專利名稱：扁型電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及如鈕扣型或硬幣型電池之類的扁型電池，尤其涉及一種鋅-空氣體系的扁型堿性電池的殼體。
大量電學裝置中廣泛采用屬于各種電池體系、具有不同形狀和尺寸的電池，人們通常要求電池具有更小的尺寸，更輕的重量或更長的工作壽命和更高的容量。
由于電池尺寸受到國際標準的限制，故提高其容量的一種有效方式就是增大其內(nèi)部容量，減少無用空間，增加正極和負極所需的有用材料。另一方面，電池必須具備高可靠性，例如在電子手表、鐘或半導體存儲器所應用的溫度極高或極低的惡劣環(huán)境中具有耐用性和防泄漏性。
本發(fā)明提供一種具有改進的殼體和高容量的扁型電池。
首先參照圖6、圖7和圖8說明鋅-空氣堿性鈕扣型電池的結構，它表示一種用于助聽器的堿性鈕扣電池。該電池包括一個杯形負極殼體31，其中有一個負極34，主要由與汞混合的鋅粉組成。負極殼體31由鍍鎳鋼片制成的杯形正極殼體33所包圍，兩者之間設置L形剖面的聚酰胺樹脂墊圈32用以絕緣。正極殼體33的開口邊緣向內(nèi)彎曲將墊圈32壓向負極殼體31，形成密封的外殼。通常，負極殼體31由包覆或鍍覆的片材構成，以不銹鋼片31c作為芯體，包括與電池內(nèi)部之負極接觸的銅層31e，以及作為負極終端的鎳層31d。正極殼體33的平底部具有一至三個氣孔35，由其內(nèi)部的擴散紙(diffu-sion paper)36覆蓋。擴散紙36呈多孔狀，它使作為正極活性材料的氧從大氣通過疏水性的薄膜38均勻擴散到正極37。疊加在擴散紙36上的是疏水性薄膜38、正極37以及隔板39，它們每一個都呈圓盤形，具有與正極殼體33內(nèi)部相同的直徑。通常稱為空氣電極的正極37是將氧化錳和活性碳組成的催化劑與導電的乙炔黑混合，外加聚四氟乙烯(PTFE)分散體，將混合物施加在金屬篩網(wǎng)上并加以干燥而制成。隔板39包括微孔聚丙烯(PP)薄膜和電解液吸收層。
當電池密封時，將疊合的疏水性薄膜38、正極37和隔板39的邊緣壓入正極殼體33的內(nèi)底部與墊圈32的底部之間，以防止泄漏。這種結構具有盡可能大的負極殼體31，適合于高容量。然而，其防泄漏性并不令人滿意，因為，為了有效防泄漏，采用較強的密封壓力將下邊緣31a較尖銳的負極殼體31的側壁壓向墊圈32的上表面時，通常會割壞它而使電絕緣損壞。順便說說，鋅-空氣電池的氣孔35用一種氣密密封帶封閉，以防止電池因空氣中水分的侵入或干燥而劣化。例如，R44型(直徑11.6mm，總高度5.4mm)鋅-空氣堿性鈕扣電池，其容量為同樣尺寸的汞電池的2.1倍，但由于其防泄漏性能和可儲存能力較差，故不總是很可靠。為了改善防泄漏性，在負極殼體31與墊圈32之間增加了一個由聚乙烯磺化物(polyethylenesulfonide)或丁基橡膠制成的密封層30，如圖7所示，但未能獲得很大成效。
參見圖8，進一步改進型的鋅-空氣堿性鈕扣電池包括負極殼體41、墊圈42、正極殼體43、負極44、氣孔45、擴散紙46、正極47、疏水性薄膜48以及隔板49，這些材料與前面參照圖6和圖7所描述的電池各部分相同。圖8所示電池與圖6所示的不同之處在于負極殼體41，其側壁折起來形成圓形的邊緣41a。采用這樣一種負極殼體41，墊圈42就不會在來自上側的很大壓力下被割壞。然而，采用兩層側壁的負極殼體41使得殼體的內(nèi)徑更小，其內(nèi)部容積和電的容量也更小。為了克服這些缺陷并獲得較高的容量，曾有過嘗試使負極殼體41、墊圈42和正極殼體43的厚度做得更薄。然而，制作更薄部件和獲得有效密封強度的難度使這一嘗試帶有局限性，容量的減少未能完全得到彌補。
至于剖面為L型的墊圈，它包含在電池組件內(nèi)，包圍負極殼體的側壁，兩者之間還有一密封層。絕大多數(shù)的扁型電池，尤其是包含堿性電解液的扁型電池，都采用由聚酰胺樹脂制成的墊圈，它易于通過吸濕而改變而形狀和尺寸。因此，通常情況下，組裝形成一體的負極殼體和聚酰胺樹脂墊圈都在使用前才烘干并快速用于裝配。如果不是這樣，墊圈將因吸濕而變形，由此將在墊圈的上表面與負極殼體側壁的底端之間形成間隙。如果電池用在此種狀態(tài)下的負極殼體密封，則負極殼體與墊圈之間隙中的空氣將被排出，使正極和負極的密封部件被電解液污染，從而破壞了電池的防泄漏性。
本發(fā)明的目的在于提供一種扁型電池，它具有內(nèi)部容積較大的負極殼體，并具有高度防泄漏性、高可靠性和高容量。
根據(jù)本發(fā)明的扁型電池，它包括杯形負極殼體和正極殼體，兩殼體之間具有絕緣墊圈，通過將正極開口處的邊緣向內(nèi)彎曲進行加壓和密封形成一個外殼；包括在殼體中并由隔板隔開的正極和負極；以及電解液。其中，負極殼體的開口邊緣向外折疊形成U形剖面，其筒形部分鼓起，具有比折疊的邊緣部分更大的內(nèi)徑，以獲得有效的防泄漏性和改進的容量。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的鋅-空氣堿性扁型電池的半剖面圖。
圖2(A)和2(B)分別表示根據(jù)本發(fā)明的一例和另一例扁型電池的負極殼體與墊圈的部分剖示圖。
圖3表示圖2(B)所示扁型電池在墊圈內(nèi)壁上所形成的一個圓形凸起的放大剖面圖。
圖4是本發(fā)明鈕扣型電池在最后沖壓成型之前其負極殼體的剖面圖。
圖5是表示在最后沖壓階段，一個沖壓機頭部與其中負極殼體的部分剖示圖。
圖6是根據(jù)傳統(tǒng)技術的一個鋅-空氣堿性鈕扣電池的半剖面圖。
圖7是圖6中所示S部分的放大的剖示圖。
圖8是根據(jù)傳統(tǒng)技術的另一例鋅-空氣堿性鈕扣電池的半剖面圖。
實施例1參見圖1和圖2(A)，負極殼體1由不銹鋼以及內(nèi)側銅層和外側鎳層這三層組成的包覆或鍍覆的板構成，其側壁邊緣向外折疊形成與傳統(tǒng)電池相應部分類似的U形狀，但側壁本身成型為使其主要部分向外鼓出。該結構為本發(fā)明的重要之處。理想情況下，該鼓出的側壁部分的外徑與折疊邊緣的外徑相同。這樣就形成了殼體1的最大內(nèi)徑B和最大容量。折疊邊緣的末端部分1a成型為平面。包含在負極殼體1內(nèi)的是負極4，它包括由與汞混合的鋅粉、諸如羧甲基纖維素一類的電解液保持材料以及吸收進其內(nèi)的堿性電解液組成的混合物，其中，電解液主要由氫氧化鉀組成。汞從與汞混合的鋅粉擴散到負極1內(nèi)的銅層形成一個汞合層，產(chǎn)生同與汞混合的鋅粉相同的電位，并不形成局部電池。因此，抑制了鋅即負極活性材料的侵蝕，并防止了自放電和氫的產(chǎn)生以及電解液的泄漏。在底部具有氣孔5的鍍鎳鋼板的正極殼體3內(nèi)，依次設置了擴散紙6、疏水性薄膜8、正極7和隔板9，其中，薄膜8、電極7和隔板9具有與殼體3圓筒部內(nèi)徑相同的直徑。負極殼體1壁部的外側由諸如吹制地瀝青的密封層覆蓋。它固定于剖面為L形的墊圈內(nèi)、進行干燥并置于殼體3內(nèi)，然后將正極殼體3的邊緣向內(nèi)彎曲壓迫其與殼體1之間的墊圈2、隔板9、正極7和疏水性薄膜8，并將電池密封完成電池制作。
以下將描述通過沖壓制作負極殼體1的方法。參見圖4，它表示在最后沖壓步驟完成之前殼體的截面，其中殼體1的開口邊緣向外折疊形成U形截面，其末端邊緣1a具有較窄的水平面，它與傳統(tǒng)自動機床制作的部件相同。
參見圖5，將圖4所示的殼體1置于一個由外模11和內(nèi)模13組成的模具中，內(nèi)模13包括上半模13a和下半模13b，其間設置彈性圓柱體12和螺簧14。彈性圓柱體由一種受壓后能良好還原的材料諸如尿烷橡膠制成。當內(nèi)模13從上側壓下時，圓柱體12向外變形將殼體1的圓筒部分推向外模11的內(nèi)側壁。如果解除從上側加在內(nèi)模13上的壓力，螺簧14將上半模13a推回原處，彈性圓柱體12直徑減小，這樣就可以取出內(nèi)模13以及殼體1。
已經(jīng)制作了三種類型的R44規(guī)格的鋅-空氣堿性鈕扣電池，并通過加速方法對它們的放電容量和泄漏進行了試驗；這三種類型是根據(jù)圖1所示本發(fā)明的電池A，根據(jù)圖6所示早期傳統(tǒng)技術的電池B以及圖8所示對傳統(tǒng)技術稍作改進的電池C。其結果示于表1。
表1
表1中，放電容量是通過用620歐姆恒定電阻負載，在20℃溫度下使電池連續(xù)放電降到0.9V電壓時，對10個樣品取平均值而得到的。至于泄漏試驗，準備每種20個樣品，將它們正極殼體底部上的氣孔用密封帶封閉，在45℃溫度和90％相對濕度的氣氛下保存四個星期，并檢驗它們所產(chǎn)生的泄漏。
由表1可見，本發(fā)明的電池A采用反折形成U形截面，具有優(yōu)良的防泄漏性，但仍能將容量保持在與傳統(tǒng)技術相同的水平。
實施例2
參見圖2(B)，本發(fā)明另一個實施例的墊圈2具有剖面為三角形的環(huán)形凸起2b，以充填負極殼體1圓柱形部分之外表面彎曲部分與其向外折疊邊緣之未端邊緣1a之間形成的小空間。采用此種結構，可以進一步避免例如用密封膠(未圖示)固定在殼體1外側的聚酰胺樹脂墊圈2因吸濕而變形，使殼體1上移導致在殼體1的底緣至墊圈底部表面之間產(chǎn)生空隙等原因而引起的泄漏。作為比較，相對圖2(A)所示墊圈內(nèi)側無凸起的普通型電池，準備了五種實驗電池，其墊圈之環(huán)形凸起2b下側與內(nèi)壁所形成的角度θ如圖3所示，分別為3°、15°、45°、75°和90°，它們用兩者之間的密封膠層與負極殼體固定。將上述五種類型的電池每種取一百個樣品首先進行干燥，然后在常溫下保存16個小時，在保存16個小時前后測得負極頂面(即末端表面)與墊圈底面之間的距離。如果該距離相對開始時無變化，該樣品被判斷為優(yōu)良。結果示于表2。
表2
進一步，采用上述墊圈樣品組裝R44規(guī)格的電池，在攝氏60度和90％相對濕度的條件下對其氣孔用密封帶封閉的每種20個樣品進行加速泄漏試驗。其失效電池數(shù)示于表3。
表3
順便說明，在上述條件下保存250個小時相當于正常溫度和濕度下保存一年。
從表2和表3中可見，凸起角度θ在15°與90°之間可確保良好的防泄漏性。
剖面為三角形的凸起不一定整個一圈連續(xù)設置，環(huán)形設置非連續(xù)的凸起同樣具有相同效果。
此外，除了通過簡易機械力用其中的密封膠組裝負極殼體與墊圈的上述方法以外，在密封膠附著后進行注射塑模也不失為一種較佳的方法。
實施例3通常，通過沖壓由外側鎳層和內(nèi)側銅層包覆或鍍覆的三層不銹鋼板制成電池的負極殼體。在沖壓過程中，金屬粉末或潤滑油會粘附在形成的負極殼體上，需用溶劑或洗滌劑清洗電極殼體。在根據(jù)上述實施例制作負極殼體時，圓柱體的主要部分向外鼓起，具有比折疊邊緣部分更大的直徑，有時候其內(nèi)側面被擦傷或開裂以至露出了不銹鋼芯子，芯子不是汞合的，就與負極的與汞混合的鋅粉構成一個局部電池(local cell)，溶解了活性材料鋅，產(chǎn)生了氫氣，不僅自行放電，而且導致內(nèi)壓增高，電解液經(jīng)氣孔泄漏。
為了克服這種缺陷，曾嘗試在清洗之后用錫鍍覆負極殼體的內(nèi)側。無電鍍錫工藝較容易，其中將錫鍍覆在內(nèi)側銅層上而不是鍍覆在外側鎳層上。典型的鍍錫溶液為含有2wt％二氯化錫、5wt％酒石酸和5wt％硫脲的水溶液。通過在攝氏30度至40度的鍍覆溶液中旋轉一個內(nèi)裝負極殼體的藍筐完成鍍覆。至于鍍覆的厚度，一般為0.01至0.5μm，較佳的為0.01至0.3μm已足夠。這樣，通過在擦傷或開裂的內(nèi)側上鍍錫，負極殼體可以由錫層包覆。
按規(guī)格R44制作其負極殼體內(nèi)側鍍錫的鋅-空氣堿性鈕扣電池和不鍍錫的電池，并分別標為D和E，用密封帶封住在攝氏60度保存20天后，測量每種5個電池的放電容量，測量是用620歐姆恒定電阻負載連續(xù)放電直至電壓降至0.9V。其結果示于表4。
表4<
>再者，將D類和E類每種80個電池在攝氏60度和90％相對濕度的氣氛下保存20天，其氣孔用密封帶封閉，檢驗它們的泄漏情況。有泄漏的電池數(shù)示于表5。
表5<
從表4和表5可見，負極殼體內(nèi)側鍍錫的D類電池其自身放電受到抑制，容量損失減低，防泄漏得到改善。
上述說明盡管是針對鋅-空氣電池的，但在采用鋅負極活性材料的其它扁型堿性電池中顯然可期望得到同樣的效果。
盡管上述說明是針對鋅-空氣堿性鈕扣電池的，但本發(fā)明并不局限于鋅-空氣電池。本發(fā)明涉及以鈕扣或硬幣型為典型的任何扁型電池的外殼，它不僅適用于其它類型的堿性電池，而且適用于各種鋰電池。此外，電池的形狀并不局限于圓盤形，而且可以是其他形狀；例如橢圓形或帶圓角的矩形。
權利要求
1.一種扁型電池，包括共同構成一個外殼的杯形負極殼體和杯形正極殼體，兩殼體之間具有絕緣墊圈，通過向內(nèi)彎曲所述正極殼體的開口邊緣并加以壓制而實現(xiàn)密封，分別設置在所述正極殼體和負極殼體內(nèi)的正極和負極，它們由隔板隔開并在兩者之間保持電解液，其特征在于，所述負極殼體的開口邊緣向外折疊形成U形剖面，其圓柱形部分向外鼓起使它的內(nèi)徑大于折疊部分的內(nèi)徑。
2.如權利要求1所述的扁型電池，其特征在于，所述墊圈的內(nèi)側上具有凸起，它伸入到由負極殼體的折疊開口邊緣之端部與圓柱形部分之外表面形成的空間內(nèi)。
3.如權利要求1所述的扁型電池，其特征在于，具有折疊邊緣和鼓起圓柱體的杯形負極殼體通過注射模塑配置墊圈。
4.如權利要求2所述的扁型電池，其特征在于，所述凸起具有三角形剖面，凸起底側與三角形底邊之間的角度為15度至90度。
5.如權利要求1至4任一所述的扁型電池，其特征在于，至少在墊圈與負極殼體之間以及在墊圈與正極殼體之間形成一個密封膠層。
6.一種扁型電池，包括共同構成一個外殼的杯形負極殼體和杯形正極殼體，兩殼體之間具有絕緣墊圈，通過向內(nèi)彎曲所述正極殼體的開口邊緣并加以壓制而實現(xiàn)密封；設置在所述負極殼體內(nèi)的負極，它包括保持堿性電解液的鋅粉；疊加在所述正極殼體底部上的一層擴散紙、疏水性薄膜和空氣電極，以及進一步疊加其上分隔正負電極的隔板；其特征在于，所述負極殼體的開口邊緣向外折疊形成U形剖面，其圓柱形部分向外鼓起使它的內(nèi)徑大于折疊部分的內(nèi)徑。
7.如權利要求6所述的扁型電池，其特征在于，所述負極殼體的內(nèi)壁由一個錫層鍍覆。
8.如權利要求6所述的扁型電池，其特征在于，所述墊圈的內(nèi)側上具有凸起，它伸入到由負極殼體的折疊開口邊緣之端部與圓柱形部分之外表面形成的空間內(nèi)。
9.如權利要求6所述的扁型電池，其特征在于，具有折疊邊緣和鼓起圓柱體的杯形負極殼體通過注射模塑配置墊圈。
10.如權利要求8所述的扁型電池，其特征在于，所述凸起具有三角形剖面，凸起底側與三角形底邊之間的角度為15度至90度。
11.如權利要求6至10任一所述的扁型電池，其特征在于，至少在墊圈與負極殼體之間以及在墊圈與正極殼體之間形成一個密封膠層。
全文摘要
一種扁型電池，包括正極殼體和負極殼體，每個殼體都呈杯形并具有一個圓柱形部分，負極殼體設置在正極殼體內(nèi)，它們的圓柱形部分相對，其間設置墊圈。負極殼體的圓柱形部分的開口邊緣向外折疊形成U形剖面的，其圓柱形部分向外鼓起，從而使負極殼體的內(nèi)部容量增大，放電容量得到改善，自行放電和電解液泄漏減至最小。
文檔編號H01M2/02GK1137177SQ96102940
公開日1996年12月4日 申請日期1996年3月6日 優(yōu)先權日1995年3月7日
發(fā)明者森田是宣, 大尾文夫, 高橋則雅, 仲津研一, 相馬直子 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社