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CN102142530A - 碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造 - Google Patents

碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造 Download PDF

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CN102142530A
CN102142530A CN2011100458266A CN201110045826A CN102142530A CN 102142530 A CN102142530 A CN 102142530A CN 2011100458266 A CN2011100458266 A CN 2011100458266A CN 201110045826 A CN201110045826 A CN 201110045826A CN 102142530 A CN102142530 A CN 102142530A
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battery
internal electrode
anode
terminal
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布雷丹·可菲
查尔斯·E·赛索科
戴维·J·曼科
巴维施·帕特尔
约翰·乔丹
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Original Assignee
Rechargeable Battery Corp
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Abstract

本发明涉及碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造。公开了一种电池单元，例如圆柱或棱形碱性电池，与利用内部电极的密集波纹几何结构的高功率放电应用相比较，通过实现提供内部与外部电极之间适中表面积的曲线内部电极构造，具有中等范围放电功率电平时显著提高的容量利用率。

Description

碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造
本分案申请是基于申请号为200480043447.1，申请日为2004年10月22日，发明名称为“碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造”的中国专利申请的分案申请。
相关申请的引用
本申请要求2004年10月22日提交的美国专利申请序列号10/904,097的优先权，该申请是2004年6月21日提交的美国专利申请序列号10/710,135的部分继续申请，该申请是2004年6月18日提交的美国专利申请序列号10/710,116的部分继续申请，该申请是2004年6月18日提交的美国专利申请序列号10/710,116的部分继续申请，该申请是2004年5月14日提交的美国专利申请序列号10/846,020的部分继续申请，该申请要求2003年9月2日提交的临时申请序列号60/499,545；2003年9月16日提交的临时申请序列号60/503,298号；以及2003年10月21日提交的临时申请序列号60/513,167的优先权，全部在此引用作为参考。
技术领域
本发明一般地涉及电化学电池单元。尤其，本发明涉及通过电极组件之间适中的表面积界面构造而具有对于高等至中等范围功率电平的平衡功率和能量输送能力的电化学电池单元，例如碱性电池。
背景技术
基于二氧化锰阴极和锌阳极的碱性电池广泛用于消费者便携式电子应用。对于标准圆柱形例如AAA，AA，C和D型的原碱性电池存在很大的市场。这些产品具有许多优点。锌和二氧化锰便宜、安全且有益于环境，并且该系统提供良好的能量密度。对于消费者，这些标准碱性产品为一系列电子产品长期提供简单且方便的通用解决方案。
但是，近年来已经存在新的便携式电子设备的迅速扩大，包括个人数字助理，MP3记录器和播放器，DVD播放器，数字照相机等。同样存在朝向限制携带电池尺寸的更小更轻便携式电子设备的趋势。与早期的设备例如晶体管收音机相比较，许多这些新的设备的功耗可能需要更高的连续或脉冲电流。常规或甚至高级碱性电池设计不能以较高的漏率有效地输送它们存储的能量。
图1(部分A)显示在目的在于仿真各种消费者电子应用负载的五种放电条件下可以由高级商业碱性AA电池输送的容量(基于美国国家标准协会测试，参考ANSI C18.1M，Part1-2001)。在低漏率(收音机/43欧姆放电)，碱性AA“线轴”电池输送其理论容量的几乎全部(大约3Ah)；在中间负载(电子游戏/250mA放电，机动玩具/3.9欧姆放电)，理论容量的大约三分之二；以及在适度高至高漏率(闪光灯/1安培脉冲，数字照相机/1安培连续放电)，仅可以访问理论容量的1/4-1/2。
高速率放电下的这些低效率与常规碱性线轴电池构造的内阻和电化学限制相关。虽然已经进行许多努力以通过优化电极的内部组装和离子导电率来提高常规碱性线轴电池的能含量，但是基础设计自身改变很少。
如图2中所示，典型碱性二氧化锰-锌线轴电池10包括下面的主要单元：限定圆柱内部空间的钢罐12，可选地在罐的内侧涂敷有导电涂层，由压制在罐中的多个中空圆柱芯粒16形成的二氧化锰阴极14，由阳极凝胶制成并且布置在阴极14的中空内部中的锌阳极18，以及将阳极18与阴极14分隔的圆柱隔板20。阳极和阴极之间的离子导电率由以预先确定的量添加到电池中的氢氧化钾，KOH电解质的存在而提供。
罐12底部闭合，并且它具有用作正极端子的中心圆点22。罐12的顶端由电池闭合装配密封，其包括由薄的金属板形成的负极盖24，连接到负极盖24并且深深地穿入阳极凝胶以提供与阳极的电接触的集电钉26，以及将负极盖24与罐12电绝缘并且分隔分别在阴极和阳极结构之外形成的气体空间的塑料顶28。隔板20的材料可能包括层压或复合材料或者其组合。典型地，隔板材料包括可由电解质浸湿的吸收性纤维薄板材料，以及可渗透小颗粒但是保持离子通透性的绝缘材料。
虽然线轴电池构造是允许高速、低成本制造的简单设计，但是常规线轴电池中阳极与阴极之间的表面积局限于阳极与阴极之间的隔板的圆柱体的几何表面积。因此，对于线轴电池，由垂直插入的隔板圆柱体构成的阳极与阴极界面表面积(Si)必然是由罐的圆柱形壁形成的外表面面积(Se)的一部分[(Si)/(Se)＜1]。
在电池领域中，电化学电池的电极-以及之间-的表面积理解为重要的设计要素，因为阳极与阴极之间离子的大量迁移流动(典型地比电子迁移或化学运动慢)可以是限速或限流的物理过程。不仅阳极与阴极之间的离子导电率和表面积是重要的，而且电极内部的微孔性和表面积也是重要的。
在圆柱电池内安排较大的电极和界面面积是可能的。代用线轴电池的最广泛使用的圆柱电池设计是在电池手册[第三版，编辑D.Linden和T.B.Reddy，章节3.2.11，McGraw-Hill，2002]中充分描述的螺旋缠绕或胶质轧制构造。在该构造中，隔板位于其间的阳极和阴极的薄带紧密缠绕在一起。电极可以薄至十分之几毫米，并且对于螺旋缠绕圆柱电池，阳极与阴极界面表面积可以是由罐的圆柱形壁形成的外表面面积的几倍[(Si)/(Se)＞＞1]。较大的界面面积以另外的制造复杂度和成本为代价而获得。螺旋缠绕需要阳极、阴极和隔板的精确对准，具有比“线轴”构造电池低的生产率和高的主要设备成本。螺旋缠绕设计典型地不应用于碱性MnO2/Zn电池，在那里它将使材料的经济优势消失，但是应用于更高级的电化学系统，包括可充电镍镉(NiCd)和镍金属氢化物(NiMH)电池，以及不可充电系统例如二硫化锂铁(LiFeS2)电池。
螺旋缠绕设计的另一个折衷是所需的更高量的隔板和电流集电器，这占据否则可以用于活性材料的体积。因为标准尺寸的圆柱电池具有固定的体积，以最大活性材料和电解质构造以使得它的能容量最大化是最有效的。在线轴电池中，除了较低的隔板容量和厚的电极之外，与圆柱容器壁接触的黄铜钉阳极电流集电器和阴极集电不显著地侵入内部空间。
因此，虽然从线轴设计转变成螺旋缠绕设计增加电极间表面积和功率能力，它也减小电池的能容量。螺旋缠绕构造可能对于大约20C(C指以1小时划分的安培小时中与电池的额定容量相当的电流)的放电率而有效地输送其大部分能量。这种高速率放电能力对于应用例如动力工具可能是重要的，但是对于消费者电子设备典型地不需要。甚至设备例如数字照相机典型地以大约1/3-1C速率的更中等放电率工作。
成本更高的螺旋缠绕电池可能对于许多便携式应用保守设计。但是，为了使具有锌阳极和氢氧化钾电解质的碱性二氧化锰电池维持它们作为大范围消费者应用的通用解决方案的竞争优势，需要以更高漏率的更好运行时间。与碱性电池相关的许多近期专利文献针对解决该问题。
除了提高功率能力的材料和电极组成策略之外，已经存在通过修改常规线轴电池以增加阳极与阴极之间的界面表面积的许多策略。例如，Urry在美国专利5,948,561号中描述涂敷有阴极活性材料以分割V型折叠的管状隔板的二等分导电板的使用。Luo等人在美国专利6,261,717号中以及Treger等人在美国专利6,514,637号中也描述多个阳极腔的创建，在这些实例中它们塑模成阴极芯粒。Getz在美国专利6,326,102中描述具有与隔板封装的阴极芯粒的内和外轮廓接触的两个独立锌阳极结构的相对更复杂的装配。Jurca在美国专利6,074,781号中以及Shelekhin等人在美国专利6,482,543号中描述阴极芯粒的阶梯式内表面或波状内表面。Shelekhin等人在美国专利6,482,543号中，Lee等人在美国专利6,472,099号中以及Luo等人在美国专利6,410,187号中描述枝状或叶状内部电极结构。
所有这些设计策略在可能的表面积的有效增加方面具有限制并且引入有损于常规线轴电池实利设计的另外复杂度。一些可能实现较大的表面积但是牺牲减小能容量的电池平衡变化。多腔或多电极设计引入更复杂集电和端部密封的需求。更复杂的几何结构可能引入定向需求以及更复杂的装配工具和机器的需求。复杂的几何结构可能使得特别是在高速生产中均匀且一致地涂敷隔板变得困难，并且可能使非常规方法例如内部涂敷的保形涂层成为必需。
例如，枝状或叶状设计具有增加表面积的有限能力，除非叶子制作得更薄，这使得用凝胶阳极涂敷隔板和均匀填充更困难。如果叶子或分枝不更薄更长，则提供并不多的表面增加，并且电池平衡可能因阳极和阴极结构的相对横截面面积的变化而变得更低效。叶状设计中阴极芯粒的对准和芯粒的破损可能使得制造更困难。
与典型线轴和螺旋缠绕电极构造相关的前述问题并不局限于圆柱电池构造。较薄的产品轮廓以及电池隔室空间的更有效使用也使得趋势朝向薄的棱形(矩形)电池形式和自由形状电池形式的使用。线轴和螺旋缠绕电池构造的类似物同样对于棱形电池而存在，例如电池手册[第三版，编辑D.Linden和T.B.Reddy，章节3.2.11，McGraw-Hill，2002]中显示的那些。在棱形电池的最简单设计中，相对的单一阳极和阴极物质越过插入隔板边界交换离子。作为实例，美国专利申请发表2003/0157403号(Shelekin等人)描述一种具有单一相对电极物质的薄的棱形IEC 7/5F6型碱性电池，其中阳极与阴极之间总的界面面积小于电池的投影横截面面积。因此，这种设计不解决前述功率特性问题。
存在两种设计备选方案以增加棱形电池构造中的功率。缠绕电池构造可以通过在扁平心轴上缠绕电极条而采用，该构造然后可以在放入电池容器中之前压缩。作为选择，棱形电池中的表面积可以通过交替阳极/阴极层叠电极板的装配而增加，同样的电极在电池中并联。但是，这两种方法都比简单线轴电池更复杂且生产成本更高。
在棱形电池的情况下，产生与内部压力相关的另外的设计考虑。碱性电池产品必须在所有预期的使用条件下以及在所有电荷状态下保持在最大允许尺寸内。这些产品确实包括安全气孔，但是在大范围的正常使用条件下，它们被有效地密封。因此，碱性电池容器壁必须充分地构造以包含由与电池的电化学反应相关的任何气体产生或膨胀而引起的任何内部压力。设计调节可能包括低起泡锌组成和自由内部膨胀体积，其中设计的平衡取决于容器的机械强度。
圆柱容器是具有用来减小径向应变的均匀分布环向应力的有效压力容器，并且圆柱碱性电池的壁厚度可能小至0.008″。但是，棱形对于调节内部压力并不有效，并且非均匀凸出可能出现，最大的偏转位于长壁跨距的中点。虽然增加容器的壁厚度可以防止容器的凸出，但是这也减小有效电极物质可用的内部体积。
已经描述了现有技术的许多缺点，本发明目的尤其在于解决现有技术中的这些以及其他缺点。
发明内容
一种电池单元例如圆柱或棱形碱性电池，通过实现产生阳极与阴极之间增加的表面积的电池构造，表现出显著提高中等范围放电功率电平的容量利用率并且维持大量能容量以及典型圆柱或棱形碱性电池的其他特征优势。根据这里实施并描述的本发明的原理，本发明的一种特定特征包括一种电化学电池单元，包括具有内表面、第一端子和第二端子的限定内部空间的电池外壳。该电池还包括由隔板封装并置于外壳内部空间中的内部电极。内部电极处于类似曲线构造并且形成使得内部电极的外边限(outer extent)通常与由电池外壳的内表面限定的轮廓一致。内部电极与外壳的第二端子电连通。外部电极置于外壳的内部空间中使得它与内部电极离子连通并且与电池外壳的第一端子电连通。
本发明的另一种实施方案涉及一种电池单元例如圆柱或棱形碱性电池，通过实现产生阳极与阴极之间增加的表面积的电池构造，表现出显著提高高放电率的容量利用率同时维持大量能容量以及典型圆柱或棱形碱性电池的其他特征优势。根据这里实施并描述的本发明的原理，本发明的一种特定特征包括一种电化学电池单元，包括具有内表面、第一端子和第二端子的限定内部空间的电池外壳。该电池还包括由隔板封装并置于外壳内部空间中的内部电极。内部电极处于折叠构造并且形成使得内部电极的外边限通常与由外部电极的一部分的内表面限定的轮廓一致。内部电极与外壳的第二端子电连通。外部电极的一部分置于外壳的内部空间中使得它与内部电极离子连通并且与外部电极的第一部分电连通，该外部电极的第一部分与电池外壳的第一端子接触。
根据本发明的特定方面，内部电极处于类似曲线几何构造；外壳的内表面与第一端子电连通，并且外部电极与第一端子之间的电连通由外部电极与外壳内表面之间的接触建立；以及内部电极是阳极且外部电极是阴极，其中第一端子具有正极性且第二端子具有负极性。
根据另一方面，内部和外部电极彼此连接以限定电极间表面积(Si)，并且电池外壳还包括限定外表面面积(Se)的外表面。电池单元的电极间表面积与外壳的外表面面积的比值(Si/Se)在大约2至大约8的范围内。
根据另一方面，一种电化学电池单元包括限定内部空间、第一端子和第二端子的电池外壳；以及置于外壳内部空间中的电极组件。电极组件包括由隔板封装并且具有折叠构造的内部电极，以及具有与内部电极的折叠构造相互啮合的折叠构造的外部电极。电极组件形成使得电极组件的外边限通常与由电池外壳的内表面限定的轮廓一致。内部电极与外壳的第二端子电连通，并且外部电极与外壳的第一端子电连通。
根据再一方面，一种电化学电池单元包括限定内部空间、第一端子和第二端子的圆柱形电池外壳。该电池还包括置于外壳内部空间中的电极组件。电极组件包括一对外部电极以及由隔板封装并且置于外部电极之间的内部电极。电极组件具有折叠构造，使得电极的每个与另一个相互啮合。电极组件形成使得电极组件的外边限通常与圆柱形电池外壳一致。内部电极与外壳的第二端子电连通，并且外部电极与外壳的第一端子电连通。
根据再一方面，一种电化学电池单元包括限定内部空间、第一端子和第二端子的电池外壳。该电池还包括具有直线几何构造并置于外壳内部空间中的内部电极，其中直线几何构造具有基本上小于内部电极的外表面面积的横截面面积。内部电极由隔板封装并且与外壳的第二端子电连通。该电池还包括放置并形成于外壳内部空间中使得内部电极嵌入其中的外部电极材料。外部电极与内部电极离子连通并且与电池外壳的第一端子电连通。
根据再一方面，一种电化学电池单元包括限定内部空间、第一端子和第二端子的电池外壳。该电池还包括置于外壳内部空间中的电极组件。电极组件包括由隔板封装的内部电极以及外部电极。电极相互啮合在一起以形成界面，并且压缩使得电极组件的外边限通常与由电池外壳的内表面限定的轮廓一致。内部电极与外壳的第二端子电连通，并且外部电极与外壳的第一端子电连通。
同样考虑根据本发明的原理制造电化学电池单元的方法。根据本发明的特定方面，提供一种制造电化学电池单元的方法，包括步骤：提供包括内部空间、第一端子和第二端子的电池单元外壳；提供具有基本上扁平构造并且由隔板封装的内部电极；提供具有基本上扁平构造的外部电极；将外部电极与内部电极相邻放置；将内部和外部电极一起折叠成折叠构造；形成内部电极使得电极的外边限通常与由电池外壳的内部空间限定的轮廓一致；以及将电极放置在外壳的内部空间中使得外部电极与电池外壳的第一端子电连通并且内部电极与电池外壳的第二端子电连通。
碱性电池的内部电极组件和电极子组件的另一种方法包括将平面电极形成为类似曲线的几何结构。平面电极由中空心轴夹持并且旋转成具有至少一个隔开区域的期望形状。折叠的内部电极然后可以放置在电池容器中外部电极材料的环内，其中内部阴极材料然后可以经由通过中空心轴或通过位于该至少一个隔开区域中并且当阴极材料填满时撤除的一些其他喷嘴注入而引入到至少一个隔开区域内；或者，在将折叠的内部电极插入电池外壳中之前，内部电极材料的细长物质可以插入该至少一个隔开区域中，其中内部电极和内部电极材料的细长物质压缩成单个电极子组件，然后置于电池容器的外部电极材料的环内。
同样考虑根据本发明原理的其他方法。
根据本发明的原理制造电化学电池单元的方法可以容易地转化成自动高速生产。这些方法的一个或多个步骤可以想象为替换常规线轴电池制造工厂中的某些单元操作，其他类似于常规线轴制造的那些，同时维持等价的生产率。
本发明的这些和其他方面将在考虑这里的书面描述、附图和权利要求之后而明白。
附图说明
图1是描绘当前商业高级AA电池(现有技术)和根据本发明的AA电池实施方案对于各种ANSI类型测试的以Ah为单位的近似放电容量的图。
图2是具有线轴型构造的典型圆柱电池的横截面正视图。
图3描绘与现有技术的商业电池相比较，根据本发明的实施方案对于1安培放电的电池电势对于放电容量的图。
图4A和4B是包括直线几何结构内部电极的本发明实施方案的分别横截面正视图和平面图。
图5A是根据本发明包括波纹折叠电极组件的优选实施方案的横截面平面图。
图5B是图5A的实施方案的部分横截面正视图。
图5C是图5A的实施方案的装配图。
图5D是根据本发明的原理，形成以装入外壳之前电极组件的透视图。
图6是具有嵌入阴极材料中的波纹折叠阳极的根据本发明原理的实施方案的横截面平面图。
图7是描绘根据本发明原理的装配顺序中各个阶段的示意图。
图8是描绘根据本发明原理的装配的示意图。
图9是描绘根据本发明原理的装配的示意图。
图10是根据本发明的原理，形成以装入外壳之前电极组件的透视图。
图11是根据本发明原理的实施方案的装配图。
图12A是根据本发明原理的内部电极组件的装配图。
图12B是根据本发明原理的外部电极组件的装配图。
图13A是根据本发明原理的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图13B是根据本发明原理置于棱形电池外壳中的图13A的折叠且成形电极组件的横截面平面图。
13C是图13B中描绘的实施方案的部分透视图。
图14A是根据本发明原理的折叠电极组件的另外实施方案的横截面平面图。
图14B是根据本发明原理置于棱形电池外壳中的图14A的折叠且成形电极组件的横截面平面图。
图15A是根据本发明原理的一对折叠电极组件的横截面平面图。
图15B是根据本发明原理置于棱形电池外壳中的图15A的折叠且成形电极组件的横截面平面图。
图15C是根据本发明的原理图15B的棱形电池的装配图。
图15D是图15C的装配好的棱形电池的透视图。
图16是描绘这里描述的实例5，6，7和8的棱形电池的电池放电曲线的图。
图17A是在这里描述的实例5，6，7和8中使用并且根据本发明原理的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图17B是根据本发明原理置于棱形电池外壳中的图17A的折叠且成形电极组件的横截面平面图。
图18A是描绘根据本发明原理的制造方法的方面的示意图。
图18B是描绘根据图18A的方法制造的电池的性能特性的图。
图19A是描绘根据本发明原理的制造方法的方面的示意图。
图19B是描绘根据图19A的方法制造的电池的性能特性的图。
图19C是描绘类似于图19A的方法制造的电池的性能特性的图。
图20A是描绘根据本发明原理的制造方法的方面和相关实施方案的示意图。
图20B是描绘依据根据本发明原理的制造方法制造的电池单元的各个阶段的示意图。
图20C是描绘与图20B中描绘的制造电池相关的各个步骤的示意图。
图20D是描绘根据图20A-20C的方法制造的电池的性能特性的图。
图20E是描绘类似于图20A-20C的方法制造的电池的性能特性的图。
图21是常规线轴电池的横截面平面图。
图22是根据本发明的原理针对高放电功率电平的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图23是根据本发明的原理针对中等范围放电功率电平的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图24是根据本发明的原理针对中等范围放电功率电平的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图25是根据本发明的原理针对中等范围放电功率电平的折叠电极组件的实施方案的横截面平面图。
图26是描绘根据实例9，10和11制造的电池的性能特性的图。
图27是描绘根据实例10和12制造的电池的性能特性的图。
图28是描绘根据实例11和13制造的电池的性能特性的图。
图29A-C是描绘根据本发明原理的制造方法的方面和相关实施方案的示意图。
图30A-C是描绘根据本发明原理的制造方法的方面和相关实施方案的示意图。
具体实施方式
虽然本发明能够以许多不同的形式实施，但是附图中显示并且在这里详细描述一种或多种具体实施方案，同时理解本公开内容认为是本发明原理的例证而不打算将本发明局限于这些具体实施方案。
本发明提供电池单元例如圆柱电池的简单且有效的设计，该设计具有介于线轴和螺旋缠绕设计之间的平衡能量和功率特性，并且保持两种设计的优点，例如低成本，以较高功率的简单制造，以及为了能量效率的高内部体积利用率。在一种实施方案中，这通过提供阳极与阴极界面表面积的显著但平衡增加，结合更薄、高离子导电率电极结构来实现。本发明也提供一种更好的平衡碱性“改进”线轴设计，该设计可以应用于各种电池型号包括AAA，AA，C，D以及其他，使得更高的容量可以在更高漏率时可用，同时保持有利的能量存储特性。
本发明的该更高容量益处的例证在图1中显示，当与商业高速率碱性线轴电池相比较时，该图说明本发明通过较高漏率时可用的增加容量来提供AA型圆柱电池的更平衡的利用率分布。在图1的实例中，1.5Ah或理论容量的大约50％在ANSI数字照相机测试中输送(对比典型常规线轴电池的25％，如图1-部分A中所示)，同时在中等速率测试例如电机玩具(3.9欧姆)的测试中仍然实现至少等价的放电容量。仅在非常最低放电率时，存在明显放电容量的任何可辨别损失，然而其仍然是理论的至少70-80％或常规碱性线轴电池的典型低漏率容量。因此，理论容量的大约50％或更多可以C/2-C/3放电率获得，而理论容量的大于70％可以C/10放电率获得。
图3显示常规碱性电池的电压曲线与根据本发明原理的电池在相同放电条件下的电压曲线的比较。如可以从图3中看到，根据本发明原理的电池在1安培放电直到1.0伏特截止时输送常规碱性电池的大约两倍容量，当在3.9欧姆电阻器上连续放电时，输出近似等价的累积容量。
表征本发明提供功率与能量的良好平衡比的能力的有效方法是在装配好的电池上执行某些测试。使用的特定测试包括一系列放电步骤以评价高速率放电，接着是较低速率放电时的性能，从而评价总体容量输送能力。AA型电池的测试细节是：(1)以1.0A连续放电直到1.0V的电压截止；(2)30秒断路测试；(3)以1.0A连续放电直到0.8V截止；(4)30分钟断路测试；以及(5)3.9欧姆放电直到0.7V截止。该测试由本发明的受让人标识为DCC4STP2测试。其他型号电池可以类似地测试，但是使用增加或减小的电流电平以反映该电池型号的能力。
通过在利用本发明的电池上和在常规线轴型碱性电池上执行该类型的测试，可以建立清晰的性能差别。容量输送比(CR)可以通过将以1.0A输送直到1.0V的容量(C1V)除以测试中输送的总容量(CT)来计算。因为本发明利用有效的直线几何结构和薄的内部电极(薄意思是具有基本上小于内部电极外表面面积的横截面面积)，容量比(CR)将显著高于在常规线轴型碱性电池中实现的值。
已经说明了优于常规电池的一些性能益处，现在将描述根据本发明原理的电池单元装置。现在参考附图，其中类似的数字遍及几幅图指示类似的部分，图4A和4B显示作为本发明一种可能实现的嵌入式内部电极设计。
参考图4A和4B，电池单元30包括限定电池单元30的内部空间31b的电池外壳31a。电池外壳31a包括便于电池30的电连接以及与电池30其他单元的电连通的第一端子T1和第二端子T2。电池30还包括处于利用多个直线单元32B的星形直线几何构造中具有薄的横截面32A的内部电极32，例如阳极。其他直线几何构造同样可以实现，例如十字形或者包括直线单元或具有相对薄的横截面，也就是与类似平面中电池外壳的横截面相比较，其直线单元的厚度尺寸的类似单元的任何几何结构。在优选实施方案中，内部电极具有基本上小于跨越平行于厚度尺寸而获得的电池外壳横截面最大跨距而延伸的尺寸的厚度尺寸。在优选实施方案中，内部电极32包括由活性材料、导电材料和添加剂制成的多孔固体挤压复合材料。同样可以包括内部形成的电流集电器33。内部电极32置于外壳30的内部空间31b中。内部电极32由隔板34封装并且与外壳30的第二端子T2电连通。外部电极材料35，例如阴极材料放置并形成于外壳的内部空间31b中，使得内部电极32嵌入其中并形成外部电极36。外部电极36与内部电极32离子连通并且与电池外壳30的第一端子T1电连通。通过将内部电极嵌入外部电极中，可以限定电极界面，电极界面进一步由电极间表面积限定。如图4A和4B中所示，阳极与阴极界面表面积的显著且平衡增加由于电极几何结构而实现。此外，更薄、高离子导电率电极结构借助于内部电极的薄横截面实现。电池的性能特性可以通过改变影响电极之间界面表面积的电极几何结构改变。
因为内部电极32是多孔固体结构，单元32B可以比现有技术设计的叶子或分枝更薄更长。例如，在AA电池中，内部电极32可以挤压成具有仅0.040-0.080英寸厚的薄单元32B的形状，然而常规AA碱性电池中等价的阳极直径将是大约0.30英寸。在这种情况下，内部电极32可以从具有等于贯通厚度一半的最大有效扩散厚度的单元32B的每一侧访问。通过使用固体内部电极，不仅可以实现更薄的几何构件-由于不需要像现有设计一样用凝胶填充狭窄空隙-而且保形涂敷的隔板34可以通过浸渍或喷射而涂敷于内部电极32的外表面37-而不是像现有设计一样试图将隔板涂敷于复杂几何结构外部电极的内表面。然后外部电极36可以围绕隔板封装的内部电极32而应用，在电池外壳31外部或者内部电极置于电池外壳31中之后。在外部电极在外壳30中应用的实施方案中，阳极形式并且具有直线几何构造的内部电极32可以插入外壳31中，然后外壳31可以用阴极粉末填充并压制以形成嵌入式内部电极32。
在电池外壳中实现内部和外部电极嵌入的另一种方法是在外壳外部一起弯曲或折叠电极以形成电极几何结构，将电极塑模成与外壳一致的形状或轮廓，然后将它们一起插入到外壳中。现在参考图5A-5D，本发明的一种优选实现可以通过从简单的内部电极几何结构开始，用隔板覆盖它并且用外部电极材料围绕它，然后形成装入电池容器所需的几何结构来实现。如图5A-5C中所示，电化学电池单元40包括限定内部空间41b的电池外壳41a。电池外壳41a包括便于电池40的电连接以及与电池40的其他单元的电连通的第一端子T1和第二端子T2。参考图5A，该电池还包括置于外壳41a的内部空间41b中的电极组件42。电极组件42包括由隔板44封装的内部电极43以及外部电极45。内部电极和外部电极具有薄的横截面并且处于折叠构造中，例如图5D中所示的“W”折叠构造，或者其他折叠构造例如手风琴折叠，使得每个与彼此相互啮合。参考图5C，电极组件42形成使得电极组件42的外边限46通常与由电池外壳40的内表面48限定的轮廓47一致。内部电极43与外壳41a的第二端子T2电连通，并且外部电极45与外壳41a的第一端子T1电连通。内表面48优选地与第一端子T1电连通，使得外部电极45与第一端子T1之间的电连通可以由外部电极45与外壳41a的内表面48之间的接触建立。
如图5D中所示，内部电极43可以用隔板44覆盖或保形涂敷，然后夹在外部电极45中间或与其相互啮合以形成电极组件42。作为结果的电极组件然后可以形成各种几何结构以装入外壳41a中，如图5C中所示。内部与外部电极之间的界面因此不是均匀圆柱，像现有设计那样，而是可能具有复杂的形状，使得封装的内部电极的隔板覆盖表面将具有大于常规线轴电池表面积，但是小于常规螺旋缠绕电池表面积的外表面面积。封装的内部电极比常规线轴电池中薄，但是不像螺旋缠绕电池中一样薄。该设计实现表面积的更好平衡，使得比用于常规螺旋缠绕设计少的隔板和电流集电器用于封装的电极电池，从而增加活性材料可用的体积以及从而能容量。
在如图6中所示的备选实施方案中，内部电极43和隔板44可以嵌入外部电极材料中。在这种实施方案中，外部电极材料可以在内部电极43置于其中之后在外壳41a中应用，然后压制以在阴极材料中形成嵌入式内部电极43。作为选择，内部电极43和隔板44可以折叠成折叠构造，例如“W”构造，然后形成通常与电池外壳41a的形状一致的几何结构。该内部电极43然后可以嵌入挤压成通常与电池外壳41a的形状一致的几何结构的阴极材料45中。挤压的阴极材料/嵌入式阳极产生然后可以置于电池外壳41a中的电极组件。
本发明有助于阳极与阴极界面表面积的增加，使得电极间表面积(Si)与电池容器或外壳的外表面面积(Se)的比值，也就是(Si)/(Se)对于AAA或AA电池可以在2至8的范围内(或者对于较大直径电池型号例如C或D，可能更高)，以便显著地增强高速率放电特性。增加的界面面积为电池设计提供作为由等价材料构成的线轴电池内阻一部分的内阻。在这里下面陈述的实例中，以1KHz测量的阻抗是常规线轴电池的阻抗的70％或更小。功率和能容量更好地平衡，使得本发明在中等速率时保持常规线轴能容量的大于70-80％，同时增加高功率时的利用率。
本发明的特定实施方案提供具有比常规线轴电池中等价内部电极更薄的平均贯通厚度测量的内部电极。通过将内部电极贯通厚度变薄，表面积可以通过延长横截面尺寸而显著增加，使得近似同样最佳的阳极与阴极电池平衡可以被维持。内部电极减小的贯通厚度尺寸提供较短的扩散长度，这进一步增强电池的功率能力。常规碱性AA型线轴电池具有大约0.1-0.15英寸的阴极环壁厚度以及大约0.2-0.3英寸的阳极核心厚度，然而根据本发明原理的碱性AA电池可以具有大约0.035-0.070英寸的阴极厚度以及仅0.020-0.060英寸的阳极厚度。
本发明的另一个益处在于高放电率时内部电极的增加利用率。常规线轴电池因内部圆柱几何结构而具有高速率时的低利用率。当阳极的放电从隔板的内表面向内快速进行时，阳极与阴极的界面表面积恒定地减小。这有效地增加放电内部电极表面处的电流密度，并且导致放电反应因迁移限制而停止。增加表面积并且使内部电极变薄维持整个放电期间更均匀的电流密度，导致内部电极材料的增加利用率。
在优选实施方案中，内部和外部电极的纵向尺寸近似等于容器的全部内部高度减去密封所需的高度，这典型地为内部高度的至少70％，使得电极复合材料占据几乎容器的全部长度并且使能容量最大化。外部电极优选地形成以与外壳的内表面直接接触，并且来自该外部电极的集电主要经由与金属外壳的接触以及通过金属外壳。内部电极封装在隔板中然后嵌入外部电极主材料中，或者使用内部电极夹在中间或形成，其中绝缘引线伸出然后插入外壳中，使得外部电极接触外壳的内表面。
在这里许多例证引用的碱性MnO2/锌电池的情况下，锌阳极是内部电极并且MnO2阴极是与外壳的内表面接触以正极性接触的外部电极。注意，虽然这里许多实例具体地考虑碱性电池，应当理解本发明的原理可以应用于其他电化学反应和形式。
根据本发明的特定实施方案，提供包括二氧化锰阴极、锌阳极、阳极与阴极之间的隔板，以及含水碱性氢氧化钾电解质的碱性二氧化锰-锌电池。阳极具有相对于常规线轴设计阳极具有短扩散长度的非圆形横截面，使得活性材料的容量遍及横截面内部以及多于电池外壳直径两倍的累积横截面周长更多地分布。阳极封装在隔板中并且嵌入均匀填充阳极与外壳内表面之间的空间的阴极基材中。该电池具有功率与能量的良好平衡比，并且在高放电率时获得良好的容量利用。在AA电池的情况下，这通过在1安培直到1伏特放电测试中实现大于1.2Ah而例证。
在一种实施方案中，本发明提供一种电池，包括基本上平面或基本上扁平的隔板封装的锌阳极以及一个或两个平面形阴极，它们形成手风琴折叠形状，然后整个阴极/阳极组件塑模以装入容器。
阴极结构制成使得它们具有必要的物理完整性和电子导电性以允许在高速生产中处理以及提供从折叠内部到电池容器壁的良好电子迁移特性。这可以通过使用导电填料、增强材料、粘结剂或载体网制成复合阴极来实现。获得必要机械和电子性质的特定方法可以是将金属箔或网应用于阴极物质的外表面，使得该金属结构提供到外壳内表面的电子接触以及到折叠内部的连续电连接。
同样考虑根据本发明的原理制造电化学电池单元的方法，如应当从前述描述中显然的。根据本发明的特定方面，提供一种制造电化学电池单元的方法，包括步骤：(A)提供包括内部空间、第一端子和第二端子的电池单元外壳；(B)提供具有薄且基本上扁平构造并且由隔板封装的内部电极；(C)提供具有薄且基本上扁平构造的外部电极；(D)将外部电极与内部电极相邻放置；(E)将内部和外部电极一起折叠成折叠构造；(F)形成内部电极使得电极的外边限通常与由电池外壳的内部空间限定的轮廓一致；以及(G)将电极放置在外壳的内部空间中使得外部电极与电池外壳的第一端子电连通并且内部电极与电池外壳的第二端子电连通。
根据本发明的另一特定方面，同样考虑在外壳内形成外部电极的情况下制造电化学电池单元的方法。该方法包括步骤：(A)提供包括内部空间、第一端子和第二端子的电池单元外壳；(B)提供处于直线几何构造中具有薄横截面并且由隔板封装的内部电极；(C)将内部电极放置在外壳的内部空间中，使得它与电池外壳的第二端子电连通；(D)将外部电极材料放置在电池外壳的内部空间中使得内部电池嵌入其中，并且与外壳的第一端子电连通；以及(E)压制置于电池外壳的内部空间中的外部电极材料。
当考虑这里的描述之后由本领域技术人员理解时，其他方法以及这些特定方法的变化被考虑并认为在本发明的范围内。
图7说明本发明的一种实施方案可以通过一系列处理步骤由具有简单几何结构和低定向需求的部件制造的顺序。在图7(步骤I)中，平面阴极/隔板封装的阳极/阴极层叠放置在成形模具中，每个阴极上的金属衬底从层叠面向外。在图7(步骤II)和(步骤III)中，成形的叶片以使得层叠折叠并成形的方式推入模具腔中。图7(步骤IV)显示在插入外壳或罐中之前将层叠压缩并塑模成圆柱体的最后成形操作。
在根据本发明原理的特定实施方案中，提供优选实施方案可以由其实现的一种简单制造方法。根据特定实施方案，两个阴极形成在模具冲压的金属衬底上并且与位于中心的隔板封装阳极结构相邻放置。如此放置，电极相互啮合并且由垂直作用于电极长轴的成形模具成形。最后的模具是形成电极的外边限以与电池外壳的轮廓或形状例如圆柱体一致的同心抓斗。在形成之后，模具轻微打开以允许圆柱形的集成电极被推入与形成模具相邻放置的电池外壳中。在电极组件位于外壳中之后，另外的KOH电解质可以添加到打开外壳的顶部以吸收到电极中，当顺序传递到下一个操作时。该阶段部分装配好的电池具有从外壳顶部伸出的近似位于中心的绝缘阳极引线。该引线传过塑料底部密封的中心并且焊接到底盖的内表面，该底盖然后定向到密封上的适当位置。电池封闭和完成操作等价于常规线轴电池过程。
形成本发明的改进电池设计的步骤可以容易地转化成自动高速生产。该形成顺序可以想象为替换常规线轴电池制造工厂中的某些单元操作，一个或多个步骤类似于常规线轴制造的那些。阴极与凝胶锌阳极混合处理例如期望相当类似于常规线轴制造。某些修改的线轴装配处理操作甚至可以使用现在使用的基本处理装备的更改形成以等价的生产率执行。
为了说明和例证本发明的原理，现在将给出几个实例。下面的实例适用于可以在数字照相机应用中提供较大运行时间的通用MnO2/Zn AA电池，也就是，与常规MnO2/Zn AA电池相比较，该电池可以在1安培直到1伏特放电时输送更多的容量。另外，电池的能容量不会过度损害使得相当容量仍然在中等速率(3.9欧姆)放电时可用。实例电池以1安培放电直到0.8伏特来测试，记录当电池电势达到1伏特时实现的容量，从而模拟ANSI数字照相机测试。在30分钟搁置之后，存在以3.9欧姆直到0.7伏特的另外放电步骤。下面列出的1安培直到1伏特容量(C1V)、输送的总容量(CT)以及容量比(CR)是高速率和低速率容量利用效率的指示。表格1中的数据关于呈现的具体实例并且显示本发明增加数字照相机测试中的利用率而不影响低速率测试中的利用率，说明本发明优于现有技术的益处。
表格1
  实例编号   C1V(Ah)   CT(Ah)   CR
  1   1.2   2.0   0.60
  2   1.1   1.8   0.61
  3   1.2   1.9   0.63
  4   1.35   2.0   0.68
  常规高级线轴   0.75   2.0   0.38
该实例涉及标准尺寸的涂镍钢罐中的AA电池。阴极组成可能是任何类型，典型地是包括EMD(γ-MnO2)、导电粉末以及剩余物为其他添加剂例如粘结剂和电解质的原碱性电池。电解质是通常4N-12N氢氧化钾的含水碱性溶液。电解质可能包含溶解的氧化锌ZnO、表面活性剂和其他添加剂，以便减少负电极内活性锌的起泡。
在实例I-VI中使用的MnO2阴极预混合料组成包括基于重量Kerr-McGee高漏EMD 69.4％，乙炔黑5.2％，KS-15石墨2.6％，PTFE-30悬浮体0.4％和9N KOH 22.4％的预混合料。混合在Readco混合器、球磨机或其他适当混合器中进行。阴极预混合料进一步以100g混合物比1g PTFE-30悬浮体和10g 9N KOH溶液的比例混合以便提高胶合特性并粘着到Ni衬底。标准衬底是非退火膨胀金属(Dexmet 3Ni5-077)。七克阴极组成在Carver压力机中压制到衬底上以提供大约0.047英寸的阴极组件厚度。压制时存在电解质的一定损耗(大约0.5-1.0g)。
实例1
这是如图5A-5D中显示的“嵌入式波纹折叠”设计的实例。在该实例中，多孔固体电铸锌用作阳极。通常对于所有实例参考图8-11，平面电铸锌用作大约1.5″W×1.625″H的阳极子组件51。电铸锌阳极子组件51通过将氧化锌/粘结剂软膏63胶合到具有连接的绝缘引线62、由银或铜制成的薄金属衬底64上，然后在碱槽中电铸来形成。然后清洗并干燥，以及在一袋Scimat 700/70隔板52中热封阳极子组件51以形成阳极组件55。使用的阳极在干燥状态下大约4.7g以及包括衬底和引线的0.045英寸干燥厚度。干燥阳极组件55在折叠成松散波纹“W”形状53之前在9N KOH中浸渍至少一个小时。涂敷到多孔金属衬底54上并且具有9N KOH浸渍的KC 16吸收剂覆盖的两个平面MnO2阴极被放置，使得一个在阳极的每一侧上并且折叠以符合相互啮合的“W”56，产生波纹层叠57形式的电极组件。波纹层叠57在插入到电池外壳或罐59中之前，在具有0.500英寸至0.515英寸直径孔径的压缩模具中压制并塑模成圆柱形58。调节电极层叠57的厚度使得它在形成之后不会太薄以至于不能装满该罐或者太厚以至于在插入罐59中时过度压缩而损失多孔性和电解质。在插入罐59中之后，密封焊缝60在罐59的顶部形成。阳极引线62连接到盖63并且罐封闭以形成完成的电池64。
实例2
该实例说明在图5A-5D中显示的“嵌入式波纹折叠”设计，特别地在阳极子组件中利用胶合锌。该阳极使用挤压或胶合处理由锌粉末制成以形成阳极板。阳极子组件通过将粉末状金属锌或锌合金以及氧化锌与Kraton粘结剂和Shellsol溶剂混合在一起来制备。混合物胶合到具有连接引线的0.002英寸厚的多孔铜箔衬底上，并且溶剂允许蒸发。子组件然后在SM700/70隔板中封装以形成阳极组件。干燥阳极组件在折叠成松散波纹“W”形状之前在9N KOH中浸渍至少一个小时。涂敷到多孔金属衬底上并且具有9N KOH浸渍的KC 16吸收剂覆盖的两个平面MnO2阴极被放置，使得一个在阳极的每一侧上并且折叠以符合相互啮合的“W”。波纹层叠在插入到外壳或罐中之前，在具有0.500英寸至0.515英寸直径孔径的压缩模具中压制并塑模成圆柱形。调节电极层叠的厚度使得它在形成之后不会太薄以至于不能装满该罐或者太厚以至于在插入罐中时过度压缩而损失多孔性和电解质。在插入罐中之后，密封焊缝在罐的顶部形成。阳极引线连接到盖并且罐封闭以形成完成的电池。
实例3
该实例说明图5A-5D中显示的利用锌凝胶形成阳极组件的“嵌入式波纹折叠”设计。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。具有连接引线的阳极电流集电器放置在由Scimat SM700/79隔板制备的袋中并且7g凝胶添加到袋中，然后袋在底部热封以形成阳极组件。涂敷到多孔金属衬底上并且具有9N KOH浸渍的KC 16吸收剂覆盖的两个平面MnO2阴极被放置，使得一个在阳极组件的每一侧上并且折叠以符合相互啮合的“W”。波纹层叠在插入到外壳或罐中之前，在具有0.500英寸至0.515英寸直径孔径的压缩模具中压制并塑模成圆柱形。调节电极层叠的厚度使得它在形成之后不会太薄以至于不能装满该罐或者太厚以至于在插入罐中时过度压缩而损失多孔性和电解质。在插入罐中之后，密封焊缝在罐的顶部形成。阳极引线连接到盖并且罐封闭以形成完成的电池。
实例4
该实例说明图5A-5D中显示的利用具有添加锌纤维的锌凝胶形成阳极组件的“嵌入式波纹折叠”设计。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金，5％的Alltrista 1/8″锌纤维，以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。具有连接引线的阳极电流集电器放置在由Scimat SM700/79隔板制备的袋中并且7g凝胶/纤维混合物添加到袋中，然后袋在底部热封以形成阳极组件。涂敷到多孔金属衬底上并且具有9N KOH浸渍的KC 16吸收剂覆盖的两个平面MnO2阴极被放置，使得一个在阳极组件的每一侧上并且折叠以符合相互啮合的“W”。波纹层叠在插入到外壳或罐中之前，在具有0.500英寸至0.515英寸直径孔径的压缩模具中压制并塑模成圆柱形。调节电极层叠的厚度使得它在形成之后不会太薄以至于不能装满该罐或者太厚以至于在插入罐中时过度压缩而损失多孔性和电解质。在插入罐中之后，密封焊缝在罐的顶部形成。阳极引线连接到盖并且罐封闭以形成完成的电池。
可预见本发明的“嵌入式波纹折叠”设计的其他表示。例如，装配和过程变量例如：阳极重量，阳极浸渍时间，压缩程度，阴极组成，阴极衬底，以及阴极到罐的集电可以“细微调谐”以使得嵌入式“W”设计的电气性能最大化。几乎所有电池都使用0.515英寸直径的压缩模具构建，该压缩模具主要基于较少的电解质在装配期间挤出的清楚观察而优于先前标准0.5英寸直径的模具采用。在电池中保留足够的电解质以利于性能是重要的。
改变电极的长度或者折叠的长度和数目以提供比实例中描述的W折叠中给出的更优的表面积和容器填充也是可能的。不是使用两个外部阴极组件，单个长度的阴极可以围绕隔板封装的阳极而缠绕，然后折叠成波纹结构。增加表面积的备选方法是使得在层叠中使用的多层阴极和阳极成波纹状，例如：阴极/阳极/阴极/阳极/阴极。
棱形电池实施方案
基于上面的描述，本领域技术人员应当理解，本发明的原理可以在任何类型的电池构造中实施，包括棱形或自由形状的电池构造。然而，为了进一步例证，现在将更详细地描述几种棱形电池实施方案。
现在一般地参考图12A和12B，提供基本上扁平内部电极100(图12A)和基本上扁平外部电极102(图12B)。图12A中所示的内部电极100构造以用作阳极，其包括由锌凝胶层106围绕并且由隔板108密封的阳极电流集电器104。连接到阳极的绝缘电引线110穿过隔板108以便于电池单元中内部电极的电连接。图12B中所示的外部电极102构造为阴极，其包括阴极材料层112和电流集电器114。外部电极102包括绝缘电引线116以便于电池单元中外部电极的电连接。虽然内部电极优选地构造为阳极并且外部电极优选地构造为阴极，例如如图12A和12B中所示，应当理解内部电极和外部电极都可以构造为阴极或阳极。
内部和外部电极100和102依赖于特定应用而可以许多不同的形状构造。优选地，内部和外部电极100和102以具有矩形外围的基本上扁平构造而构造。电极100和102然后可以形成在一起以装入并符合特定电池外壳(有时在这里称作罐)，例如棱形电池外壳。
参考图13A-13C，电极100和102所示折叠并形成以符合棱形或矩形电池外壳。特别地参考图13A，电极100和102优选地折叠在一起以产生它们之间的密切接触，从而形成电极组件120。在该特定实施方案中，电极100和102以W形构造折叠，如图13A中所示。但是，如从这里公开的其他实施方案中将显然，电极100和102可以任何类型的构造折叠在一起，提供电极100与102之间适当的表面积相互作用。
现在参考图13B和13C，电极组件120的电极100和102形成，使得外部电极102的外边限122通常与由电池外壳128的内表面126限定的轮廓124一致。在该特定实施方案中，外部电极102的外边限122通过将它压制以符合一般矩形轮廓而形成。如图13B中所示，该形成导致电池外壳的内部空间的充实利用，并且也导致电池外壳的内表面126与外部电极102之间的良好表面接触，这在内表面126与电池单元的端子电连通的实施方案中，利于外部电极到电池单元的端子的电连接。在优选实施方案中，电极102的外边限122形成，使得它基本上与由电池外壳的内表面126限定的轮廓124一致并且使得基本上与其无空隙接触，如图13B中所示。
参考图14A-14B，显示具有电极100和102之间不同折叠构造的另一种实施方案。不是如图13A中所示以W形构造折叠电极100和102，图14A中所示的电极100和102以三折叠构造折叠从而形成电极组件130。如图14B中所示，电极组件130形成使得外部电极102的外边限132通常与由电池外壳138的内表面136限定的轮廓134一致。如图14B中所示，该形成导致电池外壳的内部空间的充实利用，并且也导致电池外壳的内表面136与外部电极102之间基本上无空隙表面接触。
参考图15A-15D，显示第一组内部和外部电极140和142折叠在一起以产生第一电极组件144，并且第二组电极146和148折叠在一起以产生第二电极组件150的又一种实施方案。该双组件构造便于与包括一个或多个内部构件152的电池外壳151一起使用，如图15B和15C中所示。这些构件152用来减小电池外壳因膨胀和内部压力而引起的偏转和凸出，而不需要增加电池外壳的壁厚度。构件152优选地是镀镍钢。这些内部构件152可以在电极组件引入之前或之后点焊到外壳的内表面，有效地减小支撑之间的横梁长度。这样它们可以处于拉伸以减小外壳壁因膨胀和内部压力而引起的偏转和凸出。内部构件152不需要与在任何情况下与外壳内表面接触的阴极物质电绝缘。这种类型的设计是较薄壁的外壳可以与能容量的相应增加一起使用的一种方法。
现在将描述根据本发明的棱形电池构造的几个实例，它们说明这种电池构造的一些性能特性。实例适用于可以在0.5-2安培放电时输送高容量的IEC 7/5F6棱形尺寸(6mm×17mm×67mm，0.33mm壁厚度，大约15.74mm×63.80mm×4.95mm内部尺寸)的通用MnO2/Zn电池。另外，电池的能容量不会过度损害使得相当容量仍然在低至中等速率放电时可用。测试实例单元并且数据显示本发明增加较高放电率时的利用率，同时基本上不影响低速率测试时的利用率。图16显示每个实例的放电曲线。实例涉及可以封装在标准尺寸的涂镍钢罐中、适合于给定电池形式的电池。阴极组成可能是任何类型，典型地是包括EMD(γ-MnO2)、导电粉末以及剩余物为其他添加剂例如粘结剂和电解质的原碱性电池。电解质是通常4N-12N氢氧化钾的含水碱性溶液。电解质可能包含溶解的氧化锌(ZnO)、表面活性剂和其他添加剂，以便减少负电极内活性锌的起泡。
在实例中使用的MnO2阴极组成包括基于重量Kerr-McGee高漏EMD 72.6％，KS-15石墨8.2％，PTFE-30悬浮体0.4％以及9NKOH 18.8％的预混合料。阴极结构制成使得它们具有必要的物理完整性和电子导电性以允许在高速生产中处理以及提供从折叠内部到电池容器壁的良好电子迁移特性。这可以通过使用导电填料、增强材料、粘结剂或载体网制成复合阴极来实现。获得必要机械和电子性质的特定方法可以是将金属箔或网应用于阴极物质的外表面，使得该金属结构提供到容器壁的电子接触以及到折叠内部的连续电连接。混合在Readco混合器、球磨机或其他适当混合器中进行，以提供适当的胶合特性从而粘着到Ni衬底。标准衬底是非退火膨胀金属(Dexmet3Ni5-077)。
在下面的实例中，锌凝胶用来形成电池的阳极组件。
在实例5-8中，内部和外部电极的纵向尺寸近似等于容器的全部内部高度减去密封所需的高度，这典型地为内部高度的至少70％，使得电极复合材料占据几乎容器的全部长度并且使能容量最大化。对于棱形电池，阴极重量大约为11g并且厚度大约为0.041英寸。压制时存在电解质的一定损耗(大约0.5-1.0g)。
实例5
利用本发明的电极组件的测试电池被制造和测试。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。由包含涂锡钢衬底的ScimatSM700/79隔板制备的大约28mm×62mm的隔板袋用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。涂敷到60mm×62mm的膨胀金属衬底上的平面MnO2阴极使用图17A和17B中所示的折叠构造(阳极160，阴极162，外壳或壳164)围绕阳极封装。阴极组件重量为11.11g。焊接到它们各自衬底的阳极和阴极引线从外壳的相对端伸出。当以500mA的恒定电流放电直到0.8伏特时，该电池产生1.22Ah的容量。
实例6
利用本发明的电极组件的第二测试电池被制造和测试。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。由包含涂锡钢衬底的Scimat SM700/79隔板制备的大约28mm×62mm的隔板袋用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。涂敷到60mm×62mm的膨胀金属衬底上的平面MnO2阴极使用图17A和17B中所示的折叠构造围绕阳极封装。阴极组件重量为10.82g。焊接到它们各自衬底的阳极和阴极引线从外壳的相对端伸出。当以500mA的恒定电流放电直到0.8伏特时，该电池产生1.25Ah的容量。
实例7
利用本发明的电极组件的第三测试电池被制造和测试。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。由包含涂锡钢衬底的Scimat SM700/79隔板制备的大约28mm×62mm的隔板袋用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约4.5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。涂敷到60mm×62mm的膨胀金属衬底上的平面MnO2阴极使用图17A和17B中所示的折叠构造围绕阳极封装。阴极组件重量为10.14g。焊接到它们各自衬底的阳极和阴极引线从外壳的相对端伸出。当以500mA的恒定电流放电直到0.8伏特时，该电池产生1.33Ah的容量。
实例8
利用本发明的电极组件的第四测试电池被制造和测试。锌凝胶包括粉末状金属锌或锌合金以及可选地氧化锌，连同适当胶凝剂例如羧甲基纤维素、聚丙烯酸、淀粉及其衍生物。由包含涂锡钢衬底的Scimat SM700/79隔板制备的大约28mm×62mm的隔板袋用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约4.5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。涂敷到60mm×62mm的膨胀金属衬底上的平面MnO2阴极使用图17A和17B中所示的折叠构造围绕阳极封装。阴极组件重量为11.57g。焊接到它们各自衬底的阳极和阴极引线从外壳的相对端伸出。当以500mA的恒定电流放电直到0.8伏特时，该电池产生1.37Ah的容量。
四种实例电池的放电电压曲线在图16中说明。在上面的所有实例中，直到0.8V截止的容量输送大于将从7/5F6形式的标准构造碱性电池中预期的。作为比较，当以500mA放电直到0.8V时该型号的棱形碱性电池的最近报告容量是1.08Ah。根据本发明构造的电池输送15-30％的好容量。
可预见本发明的设计的其他表示。例如，装配和过程变量例如：阳极重量，阳极浸渍时间，压缩程度，阴极组成，阴极衬底，以及阴极到罐的集电可以“细微调谐”以使得嵌入式“U”设计的电气性能最大化。改变电极的长度或者折叠的长度和数目以提供比实例中描述的折叠电池中给出的更优的表面积和容器填充也是可能的。
其他实施方案和制造方法
如应当从前述描述中对本领域技术人员显然，本发明的原理可以在许多不同实施方案中应用并且通过许多不同的制造和装配方法实现。为了进一步例证这些原理及其广泛的应用范围，现在将描述另外的制造方法以及执行这些方法的电池的实施方案。
如先前在这里描述的，本发明的电池的一种特定实施方案利用折叠成波纹结构(或其他折叠构造)，然后形成或塑模以装入电池容器或外壳的平面电极层叠。该类型的实施方案已经显示增加阳极与阴极的界面表面积并且提供相对于本领域中已知的简单线轴电池增加的功率。虽然这种类型的制造电池的方法先前已经在这里描述，具有该类型结构的实施方案同样可以由可能更节省成本且更有助于可制造性的其他方法形成。
利用颗粒状外部电极材料，例如阴极材料组成的方法已经显示更节省成本且更有助于可制造性。现在将为了进一步例证这种实施方案而更详细地描述利用颗粒状外部电极材料的实施方案的各种制造方法。
外部电极材料组成，例如阴极组成容易以颗粒状混合，并且可以在进一步处理例如在电池容器外部或内部压制成塑模环或芯粒之前容易地以这种状态存储。通过利用颗粒状的外部电极材料，任何破损芯粒或其他材料损耗可以容易地反馈到处理的混合或粒化阶段以再加工，从而进一步减少制造成本。这是优于使用板状或衬底形式的外部电极的一个显著优势，在板状或衬底形式的外部电极中废品率可能因增加的尺寸以及与常规外部电极衬底结构相关的机械完整性约束而更高。
现在参考图18A，将描述包括外部电极材料的插入塑模的方法。在该实施方案中，外部电极材料用作阴极。如图18A中示意显示的，如先前在这里描述的隔板封装的阳极160置于形成模具162中。软膏或糊剂形式的颗粒状或粉末状阴极材料164经由一个或多个注射口165注入模具162中并且强制围绕阳极160。模具162优选地根据常规注射塑模、压缩塑模、铸造或挤压技术而设计，并且阴极材料164可以通过由压模机，例如活塞或柱塞型压力机，或者相关领域中已知的任何其他类型的机器产生的压力而注入到模具中，以产生足够用于阴极材料164在模具162中的适当填充、封装和分布的压力。在模具已经使用适当量的阴极材料164适当填充之后，并且取决于使用的特定塑模技术，模具可以进一步压缩以形成具有适当密度和尺寸的电极组件。任何数目和类型的添加剂可以在过程的任何点引入，例如另外的电解质。在优选实施方案中，如先前在这里描述的使用基本上干燥的胶状阳极方案。因此，电解质的添加和特别湿的阴极材料的使用以调节形成可以通过使用这种胶状阳极方案而相互抵销。同样应当理解，模具162可以在任何类型的塑模过程，例如注射或压缩塑模、挤压、铸造等，或其任何组合中实现。在优选实施方案中，模具162在挤压塑模过程中使用以形成具有在塑模过程中插入的内部电极的电极组件。作为结果的电极组件然后可以在完整电池单元制造时使用。
图18B说明由该方法形成的三种电池的放电曲线。在这些电池中使用的MnO2阴极组成包括基于重量Kerr-McGee高漏EMD72.6％，KS-15石墨8.2％，PTFE-30悬浮体0.4％以及9N KOH18.8％的预混合料。隔板袋由包含涂锡钢衬底的Scimat SM700/79隔板制备，并且用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约6g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。20mm×40mm的袋被制备并折叠成V形，并且10.8g的阴极围绕V形阳极而挤压。该电池以1安培的恒定电流放电直到0.8伏特并且产生0.39Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生1.12Ah的累积容量。对于11.2g的阴极挤压成的类似构造的电池，当以1安培的恒定电流放电直到0.8伏特时，该电池产生0.05Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生1.12Ah的累积容量。对于40mm×40mm的袋被制备并折叠成W形的电池中，大约12g的阴极围绕W形阳极而挤压，当以1安培的恒定电流放电直到0.8伏特时该电池产生0.05Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生1.74Ah的累积容量。
现在参考图19A，说明电极形成的另一种方法。在该实施方案中，外部电极材料用作阴极。在该方法中，颗粒状或粉末状阴极材料在折叠之前的一系列步骤或阶段中围绕隔板封装的阳极压制和层叠。如图19A中所示，在第一阶段中，阴极材料的第一部分170进入模具172，然后以基本上扁平构造压制。隔板封装的阳极174然后放置在压制后的阴极材料的第一部分170的顶上。阴极材料的剩余部分176放置在阳极172的顶上，然后压制成基本上扁平构造以形成“三明治”形式的子组件178，如图19A中所示。该“三明治”子组件178然后折叠并压缩成波纹形状，然后可以在完整电池单元的制造期间插入到电池容器中。在优选实施方案中，阳极172可以预先折叠成波纹或其他折叠构造然后重新压平，这使得最终形成更容易。在优选实施方案中，可以利用旋转压力机来利于形成阶段。
在图19A中说明的方法的变化中，弹性、非金属衬底，例如无纺聚合物薄膜可以在某些阶段插入到模具中，使得它位于作为结果的层叠的外部，这为外部电极提供另外的机械完整性。无纺衬底可以涂敷有导电碳墨以赋予导电性。
图19B说明由该方法形成的电池的放电曲线。使用的MnO2阴极预混合料组成包括基于重量Kerr-McGee高漏EMD 56.5％，高级石墨ABG1010石墨5.2％，PTFE-30悬浮体0.3％以及9N KOH 38％的预混合料。40mm×40mm的隔板袋由包含涂锡钢衬底的ScimatSM700/79隔板制备，并且用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约6.5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。阳极预先折叠成W，然后阴极材料划分成3.4g的3个近似相等的部分，每个压制成折叠阳极的V形凹槽。大约2g总重量的另外小部分阴极涂敷到0.520英寸压缩模具的内部顶面和底面上，电极组件在插入到AA型号罐之前放置在该压缩模具中以压缩。当以1安培的恒定电流放电直到1伏特时该电池产生1.0Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生1.9Ah的累积容量。
图19C说明由与关于图19A描述的那些类似的方法形成的电池的放电曲线。在该电池中，涂有碳的吸收剂结合阴极材料使用，而不是膨胀金属衬底。使用包含基于重量Kerr-McGee高漏EMD71.4％，高级石墨ABG1010石墨6.6％，PTFE-30悬浮体0.4％以及9N KOH 21.6％的预混合料的阴极组成并且压制到扁平地位于压制模具中的涂有碳的吸收剂上。总共13.5g的阴极材料划分成2等份使用。阴极/阳极/阴极三明治折叠成W形并且在0.520英寸压缩模具中压缩。当以1安培的恒定电流放电直到1伏特时该电池产生1.12Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生1.76Ah的累积容量。
图20A说明另一种方法和相关实施方案。在该实施方案中，外部电极材料用作阴极。在该实施方案中，阴极材料的第一部分塑模以形成围绕电池外壳185的壁184的环182。阴极环182经由常规碱性线轴电池制造中众所周知的方法形成。例如，阴极环182可以在电池外壳外部塑模或者直接塑模到外壳中。阴极环182也可以相对于外壳壁184压紧以保证与其良好的接触。在该方法中，电池的总阴极材料的一部分用来形成环182，例如总阴极材料的20-60％。环182建立与外壳壁184的有效接触，并且在外壳内创建环的内部空间，这也限定与折叠内部电极188，例如隔板封装的阳极接触的内表面186。阴极材料的剩余部分190围绕折叠内部电极而分布，并且一起压缩以形成符合环182轮廓的电极子组件192。然后子组件可以在电池单元的制造期间插入电池外壳185内的环182中。
图20B和20C说明图20A中描绘的方法的备选形式，其中电极子组件192在电池外壳185内形成。参考图20B，在阶段1，阴极环182在电池外壳185内由阴极材料的第一部分形成。阴极环182可以经由本领域已知的方法塑模到外壳中。阴极环182也可以相对于外壳壁184压紧以保证与其良好的接触。在阶段2，完成的隔板封装的阳极188插入外壳185内由环182限定的内部空间中。在阶段3，电池外壳内的剩余空间用阴极材料的剩余部分190填充。图20C的步骤1说明预先成形的隔板封装的阳极188例如由模具D的形成，以及它到电池外壳185内环182的内部空间中的插入。图20C的步骤2说明阴极材料注射器194到阳极188的折叠之间的电池外壳185中的插入。步骤3说明随着注射器194退出外壳185，外壳185用阴极材料的填充。这样，在该实施方案中，大部分形成步骤通过使用外壳以便包含组件来执行。
图20D说明由关于图20A-20C描述的方法形成的两种电池的放电曲线。用来形成同心环的MnO2阴极预混合料组成包含基于重量Kerr-McGee高漏EMD 89％，高级石墨ABG1010石墨6％以及9NKOH 5％的预混合料。四个环由该材料制备，每个具有.394″的高度和0.4英寸的内部直径。40mm×40mm的隔板袋由包含涂锡钢衬底的Scimat SM700/79隔板制备，并且用包含65％锌粉末、34.5％KOH和0.5％Carbopol的大约6.5g锌凝胶组成填充以形成阳极组件。阳极预先折叠成W的形状。包含基于重量Kerr-McGee高漏EMD56.5％，高级石墨ABG1010石墨5.2％，PTFE-30悬浮体0.3％以及9N KOH 38％的第二阴极组成用来形成内部阴极部分。该后者阴极材料划分成2.3g的3个近似相等的部分，每个压制成折叠阳极的V形凹槽并且整个电极组件在插入到AA型号罐之前放置到0.520英寸的压缩模具中以压缩。当以1安培的恒定电流放电直到1伏特时类似制备的两种电池产生0.7-1.05Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生2.05-2.2Ah的累积容量。
图20E说明由与关于图20A-20C描述的那些类似的方法形成的电池的放电曲线。该电池以阴极环和阳极袋形成的方式与关于图20A-20C描述的完全相同地形成。但是，包含基于重量Kerr-McGee高漏EMD 71.4％，高级石墨ABG1010石墨6.6％，PTFE-30悬浮体0.4％以及9N KOH 21.6％的预混合料的阴极组成用来形成内部阴极部分。该阴极材料以37.000psi在扁平模具中压制成大约3mm的厚度，然后切成6mm宽×41.4mm长的条。这些条放置到折叠阳极的V形凹槽中并且整个电极组件在插入到AA型号罐之前放置到0.40英寸的压缩模具中以压缩。当以1安培的恒定电流放电直到1伏特时该电池产生1.08Ah的容量，并且在3.9欧姆电阻器上直到0.7伏特的另一种放电中产生2.23Ah的累积容量。
虽然许多消费者电子应用例如数字照相机需要具有高功率放电容量的碱性电池，但是在一些应用例如时钟和收音机中利用具有中等范围功率放电容量的增加电平的电池可能是优选的。为了增加碱性电池的中等速率放电容量，电极组件的备选构造可以代替在上面讨论的高功率电池中使用的内部电极的密集波纹或W结构而使用。更具体地说，可以构造内部与外部电极之间的分界面面积以增加中等速率放电容量超过高速率放电容量。这种中等范围功率构造包括用来构造电池的减少量的电极电流集电器和隔板。这些材料的减少降低电池的制造成本同时增加电池中可用于插入更多活性材料的体积。在电池构造中利用更多活性材料将增加电池的能容量。
增加电池的能量与减小其功率之间的折衷可以通过适当地减少内部与外部电极之间表面积的量来实现。代替使用内部电极的密集波纹结构例如W形，可以使用具有较不密集构造的备选几何构造；例如，曲线几何结构例如c，n，o，s，u，v，w和z形。
将曲线形内部电极和外部电极，也就是电极组件嵌入电池外壳中可以使用上面显示的任何方法实现。图23-25描绘包括各种曲线形内部电极的几种电极组件，其中内部阴极部分分成一个(O构造)，二个(S构造)或三个(V构造)隔开区域、面积或折叠。当与碱性电池的圆柱轴成一直线观察时，这些曲线形状的利用提供通过隔开区域比在W构造中限定的那些段更大更开阔而便于外部电极材料-经由注射器或材料的流动-插入的额外优势。
中等范围功率构造的曲线形内部电极与高功率内部电极的密集波纹也就是W构造的比较现在将关于包括长度L的阴极环和0.4英寸的内径；以及3.19cm的内部周长(π×内径)的常规线轴电池-图21中所示-讨论。
参考图22，包括宽度4cm具有扁平表面的密集波纹内部电极的电池单元以W形构造。内部电极的表面积是8L cm2(内部电极的2侧×4.0cm×L)。
参考图23，包括宽度3cm具有扁平表面的内部电极的电池单元以O曲线形构造。内部电极的表面积是6L cm2(内部电极的2侧×3.0cm×L)。
参考图24，包括宽度3.7cm具有扁平表面的内部电极的电池单元以S曲线形构造。内部电极的表面积是7.4L cm2(内部电极的2侧×3.7cm×L)。
参考图25，包括宽度2cm具有扁平表面的内部电极的电池单元以V曲线形构造。内部电极的表面积是4L cm2(内部电极的2侧×2.0cm×L)。
图21-25中所示每个电极组件构造的界面面积的比值的比较产生下面：
内部电极构造          相对于A线轴电池的界面面积的比
值
线轴电池              3.19/3.19＝1
V                     4/3.19＝1.25
O                     6/3.19＝1.88
S                     7.4/3.19＝2.32
W                     8/3.19＝2.50
如由上面的图表可以看出，曲线几何结构中一些-特别是v和o构造的内部电极-与较密集的w构造的内部电极相比较提供界面面积的显著减小。除了与内部电极材料，例如使用的阳极电流集电器和隔板材料的减少相关的降低的制造成本之外，图23-25的曲线几何结构便于外部电极材料，例如内部阴极材料的颗粒状或细长物质通过较大开口的插入。
不管内部电极的形状，外部电极的内部与外部部分之间的电子流动可以通过在封装内部电极的隔板的外表面上涂敷薄的多孔导电涂层，例如碳来增强，其追踪朝向容器壁的路径。
为了进一步说明关于具有中等速率放电应用的增加容量的碱性电池的本发明原理和范围，下面提供几个例证。
下面所有实例涉及外部电极是包含二氧化锰的阴极并且内部电极是包含锌的阳极的碱性AA电池构造。内部电极限定适合于碱性电池的期望放电容量的折叠曲线形状。外部电极由两个不同的部分形成，外部部分是与电池容器壁接触的圆环的层叠，并且内部部分是形成由折叠内部电极限定的折叠或隔开区域的一个或多个细长物质。作为选择，外部电极的内部部分也可以是注入由曲线形的内部电极限定的隔开区域中的颗粒状阴极材料。外部电极的内部部分在折叠的外缘附近可操作地连接到外部电极的外部环部分，并且同样地外部电极物质制成连续的。外部电极不包含金属电流集电器。
各种组成、重量和尺寸可以用于外部电极的外部部分例如环和内部部分例如阴极。这些参数限定可能放电容量和外部与内部部分的阳极与阴极表面积接触的分配。同样地，参数可以考虑到其预期应用也就是高速率放电容量，中等速率放电容量来调节以优化电池的性能。
对于下面讨论的实例，内部阴极组成是71.4％EMD，6.6％石墨(高级石墨ABG1010)，21.6％KOH以及0.4％PTFE悬浮体。下面实例的内部电极是包含大约64.5％锌粉末，35％KOH溶液和0.5％胶凝剂的6.5g锌凝胶。内部电极包含在由Scimat 700/78和31/08隔板材料制成的热封双层袋中。该袋也封入具有绝缘铜引线的多孔涂锡钢箔电流集电器。绝缘铜引线从袋中出现以连接到电池的负端端子。改变袋的宽度以调节折叠成各种几何构造以便装入环内部，同时允许外部电极的内部和外部部分之间的良好接触，这对于整个电极的有效放电是重要的。
碱性电池的一种装配方法包括将大量颗粒状阴极材料压制成环形模具以形成环形芯粒。优选地，三至四个芯粒插入到电池容器中以形成阴极的外部部分。凝胶填充的阳极袋预先折叠成期望构造并且浸入9N KOH溶液中。内部阴极材料压缩并成形以形成置于松散折叠的阳极袋中的期望重量和尺寸的细长物质。阳极/内部部分阴极组件置于圆柱压缩模具中，并且压制以形成紧密对应于阴极环的内部尺寸的圆柱体。添加另外的9N KOH电解质并且阳极连接焊接到负极端子端盖，并且电池密封。
包括各种曲线形内部电极的碱性电池的几个实例在下面讨论。
实例9
O形内部电极-外部阴极物质包括由89％EMD，6％石墨(高级石墨ABG1010)和5％KOH混合物压制的具有0.420″内径和0.525″外径的四个1.5g芯粒。阳极袋大约41mm高×28mm宽，形成开口圆柱体。内部阴极物质是重量大约6g的单个杆状物质。
实例10
S形内部电极-外部阴极物质包括由89％EMD，6％石墨(高级石墨ABG1010)和5％KOH混合物压制的具有0.420″内径和0.525″外径的四个1.7g芯粒。阳极袋大约41mm高×34mm宽，形成轧制的S形。内部阴极物质是总重量大约4.4g的两条半圆形横截面。
实例11
W形内部电极-外部阴极物质包括由87％EMD，8％石墨(高级石墨ABG1010)和5％KOH混合物压制的具有0.436″内径和0.527″外径的四个1.5g芯粒。阳极袋大约41mm高×39mm宽，形成轧制的波纹W形。内部阴极物质是总重量大约4.35g的三个扁平条矩形横截面。
实例12
使用涂碳袋的S形内部电极-电池与实例10相同，但是不是浸渍在KOH中的阳极袋在装配过程中浸渍在由50ml 9N KOH中的5gABG1010石墨制备的软膏中，以将碳涂层涂敷到隔板。
实例13
使用涂碳袋的W形内部电极-电池与实例11相同，但是不是浸渍在KOH中的阳极袋在装配过程中浸渍在由50ml 9N KOH中的5gABG1010石墨制备的软膏中，以将碳涂层涂敷到隔板。
碱性电池实例在下面的参数下电测试：1安培放电直到1.0伏特，之后是2秒钟搁置，然后1安培放电直到0.8伏特，之后是30分钟搁置，然后3.9欧姆放电直到0.8伏特，2秒钟搁置，3.9欧姆放电直到0.7伏特。该测试提供访问高速率和中等速率放电容量的方法。上面碱性电池实例的更多细节下面在表格2中提供。
表格2
Figure BDA0000047902880000381
图26是比较具有各种内部电极几何结构的实例9，10和11的电池性能的放电曲线的图，特别显示高速率放电容量性能如何随着阳极与阴极之间增加的界面面积而增加。注意，性能提高中一些可能与阴极环中更高的碳含量以及更薄壁的芯粒相关。后者设计特征可能允许电活性阴极材料在外部(环)和内部(外部环内和阳极折叠)阴极物质之间的更好分布，以及可用于电解质的另外内部体积。
图27比较来自使用和不使用涂碳袋的具有S形内部电极的实例10和12的电池。图28是对于使用和不使用涂碳袋的具有W形内部电极的实例11和13的电池的类似绘图。在嵌入式金属电流集电器不存在的情况下，隔板上的碳涂层提高外部和内部阴极物质之间的导电，提高高速率和低速率放电容量性能。
图29和30描绘具有包括利用更开阔几何结构的曲线形，例如S形内部电极子组件的备选装配方法。由S形电极提供的更开阔几何结构便于外部电极的内部部分到电极子组件的更大内部间隙(隔开区域)中的插入-与W形电极相比较。
参考S形内部电极和电极子组件，一种装配方法包括图29-30中所示的步骤，其中平面电极100由心轴夹持并且旋转成期望形状(参看图29A和29B)。平面电极100可以相对于外部接触点旋转或者向下通过烟囱形孔。一旦形成，折叠内部电极100可以放置在电池容器104中外部电极材料的环102内(参看图29C)并且阴极材料的内部部分106然后经由通过中空心轴或者通过位于空隙空间中并且随着阴极材料填入而抽出的一些其他喷嘴的注射而引入空隙空间中。
作为选择，在将折叠内部电极100插入电池外壳104中之前，内部电极材料的细长物质106可以插入更开阔的间隙中(参看图30A)并且折叠内部电极100与内部电极材料的细长物质106压缩(参看图30B)成单个电极子组件108，然后放置在外部电极材料的环102内和电池容器104内(参看图30C)。
应当理解，对于这里描述的利用颗粒状阴极材料的许多实施方案，优选地使用(基本上干燥的)胶状阳极方案以相互抵销电解质的添加和特别湿的阴极材料的使用。由电解质引起的内部阳极方案的任何膨胀基本上将进一步使得与电极组件相关的容差变紧，并且保证内部阳极电极与外部电极材料之间的良好接触，这有助于电池的性能特性。
虽然具体实施方案已经在这里说明和描述，但是可以想到不明显背离于本发明本质的许多修改，并且保护范围仅由附随权利要求的范围所限制。

Claims (15)

1.一种电化学电池单元，包括：
-具有内表面、第一端子和第二端子的限定内部空间的单元外壳；以及，
-位于所述内部空间中的电极子组件，该电极子组件包括：
-s形内部电极，其包括含于袋中的凝胶，其中所述袋封入电流集电器；
-在所述内部电极附近形成的环形外部电极组件，使得所述电极子组件的外边限基本上与由所述单元外壳的所述内部空间限定的轮廓一致；以及，
-封装所述内部电极的隔板；
其中所述外部电极组件的一部分被放置于所述内部电极之中；以及
其中所述外部电极组件与所述内部电极离子连通并且与所述单元外壳的所述第一端子电连通，并且所述内部电极与所述外壳的所述第二端子电连通。
2.根据权利要求1的电池单元，还包括覆盖所述隔板的多孔导电涂层。
3.根据权利要求1的电池单元，其中所述隔板是涂碳的。
4.根据权利要求1的电池单元，其中所述外部电极组件包括内部部分和外部部分，每个部分具有大量电活性阴极材料。
5.根据权利要求4的电池单元，其中所述内部部分与所述外部部分的质量比具有基本上0.5至2.0的范围。
6.根据权利要求4的电池单元，其中所述单元外壳的所述内表面与所述第一端子连通，使得所述内表面与所述外部电极组件之间的接触建立所述内部部分和所述外部部分与所述第一端子之间的电连通。
7.根据权利要求1的电池单元，其中所述内部电极形成阳极，而所述外部电极组件形成阴极，并且其中所述第一端子具有正极性，而所述第二端子具有负极性。
8.根据权利要求7的电池单元，其中所述阳极包含锌。
9.根据权利要求7的电池单元，其中所述阴极包含二氧化锰。
10.一种制造电化学电池单元的方法，该方法包括以下步骤：
-提供具有内表面、第一端子和第二端子的限定内部空间的单元外壳；以及，
-形成电极子组件，该电极子组件包括：
-曲线状内部电极，其限定至少一个隔开的区域，并包括含于袋中的凝胶，其中所述袋封入电流集电器；
-基本上在所述内部电极附近形成的外部电极组件，使得所述电极子组件的外边限基本上与由所述单元外壳的所述内部空间限定的轮廓一致；以及，
-封装所述内部电极的隔板；
其中所述电极子组件被放置在所述单元外壳的所述内部空间之中。
11.根据权利要求10的方法，还包括：
-将阴极材料压缩成期望的形状；
-将压缩的阴极材料插入所述内部电极的所述至少一个隔开区域之中；以及，
-将压缩的阴极材料和内部电极插入所述单元外壳之中。
12.根据权利要求10的方法，还包括：
-提供由大量压制的阴极材料构成的环形芯粒；
-将多个环形芯粒插入所述单元外壳之中以形成所述外部电极组件的外部部分；
-将内部电极插入外部电极组件的外部部分中；以及，
-将大量内部阴极材料插入所述外部电极组件的所述外部部分之中，所述内部阴极材料基本上填充由所述内部电极的所述曲线状构造限定的所述至少一个隔开区域。
13.根据权利要求12的方法，还包括：
-插入到所述外部电极组件的所述外部部分之中的所述内部阴极材料与所述外部电极组件的所述外部部分的所述压制的阴极材料之间的质量比基本上为0.5-2.0。
14.根据权利要求10的方法，其中所述隔板是涂碳的。
15.根据权利要求10的方法，还包括：
-用9N KOH溶液涂敷所述内部电极。
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