專利名稱：金屬－空氣電池的密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及金屬空氣電化學(xué)電池。
電池一般用作電能源。電池包含負(fù)極，一般稱為陽極，和正極，一般稱為陰極。陽極含有可以被氧化的活性材料；陰極含有或消耗可以被還原的活性材料。陽極活性材料能還原陰極活性材料。為了防止陽極材料與陰極材料的直接反應(yīng)，陽極和陰極通過隔板彼此電隔離。
當(dāng)電池在設(shè)備(如蜂窩電話)中用作電能源時(shí)，使陽極與陰極之間電接觸，使得電子可以流過設(shè)備，并使各自的氧化和還原反應(yīng)發(fā)生，來提供電能。與陽極和陰極接觸的電解質(zhì)含有離子，這些離子流過電極之間的隔板，以保持整個(gè)電池在放電期間的電荷平衡。
在金屬空氣電化學(xué)電池中，陰極含有可以催化氧氣的還原反應(yīng)的物質(zhì)，該氧氣作為大氣的一種成分通過容器的一個(gè)或多個(gè)入口進(jìn)入電池。氧化鋅或鋅酸鹽在陽極中形成。因此，電池內(nèi)總的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致鋅金屬被氧化成鋅離子，并且來自空氣中的氧氣被還原成氫氧根離子。在這些化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，電子從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，為設(shè)備提供能源。
金屬-空氣電池在電池容器與陰極之間需要一個(gè)空氣室。因?yàn)殛帢O不與容器內(nèi)表面直接接觸，必須以某種其它方式建立這兩個(gè)部件之間的電接觸。
此外，因?yàn)槿萜鞅仨氂锌諝膺M(jìn)口，以便使空氣流動(dòng)，所以不密封容器的側(cè)面。所以，為了防止電解質(zhì)漏出，必須密封容器的頂部和底部。密封金屬-空氣電池容器端部的許多方法包括使用多個(gè)部件，如杯(cup)、絕緣墊圈和環(huán)。
本發(fā)明的金屬-空氣電池特征是一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。電池或蓄電池容器的一端或兩端用熱熔性材料密封。使用熱熔性材料使得較迅速的、便宜的制造方法成為可能，并且可以使用各種陰極形狀。
一方面，本發(fā)明特征是一種金屬-空氣電池，包括(a)有一個(gè)正極端和一個(gè)負(fù)極端的容器；(b)一端鄰接容器正極端，一端鄰接容器負(fù)極端的陰極；(c)陽極；(d)陰極和陽極之間的隔板；和(e)在鄰接容器正極端的陰極端部與容器正極端之間的密封。這種密封包括熱熔性材料。在一些實(shí)施方案中，該密封基本由熱熔性材料組成。在其它實(shí)施方案中，熱熔性材料是導(dǎo)電的。
另一方面，本發(fā)明特征是一種金屬-空氣電池，包括(a)有一個(gè)正極端和一個(gè)負(fù)極端的容器；(b)一端鄰接容器正極端，一端鄰接容器負(fù)極端的陰極；(c)陽極；(d)在陰極和陽極之間的隔板；和(e)在鄰接容器負(fù)極端的陰極端部與容器負(fù)極端之間的密封。這種密封包含熱熔性材料。在一些實(shí)施方案中，該密封主要由熱熔性材料組成。在其它實(shí)施方案中，熱熔性材料是導(dǎo)電的。
熱熔性材料一般在室溫下是固體，在較高溫度下，例如高于約60℃、80℃或100℃時(shí)是液體。在電池容器的正極端密封中使用熱熔性材料提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它排除了用于密封許多金屬-空氣圓形電池的多個(gè)部件，如杯、密封墊圈和卷邊密封。第二，它為不規(guī)則形狀的陰極管提供緊密密封。該密封容納不規(guī)則性，例如，由于制造公差所產(chǎn)生的不規(guī)則性。該密封還容納帶有縫隙的陰極，其中在隔板與阻擋層重疊時(shí)陰極較厚。第三，如果使用導(dǎo)電熱熔性材料，該材料既形成密封，也提供在陰極集電體和電池容器之間電連接。
另一方面，本發(fā)明特征是一種制造金屬-空氣電池的方法，包括(a)把熱熔性材料放入容器正極端；(b)把陰極把在容器中，同時(shí)把容器加熱到足以使熱熔性材料流動(dòng)的溫度；和(c)把陰極壓入熱熔性材料中，在陰極的一端與容器正極端之間形成密封。該方法還包括使用熱熔性材料在容器的負(fù)極端形成密封。
仍另一個(gè)方面，本發(fā)明特征是一種制造金屬-空氣電池的方法，包括(a)把熱熔性材料放在容器的負(fù)極端；(b)把陰極放在容器中，同時(shí)把容器加熱到足以使熱熔性材料流動(dòng)的溫度；和(c)把陰極壓入熱熔性材料中，在陰極的一端與容器的負(fù)極端之間形成密封。
從本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案的描述和權(quán)利要求書中，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。


圖1-c是電池容器的透視圖。
圖2a和b是本發(fā)明的電池的截面圖。
圖3是本發(fā)明的電池的截面圖。
圖4是本發(fā)明的頂部密封的截面圖。
圖5a-e是頂部密封的截面圖。
參見圖1a，電池的容器2與一次堿性電池所用的容器類似。這種容器在一端有一個(gè)杯形突出4，稱為“尖頭(pip)”。
供選擇地，容器6在正極端可以有一個(gè)平面，如圖1b所示。平底的容器可以使制造方法更容易，例如，在焊接到容器底部時(shí)容易。這種容器還可以進(jìn)行更多空間有效的設(shè)計(jì)—以前由于尖頭浪費(fèi)的空氣空間(如圖1b的陰影區(qū)域所示)可以充滿活性材料。這些電池可以用于電池組等用途中。
在另一種實(shí)施方案中，蓄電池可以在平底容器中組裝。在組裝后，尖頭可以焊接到容器上。尖頭如圖1c的陰影區(qū)域所示。所得的蓄電池與相應(yīng)的堿性電池具有相同的總體形狀和尺寸，所以可以用在與堿性電池相同的用途中。例如，可以制造圓柱形AAAA、AAA、AA、C或D電池。
本發(fā)明的蓄電池可以組裝如下。參見圖2a，把熱熔性材料20放入容器22的正極端。例如，可以從薄板沖壓熱熔性材料的環(huán)，然后放在容器底部。供選擇地，熱熔性材料可以通過加熱加壓的噴嘴來施加。可以幾乎在把陰極壓入容器中的同時(shí)對(duì)容器加熱。熱量流過熱熔性材料，使其可以容易變形，此時(shí)陰極管被壓入其中。為了使熱熔性材料流動(dòng)，至少約120℃，至少約130℃，或者至少約140℃的溫度是足夠的。不必把熱熔性材料切割以適應(yīng)陰極管的形狀。相反，熱熔性材料將適應(yīng)把它壓入其中的任何形狀。熱熔性材料有助于在電池的正極端處在陰極和容器之間形成緊密的密封。
參見圖2b，圖2b是圖1a左下角的圓形區(qū)域的放大圖，電池的陰極24包括集電體25，如金屬絲網(wǎng)篩。活性陰極混合物26沉積在該篩網(wǎng)上。這種混合物包括粘合劑、碳顆粒和還原過氧化物的催化劑。有用的粘結(jié)劑包括由聚四氟乙烯(PTFE)顆粒形成的粘合劑。有用的催化劑包括氧化錳，如Mn2O3、Mn3O4和MnO2，例如，它們可以通過加熱硝酸錳或還原高錳酸鉀來制備。
陰極24的外側(cè)對(duì)著空氣進(jìn)口，可以用PTFE薄膜28覆蓋。該薄膜有助于在電池中保持一致的濕度水平。該薄膜還有助于防止電解質(zhì)從電池漏出和CO2漏入電池中。
在陰極集電體25與容器22之間必須進(jìn)行電連接。根據(jù)可以容許的電池阻抗水平，這種連接可以用不同的方式進(jìn)行。在要求低電池阻抗時(shí)，導(dǎo)電接頭(tab)，例如金屬箔接頭可以焊接到陰極集電體上和容器底部上。平底的容器可以用于這些電池，因?yàn)榘呀宇^連接到平表面上比連接到尖頭突出的表面更容易。此外，如果使用平底的容器，可以使用多個(gè)接頭。在使用接頭提供在陰極集電體和容器之間的電連接時(shí)，可以使用不導(dǎo)電熱熔性材料在電池的正極端形成密封。
供選擇地，陰極集電體25可以直接焊接在外殼22底部。當(dāng)陰極集電體焊接到外殼的底部時(shí)，必須先從陰極除去活性材料，以便暴露一部分集電體。帶有平表面的外殼提供更大的焊接表面區(qū)域；此外，把集電體焊接到平表面上比焊接到尖頭突出的表面上更容易。
如果可以容忍更高的電池阻抗，可以使用不同的方法建立在陰極集電體和容器之間的電接觸。可以清除陰極管的底部邊緣的活性材料26，以便暴露一部分集電體25。然后把陰極管壓入熱熔性材料中，直到暴露的集電體接觸到外殼底部。在這種情況下，熱熔性材料必須是導(dǎo)電的。
有用的導(dǎo)電熱熔性材料包括含有鍍銀玻璃珠的樹脂。這些材料可以從Chomerics，Inc.(Woburn，MA)購得，并且在美國專利No.4,011,360中描述。此外，可以使用供應(yīng)到Duracell，Inc.的Chomerics的材料。這些材料是含鍍銀顆粒的聚酰胺樹脂。例如，可以使用樣品編號(hào)4389-16-1(含有0.020英寸鍍銀銅顆粒的聚酰胺樹脂)、4389-16-2和4389-19-1(含有0.020英寸銀顆粒的聚酰胺樹脂)、4389-16-3(含有0.020英寸鍍銀玻璃珠的聚酰胺樹脂)、和4389-19-2(0.035英寸鍍銀玻璃珠)。也可以使用含有鍍銀不銹鋼顆粒、鍍銀鎳顆粒和碳顆粒的聚酰胺樹脂。
純銀顆粒產(chǎn)生最好的性能，但是太昂貴而不能使用。鍍銀銅顆粒和鍍銀不銹鋼顆粒平衡了性能與成本的關(guān)系。
也可以使用瀝青密封劑作為導(dǎo)電密封材料。通過使其含有與用于使聚酰胺樹脂導(dǎo)電所用的相同的導(dǎo)電顆粒，可以使瀝青密封劑導(dǎo)電。
導(dǎo)電熱熔性材料應(yīng)該可以使電池阻抗小于0.1歐姆，并且應(yīng)該與KOH相容。例如，使用Mil-G-833528第4.6.11段中所述的圓盤法，可以測(cè)量導(dǎo)電材料的體積電阻率，它是材料傳導(dǎo)電流優(yōu)良程度的測(cè)量。體積電阻率也可以如Chomerics EMI屏蔽工程手冊(cè)中所述進(jìn)行測(cè)量。體積電阻率為10-20歐姆20厘米的材料是優(yōu)選的。
在把陰極管插入熱熔性材料之后，冷卻外殼。然后把分隔管29插入容器中。分隔管可以是使電解質(zhì)與空氣陰極接觸的多孔電絕緣聚合物，如聚丙烯。
在把隔板材料的管插入容器中之后，可以在管的底部放入不導(dǎo)電的熱熔性材料。把熱熔性材料加熱，使該材料可以流動(dòng)并覆蓋管的底部。熱熔性材料形成不導(dǎo)電的絕緣體，防止在陽極和導(dǎo)電熱熔性材料之間的電接觸。
有用的不導(dǎo)電熱熔性材料包括從Henkel Adhesives(Elgin，IL)購得的聚酰胺。優(yōu)選的材料是從Henkel購得的MACROMELT6329。聚酰胺樹脂一般是耐KOH腐蝕的；這些樹脂一般在約130-150℃的溫度流動(dòng)。
供選擇地，可以把絕緣聚合物的圓盤30插入管的底部，如圖3表示。圓盤是用例如硬質(zhì)塑料制成的。在正極端的熱熔性材料仍然柔軟時(shí)把圓盤插入。插入力使該熱熔性材料回流，因而在圓盤和分隔管之間形成密封。如果使用這種在管端提供絕緣層的方法，優(yōu)選的是使用不導(dǎo)電的熱熔性材料，形成在電池正極端上的密封，因?yàn)橹匦铝鲃?dòng)的熱熔性材料可以產(chǎn)生短路。
然后把由隔板和絕緣體形成的內(nèi)部空腔充滿陽極凝膠32。陽極凝膠含有包含鋅和電解質(zhì)的混合物。鋅和電解質(zhì)的混合物可以包括一種凝膠劑，這種凝膠劑可以有助于防止電解質(zhì)從電池中泄漏，并且有助于鋅顆粒在陽極內(nèi)的懸浮。
鋅材料可以是與鉛、銦、鋁或鉍合金化的鋅粉。例如，鋅可以與約400-600ppm(例如500ppm)的鉛，400-600ppm(例如500ppm)的銦、約50-90ppm(例如70ppm)的鋁合金化。供選擇地，鋅可以包含鉛而沒有其它金屬添加劑。鋅材料可以是空氣吹制或旋制的鋅。合適的鋅顆粒，例如在1998年9月18日提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1日提交的U.S.S.N.08/905,254和1998年7月15日提交的U.S.S.N.09/115,867中描述，這些專利全部在本文中引作參考。鋅可以是粉末。鋅顆粒可以是球形或非球形的。例如，鋅顆粒在形狀上可以是針狀的(具有至少為2的縱橫比)。
鋅材料包括大部分尺寸為60目-325目的顆粒。例如，鋅材料可以具有下列顆粒尺寸分布60目篩上0-3重量％；100目篩上40-60重量％；200目篩上30-50重量％；325目篩上0-3重量％；和在盤上0-0.5重量％。
合適的鋅材料包括從Union Miniere(Overpelt，Belgium)、Duracell(USA)、Noranda(USA)、Grillo(Germany)、或Toho Zinc(Japan)中購得的鋅。
凝膠劑是吸收性聚丙烯酸鹽。吸附劑聚丙烯酸鹽具有每克凝膠劑小于約30克鹽的吸收性容量(absorbency envelope)，按美國專利No.4,541,871中所述的方法測(cè)量，該專利引作本文參考。按陽極混合物中鋅的干重計(jì)算，陽極凝膠包括小于1％的凝膠劑。優(yōu)選的是，凝膠劑含量約0.2-0.8重量％，更優(yōu)選的是約0.3-0.6重量％，最優(yōu)選的是約0.33重量％。吸收性聚丙烯酸鹽可以是通過懸浮聚合制備的聚丙烯酸鈉。合適的聚丙烯酸鈉具有約105-180微米的平均顆粒尺寸和約7.5的pH值。
合適的凝膠劑，例如在美國專利No.4,541,871、美國專利No.4,590,227、或美國專利No.4,507,438中所述。
在某些實(shí)施方案中，陽極凝膠可以包含非離子表面活性劑，和銦或鉛的化合物，如氫氧化銦或醋酸鉛。陽極凝膠可以包含約50-500ppm，優(yōu)選為50-200ppm的銦或鉛的化合物。表面活性劑可以是涂敷在鋅表面上的非離子磷酸酯表面活性劑，如非離子烴基磷酸酯或非離子芳基磷酸酯(例如購自Rohm&Haas的RA600或RM510)。陽極凝膠可以包含約20-100ppm的涂敷到鋅材料表面上的表面活性劑。表面活性劑可以作為抑泡劑。
電解質(zhì)可以是氫氧化鉀的水溶液。電解質(zhì)可以包括約30-40％，優(yōu)選為35-40的氫氧化鉀。電解質(zhì)還可以包含約1-2％的氧化鋅。
參見圖4，它是圖2a的左上角中的畫圈區(qū)域的放大圖，電池的頂部組件34包括負(fù)極端帽36、帶有封裝(potting)腔40的封裝密封38、和集電體42。為了制備該組件，注射成型該封裝密封。制造封裝密封的有用的材料包括尼龍6/6樹脂(以名稱Zytel 101F購自DuPont，Wilmington，DE或以商品名NYCOA 520購自Nyltech，Inc.，Manchester，NH)、和尼龍612樹脂(購自DuPont)。端帽36和集電體42焊在一起，如圖5a和5b所示。然后通過在集電體上涂敷瀝青粘合劑等材料50來組裝頂部組件，然后把集電體插入封裝密封38中，如圖5c-e所示。把熱熔性材料或?yàn)r青密封劑44施加在封裝腔中。然后把頂部組件34插入電池容器中，直到陰極24與封裝腔40配合，如圖4所示。容器的上部外周邊(即凸邊)然后彎倒在上部組件上，來密封電池頂部處的頂部組件。
導(dǎo)電的和不導(dǎo)電的熱熔性材料和密封劑均可以使用來密封電池的負(fù)極端。不導(dǎo)電材料比較便宜，所以是優(yōu)選的。熱熔性材料可以與上述的那些熱熔性材料相同。此外，可以使用瀝青密封劑，如購自BiWax Corp.，的瀝青B1128。
雖然上述討論一般涉及圓柱性電池(例如AAAA、AAA、AA、C和D電池)，但是，導(dǎo)電和不導(dǎo)電熱熔性材料也可以用來密封除了圓柱性電池以外的其它金屬-空氣電池。例如，使用本文所述的方法和材料，可以用熱熔性材料密封鈕扣電池和柱型電池。
此外，可以使用導(dǎo)電和不導(dǎo)電熱熔性材料來密封其中相對(duì)于上述電池極性反轉(zhuǎn)的電池的金屬-空氣電池。例如，上述討論一般涉及其中容器是正極、端帽是負(fù)極的電池。熱熔性材料也可以用來密封其中容器是負(fù)極、端帽是正極的電池。
在本申請(qǐng)中提到的所有出版物和專利在本文引作參考，其程度就象每篇單個(gè)出版物或?qū)＠唧w并且單獨(dú)通過參考并入本說明書一樣。
其它實(shí)施方案也在下列權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種金屬-空氣電池，包括(a)有一個(gè)正極端和一個(gè)負(fù)極端的容器；(b)其一端與容器正極端鄰接和一端與容器負(fù)極端鄰接的陰極；(c)陽極；(d)陰極與陽極之間的隔板；和(e)在鄰接容器正極端的陰極端與容器正極端之間的密封，所述密封包含熱熔性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬-空氣電池，其中，在鄰接容器正極端的陰極端與容器正極端之間的密封基本由熱熔性材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的金屬-空氣電池，其中，熱熔性材料是導(dǎo)電的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的金屬-空氣電池，其中，陰極包括集電體，其中，導(dǎo)電接頭提供陰極集電體與容器正極端之間的電接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的金屬-空氣電池，其中，所述電池是圓柱形電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的金屬-空氣電池，其中，容器的正極端基本是平坦的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的金屬-空氣電池，其中，容器的負(fù)極端用不導(dǎo)電熱熔性材料密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的金屬-空氣電池，其中，所述電池是鋅-空氣電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬-空氣電池，其中，所述電池是一種AAAA電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬-空氣電池，其中，所述電池是一種AAA電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬-空氣電池，其中，所述電池是一種AA電池。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬-空氣電池，其中，所述電池是一種C電池。
13.根據(jù)權(quán)利要求8的金屬-空氣電池，其中，所述電池是一種D電池。
14.一種金屬-空氣電池，包括(a)具有一個(gè)正極端和一個(gè)負(fù)極端的容器；(b)具有一端與容器正極端鄰接、另一端與容器負(fù)極端鄰接的陰極；(c)陽極；(d)在陰極和陽極之間的隔板；和(e)在鄰接容器負(fù)極端的陰極端與容器的負(fù)極端之間的密封，所述密封包含一種熱熔性材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的金屬-空氣電池，其中，在鄰接容器負(fù)極端的陰極端與容器負(fù)極端之間的密封基本由熱熔性材料組成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的金屬-空氣電池，其中，所述熱熔性材料是導(dǎo)電的。
17.一種制造金屬-空氣電池的方法，包括(a)把熱熔性材料放在容器的正極端；(b)把陰極放在容器內(nèi)，同時(shí)把容器加熱到足以使熱熔性材料流動(dòng)的溫度；和(c)把陰極壓入熱熔性材料中，在陰極的一端與容器的正極端之間形成一種密封。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述電池是圓柱形電池。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述熱熔性材料是導(dǎo)電的。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，步驟(a)包括從薄板上沖壓出熱熔性材料的環(huán)，然后把熱熔性材料的環(huán)放入容器的正極端。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，所述方法還包括用一種封裝密封來密封電池負(fù)極端。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，所述封裝密封具有布置在其上面的不導(dǎo)電熱熔性材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，所述封裝密封具有布置在其上面的瀝青粘合劑。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，步驟(b)包括把容器加熱到至少約120℃的溫度。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，步驟(b)包括把容器加熱到至少約140℃的溫度。
26.一種制造金屬-空氣電池的方法，包括(a)把熱熔性材料放在容器的負(fù)極端；(b)把陰極放在容器中，同時(shí)把容器加熱到足以使熱熔性材料流動(dòng)的溫度；和(c)把陰極壓入熱熔性材料中，形成在陰極的一端與容器的負(fù)極端之間的密封。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中，所述電池是圓柱形電池。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中，所述熱熔性材料是導(dǎo)電的。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種金屬－空氣電池,包括(a)有正極端和負(fù)極端的容器;(b)其一端與容器正極端鄰接、一端與容器負(fù)極端鄰接的陰極;(c)陽極;(d)在陰極與陽極之間的隔板;和(e)在鄰接容器正極端的陰極端與容器正極端之間的密封。所述密封包含一種熱熔性材料。
文檔編號(hào)H01M12/00GK1370336SQ00811686
公開日2002年9月18日 申請(qǐng)日期2000年8月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月13日
發(fā)明者M·P·胡爾, G·M·瑟勒 申請(qǐng)人:吉萊特公司