緣轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733(圖18A至20B)之間，但仍保持接口長度L盡可能小，因為隨著L增加，電池內(nèi)用于陽極和陰極材料的可用空間減少。已確定隨著絕緣轂側(cè)壁725a的徑向壓縮Δ％增加，接口長度L可在不犧牲轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的密封程度下稍微減少。
已確定實現(xiàn)滿意密封性的良好導(dǎo)向是Δ％與L(mm)的數(shù)學(xué)乘積理想地在介于約0.04和240之間的范圍內(nèi)。這個范圍的確定是基于可采用的最小的合適徑向壓縮百分比Δ％＝0.1％與最小的合適接口長度L(即0.4mm)相乘得到最小乘積值0.04。通過可采用的最大允許徑向壓縮百分比Δ％＝40％與最大的合適接口長度L(即6mm)相乘得到最大乘積值240確定該范圍的上限。此確定與是否在轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間使用密封劑如瀝青無關(guān)。然而，應(yīng)當(dāng)理解這種密封劑的附加使用也可改善密封性。
作為非限制性的具體例子，對于利用本發(fā)明所示，如圖18A至20B所示實施方案的7/5 F6型扁平電池，當(dāng)絕緣轂側(cè)壁725a的徑向壓縮，Δ％介于約15％和35％之間，并且轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度，L介于約1.08mm和2.66mm之間時，可實現(xiàn)良好的密封性。當(dāng)絕緣轂側(cè)壁725a的徑向壓縮，Δ％為約35％，并且轂側(cè)壁725a和金屬罩套管733之間的接口長度，L為約2.66mm時，可實現(xiàn)對于7/5 F6型扁平電池的優(yōu)選密封性。因此，作為非限制性例子，對于7/5 F6型扁平電池，Δ％與L(mm)的乘積最理想地在約16.2和93.1之間的范圍內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)理解，用于圖18A至20B所示電池實施方案的排氣系統(tǒng)可與關(guān)于參照圖10至17所示并所述的實施方案所描述的相同。
因此，如圖10至17的實施方案所示，已確定可采用一個或多個凹槽排氣口，優(yōu)選單一凹槽排氣口600a或600b作為主排氣機構(gòu)。這種凹槽排氣口600a或600b也適于圖18A、19A和20A所示的另外三個電池實施方案。在這種情況下，如先前所述，單一凹槽排氣口如600a或600b(圖8和8A)可被切割或刻痕到殼體表面內(nèi)，使得下面變薄區(qū)域在壓力P1下破裂。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案。優(yōu)選地，如圖10A所示，可定位單一凹槽排氣口600b鄰近與正端180相鄰的殼體封閉端。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案，它們可具有類似放置的相似單一凹槽排氣口。凹槽邊界可封閉或開口。在本文的一個優(yōu)選實施方案中，凹槽可為直的或基本直的，優(yōu)選平行于殼體的寬邊108a(圖8至8A)。例如，在7/5-F6型的矩形電池中，可有凹槽排氣口600b位于殼體寬面106a上(圖10A)。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案，因為對于這些附加實施方案，相同的凹槽排氣口例如凹槽排氣口600b可類似地位于殼體100上。在一個優(yōu)選實施方案中，凹槽排氣口600b構(gòu)成殼體表面上的唯一凹槽排氣口。作為非限制性例子，凹槽600b可為平行于電池封閉端的直凹槽(圖10A)。優(yōu)選地，直凹槽600b的末端可等距離于殼體的窄側(cè)面。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案。在這種優(yōu)選實施方案中，凹槽600b的長度可為約8mm，并且距殼體的封閉端104約5至10mm，如圖10A所示。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案。盡管直凹槽600b是可取的，但并不旨在限制這種凹槽于這種構(gòu)型上。應(yīng)當(dāng)理解，凹槽排氣口600b可具有其它構(gòu)型，例如曲線形或者部分直線與部分曲線，并且可形成敞開或密閉邊界圖案。
當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600b(圖10A)下面的變薄材料破裂。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案。為實現(xiàn)爆裂壓力介于1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間的這個范圍，凹槽600b下面的變薄材料具有介于約0.04和0.15mm之間的厚度?？晒┻x擇地，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的設(shè)計爆裂壓力時，可設(shè)計凹槽600b下面的變薄材料破裂。為實現(xiàn)介于2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的這種爆裂壓力，凹槽600b下面的變薄材料具有介于約0.07和0.15mm之間的厚度。凹槽600b(圖10A)在其底部(鄰近變薄區(qū)域610)的寬度可典型地介于約0.1和1mm之間，更典型地介于約0.1和0.5mm之間。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案。在這種范圍內(nèi)，破裂壓力主要受下面變薄區(qū)域厚度的控制。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在殼體100上具有下面變薄區(qū)域的較寬凹槽面積或切割面積也是可能的。
因此，如關(guān)于圖10和13所示的電池實施方案所述的，單一凹槽600b用作電池的主排氣機構(gòu)，其中如果電池內(nèi)的氣體升高至介于約1724×103和5515×103帕斯卡表(250和800psig)之間，更典型地介于約2758×103和5515×103帕斯卡表(400和800psig)之間的水平時，凹槽600b下面的變薄材料610(圖9和15)被設(shè)計成破裂。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案，它們可優(yōu)選具有如圖17所示放置并定位于殼體側(cè)面上的單一凹槽排氣口。并且設(shè)計將金屬罩230邊緣固定到殼體100上的強激光焊接310b(圖10)以用作電池的補充排氣系統(tǒng)。這種強激光焊接310b被設(shè)計成在電池內(nèi)的氣體壓力突然升高到介于約5515×103和17235×103帕斯卡表(800和2500psig)之間的水平時的災(zāi)難性情況下斷裂或破裂。激光焊接310b在這種災(zāi)難性情況下的破裂將容許氣體通過其選出，快速降低電池內(nèi)的氣體壓力至標(biāo)稱水平。這同樣適用于圖18A、19A和20A所示的附加電池實施方案，因為可用關(guān)于金屬罩230(圖10)所示和所述的相同強激光焊接來焊接圖18A、19A和20A所示的金屬罩730的邊緣732。
隔離膜制造在圖10至13所示的電池實施方案中，隔離膜140可方便地形成于常規(guī)用于堿性電池的隔離膜材料。例如，典型地為纖維素或纖維質(zhì)及聚乙烯醇纖維。電池10(圖10至13)可典型地為立方體構(gòu)型，其具有約6mm的總厚度、約17mm的寬度以及介于約35和67mm之間的長度。理想的隔離膜可由雙層組成，外層(面向陰極110)包括纖維質(zhì)和聚乙烯醇纖維，面向陽極150的內(nèi)層包括纖維素材料，例如人造絲。將陰極片110通過開口端102插入到殼體中后(圖11)，將隔離膜140插入使得隔離膜面向暴露的陰極表面。
如圖14至14B所示，用于上述扁平電池(圖10至13)的隔離膜140可通過卷繞平的隔離膜板方便地制成。近邊緣140a首先沿著彎曲線140b在方向F1上向內(nèi)折疊，該彎曲線移開邊緣140a約3至5mm。軸柄(未示出)可靠著隔離膜表面140d放置。然后將隔離膜遠邊緣140c包裹在軸柄周圍，使得邊緣140c越過邊緣140a，導(dǎo)致圖14A所示的部分包裹的構(gòu)型。將遠邊緣140c沿方向F2連續(xù)包裹在隔離膜表面上(圖14A)。邊緣140c可粘附性地固定到隔離膜表面上。然后如圖14B所示將底部隔離膜表面142向內(nèi)折疊，越過隔離膜的背面約3mm，并粘附性地固定到其上。通過沿方向F3簡單折疊底部隔離膜邊緣140c然后擠壓其形成圖14B所示的袋狀構(gòu)型可去除固定邊緣140c和/或底部隔離膜邊緣142的粘合劑的使用。當(dāng)將折疊后的隔離膜插入到殼體中時，陰極形狀也有助于保持隔離膜處于圖14B所示的袋狀構(gòu)型中。將軸柄(未示出)去除。所得纏繞隔離膜140(圖14B)為具有封閉邊界表面148的袋子形狀，其具有開口端144和相對的封閉端143。隔離膜邊界表面148限定用于陽極材料150插入其內(nèi)的腔體155。
在陰極片110a插入到電池殼體100中后，將圖14B所示構(gòu)型的纏繞隔離膜140插入，使得隔離膜表面面對暴露的陰極表面。隔離膜邊界表面148形成陽極腔體155。陽極腔體155優(yōu)選具有如圖14B所示的長方形構(gòu)型。對于立方體構(gòu)型的電池10，長方形構(gòu)型的腔體155的短尺寸可典型地介于約2和3mm之間，總厚度為約6mm。優(yōu)選地，長方形構(gòu)型的長尺寸稍微小于電池內(nèi)用于總陽極腔體155的可用空間的寬度。這會導(dǎo)致介于隔離膜的一個短側(cè)面和陰極片110a之間的間隙145，如圖16所示。間隙145介于約2和4mm之間，優(yōu)選介于約2和3mm之間。然后可將陽極材料150通過隔離膜開口端143填充到陽極腔體155中，導(dǎo)致殼體100填充有陽極材料150、陰極材料110和位于其間的隔離膜140，其中在隔離膜的一個短側(cè)面和陰極之間存在間隙145(空隙空間)，如圖16所示。
已確定如果需要，現(xiàn)在可通過將附加堿性電解質(zhì)溶液直接分配到間隙145中而將其加入到電池內(nèi)部?？赏ㄟ^將分配噴嘴直接插入到所述間隙中而將附加電解質(zhì)分配到間隙145中。在一個優(yōu)選實施方案中，少量的附加電解質(zhì)溶液可在陽極150和陰極110于電池內(nèi)適當(dāng)放置后加入到間隙145中。在一個可供選擇的實施方案中，部分附加電解質(zhì)可在陰極適當(dāng)放置之后但陽極材料插入到陽極腔體中之前加到間隙145中。然后可將陽極材料插入到電池的陽極腔體中，其后可將最終量的電解質(zhì)加入到間隙145中。在任一種情況下，附加電解質(zhì)均有助于改善陽極利用(陽極活性物質(zhì)被放電的百分?jǐn)?shù))及總的電池性能。其也可為趨于延遲電池溶脹的一個因素。
如上所述將電解質(zhì)溶液加到隔離膜140和陰極110之間的間隙145中可避免溢流問題，如果電解質(zhì)直接加入到陽極中會產(chǎn)生該問題。例如，如果最初在隔離膜140和陰極110之間不存在間隙且將附加電解質(zhì)加入到電池內(nèi)部，則可能有電解質(zhì)溢流到陽極150之上的空隙空間146中(圖11)。這種溢流是不可取的，應(yīng)為其可在金屬罩230適當(dāng)放置罩住電池開口端102之后造成沿金屬罩230下側(cè)或邊緣的潤濕。這種潤濕繼而將不利地影響金屬罩230向殼體100上的適當(dāng)激光焊接。
如果將附加電解質(zhì)加到間隙145中，建議以遞增的步驟完成。例如，如果在陽極150、陰極110和隔離膜140插入到殼體中之后將附加電解質(zhì)加到間隙145中，則建議這種附加電解質(zhì)在多個分配步驟中遞增加入，在分配之間容許典型地介于約1和4分鐘之間的時間間隔。這將容許每次遞增量的電解質(zhì)有時間吸收到陽極、隔離膜和陰極中，減少任何溢流發(fā)生的機會，溢流發(fā)生可妨礙金屬罩230的適當(dāng)激光焊接。如果電池為矩形7/5-F6型電池，加入到間隙145中的附加電解質(zhì)溶液的量典型地將低于約1克。在這種情況下，電解質(zhì)以大約四次遞增的均等分配加入，分配之間的時間間隔介于約1至4分鐘之間，以容許遞增量的電解質(zhì)有足夠的時間適當(dāng)吸收到陽極、陰極和隔離膜中。令人驚訝的是，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)將全部的所述附加電解質(zhì)分配到間隙145中時，陽極150溶脹至足以膨脹被隔離膜表面148所限定的陽極腔體155。隨著陽極150溶脹，隔離膜表面148被推動緊貼著陽極和陰極，從而完全封閉間隙145。
進行了依照關(guān)于圖10至16所示和所述的實施方案制造的電池10的性能測試，并記錄在以下的測試電池實施例4中。
測試電池實施例4制備具有圖10至13所示實施方案中矩形構(gòu)型并與對比實施例中尺寸相同的測試電池10。陽極中鋅的含量為2.01g，并且MnO2含量為6.69。陽極150和陰極110具有以下組成。
陽極組成重量百分比(％)鋅160.0表面活性劑2(RM 510) 0.075電解質(zhì)3(9當(dāng)量KOH)39.9100.0注
1.鋅粒具有約150微米的中值平均粒度，合金化并鍍以銦以得到約200ppm的總銦含量。
2.來自Rhne Poulenc的有機磷酸酯類表面活性劑溶液RM5103.電解質(zhì)溶液包含膠凝劑Waterlock A221和Carbopol C940，所述膠凝劑總含量為電解質(zhì)溶液的約1.5％重量。
陰極組成重量百分比(％)MnO2(EMD) 84.0(購自Kerr McGee的Trona D)石墨110.0(NdG15天然石墨)電解質(zhì)(9當(dāng)量KOH)6.0100.0注1.石墨NdG15為來自Nacional De Grafite的天然石墨。
當(dāng)陽極和陰極在電池殼體內(nèi)適當(dāng)放置后，將另外總共0.82g的9N KOH電解質(zhì)以四次分配遞增(每次遞增0.205g)加到隔離膜140和陰極之間的間隙145中(圖16)。分配遞增之間的時間間隔介于約1和4分鐘之間?？偣?.82g電解質(zhì)的加入不會顯著改變以上陽極與陰極組成。所有加入電解質(zhì)的一部分被吸收到陽極內(nèi)，另一部分被吸收到陰極內(nèi)，還有一部分被吸收到隔離膜內(nèi)。加入到間隙145中的電解質(zhì)促使陽極溶脹并因此封閉間隙145。該技術(shù)容許另外的電解質(zhì)加入到陽極中，而不會造成陽極之上空隙空間146內(nèi)的任何電解質(zhì)溢流。這種電解質(zhì)溢流將是不可取的，應(yīng)為其可造成金屬罩230邊緣的潤濕，此潤濕繼而可妨礙金屬罩230在電池殼體上的適當(dāng)焊接。
用于測試電池的殼體100的壁厚為0.38mm。新電池10具有67mm的長度、5.6mm的厚度和17mm的寬度。電池的陽極150和陰極110被平衡，使得MnO2的理論容量(基于370毫安小時每克MnO2)除以鋅的毫安小時容量(基于820毫安小時每克鋅)為1.5。陽極具有2.01克鋅。(陰極具有6.69克MnO2。)陽極、陰極和隔離膜占?xì)んw100外部體積的約66％。陽極厚度與殼體外部厚度的比率為約0.35。
這些厚度是沿著垂直于縱向軸線190、越過電池厚度(小尺寸)的平面測量。
將電池間歇放電，周期為90毫瓦的“功率開”緊接著三個小時的“功率關(guān)”，直到達到0.9伏的截止電壓。實際服務(wù)壽命為20.1小時。殼體已從5.6mm的厚度膨脹至5.99mm的厚度。(厚度是在圖1A或圖12中所示的大尺寸側(cè)壁106a和106b的外表面之間測量)。
在對比測試中，當(dāng)電池平衡比(MnO2的理論容量比鋅的理論容量)為約1.1時，平測試電池的溶脹由5.6mm的總厚度顯著增加至6.13mm。在以上測試實施例4中(平衡比為1.5)，電池溶脹較少，即由5.6mm至6.03mm。在這個測試實施例4中(平衡比為1.5)，電池由5.6mm溶脹至5.99mm。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施方案已關(guān)于具有立方體(長方體)總體形狀的平堿性電池進行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解，這種總體形狀的變型是可能的并且旨在屬于本發(fā)明的范疇。在扁平電池的情況下，例如，在立方體(長方體)形狀下，外殼的末端可向外或向內(nèi)稍微逐漸變細(xì)，但仍保持其矩形構(gòu)型。這種變化形狀的總外觀仍基本上為立方體，并旨在屬于立方體或其法定等價物的含義范圍。對總體形狀的其它變型例如稍微改變電池末端與外殼任何一個側(cè)面產(chǎn)生的角度，使得平行六面體稍微偏離嚴(yán)格的矩形，也旨在屬于本文及權(quán)利要求書中所用立方體(長方體)的含義范圍。
本發(fā)明旨在理想地擴展至全部平的電池形狀，其中沿電池長度的外部殼體側(cè)面基本是平的。因此，也將被理解的是術(shù)語“平的”旨在擴展至并包括基本平的表面，其中這種表面的曲率度可以是微小的。具體地講，本發(fā)明的范疇旨在擴展至扁平電池，其中沿殼體長度的電池殼體表面的一側(cè)具有平的多邊形表面。因此，電池可具有多面體的總體形狀，其中外部殼體的所有側(cè)面均為多邊形。本發(fā)明還旨在擴展至其中電池殼體沿其長度的一側(cè)具有平行四邊形的平表面以及其中電池的總體形狀為棱柱的電池。
權(quán)利要求
1.一種包括外部外殼的壓力容器；所述外殼具有封閉端和相對的開口端；所述容器還包括密封所述外殼的開口端的端帽組件，所述外部外殼和所述端帽組件在所述容器內(nèi)部周圍形成壓力邊界表面；其中所述端帽組件在其內(nèi)具有小孔和用于密封所述小孔的密封構(gòu)件，其中所述密封構(gòu)件的至少一部分在所述小孔內(nèi)處于壓縮狀態(tài)；其中所述容器包括位于所述壓力邊界表面上的排氣機構(gòu)，其中所述排氣機構(gòu)啟動以從所述容器內(nèi)釋放氣體壓力，所述排氣機構(gòu)包括所述邊界表面上的形成凹槽的第一破裂區(qū)以及所述邊界表面上的第二破裂區(qū)，所述凹槽限定薄于所述邊界平均厚度的材料區(qū)域；其中當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至第一壓力水平時，所述第一破裂區(qū)破裂，當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至高于所述第一壓力水平的第二壓力水平時，所述第二破裂區(qū)破裂。
2.如權(quán)利要求1所述的容器，其中介于所述封閉端和開口端之間的所述電池長度限定所述電池的中心縱向軸線的方向，并且其中所述密封構(gòu)件包括至少在大致垂直于所述中心縱向軸線的方向上被壓縮的塑性材料。
3.如權(quán)利要求1所述的容器，其中所述第一和第二破裂區(qū)在所述邊界表面上間隔開。
4.如權(quán)利要求1所述的容器，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力升高到介于約250和800psig(1724×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第一破裂區(qū)破裂。
5.如權(quán)利要求1所述的容器，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力升高到介于約400和800psig(2758×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第一破裂區(qū)破裂。
6.如權(quán)利要求1所述的容器，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力達到介于約800和2500psig(5515×103和17235×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第二破裂區(qū)破裂。
7.如權(quán)利要求1所述的容器，其中所述第二破裂區(qū)在所述邊界表面的一部分內(nèi)包括激光焊接。
8.如權(quán)利要求1所述的容器，其中所述凹槽通過壓印所述邊界表面形成。
9.如權(quán)利要求7所述的容器，其中所述激光焊接在所述外殼和適配到所述外殼的開口端內(nèi)的金屬構(gòu)件之間形成，從而封閉所述開口端。
10.如權(quán)利要求7所述的容器，其中所述激光焊接在所述外殼的內(nèi)表面和適配到所述外殼的開口端內(nèi)的金屬構(gòu)件的邊緣之間形成，從而封閉所述開口端。
11.如權(quán)利要求7所述的容器，其中所述激光焊接由Nd:Yag激光器產(chǎn)生，并且當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至介于約800和2500psig(5515×103和17235×103帕斯卡表)之間的水平時，所述激光焊接破裂。
12.如權(quán)利要求9所述的容器，其中所述容器具有立方體形狀并且所述金屬構(gòu)件為矩形金屬板。
13.如權(quán)利要求9所述的容器，其中所述小孔位于所述金屬構(gòu)件內(nèi)，并且所述壓縮密封構(gòu)件位于所述小孔內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的容器，其中所述金屬構(gòu)件包括具有由其延伸的整體成形的套管的板，其中所述套管圍繞所述密封構(gòu)件的一部分并使所述密封構(gòu)件的所述部分保持在壓縮狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求14所述的容器，其中所述密封構(gòu)件包括塑性材料，并且所述密封構(gòu)件在垂直于所述電池的中心縱向軸線的方向上被壓縮。
16.如權(quán)利要求14所述的容器，所述容器還包括插入到所述小孔內(nèi)的細(xì)長金屬構(gòu)件，使得所述密封構(gòu)件的一部分夾在所述細(xì)長金屬構(gòu)件和所述金屬套管之間，從而使所述密封構(gòu)件的所述部分在其間保持壓縮狀態(tài)。
17.如權(quán)利要求15所述的容器，其中所述密封構(gòu)件也在平行于所述電池的中心縱向軸線的方向上被壓縮。
18.一種一次堿性電池，所述電池包括負(fù)端和正端、陽極和陰極以及外部外殼，所述外殼包括至少一個至少基本扁平的側(cè)面，所述外殼具有封閉端和相對的開口端，所述電池還包括密封所述外殼的開口端的端帽組件；其中所述外部外殼和所述端帽組件形成所述電池內(nèi)部周圍的壓力邊界表面；其中所述端帽組件在其內(nèi)具有小孔和用于密封所述小孔的絕緣密封構(gòu)件，其中所述密封構(gòu)件的至少一部分在所述小孔內(nèi)處于壓縮狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述電池的長度介于限定所述電池的中心縱向軸線方向的所述封閉端和開口端之間，并且其中所述密封構(gòu)件包括在大致垂直于所述中心縱向軸線的方向上被壓縮的塑性材料。
20.如權(quán)利要求19所述的堿性電池，其中所述電池還包括在所述外殼內(nèi)的包含鋅的陽極以及包含MnO2和羥基氧化鎳中的至少一種的陰極，以及介于所述陽極和陰極之間的隔離膜；其中所述電池包括位于所述邊界表面上的排氣機構(gòu)，其中當(dāng)所述氣體壓力升高時，所述排氣機構(gòu)啟動以從所述電池內(nèi)釋放氣體壓力，所述排氣機構(gòu)包括所述邊界表面上的包括凹槽的第一破裂區(qū)和所述邊界表面上的第二破裂區(qū)，所述凹槽限定薄于所述邊界的平均厚度的下面的材料區(qū)域；其中當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至第一壓力水平時，所述第一區(qū)域破裂，當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至高于所述第一壓力水平的第二壓力水平時，所述第二區(qū)域破裂，從而允許所述電池內(nèi)的氣體通過所述破裂從所述電池內(nèi)部選出。
21.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中所述陰極包括多個矩形形狀的陰極塊；其中每個所述塊具有不含陰極材料的中心開口；其中所述陰極塊堆積在所述外殼內(nèi)使得不含陰極材料的所述開口形成芯，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
22.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述外部外殼為立方體形狀。
23.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中所述第一和第二破裂區(qū)在所述邊界表面上間隔開。
24.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力升高到介于約250和800psig(1724×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第一破裂區(qū)破裂。
25.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力升高到介于約400和800psig(2758×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第一破裂區(qū)破裂。
26.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中當(dāng)所述容器內(nèi)的氣體壓力達到介于約800和2500psig(5515×103和17235×103帕斯卡表)之間的壓力時，所述第二破裂區(qū)破裂。
27.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中所述第二破裂區(qū)在所述邊界表面的一部分內(nèi)包括激光焊接。
28.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中所述凹槽通過壓印所述邊界表面形成。
29.如權(quán)利要求27所述的堿性電池，其中所述端帽組件包括金屬罩，并且所述激光焊接在所述外殼和適配到所述外殼的開口端內(nèi)的所述金屬罩之間形成，從而封閉所述開口端。
30.如權(quán)利要求27所述的堿性電池，其中所述端帽組件包括金屬罩，并且所述激光焊接在所述外殼的內(nèi)表面和適配到所述外殼的開口端內(nèi)的金屬罩邊緣之間形成，從而封閉所述開口端。
31.如權(quán)利要求27所述的堿性電池，其中所述激光焊接由Nd:Yag激光器形成，并且當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至介于約800和2500psig(5515×103和17235×103帕斯卡表)之間的水平時，所述激光焊接破裂。
32.如權(quán)利要求29所述的堿性電池，其中所述金屬罩包括具有通過其間的小孔的金屬板。
33.如權(quán)利要求29所述的堿性電池，其中所述金屬罩包括具有通過其間的小孔的矩形板。
34.如權(quán)利要求32所述的堿性電池，其中所述小孔位于所述金屬罩內(nèi)，并且所述壓縮絕緣密封構(gòu)件位于所述小孔內(nèi)。
35.如權(quán)利要求34所述的堿性電池，其中所述金屬罩包括具有由其延伸的整體成形套管的板，其中所述套管圍繞所述絕緣密封構(gòu)件的一部分并使所述密封構(gòu)件的所述部分保持在壓縮狀態(tài)。
36.如權(quán)利要求34所述的堿性電池，其中所述密封構(gòu)件包括塑性材料，并且所述密封構(gòu)件在垂直于所述電池的中心縱向軸線的方向上被壓縮。
37.如權(quán)利要求32所述的堿性電池，其中所述端帽組件包括所述金屬罩、端子端板、絕緣密封構(gòu)件以及細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件，所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件同時穿過所述絕緣密封構(gòu)件和所述金屬罩，其中所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件具有電連接到所述端子端板上的頭部。
38.如權(quán)利要求37所述的堿性電池，其中所述導(dǎo)電構(gòu)件電連接到所述陽極上。
39.如權(quán)利要求38所述的堿性電池，其中所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的一部分穿入所述陽極并用作陽極集電器。
40.如權(quán)利要求37所述的堿性電池，其中所述金屬罩包括具有由其延伸的整體成形套管的板，其中所述套管圍繞所述絕緣密封構(gòu)件的一部分并使所述絕緣密封構(gòu)件的所述部分保持在壓縮狀態(tài)。
41.如權(quán)利要求40所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件包括整體成形的具有限定其內(nèi)腔體的側(cè)壁的中心轂，所述轂與之過盈配合地容納在所述金屬罩套管內(nèi)。
42.如權(quán)利要求41所述的堿性電池，其中所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的一部分與之過盈配合地容納在所述絕緣轂腔體內(nèi)，使得所述轂側(cè)壁的至少一部分保持壓縮在所述金屬罩套管和所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件之間。
43.如權(quán)利要求42所述的堿性電池，其中所述絕緣密封轂側(cè)壁厚度的壓縮百分比定義為Δ％，所述金屬罩套管和所述絕緣轂側(cè)壁之間的接口長度定義為L(mm)，則Δ％乘以L的乘積介于約0.04和240之間。
44.如權(quán)利要求42所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件也在平行于所述電池的中心縱向軸線的方向上被壓縮。
45.如權(quán)利要求44所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件的至少一部分保持壓縮在所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的頭部和整體成形的法蘭之間，所述法蘭由所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件伸出并毗鄰所述絕緣密封構(gòu)件的表面。
46.如權(quán)利要求38所述的堿性電池，其中所述端帽組件還包括介于所述端子端板和所述金屬罩之間的電絕緣構(gòu)件，從而使所述端子端板與所述金屬罩絕緣。
47.如權(quán)利要求46所述的堿性電池，其中介于所述端子端板和所述金屬罩之間的所述電絕緣構(gòu)件包括塑性材料。
48.如權(quán)利要求46所述的堿性電池，其中介于所述端子端板和所述金屬罩之間的所述電絕緣構(gòu)件包括紙材料。
49.如權(quán)利要求46所述的堿性電池，其中所述端子端板具有厚度小于所述端板的平均厚度的中心區(qū)域，其中在所述中心區(qū)域通過電阻焊接將所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件焊接到所述端子端板上。
50.如權(quán)利要求42所述的堿性電池，其中將包含瀝青的密封劑材料施用在所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件表面的至少一部分和所述絕緣轂之間，以防止堿性電解質(zhì)由其滲漏。
51.如權(quán)利要求42所述的堿性電池，其中將包含瀝青的密封劑材料施用在所述絕緣轂的表面的至少一部分和所述金屬罩套管之間，以防止堿性電解質(zhì)由其滲漏。
52.如權(quán)利要求21所述的堿性電池，其中所述陰極塊內(nèi)所述中心開口的至少一部分形成容納所述陽極的腔體。
53.如權(quán)利要求52所述的堿性電池，其中所述腔體具有長方形構(gòu)型。
54.如權(quán)利要求20所述的堿性電池，其中所述電池包括含有氫氧化鉀水溶液的堿性電解質(zhì)。
55.如權(quán)利要求54所述的堿性電池，其中所述電池被平衡使得所述陰極過量，從而基于370毫安小時每克MnO2的理論比值的MnO2的理論容量除以基于820毫安小時每克鋅的理論比值的鋅的毫安小時容量的比率介于約1.2和2.0之間。
56.如權(quán)利要求54所述的堿性電池，其中所述電池被平衡使得所述陰極過量，從而基于370毫安小時每克MnO2的理論比值的MnO2的理論容量除以基于820毫安小時每克鋅的理論比值的鋅的毫安小時容量的比率介于約1.4和1.8之間。
57.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述電池具有介于約5和10mm之間的總厚度，其中所述總厚度定義為限定所述外殼的短尺寸的所述外殼的相對側(cè)的外表面之間的距離。
58.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述外殼包括具有介于約0.30mm和0.50mm之間壁厚的金屬。
59.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述外殼包括具有介于約0.30mm和0.40mm之間壁厚的金屬。
60.如權(quán)利要求18所述的堿性電池，其中所述外殼包括鋼。
61.一種一次堿性電池，所述電池包括正端和負(fù)端以及外殼，所述外殼具有封閉端和相對的開口端，所述電池還包括在所述外殼內(nèi)的陽極和陰極，位于所述陽極和陰極之間的隔離膜，以及密封所述外殼的開口端從而形成所述電池內(nèi)部周圍邊界表面的端帽組件；其中所述端帽組件包括在所述外殼的開口端處的金屬罩以及在所述外殼和所述金屬罩之間形成的焊接以封閉所述開口端；其中所述端帽組件在其內(nèi)具有小孔和用于密封所述小孔的絕緣密封構(gòu)件，其中所述密封構(gòu)件的至少一部分在所述小孔內(nèi)處于壓縮狀態(tài)。
62.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述陽極包含鋅，并且所述陰極包含二氧化錳，并且所述陰極包括多個矩形形狀的陰極塊；其中每個所述塊具有不含陰極材料的中心開口；其中所述陰極塊沿著所述電池的中心縱向軸線堆積在所述外殼內(nèi)，使得不含陰極材料的所述開口形成沿著所述縱向軸線的中芯，所述陰極的外表面接觸所述外殼的內(nèi)表面。
63.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述電池的長度介于限定所述電池的中心縱向軸線方向的所述封閉端和開口端之間，并且其中所述密封構(gòu)件包括在大致垂直于所述中心縱向軸線的方向上被壓縮的塑性材料。
64.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述電池包括位于所述邊界表面上的排氣機構(gòu)，其中當(dāng)所述氣體壓力升高時，所述排氣機構(gòu)啟動以從所述電池內(nèi)釋放氣體壓力，所述排氣機構(gòu)包括所述邊界表面上的包括凹槽的第一破裂區(qū)和所述邊界表面上的第二破裂區(qū)，所述凹槽限定下面的材料區(qū)域，所述材料區(qū)域薄于所述邊界的平均厚度；其中當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至第一壓力水平時，所述第一區(qū)域破裂，當(dāng)所述電池內(nèi)的氣體壓力升高至高于所述第一壓力水平的第二壓力水平時，所述第二區(qū)域破裂，使得所述電池內(nèi)的氣體通過所述破裂從所述電池內(nèi)部逸出。
65.如權(quán)利要求64所述的電池，其中所述第一和第二破裂區(qū)在所述邊界表面上間隔開。
66.如權(quán)利要求64所述的電池，其中所述第二破裂區(qū)在所述邊界表面的一部分內(nèi)包括激光焊接。
67.如權(quán)利要求64所述的電池，其中所述凹槽通過壓印所述邊界表面形成。
68.如權(quán)利要求64所述的電池，其中當(dāng)所述電池內(nèi)部的氣體壓力達到介于約250和800psig(1724×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力水平時，所述邊界表面上的第一區(qū)域破裂，當(dāng)所述電池內(nèi)部的氣體壓力達到介于約800和2500psig(5515×103和17235×103帕斯卡表)之間的壓力水平時，所述邊界表面上的第二區(qū)域破裂。
69.如權(quán)利要求64所述的電池，其中當(dāng)所述電池內(nèi)部的氣體壓力達到介于約400和800psig(2758×103和5515×103帕斯卡表)之間的壓力水平時，所述邊界表面上的第一區(qū)域破裂，當(dāng)所述電池內(nèi)部的氣體壓力達到介于約800和2500psig(5515×103和1724×103帕斯卡表)之間的壓力水平時，所述邊界表面上的第二區(qū)域破裂。
70.如權(quán)利要求64所述的電池，其中所述第一破裂區(qū)由所述外殼外表面上的凹槽形成，并且所述第二破裂區(qū)由所述金屬罩邊緣和所述外殼的內(nèi)表面之間的激光焊接形成，從而將所述金屬罩沿著其邊緣的一部分固定到鄰近所述外殼的開口端的所述外部外殼的內(nèi)表面上。
71.如權(quán)利要求70所述的電池，其中所述端帽組件包括所述金屬罩、端子端板、絕緣密封構(gòu)件以及細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件，所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的一部分同時穿過所述絕緣密封構(gòu)件和所述金屬罩，其中所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件具有電連接到所述端子端板上的頭部。
72.如權(quán)利要求71所述的堿性電池，其中所述金屬罩包括具有由其延伸的整體成形套管的板，其中所述套管圍繞所述絕緣密封構(gòu)件的一部分并使所述絕緣密封構(gòu)件的所述部分保持在壓縮狀態(tài)。
73.如權(quán)利要求72所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件包括整體成形的具有限定其內(nèi)腔體的側(cè)壁的中心轂，所述轂側(cè)壁與之過盈配合地容納在所述金屬罩套管內(nèi)。
74.如權(quán)利要求73所述的堿性電池，其中所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的一部分與之過盈配合地容納在所述絕緣轂腔體內(nèi)，使得所述轂側(cè)壁的至少一部分保持壓縮在所述金屬罩套管和所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件之間。
75.如權(quán)利要求74所述的堿性電池，其中所述絕緣密封轂側(cè)壁厚度的壓縮百分比定義為Δ％，所述金屬罩套管和所述絕緣轂側(cè)壁之間的接口長度定義為L(mm)，則Δ％乘以L的乘積介于約0.04和240之間。
76.如權(quán)利要求74所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件也在平行于所述電池的中心縱向軸線的方向上被壓縮。
77.如權(quán)利要求76所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件的至少一部分保持壓縮在所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件的頭部和整體成形的法蘭之間，所述法蘭由所述細(xì)長導(dǎo)電構(gòu)件伸出并毗鄰所述絕緣密封構(gòu)件的表面。
78.如權(quán)利要求64所述的電池，其中所述凹槽平行于所述電池的封閉端穿行。
79.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述外殼包括具有介于約0.30mm和0.50mm之間壁厚的金屬。
80.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述電池具有介于約5和10mm之間的總厚度，其中所述總厚度定義為限定所述外殼短尺寸的所述外殼的相對側(cè)的外表面之間的距離。
81.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述外殼具有至少一個至少基本扁平的側(cè)面。
82.如權(quán)利要求61所述的堿性電池，其中所述外殼具有立方體形狀。
83.一種一次堿性電池，所述電池包括負(fù)端和正端、陽極和陰極以及外部外殼，所述外殼具有封閉端和相對的開口端，所述電池還包括密封所述外殼的開口端的端帽組件，其中所述外部外殼和所述端帽組件在所述電池內(nèi)部周圍形成壓力邊界表面；其中所述端帽組件在其內(nèi)具有小孔并且所述端帽組件還具有用于密封所述小孔的絕緣密封構(gòu)件；其中所述絕緣密封構(gòu)件的至少一部分在所述小孔內(nèi)處于壓縮狀態(tài)，其中所述端帽組件包括具有由其延伸的整體金屬套管的金屬板；其中所述絕緣密封構(gòu)件的一部分在所述套管內(nèi)形成壓縮絕緣壁；其中在所述套管和所述壓縮絕緣壁之間形成接口；并且其中所述絕緣壁厚度的壓縮百分比定義為Δ％，并且所述套管和所述絕緣壁之間的接口長度定義為L(mm)，則Δ％乘以L的乘積介于約0.04和240之間。
84.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述金屬套管和所述壓縮絕緣壁之間的所述接口的長度，L(mm)，介于約0.4mm和6mm之間，并且所述絕緣壁厚度的壓縮百分比，Δ％，介于約0.1％和40％之間。
85.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述外部外殼包括至少一個基本扁平的側(cè)面。
86.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件具有通過其間的小孔，并且所述壓縮絕緣壁限定所述小孔的周圍邊界，并且其中所述端帽組件還包括細(xì)長的陽極集電器構(gòu)件，所述集電器構(gòu)件具有穿過所述絕緣密封構(gòu)件內(nèi)的所述小孔的部分。
87.如權(quán)利要求86所述的堿性電池，其中所述絕緣壁的至少一部分被壓縮在所述陽極集電器和所述金屬套管之間。
88.如權(quán)利要求86所述的堿性電池，其中所述金屬板具有通過其間的小孔，并且所述金屬套管為所述板內(nèi)的所述小孔形成邊界。
89.如權(quán)利要求87所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件具有由其表面延伸的裙，所述裙圍繞所述細(xì)長集電器的至少一部分。
90.如權(quán)利要求89所述的堿性電池，其中所述絕緣裙減小所述外殼的內(nèi)表面的腐蝕速率。
91.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件包括塑性材料。
92.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述金屬板的邊緣被激光焊接到所述外殼的內(nèi)表面上以封閉其所述開口端。
93.如權(quán)利要求87所述的堿性電池，其中所述絕緣密封構(gòu)件包括整體成形的中心轂，所述中心轂具有形成所述壓縮絕緣壁的周圍側(cè)壁，所述轂與之過盈配合地容納在所述金屬套管內(nèi)，所述側(cè)壁被壓縮在所述陽極集電器和所述套管之間。
93.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述陽極包含鋅，并且所述陰極包含二氧化錳和羥基氧化鎳中的至少一種。
94.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述陽極包含鋅，并且所述陰極包含二氧化錳。
95.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述電池具有在所述開口端和封閉端之間的方向上穿行的縱向軸線，并且所述絕緣壁厚的壓縮百分比在大致垂直于所述縱向軸線的方向上測量。
96.如權(quán)利要求83所述的堿性電池，其中所述外殼具有立方體形狀。
全文摘要
具有平外殼，優(yōu)選為立方體形狀的堿性電池?？衫米鳛槎嗣苯M件一部分插入的金屬罩將所述外殼激光焊接封閉。絕緣密封件的一部分可壓縮在由金屬罩延伸的套管和端帽組件內(nèi)的陽極集電器釘之間。外殼可包括排氣機構(gòu)，優(yōu)選為有凹槽的排氣口，當(dāng)電池內(nèi)的氣體壓力達到典型地介于約1724×10
文檔編號H01M6/04GK1965422SQ200580018776
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者B·梅里爾, D·博博維克, R·S·費林, D·安格林, M·阿什伯爾特, S·D·曼寧, A·馬爾焦利奧, A·舍列赫希恩, S·J·施佩希特, M·西爾韋斯特雷, P·特雷納, R·A·尤泊羅 申請人:吉萊特公司