專利名稱：鎳鋅電池的熱密封隔膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及可充電的電池組(battery)，并且特別涉及可充電的鎳鋅電池組。更具體而言，本發(fā)明涉及用于可充電的鎳鋅電池組內(nèi)的電極組件及其制造方法。
背景技術(shù)：
無(wú)繩便攜設(shè)備(例如，電動(dòng)工具)的普及提高了對(duì)還能夠輸送高功率的高能量密度的可充電電池組的需要和要求。隨著功率及能量密度要求的提高，還增加了對(duì)高循環(huán)壽命的可充電電極的需要。堿性鋅電極因其高電壓、低當(dāng)量和低成本而為人所知。與充電和放電過(guò)程相關(guān)的快速的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)使鋅電極既能夠輸送高功率也能夠輸送高能量密度。 鎳鋅電池組能夠滿足在例如適用于電動(dòng)汽車(EV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、消費(fèi)電子產(chǎn)品及其它應(yīng)用的電池組中對(duì)較高功率和較高能量密度的需要。尤其重要的是可充電電池組的壽命周期。鎳鋅電池組能夠由于例如從負(fù)(鋅)電極到正(鎳)電極的枝晶形成而受到電路短路的影響。之前解決該問(wèn)題的方法包括例如用于降低短路傾向的電極的化學(xué)改性，但是這些方法通常不是用于高倍率放電和電池組容量的最佳化學(xué)方法。電極的涂層或圍邊(taping edge)難以成生產(chǎn)規(guī)模地實(shí)現(xiàn)并且通常效率不高。隔膜通常被用來(lái)阻止枝晶造成電極之間的短路，但是枝晶能夠遷移繞過(guò)隔膜除非它們被密封以包裹電極。密封隔膜以包裹個(gè)體電極有效地阻止了電極之間的枝晶生長(zhǎng)(或其它粒子遷移)，這延長(zhǎng)了電池組的壽命。在方形電池中，個(gè)體電極在電極疊層的組件之前被包裹。在卷繞式電極中，由于起皺、粘合和可歸因于隔膜材料的物理特性的其它困難以及許多層共同卷繞于卷芯中的事實(shí)，在卷繞之前包裹個(gè)體電極是有問(wèn)題的。在卷繞之后熱密封隔膜是已知的，但是此類方法僅處理將兩個(gè)電極密封于卷繞式卷芯電極組件的一端。 這些方法沒(méi)有為內(nèi)部電池的設(shè)計(jì)留有靈活性，這種靈活性在可充電鎳鋅電池的不斷改變的用途中通常是關(guān)鍵的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般地針對(duì)用于密封隔膜的選擇性方法以及使用此類方法制成的卷芯電極組件來(lái)描述。更特別地，本發(fā)明針對(duì)用于將隔膜選擇性地?zé)崦芊庥诰哂芯硇窘M件的鎳鋅可充電電池的兩個(gè)電極中的一個(gè)電極上的方法來(lái)描述。選擇性密封能夠使用于卷芯組件的
一端或兩端上。因而，本發(fā)明的一方面是一種用于選擇性地密封布置于包括兩個(gè)電極的卷芯組件的第一電極的兩側(cè)之上并且延伸超過(guò)第一電極的邊緣的第一組隔膜層，而沒(méi)有密封布置于第二電極的兩側(cè)之上并且延伸超過(guò)第二電極中與第一電極的邊緣平行且緊鄰的邊緣的第二組隔膜層的方法，兩個(gè)邊緣均布置于卷芯組件的同一端之上，同時(shí)使卷芯組件的該同一端暴露于熱源。這種方法能夠以根據(jù)在此所描述的實(shí)施例的許多方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一種實(shí)施例中，選擇性地密封第一組隔膜層包括i)配置第二電極的集電基板，使得當(dāng)所述熱源被施加于卷芯組件的同一端時(shí)，第一組隔膜層能夠密封以包裹第一電極，但是第二組隔膜層被物理地阻隔使得無(wú)法密封和包裹第二電極；以及ii)將熱源施加于卷芯組件的同一端。在一種特定的實(shí)施例中，配置第二電極的集電基板包括將第二電極的集電基板基本上折疊于第一電極的集電基板之上，但是沒(méi)有觸及第一電極的集電基板， 從而形成基本上封閉的容積，其中第一組隔膜層以及來(lái)自第二組隔膜層的鄰接的隔膜層被布置于基本上封閉的容積之內(nèi)。在另一種實(shí)施例中，選擇性地密封第一組隔膜層包括i)配置卷芯組件使得第一組隔膜層包括在施加熱源時(shí)能夠密封以包裹第一電極的層，但是第二組隔膜層包括在施加熱源時(shí)不能夠密封以包裹第二電極的層；以及ii)將熱源施加于卷芯組件的同一端。在一種實(shí)施例中，可應(yīng)用于以上所描述的實(shí)施例的是，第一組隔膜層和第二組隔膜層各自具有不同的熔點(diǎn)。在另一種實(shí)施例中，可應(yīng)用于以上實(shí)施例的是，第一組隔膜層是聚丙烯層以及第二組隔膜層是基于纖維素的層。在一種實(shí)施例中，基于纖維素的層是以聚乙烯醇(PVA)浸漬和/或涂覆的纖維素。在一種實(shí)施例中，熱源包括對(duì)流熱源、感應(yīng)熱源、傳導(dǎo)熱源和輻射熱源中的至少一種。在另一種實(shí)施例中，熱源是傳導(dǎo)熱源。在另一種實(shí)施例中，傳導(dǎo)熱源是熱臺(tái)板(heated platen)。在一種實(shí)施例中，卷芯(其中第一電極借助于密封第一組隔膜來(lái)選擇性地包裹) 中被加熱的那端與熱臺(tái)板接觸大約1秒到大約30秒，其中臺(tái)板溫度為大約130°C -600°C。 在另一種實(shí)施例中，卷芯與熱臺(tái)板接觸大約3秒到大約10秒，其中臺(tái)板溫度為大約 300°C-60(TC。在又一種實(shí)施例中，卷芯與熱臺(tái)板接觸大約5秒到大約25秒，其中臺(tái)板溫度為大約 450°C -550°C。在某些實(shí)施例中，在與熱臺(tái)板接觸期間，卷芯以大約0. 5kg/cm2到大約^g/cm2的力與熱臺(tái)板接觸。在其它的實(shí)施例中，卷芯以大約lkg/cm2到大約3kg/cm2的力與熱臺(tái)板接觸。在其它的實(shí)施例中，卷芯以大約lkg/cm2到大約^g/cm2的力與熱臺(tái)板接觸。在其它的實(shí)施例中，卷芯以大約1. 5kg/cm2的力與熱臺(tái)板接觸。本發(fā)明的方法能夠以任何卷芯配置的電極組件來(lái)實(shí)施，并且特別有用于其中鋅電極的枝晶形成能夠使電極短路的鎳鋅電池。因而，本發(fā)明的另一方面是卷芯電極組件，包括i)布置于第一組隔膜層之間的第一電極；以及ii)布置于第二組隔膜層之間的第二電極；其中，在卷芯電極組件的同一端，第一電極和第二電極之一由其相應(yīng)的那組隔膜層所包裹，并且另一個(gè)電極沒(méi)有由它那組隔膜層所包裹。在一種實(shí)施例中，第一電極是鋅電極并且第二電極是鎳電極。在另一種實(shí)施例中，第一組隔膜層包括聚丙烯層。在另一種實(shí)施例中，第二組隔膜層包括聚乙烯醇浸漬的纖維素。包括在此所描述的卷芯電極組件的電池組是本發(fā)明的另一方面。這些及其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面參照相關(guān)的附圖進(jìn)一步討論。


圖1A、1B和IC是本發(fā)明的圓柱形鎳鋅動(dòng)力電池(power cell)的主要部件的圖示。圖2A是示出在卷繞成卷芯之前的電極和隔膜層的組件的透視圖。圖2B是圖2A中的組件的截面圖。圖2C是本發(fā)明的卷芯組件的截面圖。圖2D是在集電基板按照特定的配置折疊之后并且在卷芯的一端被選擇性熱密封之后的卷芯組件的截面圖。圖2E是并入反向極性的電池組之內(nèi)的圖2D的卷芯組件的截面圖。圖2F是在卷芯的相對(duì)端受到了選擇性熱密封之后的針對(duì)圖2D所描述的卷芯組件的截面圖。圖2G是針對(duì)圖2F所描述的卷芯的密封隔膜的截面圖。圖2H是并入反向極性電池組之內(nèi)的圖2F的卷芯組件的截面圖。圖21是電極-隔膜疊層的截面圖。圖2J是卷芯組件的截面圖。圖I是在卷芯的一端被熱密封之后的圖2J的卷芯組件的截面圖。圖2L是并入正常極性的電池組之內(nèi)的圖I的卷芯組件的截面圖。圖2M是在卷芯的相對(duì)端受到了選擇性熱密封之后的針對(duì)圖觀所描述的卷芯組件的截面圖。圖2N是并入正常極性的電池組之內(nèi)的圖2M的卷芯組件的截面圖。圖3是示出使用在此所描述的熱密封方法制造的鎳鋅電池組與沒(méi)有采用熱密封方法的鎳鋅電池組的比較結(jié)果的圖表。
具體實(shí)施例方式A.定義在此所使用的某些術(shù)語(yǔ)并不常用于本技術(shù)領(lǐng)域中。其它術(shù)語(yǔ)在本技術(shù)領(lǐng)域中可以具有多種含義。因此，本文提供下列定義以幫助理解本文的描述。在權(quán)利要求中所闡明的發(fā)明并不一定要由這些定義所限定?！盁崤_(tái)板”指的是例如熱臺(tái)(heated stage)、熱板或者能夠?qū)⒐ぜ胖糜谄渖弦允构ぜ軣岬钠渌鼰岜砻?。“傳?dǎo)熱源”指的是通過(guò)與工件直接接觸來(lái)將熱量傳遞給工件的設(shè)備，并且從而熱量由熱源直接傳導(dǎo)給被加熱的工件。傳導(dǎo)熱源的一個(gè)實(shí)例是熱臺(tái)板，其中工件與熱臺(tái)板接觸?！皩?duì)流熱源”指的是經(jīng)由氣體或液體通過(guò)從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的涌流循環(huán)將熱量傳遞給工件的設(shè)備。對(duì)流熱源的一個(gè)實(shí)例是熱風(fēng)器(heat gim)，該熱風(fēng)器將熱空氣吹到工件上以加熱該工件?！案袘?yīng)熱源”指的是借助于在暴露于由電線圈(通常使用交流電通過(guò)其中)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的工件內(nèi)的感應(yīng)電渦流將熱量傳遞給工件的設(shè)備。熱量在工件內(nèi)借助于電阻(焦耳加熱)或者借助于材料內(nèi)的磁滯損耗來(lái)生成。感應(yīng)熱源的一個(gè)實(shí)例是磁感應(yīng)焊機(jī)。例如，如果塑料以鐵磁陶瓷來(lái)?yè)诫s(其中粒子的磁滯提供熱量)或者以金屬粒子來(lái)?yè)诫s(其中在金
6屬粒子之內(nèi)的電阻提供熱量)，則它們可以通過(guò)感應(yīng)來(lái)焊接?！拜椛錈嵩础敝傅氖墙柚谳椛涞焦ぜ哪芰縼?lái)將熱量傳遞給工件的設(shè)備，并且一旦到達(dá)工件，該能量就被傳遞給工件的分子，從而激發(fā)分子提高分子運(yùn)動(dòng)并且由于分子運(yùn)動(dòng)和/或摩擦而加熱工件。輻射熱源的實(shí)例是激光、微波發(fā)生器、紅外輻射發(fā)生器等?！鞍币馑际侵敢坏└裟颖幻芊猓鼈兙陀米饔糜诰硇倦姌O組件的電極的末端或邊緣的連續(xù)的包裝或覆蓋?！鞍辈⒉灰欢ㄈ缤撛~的傳統(tǒng)意義那樣意指封裝整個(gè)電極。因而，“包裹”能夠意指，例如，一旦隔膜層被密封在一起，電極就處于隔膜材料的囊袋 (pouch)或隔膜材料的兩褶體(bifold)內(nèi)?！鞍币材軌蛞庵咐鐚⒃?否則的話)暴露的電極之上的隔膜材料的兩個(gè)邊緣部分封閉或熱密封在一起?！懊芊狻币庵竿ㄟ^(guò)熔合或熔化隔膜層來(lái)將它們連結(jié)在一起，例如通過(guò)在隔膜層或隔膜層的成分的熔化溫度處、附近或以上將熱量施加于層從而使層熔合在一起。典型地，但也并不一定，密封在層的邊緣附近進(jìn)行，其中這些層重疊或鄰近，但尚未附接。在一個(gè)實(shí)例中， 這些層是聚丙烯并且沿著基本上共同延伸的邊緣區(qū)域來(lái)加熱這些層，從而使它們?nèi)刍谝黄鹨灾瞥蛇B續(xù)的層并從而被“密封”在一起。B.綜述實(shí)施例一般地針對(duì)用于密封隔膜的選擇性方法以及使用此類方法制成的卷芯電極組件來(lái)描述。更特別地，描述了用于選擇性地?zé)崦芊飧裟ひ员阒粚蓚€(gè)電極之一包裹于卷芯組件的末端的方法。這些方法可以應(yīng)用于卷芯的一端或兩端。在特定的實(shí)施例中，卷芯組件被使用于鎳鋅可充電電池。個(gè)體電極層組件被夾在一層或多層隔膜材料之間。夾層型電極組件被堆疊并且然后被卷繞成卷芯組件。隔膜和電極層材料被配置使得，一旦卷芯組件的一端受到熱密封，隔膜層就被密封，從而選擇性地只包裹夾層型電極組件中的一個(gè)。如上所述，選擇性地包裹單個(gè)電極組件避免使用額外的隔膜材料，例如，不必要用來(lái)包裹兩個(gè)電極組件的隔膜材料，并且從而節(jié)省了成本以及為內(nèi)部電池設(shè)計(jì)留有更大的靈活性。在此所描述的熱密封的隔膜以及熱密封的方法生產(chǎn)了具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命的電池。以下是關(guān)于鎳鋅電池組化學(xué)的簡(jiǎn)要討論，因?yàn)樗c本發(fā)明有關(guān)，之后是關(guān)于電池組設(shè)計(jì)的更詳細(xì)討論，集中于本發(fā)明的特定特征。鎳鋅電池組的電化學(xué)反應(yīng)在堿性電化學(xué)電池中的氫氧化鎳的正電極的充電過(guò)程由以下反應(yīng)所支配Ni (OH) 2+0H- — Ni00H+H20+e_ (1)堿性電解質(zhì)作為Si電極中的離子載體。在可充電的Si電極中，起始活性材料是 ZnO粉末或者鋅和氧化鋅粉末的混合物。ZnO粉末溶解于KOH溶液中，如同在反應(yīng)( 中的那樣，以形成鋅酸鹽(Zn(OH)42-),該鋅酸鹽在充電過(guò)程中被還原成鋅金屬，如同在反應(yīng)(3) 中的那樣。在Si電極處的反應(yīng)能夠?qū)懗梢韵路磻?yīng)式
ZnO + 20H + H2O Zn(0H)f( 2 )以及
Zvl(OR)I + 2e —Zn + 40H( 3 )
因此，在負(fù)極處的凈電極是Zn0+H20+2e- — Zn+20H-+2e_ (4)然后，Ni/Zn電池組的總體反應(yīng)能夠表示如下Zn+2Ni00H+H20 = Zn0+2Ni (OH)2 (5)在鋅電極的放電過(guò)程中，鋅金屬貢獻(xiàn)電子以形成鋅酸鹽。同時(shí)，鋅酸鹽在KOH溶液中的濃度會(huì)提高。在再充電時(shí)，反應(yīng)(1)-(5)被重復(fù)。在鎳鋅電池組的壽命期間，這些充電-放電循環(huán)多次重復(fù)。本發(fā)明針對(duì)于鋅負(fù)電極的效率，例如，采用本發(fā)明的熱密封的隔膜的電池組電池允許了更多的充電-放電循環(huán)。C.實(shí)施例以下是關(guān)于鎳鋅電池組的更詳細(xì)的描述，包括關(guān)于電極和部件的描述，特別是與用于密封隔膜的選擇性方法以及含有選擇性密封的隔膜的卷芯組件有關(guān)的實(shí)施例。鎳鋅電池組和電池組部件圖IA和IB是根據(jù)一種實(shí)施例的圓柱形動(dòng)力電池的主要部件的圖示，圖IA示出了電池的分解圖。交替的電極和電解質(zhì)層被設(shè)置于圓柱形組件101(也稱為“卷芯”)之內(nèi)。 圓柱形組件或卷芯101被定位于包殼113或其它容器之內(nèi)。可以使該包殼內(nèi)部鍍上例如錫以幫助導(dǎo)電。負(fù)集電盤103(例如，銅，可任選地鍍上例如錫)以及正集電盤105(例如，鎳， 例如以泡沫的形式)被附接于圓柱形組件101的相對(duì)端。負(fù)極和正集電盤起著內(nèi)部端子的作用，負(fù)集電盤與負(fù)電極電連接并且正集電盤與正電極電連接。蓋子109和包殼113用作外部端子。在所示出的實(shí)施例中，負(fù)集電盤103包括用于將負(fù)集電盤103連接到蓋子109 的調(diào)整片(tab) 107。正集電盤105被焊接或者否則的話電連接到包殼113。在其它的實(shí)施例中，負(fù)集電盤與包殼連接并且正集電盤與調(diào)整片連接。負(fù)極和正集電盤103和105被示出為具有穿孔，該穿孔可以被使用以促進(jìn)與卷芯接合和/或電解質(zhì)從電池的一個(gè)部分流到另一個(gè)部分。在其它的實(shí)施例中，圓盤可以使用狹槽(徑向的或外周的)、凹槽或其它結(jié)構(gòu)以促進(jìn)接合和/或電解質(zhì)分布。負(fù)集電盤通常為銅，可任選地涂覆錫，并且正集電盤通常為鎳或者在其組成中至少含有鎳。撓性墊圈111被擱在沿著包殼113的上部的圓周所設(shè)置的環(huán)繞凸緣 (circumferential bead) 115上，緊鄰蓋子109。墊圈111用來(lái)使蓋子109與包殼113電隔離。在某些實(shí)施例中，墊圈111擱置于其上的凸緣115被涂以聚合物涂層。墊圈可以是任何使蓋子與包殼電隔離的材料。優(yōu)選地，該材料在高溫下沒(méi)有看得出的變形；一種此類材料是尼龍。在其它的實(shí)施例中，可以希望使用相對(duì)疏水的材料以降低促使堿性電解質(zhì)滲漏并最終在接縫或其它可達(dá)到的出口點(diǎn)從電池中漏出的驅(qū)動(dòng)力。較不可潤(rùn)濕的材料的一個(gè)實(shí)例是聚丙烯。在包殼或其它容器以電解質(zhì)注入之后，通常通過(guò)使用包殼在凸緣115之上的部分以及使包殼113的這個(gè)環(huán)形部分向內(nèi)卷曲并位于墊圈111的頂部之上的卷邊工藝來(lái)密封容器以使電極和電解質(zhì)與環(huán)境隔離。在某些實(shí)施例中，密封劑被用來(lái)防止泄漏。適合的密封劑的實(shí)例包括含浙青的密封劑、焦油以及可從美國(guó)俄亥俄州的辛辛那提的Cognis公司購(gòu)得的 VERSAMID 。電池組包殼113是用作最終電池的外殼或外套的容器。在常規(guī)的電池中，包殼是負(fù)極端子，它通常是鍍鎳鋼。需要說(shuō)明的是，在某些實(shí)施例中包殼可以是負(fù)極或正極端子。 在包殼為負(fù)極的實(shí)施例中，包殼材料可以是與常規(guī)的鎳鎘電池組所使用的組成類似的組成，例如，鋼，只要該材料被涂以與鋅電極的電位適合的另一種材料。例如，負(fù)極包括可以被涂以諸如銅之類的材料以防止腐蝕。在包殼為正極而蓋子是負(fù)極的實(shí)施例中，包殼可以是與常規(guī)的鎳鎘電池所使用的組成類似的組成，典型為鍍鎳鋼。在某些實(shí)施例中，正極包殼的內(nèi)部可以被涂以用于輔助氫的再結(jié)合的材料。用于催化氫的再結(jié)合的任何材料都可以使用。此類材料的一個(gè)實(shí)例是氧化銀。在另一種實(shí)施例中，負(fù)集電盤是涂有抗析氫材料(例如，金屬、合金和聚合物中的至少一種)的金屬盤。負(fù)極盤能夠是例如涂有錫、銀、鉍、黃銅、鋅和鉛中的至少一種的鋼盤、黃銅盤或銅盤。在一個(gè)實(shí)例中，圓盤是涂有錫和/或銀的黃銅或銅。在一種實(shí)施例中， 圓盤的至少一部分被涂以聚合物，例如，Teflon (ffilmington Delaware的Ε. I. Dupont de Nemours and Company的聚四氟乙烯的商品名稱)。圖IC示出了卷芯鎳鋅電池的更具體的配置。該電池與圖IA和IB中的電池類似， 具有卷芯電極組件101、包殼113、蓋子109、撓性墊圈111等，但是在本例中，負(fù)集電盤103a 是有槽的，并且有用于形成到在卷芯101的頂部的卷繞式負(fù)集電極的電連接的垂直的(下行的(decending))調(diào)整片或?qū)芷?08。當(dāng)該電池被組裝時(shí)，調(diào)整片108被壓向負(fù)集電極并且負(fù)集電盤103a的最頂端部分壓向蓋子109以完成在負(fù)集電極與蓋子109之間的電連接。在一種實(shí)施例中，調(diào)整片108被配置以免刺入或戳進(jìn)負(fù)集電極(如圖所示，調(diào)整片108 具有被擱在負(fù)集電極之上的彎曲部分，例如在本圖中的像滑雪板的部分)。負(fù)集電盤103a 還具有用于將電解質(zhì)引入卷芯內(nèi)的中心孔。正集電盤能夠同樣被設(shè)置成圓盤103a，其中中心孔被用來(lái)促進(jìn)電解質(zhì)流動(dòng)，例如其中電解質(zhì)儲(chǔ)存器被維持于電池的下部，在卷芯的底部與包殼的底部之間。但是，在本實(shí)施例中，正集電盤10 被穿孔，如同在圖IA中針對(duì)圓盤 105所描述的，除了圓盤105a還包括用于構(gòu)成與在卷芯101的底部的卷繞式正集電極的電接觸的凸起112。在一種實(shí)施例中，將卷繞式正集電極對(duì)著卷芯101的底部來(lái)折疊于其上， 并且凸起112穿透所折疊的正集電極以建立電接觸。在某些實(shí)施例中，電池被配置用于在電解質(zhì)“缺少的”條件下操作。此外，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明的鎳鋅電池使用缺少電解質(zhì)的形式。此類電池具有與活性電極材料的量相比相對(duì)少量的電解質(zhì)。它們能夠與富液型電池輕易地區(qū)分開(kāi)，其中富液型電池在電池的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)具有自由的液態(tài)電解質(zhì)。缺液型電池(Starved format cell)在2005年4月 26日提交的，題目為“Nickel Zinc Battery Design(鎳鋅電池組設(shè)計(jì))”的美國(guó)專利申請(qǐng) No. 11/116，113(已公開(kāi)為US 2006-0240317A1)中進(jìn)行了討論，并且在此全文引用該申請(qǐng) No. 11/116，113，以作參考以及其它全部用途?？梢韵Ｍ鲇诟鞣N原因而在缺液條件下操作電池。缺液型電池一般被理解為其中在電池電極疊層之內(nèi)的總空隙容積沒(méi)有由電解質(zhì)完全占用的電池。在典型的實(shí)例中，缺液型電池在電解質(zhì)注入之后的空隙容積可以是注入之前的總空隙容積的至少大約10%。在此所描述的電池組的電池能夠具有多種不同形狀和尺寸中的任一種。例如，本發(fā)明的圓柱形電池可以具有常規(guī)的AAA電池、AA電池、D電池、C電池等的直徑和長(zhǎng)度。定制的電池設(shè)計(jì)在某些應(yīng)用中是適合的。在一種特定的實(shí)施例中，電池的尺寸為直徑22mm 并且長(zhǎng)度43mm的亞C電池尺寸。注意，本發(fā)明還可以應(yīng)用于相對(duì)小的電池規(guī)格，以及用于各種非便攜式應(yīng)用中的各種較大規(guī)格的電池。通常，例如電動(dòng)工具或草坪工具的電池組包 (battery pack)的輪廓將規(guī)定電池組電池的尺寸和形狀。一種實(shí)施例是包括具有在此所描述的選擇性密封的隔膜的卷芯的鎳鋅電池。一種實(shí)施例是包括在此所描述的一個(gè)或多個(gè)鎳鋅電池組電池以及用于允許在電器件中充電和放電的適當(dāng)?shù)耐馓?、觸點(diǎn)和導(dǎo)線的電池組包。注意，圖1A、1B和IC所示的實(shí)施例具有與常規(guī)的商品化電池(例如商品化的鎳-鎘電池)的極性相反的極性，因?yàn)樯w子是負(fù)極而包殼是正極。在常規(guī)的動(dòng)力電池中，電池的極性是這樣的蓋子為正極而包殼或容器為負(fù)極。也就是，在內(nèi)部，電池組件的正電極與蓋子電連接，而電池組件的負(fù)電極與容納電池組件的包殼電連接。在某些實(shí)施例中，包括圖1A、1B和IC所示出的實(shí)施例，電池的極性是與常規(guī)電池的極性相反的。因而，負(fù)電極與蓋子電連接，而正電極與外殼電連接。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，極性保持為與常規(guī)的設(shè)計(jì)相同的——具有正極的蓋子。以下將描述本實(shí)施例的至少一個(gè)實(shí)例。以下是關(guān)于特定的“正?！焙汀胺聪颉睒O性的電池以及透氣蓋、正電極、隔膜、電解質(zhì)及負(fù)電極的特征的更詳細(xì)的描述。透氣蓋雖然電池一般被密封以與環(huán)境隔離，但是可以允許電池從電池組中排出在充電和放電時(shí)所生成的氣體。因而，例如參照?qǐng)D1A，蓋子109 —般被示出為非透氣蓋，但是典型地是透氣蓋。典型的鎳鎘電池在大約200磅每平方英寸(psi)的壓力時(shí)排出氣體。在某些實(shí)施例中，鎳鋅電池被設(shè)計(jì)為在該壓力以及更高(例如，高達(dá)大約300psi)的壓力下操作，不需要排氣。這可以促進(jìn)在電池內(nèi)所生成的任意氧氣和氫氣再結(jié)合。在某些實(shí)施例中，電池被構(gòu)造用于維持高達(dá)大約450psi和/或甚至高達(dá)大約600psi的內(nèi)部壓力。在其它的實(shí)施例中，鎳鋅電池被設(shè)計(jì)為在相對(duì)較低的壓力下排出氣體。當(dāng)設(shè)計(jì)鼓勵(lì)氫氣和/或氧氣的受控釋放，而不是電池內(nèi)再結(jié)合時(shí)，這可以是合適的。透氣蓋和圓盤以及載體基板本身的結(jié)構(gòu)的某些細(xì)節(jié)可參見(jiàn)以下專利申請(qǐng)?jiān)?2006年4月25日提交的PCT/US2006/015807以及在2004年8月17日提交的PCT/ US2004/(^6859(公開(kāi)號(hào)為WO 2005/020353A3)；并且在此全文引用這兩個(gè)專利申請(qǐng)，以作參考以及其它全部用途。正電極氫氧化鎳電極已經(jīng)被用作高功率和高能量的鎳-金屬氫化物電池組、鎳-鎘電池組和鎳鋅電池組中的正電極。鎳正電極一般包括電化學(xué)活性的氧化鎳或氫氧化鎳或羥基氧化鎳以及用于促進(jìn)制造、電子傳輸、潤(rùn)濕、機(jī)械性質(zhì)等的一種或多種添加劑。例如，正電極的配方可以包括氫氧化鎳粒子、氧化鋅、氧化鈷(CoO)、鈷金屬、鎳金屬及觸變劑(例如，羧甲基纖維素(CMC))。注意，金屬鎳和鈷可以被提供作為化學(xué)純金屬或它們的合金。正電極可以由含有這些材料和粘合劑(例如，聚合的碳氟化合物，例如，Teflon )的漿料制成。在某些實(shí)施例中，氫氧化鎳電極包含氫氧化鎳(和/或羥基氧化鎳)、鈷/鈷化合物粉末、鎳粉末和粘合材料。鈷化合物被包含用于提高鎳電極的電導(dǎo)率。在一種實(shí)施例中， 鎳正電極包含氧化鈷、氫氧化鈷和/或羥基氧化鈷中的至少一種；可任選地涂覆于氫氧化鎳(或羥基氧化鎳)粒子之上。鎳泡沫基質(zhì)可以被用來(lái)支撐電活性的氧化鎳(例如，Ni (OH)2)的電極材料。泡沫基板的厚度可以是15-60密耳(mil)。包含以電化學(xué)活性的材料及其它電極材料填充的鎳泡沫的正電極的厚度為大約16-M密耳，優(yōu)選地為大約20密耳厚。在一種實(shí)施例中，密度為大約350g/m2且厚度為大約16-18密耳的鎳泡沫被使用。在某些實(shí)施例中，電池組包括非鎳正電極(例如，銀電極或空氣電極)。銀-鋅系統(tǒng)使用銀-氧化物作為正電極，而鋅-空氣系統(tǒng)使用含有用于氧還原產(chǎn)物的催化劑的氣體擴(kuò)散型電極。隔膜典型地，隔膜將具有小孔。在某些實(shí)施例中，隔膜包含多個(gè)層。小孔和/或?qū)盈B結(jié)構(gòu)可以為鋅枝晶提供曲折的路徑，并因此有效地阻止了枝晶的穿透及其所引起的短路。優(yōu)選地，多孔隔膜具有大約1. 5-10的，更優(yōu)選地為大約2-5的彎曲度。平均小孔直徑優(yōu)選為不超過(guò)大約0. 2微米，并且更優(yōu)選地為大約0. 02-0. 1微米。此外，小孔尺寸在隔膜內(nèi)優(yōu)選是相當(dāng)均勻的。在一種特定的實(shí)施例中，隔膜具有大約35-55%的孔隙率，一種優(yōu)選的材料具有45%的孔隙率以及0. 1微米的小孔尺寸。在某些實(shí)施例中，隔膜包括至少兩個(gè)層(并且優(yōu)選為正好兩個(gè)層)——用于阻擋鋅的滲透的阻擋層以及用于以電解質(zhì)使電池保持為濕潤(rùn)，從而允許離子電流流過(guò)的潤(rùn)濕層。這一般不是鎳鎘電池那種情形，其中鎳鎘電池在相鄰的電極層之間只使用單種隔膜材料?？梢酝ㄟ^(guò)使正電極保持濕潤(rùn)而使負(fù)電極保持為相對(duì)干燥來(lái)改良電池的性能。因而，在某些實(shí)施例中，阻擋層被定位為鄰近于負(fù)電極，而潤(rùn)濕層被定位鄰近于正電極。這種布局通過(guò)使電解質(zhì)與正電極保持密切接觸而提高了電池的性能。在其它的實(shí)施例中，潤(rùn)濕層被布置為鄰接于負(fù)電極，而阻擋層被布置為鄰接于正電極。這種布局通過(guò)促進(jìn)氧經(jīng)由電解質(zhì)傳輸?shù)截?fù)電極而有助于氧在負(fù)電極的再結(jié)合。阻擋層典型為微孔膜。任何可離子導(dǎo)電的微孔膜都可以使用。通常，具有大約 30-80%的孔隙率以及大約0. 005-0. 3微米的平均小孔尺寸的聚烯烴將是適合的。在一種優(yōu)選的實(shí)施例中，阻擋層是微孔聚丙烯。阻擋層典型為大約0. 5-4密耳厚的，更優(yōu)選地為大約1. 5-4密耳厚。潤(rùn)濕(或芯吸(wicking))層可以由任意適合的可潤(rùn)濕隔膜材料制成。典型地，潤(rùn)濕層具有相對(duì)高的孔隙率，例如，大約50-85%的孔隙率。實(shí)例包括聚酰胺材料，例如基于尼龍的聚酰胺材料，以及可潤(rùn)濕的聚乙烯、聚丙烯和基于纖維素的材料。一種特定的材料是以聚乙烯醇浸漬和/或涂覆的纖維素。在某些實(shí)施例中，潤(rùn)濕層為大約1-10密耳厚，更優(yōu)選地為大約3-6密耳厚。可以用作潤(rùn)濕材料的隔膜材料的實(shí)例包括NKK VL100 (日本東京NKK 公司)、Freudenberg FS2213E、Scimat650/45 (英國(guó)斯溫頓市 kiMAT 有限公司)及 Vilene FV4365。本技術(shù)領(lǐng)域已知的其它隔膜材料可以被使用。如上所述，基于尼龍的材料和微孔聚烯烴(例如，聚乙烯和聚丙烯)通常是很適合的。實(shí)施例是針對(duì)選擇性密封的隔膜的。事實(shí)上，任何隔膜材料都是可行的，只要它能夠通過(guò)施加在此所描述的熱源之一來(lái)密封即可。 在某些實(shí)施例中，使用了不同熔點(diǎn)的隔膜材料，在其它的實(shí)施例中，被密封的隔膜結(jié)合那些在卷芯的一端或兩端所暴露于其中的條件下沒(méi)有被密封的隔膜來(lái)使用。在電極/隔膜的設(shè)計(jì)中的另一個(gè)考慮因素是究竟是將隔膜設(shè)置為寬度與電極和集電片近似相同的簡(jiǎn)單的薄片還是將一個(gè)或兩個(gè)電極埋入隔膜層內(nèi)。在后一種實(shí)例中，隔膜用作用于電極片之一的“袋子”，從而有效地封裝電極層。在某些實(shí)施例中，將負(fù)電極包裹于隔膜層內(nèi)將有助于防止枝晶形成。以下將在標(biāo)題為“電極和隔膜組件-卷芯”的部分更詳細(xì)地描述具體熱密封的實(shí)施例。電解質(zhì)在涉及鎳鋅電池的某些實(shí)施例中，電解質(zhì)組成限制了在鋅電極內(nèi)的枝晶形成以及其它形式的材料再分布。合適的電解質(zhì)的實(shí)例在1993年7月1日頒予M. Eisenberg的美國(guó)專利No. 5，215，836進(jìn)行了討論，并且在此全文引用該專利No. 5，215，836，以作參考。在某些情況下，電解質(zhì)包括(1)堿金屬類或堿土金屬類氫氧化物，(2)可溶解的堿金屬類或堿土金屬類氟化物，以及C3)硼酸鹽、砷酸鹽和/或磷酸鹽(例如，硼酸鉀、偏硼酸鉀、硼酸鈉、 偏硼酸鈉和/或磷酸鈉或磷酸鉀)。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，電解質(zhì)包含大約4. 5-10當(dāng)量 /升的氫氧化鉀、大約2-6當(dāng)量/升的硼酸或偏硼酸鈉以及大約0. 01-1當(dāng)量的氟化鉀。一種用于高倍率應(yīng)用的特定的優(yōu)選電解質(zhì)包括大約8. 5當(dāng)量/升的氫氧化物、大約4. 5當(dāng)量的硼酸以及大約0. 2當(dāng)量的氟化鉀。實(shí)施例并不僅限于在Eisenberg的專利中所給出的電解質(zhì)組成。一般地，任何滿足為感興趣的應(yīng)用所指定的標(biāo)準(zhǔn)的電解質(zhì)組成都將是可用的。假定需要高功率的應(yīng)用，則電解質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有很好的導(dǎo)電性。假定需要長(zhǎng)的循環(huán)壽命，則電解質(zhì)應(yīng)當(dāng)抑制枝晶形成。在本發(fā)明中，含有硼酸鹽和/或氟化物的KOH電解質(zhì)連同適當(dāng)?shù)母裟右黄鸬氖褂脮?huì)減少枝晶的形成，從而獲得更強(qiáng)健和長(zhǎng)壽的動(dòng)力電池。在一種特定的實(shí)施例中，電解質(zhì)組成包含超出量為大約3-5當(dāng)量/升氫的氧化物 (例如，K0H、Na0H和/或LiOH)。這假定了負(fù)電極為基于氧化鋅的電極。對(duì)于鋅酸鈣負(fù)電極，替換的電解質(zhì)配方可以是適合的。在一個(gè)實(shí)例中，用于鈣鋅酸鹽的適合的電解質(zhì)具有以下組成重量百分比為大約15-25%的Κ0Η、重量百分比為大約0. 5-5.0%的LiOH。根據(jù)各種實(shí)施例，電解質(zhì)可以包括液體和凝膠。凝膠電解質(zhì)可以包括增稠劑，例如可從美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭市的Noveon公司購(gòu)得的CARB0P0L 。在一種優(yōu)選的實(shí)施例中， 一小部分活性電解質(zhì)材料為凝膠形式。在一種特定的實(shí)施例中，重量百分比為大約5-25% 的電解質(zhì)被設(shè)置為凝膠，并且該凝膠成分包括重量百分比為大約1-2%的CARB0P0L 。在某些情況下，電解質(zhì)可以含有相對(duì)高濃度的磷酸鹽離子，這在2006年2月1日由 J.Phillips 和 S. Mohanta 提交的，題目為“Electrolyte Composition for Nickel Zinc Batteries (鎳鋅電池組的電解質(zhì)組成)”的美國(guó)專利7，550，230中進(jìn)行了討論，并且在此全文引用該專利7，550，230，以作參考以及其它全部用途。負(fù)電極當(dāng)應(yīng)用于鎳鋅電池時(shí)，負(fù)電極包括可任選地結(jié)合一種或多種附加材料(例如，涂有表面活性劑的粒子、防腐劑、潤(rùn)濕劑等)的鋅或鋅酸鹽離子的一個(gè)或多個(gè)電活性源，這將在下面描述。當(dāng)電極被制作時(shí)，它的特征應(yīng)當(dāng)在于某些物理、化學(xué)和形態(tài)學(xué)的特征，例如，庫(kù)倫容量、活性鋅的化學(xué)組成、孔隙率、彎曲度等。在某些實(shí)施例中，電化學(xué)活性的鋅源可以包括以下成分中的一種或多種氧化鋅、 鋅酸鈣、鋅金屬及各種鋅合金。這些材料中的任一種都可以在制作期間提供和/或在正常的電池循環(huán)期間產(chǎn)生。作為一個(gè)特定的實(shí)例，可考慮鋅酸鈣，該材料可以從含有例如氧化鈣
12和氧化鋅的漿料或漿體中生產(chǎn)出。用于可充電的鋅堿性電化學(xué)電池的負(fù)電極活性材料可以包括鋅金屬(或鋅合金) 粒子。如果使用鋅合金，則該鋅合金在某些實(shí)施例中可以包含鉍和/或銦。在某些實(shí)施例中，它可以包含高達(dá)大約百萬(wàn)分之二十的鉛。市場(chǎng)上可購(gòu)得的滿足該組成要求的鋅合金源是由加拿大Noranda公司所提供的PGlO 1。在一種實(shí)施例中，鎳鋅電池的電化學(xué)活性的鋅金屬成分含有重量百分比小于大約0.05%的鉛。錫同樣可以用于鋅負(fù)電極。在某些實(shí)施例中，鋅金屬粒子可以被涂以錫和/或鉛。鋅粒子可以通過(guò)將鉛和錫鹽添加到含有鋅粒子、增稠劑和水的混合物中來(lái)涂覆。鋅金屬能夠在存在氧化鋅以及電極的其它成分的情況下涂覆。當(dāng)鈷存在電解質(zhì)中時(shí)，包含涂有鉛或錫的鋅粒子的鋅電極一般較不易于放氣。電池的循環(huán)壽命和貯藏壽命也得到了提高，因?yàn)殇\導(dǎo)電基質(zhì)保持完整并且貯藏放電被減少。適用于本發(fā)明的負(fù)電極的示例性的活性材料組成在由 J. Phillips 等人于 2009 年 5 月 18 日提交的，題目為"Pasted Zinc Electrode for RechargeableNickel-Zinc Batteris” 的美國(guó)專利申請(qǐng) No. 12/467, 993 中進(jìn)行了進(jìn)一步的描述，并且在此全文引用該申請(qǐng)No. 12/467，993，以作參考以及其它全部用途。鋅活性材料可以粉末、顆粒組成物、纖維等形式存在。優(yōu)選地，在鋅電極漿料配方中的每種成分都具有相對(duì)小的粒子尺寸。這將降低粒子可以滲透或破壞正電極與負(fù)電極之間的隔膜的可能性。特別地考慮電化學(xué)活性的鋅成分(以及還有其它粒子狀的電極成分)，此類成分優(yōu)選具有不大于大約40或50微米的粒子尺寸。在一種實(shí)施例中，粒子尺寸小于大約40微米，即平均直徑小于大約40微米。這種尺寸范圍包括涂有鉛的鋅或氧化鋅粒子。在某些實(shí)施例中，材料的特征可以是具有不多于大約的主要尺寸(例如，直徑或主軸)大于大約 50微米的粒子。此類組成能夠通過(guò)例如篩選或處理鋅粒子以除去較大的粒子來(lái)生成。注意，在此所列舉的粒子尺寸范圍可應(yīng)用于氧化鋅和鋅合金，以及鋅金屬粉末。除了電化學(xué)活性的鋅成分之外，負(fù)電極可以包含用于促進(jìn)或影響在電極之內(nèi)的諸如以下這些過(guò)程的一種或多種附加材料離子傳輸、電子傳輸(例如，提高電導(dǎo)率)、潤(rùn)濕、 孔隙率、結(jié)構(gòu)完整性(例如，粘合)、放氣、活性材料溶解度，阻隔性質(zhì)(例如，降低鋅離開(kāi)電極的量)、腐蝕抑制等?？梢詾榱苏澈稀⑸⒉己?或作為隔膜的替代物而將各種有機(jī)材料添加于負(fù)電極。 實(shí)例包括羥乙基纖維素(HEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧甲基纖維素的游離酸形式(HCMC)、 聚四氟乙烯(PTFE)，聚磺苯乙烯(PSS)、聚乙烯醇(PVA) dopcosperse分散劑(可從日本京都的San Nopco有限公司購(gòu)得)等。在某些實(shí)施例中，聚合物材料(例如，PSS和PVA)可以按照漿料的形式(與涂層相對(duì))來(lái)混合，以便將可對(duì)隔膜構(gòu)成威脅的尖銳的或大的粒子埋入電極之內(nèi)。當(dāng)在此定義電極組成時(shí)，該組成一般應(yīng)當(dāng)理解為可應(yīng)用于在制作時(shí)所生成的組成 (例如，漿料、漿體或干燥的制作配方的組成)，以及當(dāng)電池在使用時(shí)(例如，在給便攜式工具供電時(shí))可能在形成循環(huán)期間或之后或者在一個(gè)或多個(gè)充電-放電循環(huán)期間或之后產(chǎn)生的組成。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的各種負(fù)電極組成在下列文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述PCT公開(kāi)號(hào) No.WO 02/39517(J. Phillips)、PCT
發(fā)明者B·L·邁克金尼, B·M·施羅特, J·吳, J·菲利普斯, S·薩拉蒙, T·F·塔塔爾 申請(qǐng)人:鮑爾熱尼系統(tǒng)公司