專利名稱：電池狀態(tài)檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來測定電池或主電池的狀態(tài)并有關(guān)與主電池成整體的狀態(tài)檢測器，本發(fā)明涉及檢測蓄電狀態(tài)的電化學(xué)檢測器。
包括各種裝置的能可見地顯示電池蓄電狀態(tài)的一次電池已被公開。已知的指示器裝置包括，但并不局限于，在電池內(nèi)與材料反應(yīng)的化學(xué)指示器，位于電池外部的化學(xué)指示器，埋在電極內(nèi)在放電期間成為可見的部件，和與一個并聯(lián)在電池上的電阻元件熱接觸的熱色材料。這些指示器中大部分都存在一個問題，即它們顯示的時間易對在電池內(nèi)或電池上的指示器的幾何結(jié)構(gòu)敏感，因此，由于在制造時內(nèi)在引起的固有的差異，會導(dǎo)致電池與電池間在放電期間產(chǎn)生顯示時的易變性。
市場可買到的用于測定電化學(xué)電池狀態(tài)的檢測器，通常是熱敏型薄膜。這類檢測器包含一種與一導(dǎo)電元件熱接觸的熱色材料。這類市場可買到的檢測器成片狀，其不與電池或電池標(biāo)牌合成一體，使用這種檢測器時必需把它加到被測電池的輸出端上，有關(guān)這類檢測器的例子及它們的使用，公開在美國專利4,723,656和5,188,231中。這些檢測器在它的使用壽命內(nèi)對于電池的間歇測試能很好工作。但是由于可見指示器是一種熱色材料，對于要與電池永久地固定的情況就較困難。為了防止會影響指示器正常作業(yè)的熱傳導(dǎo)，必需小心地使指示器與電池外殼絕熱。此外，導(dǎo)電元件與其串聯(lián)，在測試期間消耗電池。因此，由于缺少可活動的連接裝置，檢測器不能永久地與電池的輸出端保持電接觸，否則，電池將過早地通過檢測器放電。
另一種類型的檢測器是一種電化學(xué)檢測器，其具有它自己的電動勢(e.m.f.)，如美國專利5,250,905和美國專利5,396,177所披露的。設(shè)計指示器電池使它的開路電壓(OCV)與主電池放電時的開路電壓相同。在這種情況下，指示器電池可以直接與主電池并聯(lián)，這種檢測器有個優(yōu)點，即它可以與被測電池永久連接，不需要活動的連接裝置。這類檢測器，通過把金屬薄膜的電化學(xué)除去或消除的程度展現(xiàn)出一個不同顏色的背景，提供了有關(guān)電池放電程度的直觀的指示。
電量計裝置能夠保持對通過與它們相連接的電子部件的電荷電量的跟蹤。電量計裝置利用電化學(xué)方式來改變汞柱長度以給出所通過的電荷量的直觀指示，這類電量計裝置的例子已公開在美國專利3,045,178和3,343,083中，電量計裝置其本身并沒有它自己的電動勢，效果上是電解式元件。
參考下面的附圖將有助于對本發(fā)明的理解，其中

圖1是一電路圖，表示在指示器電池部分的電壓低于主電池電壓的情況下本發(fā)明的狀態(tài)指示器(檢測器裝置)與被測主電池的連接；圖1A是一電路圖，表示在指示器電池部分的電壓高于主電池電壓的情況下本發(fā)明的狀態(tài)指示器(檢測器裝置)與被測主電池的連接；圖2是圖1的狀態(tài)指示器裝置的剖面透視圖；圖2A顯示一節(jié)與狀態(tài)指示器裝置固定連接的電池，顯示的橫截面部分被放大。
為便于下面的討論，被測的電化學(xué)電池或電池稱作“主電池”，產(chǎn)生顯示的電化學(xué)電池將稱為“指示器電池”。
本發(fā)明的目的是提供一種狀態(tài)指示器裝置(檢測器)，該裝置與一主電池連接，并能可見地顯示出主電池的狀態(tài)。該狀態(tài)指示器包括一個指示器電池，該指示器電池是一種薄片電化學(xué)電池，其由一個陽極、一個陰極、和電解質(zhì)組成，該電解質(zhì)至少與所說的陽極和陰極兩者的一部分接觸。指示器電池的陽極和陰極具有不同的材料，并且具有一定的電動勢(e.m.f.)，通常該電動勢大于100毫伏，例如在100毫伏至1.5伏特之間。在本發(fā)明中已確定，如果使一個具有一定電動勢(e.m.f.)的輔助電池與指示器電池串聯(lián)連接，為補償在指示器電池和主電池之間的開路電壓差，可以設(shè)計指示器電池使其具有一或者高于或者低于被測主電池電壓的開路電壓。也就是說，輔助電池的陽極和陰極中的一個極與指示器電池的陽極和陰極中的一極電連接。輔助電池的余下的一個極和指示器電池的余下的一個極與主電池電極并聯(lián)連接。在主電池放電期間，反應(yīng)從指示器電池的可見的電極上開始，并延續(xù)到它的遠(yuǎn)處。在被測主電池放電期間，包含有指示器電池和輔助電池的狀態(tài)指示器的開路電壓與主電池的開路電壓相似，最好是在(加或減)300毫伏左右的主電池開路電壓之內(nèi)。
在圖1所示的電路中，狀態(tài)指示器10包括一個指示器電池20和一個輔助電池25。指示器電池20和輔助電池25是電化學(xué)電池，具有一定的它們本身固有的電動勢(e.m.f.)。在圖1所示的電路中，指示器電池20的開路電壓(OCV)低于主電池30的開路電壓，在這一情況下，輔助電池陽極77與指示器電池的陰極43電連接，輔助電池的陰極83與主電池的陰極145連接，指示器電池陽極47與主電池陽極115連接。(輔助電池25或指示器電池20的陽極的定義是被氧化而釋放電子的電極。也應(yīng)該能理解到主電池30、指示器電池20、和輔助電池25中的每一個都存在內(nèi)阻)。在圖1的電路中，指示器電池20的開路電壓被加到輔助電池25的開路電壓上，使得狀態(tài)指示器10作為一個整體的、也就是在輔助電池25的陰極83和狀態(tài)指示器電池20的陽極47之間的總的開路電壓與主電池30的開路電壓大致相同。指示器電池20的容量大大小于主電池30的容量，指示器電池20和輔助電池25的總內(nèi)阻遠(yuǎn)大于主電池30的內(nèi)阻，高電阻的狀態(tài)指示器裝置10使指示器電池20能以比主電池30低得多的速率放電。這是由于指示器電池20的容量比主電池小得多所需要的。在主電池30放電期間，通過主電池的電流iM對通過指示器電池的電流iT的比率可以是一個常數(shù)，使得輔助電池的陽極或陰極的消耗百分率將與主電池的陽極或陰極的消耗百分率大致相同，這樣，可把表示指示器電池的一個電極的消耗百分率的直觀顯示用于反映主電池30的蓄電狀況。
在圖1A所示的電路圖中，狀態(tài)指示器10包括一個指示器電池20和一個輔助電池25，在圖1A所示的電路中，指示器電池20的開路電壓(0CV)高于主電池30的開路電壓，在這種情況下，輔助電池陰極83與指示器電池陰極43電連接，輔助電池陽極77連接到主電池陰極145，指示器電池陽極47連接到主電池陽極115，這樣一種結(jié)構(gòu)中，輔助電池25的開路電壓降低了指示器電池20的開路電壓，使得狀態(tài)指示器10作為一個整體的、也就是在輔助電池25的陽極77和狀態(tài)指示器電池20的陽極47之間的開路電壓與主電池30的開路電壓大致相同。使指示器電池20的陽極47與輔助電池25的陽極77連接，指示器電池20的陰極43連接到主電池30的陰極145，以及把輔助電池25的陰極83連接到主電池30的陽極115，也可以獲得同樣的效果。
圖2所示包含一指示器電池20和輔助電池25的狀態(tài)指示器10，其與圖1電路圖的布局相一致?？梢园褷顟B(tài)指示器10持久地連接在主電池30上(圖2A)，如連在常用的堿電池上，例如將它歸并到主電池的標(biāo)牌。由于橫跨狀態(tài)指示器10的放電分布(profile)的開路電壓與主電池30的放電分布開路電壓大致相同，所以流經(jīng)主電池的電流對流經(jīng)輔助電池的電流的比率幾乎保持不變，以致與主電池的負(fù)荷無關(guān)。這樣，在主電池放電期間的任何時刻，指示器電池20或輔助電池25的一個檢驗(controlling)陽極或陰極中的一個極的消耗百分率將與主電池30的一個檢驗陽極或陰極之中的一個極的消耗百分率大致相同。(如果在主電池30或指示器電池20內(nèi)的陽極活性材料或陰極活性材料的量過多，那么在二個電池之間消耗百分率的比較應(yīng)該用含活性材料不超量的電極來進行，在這里不超量的電極稱之為檢驗電極)。
通常，可用指示器電池20的陽極47的消除(clearing)百分率來反映主電池中一個檢驗電極的消除百分率，從而能保證連續(xù)可見顯示主電池的狀態(tài)(蓄電狀況)，在主電池壽命期限內(nèi)的任何時刻，也可以直觀識別剩余在指示器電池20內(nèi)的活性材料百分率。例如，若指示器陽極47正在放電，該陽極可直觀識別，緊靠陽極的圖示比例尺顯示出剩余在主電池30內(nèi)的電荷的百分比，和/或該主電池是否需要更換。
狀態(tài)指示器10可以與被測主電池30并聯(lián)，例如，如圖1的電路圖中所示，在圖1中，示意表明主電池30有負(fù)端115和正端145，使用時，當(dāng)主電池30連接一負(fù)荷38并放電時，電流iL流經(jīng)負(fù)荷38，電流iM流經(jīng)主電池30，和電流iT流經(jīng)狀態(tài)指示器10，iL＝iM+iT。在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)中，如果主電池是一常用的AA型堿電池，在正常使用時其具有內(nèi)阻約為0.1歐姆，指示器電池20和輔助電池25的總內(nèi)阻通常至少是主電池30內(nèi)阻的104倍左右，比較典型的大約是在主電池30的內(nèi)阻的104倍至106倍之間。應(yīng)該能理解可以通過改變每個指示器電池20和輔助電池25的內(nèi)阻或用一個電阻器與這兩個電池串聯(lián)，來調(diào)節(jié)狀態(tài)指示器10的總電阻。
在一個最佳實施例中，如圖2所示的狀態(tài)指示器10(檢測器裝置)包括一個指示器電池20，其按照圖1所示的電路結(jié)構(gòu)的方式與輔助電池25串聯(lián)。狀態(tài)指示器10(檢測器)的厚度小于100密耳(2.5mm)，厚度大約在2至100密耳(0.05至2.5mm)之間為好，在2至15密耳之間(0.05至0.4mm)則更好。輔助電池25是一個微型薄電源，其至少部分地帶動指示器電池20。主電池30可以是一次性電池或充電電池，典型的是普通的堿性電池。狀態(tài)指示器10可與主電池30的標(biāo)牌構(gòu)成一體，例如，把狀態(tài)指示器裝在標(biāo)牌的內(nèi)表面。指示器電池20包含陽極47和陰極43，兩者由不同的材料制成并與一電解質(zhì)接觸。不考慮負(fù)荷38，指示器電池20和輔助電池25的放電與主電池30的放電成線性比例。例如，可以校正指示器電池20，使得在主電池30放電期間指示器電池20的檢測陽極或檢測陰極的百分放電率將與主電池30的檢測電極的百分放電率大致相同。對于主電池30在使用時以非常高或非常低的電流放電的情況下，也就是說大大地偏離了正常使用的情況下，指示器電池20的百分放電率雖不是主電池百分放電率的線性函數(shù)，將仍是主電池的百分放電率函數(shù)。
指示器電池20(圖2)是一種微型電化學(xué)電池，包含一陰極材料43和一陽極材料47，陰極材料43和陽極材料47可以位于同一平面且互相按要求分離開。陰極43和陽極47按要求由不同電化學(xué)活性材料構(gòu)成，且與電解質(zhì)接觸，以形成一個具有一定電動勢的電池。陰極43和陽極47分別是沉積在基底42和48上的薄薄的覆蓋層，要求用于陰極43和陰極基底42的材料不易與周圍大氣反應(yīng)或不易腐蝕。在圖2所示的實施例中，最好是用λ-MnO2作陰極材料43，用銀作為陽極材料，陽極基底48最好是導(dǎo)電的，最好是炭，陰極基底42也是導(dǎo)電的。(也可以用一種非導(dǎo)電材料作為陽極基底48，但最好是導(dǎo)電基底，下面將要描述。)當(dāng)陽極47被電化學(xué)從一端移到另一端除去(消除)時，用導(dǎo)電的陽極基底48可防止在基底上出現(xiàn)被電絕緣的金屬區(qū)。此外還要求陽極基底48具有一種與陽極47的顏色構(gòu)成高反差的顏色，以致能提供直觀識別陽極47的消除的顯示。圖2中表示了一種陰極43和陽極47相互關(guān)系的最佳布局以及在其下面的導(dǎo)電基底，間隔44是陰極43離開陽極47的距離，也是在其下面的導(dǎo)電基底42距48的距離，這在圖2中可很好看出。此外，在導(dǎo)電的基底42和48下面有一絕緣材料層35。
導(dǎo)電基底42(圖2)可以延伸到上面覆蓋的陰極材料的邊緣43(b)之外，形成基底的擴大部分42(a)，類似地，導(dǎo)電基底48(圖2)可以延伸到上面覆蓋的陰極材料的邊緣47(b)之外，形成基底的延伸部分48(a)。在延伸部分42(a)和48(a)的表面涂上膠粘劑，從而在導(dǎo)電基底42和48的周圍形成一膠粘的邊框55，膠粘邊框55限定了在陰極43和陽極47的上方的一窗口空間53。在窗口空間53內(nèi)加上一層電解質(zhì)45，使其覆蓋陰極43和陽極47，基底延伸部分48(a)的末端48(b)從電池20的陽極一側(cè)伸出，同樣，基底延伸部分42(a)的末端42(b)從電池20的陰極一側(cè)伸出，利用在陽極基底末端48(b)和一片薄鋁片65之間放置導(dǎo)電的膠粘劑62使薄鋁片65附在陽極基底末端48(b)上。薄鋁片65起著把電流從基底48傳送到電池負(fù)極端115的作用(圖2A)。在陰極基底末端42(b)的上表面上涂上導(dǎo)電膠粘劑61。在窗口53的上方，加上一層透明的擋片薄膜52，以使薄膜的邊緣與膠粘邊框55連接。這樣，擋片薄膜52是一片遮蓋電解質(zhì)45并使電解質(zhì)緊緊密封的保護膜。通過膠粘邊框55把擋片薄膜52固定就位。在絕緣薄膜35下面的狀態(tài)指示器的下側(cè)施加一壓合膠粘劑32，通過該壓合膠粘劑32把指示器電池20固定到主電池30的外殼上。
要求輔助電池25(圖2)是一個扁平的薄薄的強力電池，輔助電池25的厚度小于100密耳(2.5mm)，厚度在2至100密耳(0.05至2.5mm)左右之間為好，在2至15密耳之間(0.05至0.4mm)則更好。輔助電池25包含一層陽極活性材料77的涂層，一層陰極活性材料83的涂層，和位于它們之間的電解質(zhì)層73。陽極活性材料77可以被涂覆或?qū)訅旱綄?dǎo)電基底76上，陽極活性材料77與填滿了電解質(zhì)73的隔片72接觸。可以被涂覆或?qū)訅旱揭粚?dǎo)電基底81上的陰極活性材料83也與包含在隔片72內(nèi)的電解質(zhì)73接觸。通常，陽極導(dǎo)電基底78和陰極導(dǎo)電基底81可以分別是涂覆了鋁的碳或金屬薄片?？梢栽谳o助電池25的與導(dǎo)電基底81的暴露面相接觸的底側(cè)施加一層導(dǎo)電的膠粘劑92。通過輔助電池25的陽極接頭77(a)，使輔助電池25與指示器電池20電連接(圖2)，使得其與指示器電池20的陰極基底接頭42(b)上的導(dǎo)電膠粘劑層61接觸。輔助的陽極活性材料77與指示器電池20的陰極43這種電連接和圖1所示的電路圖一致。圖2A說明了與主電池30的連接，典型的主電池是一種通用的堿電池。利用導(dǎo)電膠粘劑層92(圖2)使輔助陰極83與主電池外殼連接，如圖2A所示，從而輔助陰極活性材料83通過膠粘劑層92與主電池30的正極145電連接。按壓薄金屬片接頭65使其由主電池的負(fù)極輸出端帽110持久接觸(圖2A)，以使導(dǎo)電膠粘劑層62接觸輸出端帽110。這種連接使指示器電池20的陽極47與主電池30的負(fù)極輸出端115電連接。
可以把狀態(tài)指示器10整體形成到主電池薄膜標(biāo)牌58的內(nèi)表面，如圖2A所示。標(biāo)牌58最好是一種可熱縮薄膜，如聚氯乙烯或聚丙烯。可以通過順序印刷或?qū)訅喊甘酒麟姵?0和輔助電池25的每一覆蓋層，使?fàn)顟B(tài)指示器10形成在標(biāo)牌的一側(cè)。可在標(biāo)牌的內(nèi)表面加一層耐熱壓合膠粘劑，把該與狀態(tài)指示器構(gòu)成一體的標(biāo)牌包繞裝到主電池30的外殼，然后，使標(biāo)牌的邊緣受熱足以引起收縮，以這種通用的方法，使標(biāo)牌的兩端部分別在上臺肩152和下臺肩154熱收縮。
工作時，當(dāng)主電池30放電時，指示器陽極活性材料47放電(消除)，陽極活性材料47逐漸從陽極活性層的最接近陰極層43的部位消失，也就是說從端部47(a)(圖2)消失。從而形成一種直觀識別的油量計效果。在主電池30壽命期內(nèi)的任何時刻剩余在電池20中的指示器陽極的數(shù)量很容易通過透明的電解質(zhì)45看到。這就能方便地通過窗口53觀察到剩余在指示器電池20內(nèi)的陽極47的量，從而確定主電池的放電程度?？拷甘酒麝枠O47可設(shè)置一個經(jīng)校正的刻度標(biāo)尺，以便于確定何時陽極47已被充分消耗，表明必需更換主電池30時。
下面的材料可用于構(gòu)成狀態(tài)指示器10指示器電池陽極47可以通過濺射或電子束蒸發(fā)在陽極基底48上面沉積銀涂層(厚度在500至1000埃之間)而構(gòu)成。指示器電池陽極基底48和陰極基底42可用充填了由Materials公司(CMI)購得的聚乙烯材料(3M公司的Velstat)的炭組成。陽極基底48也可由選擇用絕緣塑料薄膜涂覆以導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，絕緣塑料薄膜如Allied Signal公司生產(chǎn)的ACLAR薄膜(聚三氟氯乙烯)或ICI Americas的KALODEX(聚萘酸乙烯酯)薄膜，導(dǎo)電薄膜如氧化銦錫或?qū)щ姷奶烤繉?。另外，陽極基底48也可以由一種絕緣材料構(gòu)成。陽極基底48的厚度最好是在大約0.5至1密耳之間。
指示器電池陰極43由一種陰極混合物制成，例如含有諸如V2O5或λ-MnO2之類的陰極活性材料的混合物。可以通過混合帶有導(dǎo)電顆粒的材料，如炭精、石墨或金屬粉來制備包含有V2O5或λ-MnO2的陰極混合物。該陰極混合物可以進一步與聚偏氟乙烯和1-甲基-2-吡硌烷酮之類的粘合劑和溶劑混合，以形成一種可涂敷的涂料，然后，把這涂料涂到陰極基底42上，形成厚度為0.2-2密耳的濕薄膜，干燥后形成陰極。
可以按如下步驟來制備指示器電池的電解質(zhì)45(圖2)首先，把銀三氟甲磺?；啺?AgTFSI)、鋰三氟甲磺?；啺?LiTFSI)溶解在3-甲基四氫噻吩砜溶液中，形成一種由這種混合液組成的電解液，然后用聚(偏氟乙烯)使這溶液凝膠化。可用八份重量的電解液與三份重量的聚偏氟乙烯混合來制備電解質(zhì)45。在140℃左右的溫度下擠壓該混合物到所要求的厚度，最好在大約1和4密耳(0.025mm和0.10mm)之間，并把該混合物加到指示器電池的陽極47和陰極43上面。
可根據(jù)壓合膠劑的寬度范圍選擇指示器膠粘劑層邊框55(圖2)，符合要求的膠粘劑是一種通用的丁基橡膠為基底的，如以聚異丁烯/異戊二烯共聚物膠粘劑例如EXXON公司的Butyl065橡膠膠粘劑。膠粘劑邊框55的厚度最好在大約1至2.5密耳(0.25mm至0.0625mm)之間。指示器的透明擋片52最好由厚度約在0.6至1密耳(0.015至0.025mm)之間的ACLAR(聚三氟氯乙烯)薄膜(Allied Signal公司)，或Kalodex薄膜(聚萘酸乙烯酯)制造。導(dǎo)電膠粘劑層62可以是一種充填了碳的導(dǎo)電膠粘劑，如可以買到的Adhesives Research公司生產(chǎn)的牌號為ARCLAD的導(dǎo)電膠粘劑。膠粘劑涂層62的厚度可以在0.5密耳(0.012mm)左右。薄膜襯片65最好是厚度約為0.25至0.5密耳(0.006至0.012mm)之間的鋁膜。
用于輔助電池25的材料取決于指示器電池的開路電壓，選擇輔助電池25的材料使橫跨整個狀態(tài)指示器裝置10的總的開路電壓與正放電的主電池的開路電壓大致相同。輔助電池25中可使用含水電解液或有機電解質(zhì)，如果用含水電解液，一種代表性的輔助電池陰極導(dǎo)電基底81是由充填了碳的聚(乙酸乙烯酯)/聚(氯乙烯)聚合物薄膜(Rexham Graphics導(dǎo)電塑料薄膜2664-01)構(gòu)成。如上面描述，導(dǎo)電層81疊在鋁膜層82上面，導(dǎo)電聚合物薄膜的厚度最好是1密耳(0.025mm)左右，鋁膜的厚度在0.25和0.5密耳(0.006和0.012mm)之間。輔助電池陰極83最好是由一種包含了X％的電解二氧化錳(EMD)、(90-X)％的石墨、和10％的聚氯乙烯粘合劑的印刷鍍層組成。陰極活性層83的制備是把三份重量的EMD和石墨的混合物溶在七份重量的含水0.75％Carbopol 940(B.F.Goodrirch公司)交聯(lián)丙烯酸共聚物中，用KOH調(diào)節(jié)該混合物的PH值為10，然后加入足夠數(shù)量的HALOFLEX 320(ICIAmericas-U.S.Resins Division)PVC膠乳，膠乳的數(shù)量占最后干燥后的陰極材料的重量的10％。然后把該混合物涂覆在充填了炭的聚合物層81上形成一濕薄膜(厚度為0.2至0.5密耳)，然后用空氣干燥，形成干燥的陰極活性層83。
輔助電池隔片72可以是厚度約為1密耳(0.025mm)的硝化纖維素或賽珞粉多孔膜片，包含由按重量計約為24-32％的ZnCl溶液構(gòu)成的電解液73約2-8微升，通過添加ZnO調(diào)節(jié)PH值為4。在陽極77和陰極83的外沿之間設(shè)有一密封層85，用以將輔助電池整體固定并防止污染物進入電池。密封層85可以適當(dāng)?shù)赜删鄞姿嵋蚁?聚氯乙烯可熱封薄膜構(gòu)成。另外，其可以由丁基橡膠壓合粘接劑例如由Exxon 60生產(chǎn)的Butyl 065橡膠。密封層85厚度適宜在約1到2密耳(0.025mm-0.05mm)之間。
輔助電池陽極材料77覆蓋在基底76上，基底76由充填了碳的聚(乙酸乙烯酯)/聚(氯乙烯)聚合物的薄膜(Rexham Graphics導(dǎo)電塑料薄膜2664-01)構(gòu)成?；?6疊加在位于基底76的在陽極材料77對面的表面上的鋁膜層(沒有顯示)上面，導(dǎo)電聚合物薄膜的厚度最好是1密耳(0.025mm)左右，鋁膜的厚度在0.25和0.5密耳(0.006和0.012mm)之間。輔助電池的陽極層77可以是一種由90％的陽極粉(例如鋅粉或其它金屬粉，取決于所需的電壓)和10％丁苯共聚物(SBR)粘合劑組成的涂層。陽極層77的制備是首先把6.5份重量的鋅粉(顆粒大小為5至7微米)散布在3.5份重量的含水1.25％Carbopol 940交聯(lián)丙烯酸共聚物的凝膠中(用KOH調(diào)節(jié)該混合物的PH值為12)。然后加入足夠數(shù)量的丁苯橡膠膠乳(Rohm和Haas公司的ROVENE 5550 SBR膠乳)，所加的丁苯橡膠膠乳的數(shù)量要使在最后干燥后的薄膜中按重量計每九份鋅對一份丁苯橡膠膠乳。然后把該混合物涂覆在充填了碳的聚合物層76上形成一濕薄膜(厚度為0.5至1.5密耳)，隨后用空氣干燥。
從各種導(dǎo)電的膠粘劑中選擇輔助電池接觸膠粘層61和92。合適的膠粘劑層61和92可以是一種充填了導(dǎo)電炭的轉(zhuǎn)移膠粘劑的，如AdhesiveResearch公司的ARCLAD膠粘劑。把這種膠粘劑涂覆在鋁薄膜層82上，厚度大約為0.5密耳(0.012mm)，形成膠粘層92?？砂淹瑯优浞降哪z粘劑涂覆到指示器陰極基底端部42(b)上，厚度約為0.5密耳(0.012mm)，形成膠粘層61。
可從多種壓合膠粘劑中選擇指示器襯片膠粘劑32。符合要求的膠粘劑32由丁基橡膠壓合膠粘劑構(gòu)成，如Exxon公司的Butyl 065橡膠。
下面是加工附圖2所描述的檢測器的例子。
實例一最佳實施例(圖2)所描述的類型的狀態(tài)指示器裝置10的制造，以及用于顯示普通的通過各種負(fù)荷放電的Zn/MnO2(1.5伏)AA堿電池的蓄電狀況。
圖2所描述的指示器電池20按下述的部分制備通過濺射沉積600埃的銀在充填的導(dǎo)電炭基底48(充填了碳的3M公司的聚乙烯Velstat)上，由此制備指示器電池陽極47。該陽極的面積是0.86英寸(2.2cm)×0.2英寸(0.51cm)左右。指示器電池的陰極43的形成如下首先制備一種按重量為70∶30的V2O5和石墨混合的陰極混合物。然后，把3克V2O5和石墨的混合物與0.45克的聚偏氟乙烯(PVDF)和4.5克的1-甲基-2-吡硌烷酮混合，以形成一種涂料，然后，把這涂料涂到基底42(充填了碳的聚乙烯Velstat)上，并在空氣中在150℃下干燥一小時，形成厚度為1密耳的陰極涂層。陰極的面積在0.2英寸(0.51mm)×0.2英寸(0.51mm)左右。在內(nèi)部空間為長0.7英寸×寬0.30英寸左右、2.5密耳(0.06mm)厚的丁基橡膠壓合膠粘劑窗口內(nèi)，陰極距陽極的間隔間隙大約為0.05英寸(0.13mm)。陽極和陰極與長約為0.61英寸×寬約為0.2英寸、厚度為2密耳的透明電解質(zhì)45接觸，電解質(zhì)45由溶解在溶劑中的0.5M LiTFSI(鋰三氟甲磺?；啺?和0.003MAgTFSI(銀三氟甲磺酰基酰亞胺)構(gòu)成，并按前面最佳實施例描述的方法制備。用1英寸長×0.60英寸寬左右的、1密耳厚的KOLODEX聚(萘酸乙烯酯)透明隔片薄膜52來密封指示器。制成的指示器的厚度大約在6和7密耳(0.15和0.18mm)之間。
用下面的部分制備圖2所描述的輔助電池25在一導(dǎo)電基底81上面涂覆含有電解質(zhì)氧化錳(EMD)的二氧化錳層，由此制備成輔助電池陰極83，導(dǎo)電基底81如上面所描述由充填了碳的塑料的Rexham graphics2664-01號導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。鍍敷氧化錳涂層，形成0.5密耳厚的濕薄膜，該濕薄膜干燥后的成分是68％的EMD和17％的石墨。
如前面所描述，通過在充填了碳的塑料的Rexham graphics 2664-01號導(dǎo)電基底上涂上一層鋅涂層來制備輔助電池陽極77。干的鋅陽極的厚度大約是1密耳，面積約0.070平方英寸(0.45cm2)，產(chǎn)生的容量超過陰極容量的幾倍。用含有約6×10-6立升PH值為4(28％ZnCl2)的電解質(zhì)的1密耳厚的賽璐玢薄片制備隔片72。用于密封輔助電池的密封層85是2密耳厚的丁基橡膠壓合膠粘劑(Exxon公司的Butyl橡膠065膠粘劑)，最后制成的輔助電池約8密耳厚，在1kHz下測量具有大約2K歐姆的交流電阻。
指示器電池和輔助電池互相串聯(lián)，構(gòu)成如圖2所示的狀態(tài)指示器裝置10。在這個實施例中，完成后的狀態(tài)指示器10的厚度大約在6至8密耳(0.15和0.2mm)之間。如圖1和2A所示，狀態(tài)指示器10利用前面所描述的0.5密耳厚的ARCLAD導(dǎo)電膠粘層(61和92)并聯(lián)到新的Zn/MnO2(1.5伏)AA堿電池的輸出端。指示器電池20具有一正電動勢(e.m.f.)，跨過整個狀態(tài)指示器裝置10的開路電壓大約與正放電的主電池的開路電壓相同。
AA電池或者連續(xù)、或者間斷地通過1歐姆、或4歐姆、或36歐姆、或75歐姆的負(fù)荷電阻放電，從1.5伏降到0.8伏，經(jīng)過指示器電池20的電流大約是(0.2-2)×10-6安倍。在所有的情況下，指示器陽極的消除，用類似于標(biāo)尺的形式直觀地顯示出下面黑色導(dǎo)電陽極基底伴隨著從最靠近陰極的一端47(a)開始消除并向著陰極的另一端進行。消除的數(shù)量與AA電池的放電程度成比例關(guān)系。從而，該測試器用作主電池實際蓄電狀況的指示器。
在這個實施例中所描述的具體的狀態(tài)指示器裝置適合用于與測試普通的Zn/MnO2堿電池的狀態(tài)，這種堿電池通?？梢杂?和1000歐姆左右的負(fù)荷電阻。然而，本發(fā)明并不只限于用于堿電池，而是可以用來有效地測試任何干電池的狀態(tài)。
實例二用與實施例一所描述的同樣的方法制備指示器電池20，只是在這里V2O5陰極混合物用不同的含有l(wèi)ambda MnO2的陰極混合物替代。首先把3克LiMnO4和石墨的混合物(按重量70∶30)、0.45克的聚偏氟乙烯(PVDF)和4.5克的n-甲基吡咯烷酮(NMP)混合，由此制備一種陰極涂料。把這陰極涂料涂到基底42(Velstat材料)上，并在空氣中在150℃下干燥一小時。把在基底上的干涂料浸在0.03M的H2SO4中30分鐘，使包含在干涂料內(nèi)的LiMnO4轉(zhuǎn)換成λ-MnO2，酸浸后，該陰極經(jīng)漂洗并在空氣中干燥一小時。按與實施例一相同的方法組合指示器電池20，只是用上面所述的陰極。這個實施例的指示器電池20具有0.5伏左右的開路電壓。
以與實施例一相同的方法制備輔助電池，除了采用Pb陽極外。Pb陽極可以用與制備Zn陽極同樣的方法制備，除了用Pb粉代替Zn。所用的電解質(zhì)是28％的PH為4用PbCl2浸透的ZnCl2，如此制備的輔助電池具有1.05伏左右的開路電壓(OCV)。
指示器電池和輔助電池如實施例一一樣互相串聯(lián)，構(gòu)成與新的Zn/MnO2(1.5伏)AA堿電池連接的狀態(tài)指示器裝置10。橫跨狀態(tài)指示器裝置10的開路電壓與AA電池的開路電壓大致相同。在AA電池放電期間，狀態(tài)指示器的作用與實施例一的作用相似。在所有的情況下，指示器陽極消除，用類似于標(biāo)尺的形式直觀地顯示出下面黑色導(dǎo)電陽極基底伴隨著從最靠近陰極的一端47(a)開始消除并向著陰極的另一端進行。消除的數(shù)量與AA電池的放電程度成比例關(guān)系。從而，該裝置10用作主電池實際蓄電狀況的指示器。
雖然本發(fā)明對具體的實施例和具體的結(jié)構(gòu)材料進行了描述，顯然，仍存在其它的不脫離本發(fā)明概念的實施例和材料，因此，本發(fā)明并不只限于這里所描述的具體實施例，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求和它的等同物所限定。
權(quán)利要求
1.電池和用于測定所說的電池的蓄電狀態(tài)的電池狀態(tài)指示器的組合，其中，所說的電池包括一個外殼、一個正極輸出端和一個負(fù)極輸出端，所說的狀態(tài)指示器裝置與附在所說的電池上的標(biāo)牌構(gòu)成一體，其中，所說的指示器裝置包括一個由一個陽極、一個陰極和一電解質(zhì)組成的指示器電池，所說的電解質(zhì)與所說的指示器電池的陽極和陰極兩者的至少一部分電接觸；其中所說的指示器電池其本身具有一個電動勢(e.m.f.)，并且在指示器電池的所說的陽極和陰極中一個極的至少一部分使可見的；其中所說的狀態(tài)指示器裝置進一步包括一個輔助電池，輔助電池是一種產(chǎn)生電化學(xué)能的電池，由一個陽極、一個陰極、和與所說的輔助電池的陽極和陰極的至少一部分接觸的電解質(zhì)組成；其中輔助電池的陽極和陰極中的一個極與指示器電池的陽極和陰極中的一個極電連接；其中輔助電池的余下的另一個極和指示器電池的余下的另一個極與電池輸出端并聯(lián)；其中在所說的電池放電期間，反應(yīng)從所說的指示器電池的所說的可見電極開始，并持續(xù)到它的遠(yuǎn)端。
2.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中狀態(tài)指示器裝置的電池厚度在大約為2和100密耳(0.05和2.5mm)之間。
3.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中指示器電池的陽極和陰極由不同的電化學(xué)活性材料組成。
4.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中指示器電池的陽極和陰極橫向分離開，使得指示器電池的陽極中沒有一部分會重疊在電解質(zhì)電池的陰極的任何一部分上面。
5.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中所說的指示器電池的陽極由銀組成。
6.按照權(quán)利要求5所說的組合，其中所說的指示器電池的陰極由V2O5組成。
7.按照權(quán)利要求5所說的組合，其中所說的指示器電池的陰極由λ-MnO2組成。
8.按照權(quán)利要求5所說的組合，其中所說的指示器電池的電解質(zhì)包括鋰三氟甲磺?；啺泛豌y三氟甲磺酰基酰亞胺。
9.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中輔助電池的陽極由鋅組成，輔助電池的陰極由二氧化錳組成。
10.按照權(quán)利要求1所說的組合，其中輔助電池的陽極由鉛組成，輔助電池的陰極由二氧化錳組成。
全文摘要
公開了一種用于檢測主電池(例如一電池)的狀態(tài)的狀態(tài)指示器裝置(檢測器),該狀態(tài)指示器裝置可以包括一個電化學(xué)的指示器電池,該指示器電池串聯(lián)一個輔助電池,指示器電池和輔助電池各有一個陽極、一個陰極和它自己的電動勢(e.m.f),該狀態(tài)指示器裝置可以永久地并聯(lián)到被測主電池的輸出端,狀態(tài)指示器裝置足夠薄以使它可以與主電池的標(biāo)牌構(gòu)成一體,當(dāng)主電池放電時,指示器電池的陽極的消耗與主電池的一個陽極的放電成比例,以提供主電池蓄電狀態(tài)的連續(xù)可見的顯示。
文檔編號H01M2/10GK1199467SQ96197482
公開日1998年11月18日 申請日期1996年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月8日
發(fā)明者林麗芬 申請人:杜拉塞爾公司