CN1285083A - 原电池的凹入电极杯形座 - Google Patents

Abstract

一种采用包括一个诸如凹入区(10)的杯形座(2)和一个外罩(30)的电池外壳的最好是微型的原电池,其中,上述的凹入区(10)配置于靠近杯形座的开口端,以便使电池垂直部分的大部分截面厚度有效地用作杯形座壁的厚度,从而使电池的最大内部容积用于装置活性元件。

Description

原电池的凹入电极杯形座

本发明涉及原电池(尤其是微型原电池)及制造这种原电池的工艺。

电器的微型化要求采用小型而高能的电化学电池。公知采用碱性电解质的电池具有高的单位体积的能量密度，因此很适用于微型电器如：助听器、照相机、手表和计算器。但是，碱性电解质例如氢氧化钾水溶液和氢氧化钠溶液对于润湿金属表面具有亲合性，因此都知道这种电解质会通过电化学电池的密封金属界面渗漏出来。这种方式的漏泄会消耗电池中的电解液，并导致电池表面产生腐蚀性沉积物，因而有损电池的外观、降低其商品价值。这些腐蚀性的盐也可损害放置电池的电器。会出现上述问题的典型电池有：氧化银-锌电池、镍-镉电池、空气去极化电池和碱性二氧化锰电池。

在现有技术中，通常在电池的杯形座与外罩之间加入绝缘的密封垫圈，以便形成电池的密封。一般说来，上述的密封垫圈必须用对电池中所装的电解质以及电池环境不活泼的材料制成。另外，这种密封垫圈还必须是柔性的而且抗冷变形，并在密封压力下保持上述特性，以便在长期的存放过程中保证有良好的密封。业已发现，诸如尼龙、聚丙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物和高密度聚乙烯之类的材料都适合用作大多数用途的密封垫圈的材料。

绝缘垫圈通常在杯形座的延伸壁插入其中时呈“丁”字形，所以在受径向挤压时，垫圈底部与杯形座壁的底部形成一种密封。

为了更好地保证良好的密封，通常在垫圈(包括基“U”形槽)上涂上密封剂，所以，在杯形座插入垫圈时，杯形座的延伸壁的边缘就座落在密封剂上，然后在加压时，垫圈的壁就被压到杯形座延伸壁的边缘上。

美国专利No.A-4302517公开了一种在电池的杯形座与外罩之间加入绝缘垫圈的密封的原电池，该原电池含有一个置于并且被压在外罩的边缘与杯形座的边缘之间的第一密封段和一个在杯形座内大致平行于杯形座壁延伸并形成多个互相隔开的容纳电池的电解质和/或电池反应产物的开口的第二外罩支承段。

常规电池中的密封垫圈通常延伸过电池内壁的整个长度。垫圈的体积可能超过电池内部体积的20％，因此，占据了电池中可用于容纳活性元件的很大的空间。

在普通类型的微型原电池中，密封垫圈的直立圆周壁的高度通常延伸过外罩的直立圆周壁的整个高度，这种类型的普通原电池的外壳要求外壳的厚度是一种由(1)外罩壁、(2)垫圈壁和(3)杯形座壁构成的三壁组件，因此，尺寸固定的电池的普通类型的外壳的内部体积便由于上述三壁组件而减小，这样就减小了可用于电池活性元件的空间。

于是，仍然需要有一种其外壳占据尽可能最小的体积从而使电池的电解质和/或反应产物占据最大体积的电池。

现在我们意外地发现，通过在杯形座壁上做出一个凹入区，可使密封垫圈座落在该凹入区上，从而尽量减少浪费的空间，使电池的内部空间最大限度地用于活性元件。

因此，本发明的第一方面是提出一种具有包含一个杯形座和一个外罩的电池外壳的原电池，上述的杯形座和外罩通过一个密封垫圈形成互相间的电绝缘，而所述垫圈装在外罩内并带有一个承接杯形座的凹槽，其特征在于，上述杯形座具有一个在其开口端附近带有一个向内凹入区的直立圆周壁，上述垫圈的壁向上延伸到不超过上述的凹入区之处。所述的电池最好是微型电池。

本发明还有利地提出一种微型电池结构，该结构采用了带有凹入区的杯形座和占据电池最小内部体积的外罩。

本发明还有利地提出一种用于采用低齿型“J”型垫圈的圆柱形微型电池的带有凹入区的杯形座和一种外罩，所以该电池具有大的可供其活性元件用的内部容积。

本发明的另一个优点是容易制成合适的带有凹入区的杯形座和外罩，并且制造成本低且容易组装。

本发明还有利地提出一种制造具有一个新颖的带凹入区的杯形座和一个占据电池最小内部容积的外罩的微型电池的方法。

因此，本发明总体上涉及一种使用占据较小体积从而将电池的内部容积主要留给电池的活性元件的带有凹入区的杯形座与外罩组件的微型原电池。本发明还涉及一种制造具有可用于电池的活性元件的最佳内部容积的微型原电池的方法。

在本发明的另一方面，提出一种具有一个第一电极、一个极性相反的第二电极、一个置于上述两电极之间的绝缘体和一种电解质的原电池，上述的所有部件都置入一种由两件组合的导电外壳内，所述的两件组合外壳中的一件是与第一电极电连接的外罩，而另一件是与第二电极电连接的杯形座。上述外罩的壁具有形成一个开口的边缘，上述杯形座的直立壁具有一个外表面和一个形成开口的边缘端部以及一个位于杯形座开口端附近的向内凹入区。置于上述外罩与杯形座之间的绝缘垫圈具有一个带有与第一电极接触的底面的本体件、一个具有上缘的外壁和一个与外壁隔开而构成“U”型槽的内壁。杯形座壁的边缘置于垫圈的“U”形槽内，垫圈的外壁置于外罩壁与杯形座壁之间，垫圈外壁的高度足以使其上缘处于杯形座壁内的带有凹入区的外表面上，而外罩壁的边缘紧压在垫圈上，从而通过垫圈使外罩与杯形座在凹入区处形成密封。

因此，更具体地说，本发明的这一方面提出一种原电池，它含有：

a)一个具有一种极性的第一电极；

b)一个具有相反极性的第二电极；

c)一个置于第一电极与第二电极之间的绝缘件；

d)一种电解质；

e)一个包容上述第一电极、第二电极、绝缘件和电解质的两件组合的导电外壳，上述两件组合外壳中的一件是与第一电极电连接并具有壁和构成开口的边缘的外罩，另一件是与第二电极电连接并具有带有外表面和构成开口的端部边缘而且在其开口附近带有向内凹入区的杯形座；和

f)一个绝缘垫圈，该垫圈具有一个其底面与第一电极接触的本体件、一个带有上缘的外壁和一个与外壁隔开而构成一个“U”形槽的内壁，其特征在于，上述杯形座壁的边缘置于垫圈的凹槽内，垫圈的外壁置于外罩壁与杯形座壁之间，垫圈外壁的高度足以使垫圈外壁的上缘位于杯形座壁的带有凹入区的外表面上，而外罩壁的边缘则压紧垫圈，从而通过垫圈使外罩在杯形座的凹入区处形成对杯形座的密封。

本文所用的“原电池”一词指出的是一种含有两个电极(正极和负极)、一个置于上述两电极之间的垫圈和一种电解质而且上述全部部件全都装在一个外壳内的电化学电池。在现有技术中“原电池”一词是标准用语，熟悉本技术的人们会容易知道制造这种电池的上述部件和外壳所用的合适材料。我们提出的原电池主要是指一种空气去极化电池。另外，我们得出的电池的负电极主要是含锌的电极。

本文所述的“凹入区”指的是杯形座壁上的形成任何变形的区域例如环圈、缘座或任何其他几何形状上凹入的轮廓。显然，凹入区的形状是为了使杯形座壁的边缘与垫圈共同配合。这样，可使杯形座壁进行任何合适程度的变形，以便使杯形座壁可与垫圈上相应部位相互作用。组装电池时，“向内”的凹入区就是朝电池内部凹进的部分。

上述凹入区可以是杯形座上形成一个凸肩的简单的向内变形。另外也可以是例如杯形座的端部先向内变形然后再朝电池外部向外变形。如上所述，上述凹入区的具体布局仅取决于对杯形座壁与垫圈共同配合的要求。我们提出的杯形座的凹入区具有环圈形状。

我们提出，垫圈的垂直延伸高度不超过杯形座壁的凹入区。具体说，这是指垫圈沿离开外罩底部的方向延伸的相对于外罩的直立圆周壁的位置。我们特别提出，外罩壁的边缘垂直延伸不超过凹入区的中心点，更具体地说，垫圈外壁的上缘的高度要超过外罩壁内表面的边缘端部，但是垫圈不延伸到增大电池最大直径的程度。当垫圈的高度超过外罩壁的端部时，则有助于防止由于外罩壁端部与杯形座相接触以及外来颗粒物桥接在外罩与杯形座之间所造成的短路。

凹入区的垂直位置上的中心点最好位于从杯形座壁的开口端测量的杯形座直立壁的垂直高度的5％至40％之间，更好是位于上述直立壁垂直高度的8％至30％之间，最好是位于杯形座直立壁垂直高度的10％至25％之间。

与现有类型的普通微型原电池不同的是，本发明的电池外壳优先使用一个带凹入的环圈的杯形座和仅具有用作外壳的垂直部件的单层壁(杯形座的直立壁)的厚度的外罩，因此外壳有最大的内部容积可接纳更多的电池活性元件。

本发明的外壳的杯形座的形状最好在其开口端附近带有凹入的环圈，从而使杯形座的大部分直立圆周壁的高度位于凹入区之上方。因此，电池外壳的截面厚度基本上仅由杯形座壁的厚度组成，而且本发明外壳的外罩的直立圆周壁的高度比现有技术电池的外罩的普通直立圆周壁小得多，外罩和垫圈的高度减小带来的附加好处是减少了制造过程中所用的材料。

我们提出，电池外壳至少有电池高度的35％的截面厚度仅由杯形座壁的厚度组成。我们特别提出，电池外壳至少有电池高度的50％、最好是75％的截面厚度仅由杯形座壁的厚度组成。

在本发明的最佳实施例中，杯形座做成其直立壁的边缘可变形到足以至少容纳一部分垫圈外壁厚度和外罩直立壁厚度的程度。杯形座在凹入区以上任何部位的平均外径为外罩平均外径的约95％～105％。最好是，杯形座的平均外径为外罩直立壁平均外径的97％～103％，更好是约100％。杯形座的直立壁最好向内变形到其平均外径大约等于外罩的平均外径。

本文用的术语“杯形座”和“外罩”在现有技术中是标准用语，熟悉本技术的人们会立即知道制造这种杯形座和外罩的合适材料。

本文用的术语“共同配合”指的是靠它使杯形座壁及其边缘与垫圈互相作用而形成一种密封的方法。我们提出将壁的端部装配入垫圈中形成的槽内而产生上述的相互作用。因为这种结构简单而且制造成本低。在垫圈内形成的凹槽可以是“U”形的，或者也可以先是“L”形，然后在杯形座边缘强制压入L形垫圈的底部时发生变形而成为“U”形。

本发明的再一方面提出一种将电池的各元件装入两件组合的导电外壳(一件是杯形座，另一件是外罩)内的方法，包含如下步骤：

a)制备一种具有一个其边缘部分形成一个开口的圆周形壁的导电杯形座，并在上述杯形座的开口端附近压出一个凹入区；

b)制备一种带有本体件的电绝缘密封垫圈，所述的本体件具有端接垫圈壁边缘的一个外直立壁和一个内直立壁，上述外壁和内壁互相隔开构成一个“U”形凹槽；

e)制备一种具有圆周形壁的导电外罩，所述圆周形壁具有一个形成一个外罩开口的边缘；

d)将电池的各元件置入杯形座和外罩内，然后将外罩置于杯形座上，使外罩的壁与杯形座的壁平行地对准，然后将垫圈以紧密接能的方式置于杯形座壁与外罩壁之间，并使垫圈外壁的边缘处于杯形座的凹入区处；和

e)使外罩壁的边缘固定在垫圈的外壁和杯形座壁上，以便通过垫圈有效地使外罩对杯形座形成密封而使外罩与杯形座之间电绝缘。

在上述方法的步骤(a)中，杯形座的凹入区可通过使杯形座的直立壁在其靠近开口端处发生变形而形成，这种凹入区的变形程度最好为垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的90％～110％。在凹入区测量的深度较好为垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的约95％～105％，最好为垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的100％左右。

我们提出，杯形座的直立壁的边缘端部缩进一个等于垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的90％～110％的深度，最好缩进一个等于垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和95％～105％的深度。

本发明的电池外壳的几何形状带来两个重要优点，第一，去掉凹入区以上的外罩直立壁和垫圈外壁可使负极杯形座部分扩张而不增大电池的外径，第二，通过在较靠近于垫圈和正电极之处设置密封件，使电池的密封性加强。具体地说，外罩垫圈和杯形座组件总体上通过使外罩卷曲向里靠到收缩垫圈上而形成密封。通过将卷边设置在较靠近于垫圈/电极的向里收缩点处可改善密封性。

在某些用途中，可使用导电的标签在电池一侧注明电连接点，采用一种具有电绝缘粘结剂内层的薄膜贴到负极杯形座壁上可以达到上述目的。而其外层可以是能与电池外罩电连接的导电表面，因此，电池一侧可用做外罩的终端或者说正极。

本发明的垫圈的性质不是关键性的，但通常在选用时要考虑到它在电解质中的稳定性、弹性以及抗冷变形的特性。合适的材料是聚合物例如：尼龙、聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、氯三氟乙烯、全氟烷氧基聚合物、聚乙烯化合物、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、熟悉本技术的人们容易明白，其他合适材料也可以用。在某些用途中，可采用另加的防护措施与本发明的垫圈相结合，以形成更有效的密封，例如在垫圈的选定部位涂上密封剂(如：脂肪聚酰胺树脂或沥青)。

人们将会明白，本发明的电池最好是圆柱形微电池，但是，如果合适的话，其他类型的电池也可用上述方法构成。更具体地说，我们提出，电池的造型是杯形座和外罩型，最好是圆柱形。

本发明的垫圈主要地或全部都装入外罩的壁内。在制造时，将杯形座的壁插入垫圈内，在此过程中，外罩对垫圈提供支承，在一个最佳实施例中，本发明的杯形座是电池的负极。在制造时，杯形座壁可以在负电极混合物装入杯形座之前插入垫圈的凹槽内，这样可使密封表面不粘上上述混合物，有助于保证抗漏泄的良好密封。

下面参看附图进一步说明本发明，附图中：

图1是用于一种空气去极化电池的负电极杯形座的剖视图；

图2是本发明用的低齿型密封垫圈的剖视图；

图3是按照本发明装有正电极的低齿型外罩的剖视图；

图4是图1的杯形座装有图2的垫圈和一个正电极时的剖视图；和

图5是装有杯形座、垫圈和倒置在带有图3的正电极的外罩上的图1的负电极且外罩的壁已被卷边而形成密封的电池的剖视图。

参看附图，图1示出一个具有本体件4和形成开口8的直立圆周壁6的圆形杯形座2。在直立壁6的开口端8附近形成一个向内凹入的环圈10。直立壁6端接一个大致与直立壁6保持一致的边缘12。如果需要，边缘部分14还可进一步变形到使其外壁缩进一定的(等于图2密封垫圈20的厚度与图3直立壁34的厚度之和)深度。在这种类型的实施例(未示出)中，杯形座2的平均外径可与密封外罩30的平均外径相等。应当明白，由环圈轮廓形成的区域10的变形程度可根据所需外罩几何形状的具体用途加以改变。

图2示出的低齿形密封垫圈20，它具有一个本体件22、一个内壁24和一个外壁26，上述内壁24和外壁26构成凹槽28。

图3示出一个具有本体件32和直立壁34的图形密封外罩30，在外罩30的底部设置有正电极36、空气分配膜片38和一层聚四氟乙烯40。正电极(通常称为空气电极)36可含有二氧化锰、活性炭和导电乙炔碳黑，再添加聚四氟乙烯(PTFE)弥散物，形成一种可涂敷在金属网上的混合物。聚四氟乙烯层40盖住具有外罩30的空气分配膜片38的整个底部32。外罩30具有模压的向内凸起部分42，以便形成一定的间隙使空气在外罩30内的电极36的表面均匀分布。可采用常规方法将包括膜片38、电极36和聚四氟乙烯层40的电极组件44固定在外罩30内。

图4和5示出带有负电极50的杯形座2，所述的负电极50含有置于杯形座2内并与杯形座2电接触的锌粉末，它可以是一种构成电池的负极50的锌粉、电解质和有机化合物(如粘合剂)的混合物。杯形座2可由三层材料制成，该材料含有层压到镀镍钢片的裸露侧的铜，上述镍层用于保护钢片的外表面。可用于制造杯形座2的其他层压材料有：在不锈钢基底上层压两层铜或由三层以上材料制成的层板，然后将上述的层压金属片冲压成的圆形盘件制成杯形座2。铜层构成杯形座的内表面，并直接与负电极混合物接触。

如图5所示，外罩30与插入的电极组件44一起置于按本发明预先组装的并含有负电极50的杯形座2下面。图中示出杯形座2的直立壁6的边缘12固定在密封垫圈20的凹槽28内，而垫圈20座则落在正电极36上。然后将外罩30的边缘54压向位于杯形座2与外罩30之间的电绝缘垫圈20，从而在外罩30与杯形座2之间形成一个密封和一个隔电层。

如图3和5所示，孔56穿入外罩30底部，起到进气口的作用。图5所示的电池具有与电极36电接触的外罩30和与电极50电接触的杯形座2，所以电池的端子位于相对的两端。

Claims (17)

1．一种具有外壳的原电池，上述的外壳包括经密封垫圈而电绝缘的一个杯形座和一个外罩，上述密封垫圈位于上述外罩内，并具有一条可承接上述杯形座的凹槽，其特征在于，上述杯形座具有一个直立的圆周壁，该直立壁在靠近杯形座开口端处带有一个向内凹入区，上述的密封垫圈垂直向上延伸但不超过上述的凹入区。

2．根据权利要求1的电池，其和特征在于，上述的外壳有至少35％以上电池垂直高度的截面厚度仅为杯形座壁的厚度。

3．根据权利要求2的电池，其特征在于，上述的外壳有至少50％以上电池垂直高度的截面厚度仅为杯形座壁的厚度。

4．根据权利要求3的电池，其特征在于，上述的外壳有至少75％以上电池垂直高度的截面厚度仅为杯形座壁的厚度。

5．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述杯形座的凹入区具有反向波形轮廓。

6．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述的杯形座的凹入区具有一个在电池的垂直轴线上测量的凹入区上的中心点，该中心点位于从杯形座直立壁的开口端测量的杯形座直立壁高度的大约5％与40％之间。

7．根据权利要求6的原电池，其特征在于，上述的杯形座的压入区具有一个在电池的垂直轴线上测量的凹入区上的中心点，该中心点位于从杯形座直立壁的开口端测量的杯形座直立壁的垂直高度的约8％与30％之间。

8．根据权利要求7的原电池，其特征在于，上述杯形座的压入区具有一个在电池的垂直轴线上测量的凹入区上的中心点，该中心点位于从杯形座直立壁的开口端测量的杯形座直立壁的垂直高度的约10％与25％之间。

9．根据权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述杯形座在上述凹入区上方的平均外径约为上述外罩的平均外径的95％～105％。

10．根据权利要求9的原电池，其特征在于，上述杯形座在上述凹入区上方的平均外径约为上述外罩的平均外直径的97％～103％。

11．根据权利要求10的原电池，其特征在于，上述杯形座在上述凹入区上方的平均外径约为上述外罩的平均外直径的100％。

12．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述的电池是一种空气去极化电池。

13．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述杯形座直立壁的边缘端部凹进的深度为上述密封垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的90％～110％。

14．根据权利要求13的原电池，其特征在于，上述杯形座直立壁的边缘端部凹进的深度为上述密封垫圈外壁厚度与外罩直立壁厚度之和的95％～105％。

15．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述的电池是圆柱形的微型电池。

16．根据上述权利要求中任一项的原电池，其特征在于，上述密封垫圈的凹槽是在将杯形座的边缘压入该垫圈时由L形变成U形的。

17．一种组装由上述权利要求中任一项限定的原电池的工艺方法，包含如下步骤：

a)制备一种具有一个以其一边缘端部限定一开口的直立壁的杯形座，并在该杯形座壁的开口端附近制备一个凹入区；

b)制备一种带有本体件的电绝缘密封垫圈，上述本体件具有端接一边缘的一直立内壁和一直立外壁，该直立内壁和直立外壁互相隔开限定一条“U”形槽；

c)制备一种具有圆周壁的导电外罩，上述圆周壁具有限定该外罩一开口的一边缘；

d)将电池各元件置入该杯形座和外罩内，然后将外罩置于杯形座上面，从而使外罩的壁与杯形座的壁平行对齐，然后将上述密封垫圈以紧密接触的方式配置在杯形座壁与外罩壁之间，并将密封垫圈的外壁的边缘配置于杯形座的凹入区处；和

e)将外罩壁的边缘固定在密封垫圈的外壁和杯形座壁上，以便通过上述密封垫圈形成外罩对杯形座的密封，从而使外罩与杯形座之间形成电绝缘。

Images