專利名稱：具有不導電芯體且表面金屬化的電化學電池用釘型集流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電化學電池(electrochemical cell)，特另'J是涉及 用于電池的集流器，所述集流器在電池電極與電池端子之間形成了導 電路徑。本發(fā)明還涉及一種密封組件，所述密封組件包括集流器和密 封件，所述密封件用于密封電池容器的開口端且用于在經(jīng)受過度壓力 時進行通氣。在優(yōu)選實施例中，所述電池是堿性電池且集流器將電池 負極電連接至負極端子。本發(fā)明還披露了用于制造集流器的方法。
背景技術：
常規(guī)的堿性電化學電池通常包括鋼制圓柱形罐體，所述罐體具有被 稱作陰極的正電極，所述正電極通常包括二氧化錳作為活性材料。所述 電化學電池還包括被稱作陽極的負電極，所述負極通常包括鋅粉作為活 性材料。在筒管型(bobbin-type)電池或釘型(nail-type)電池中， 陰極通常會成形靠在鋼罐的內表面上，而陽極通常被正中地設置在罐 中。隔件位于陽極與陰極之間，且堿性電解質溶液同時與陽極、陰極和 隔件接觸。導電性的集流器被插入陽極活性材料內以便提供通往負極外 部端子的電路徑。環(huán)形的聚合物(例如尼龍)密封件為鋼罐的開口端提 供了封閉從而將活性電化學材料密封在該罐的密封體積空間中。內蓋沿 徑向支承所述密封件，集流器、內蓋和密封件通常被組裝在一起以便形 成密封組件。
集流器必須具有導電性并提供通往端子的電路徑。因此，絕大多數(shù) 電池生產商(battery manufacturer)目前依靠的是由金屬或金屬合金 如銅或黃銅制成的集流器。通常情況下，這些金屬集流器上都鍍有附加 的導電材料?；旧蟻碚f，集流器所選用的材料必須具有足夠強的導電 性、使冒氣現(xiàn)象降至最小程度、具有足夠的耐久性而使電池的貯存壽命 最大化且在暴露于電池中的其它內部組分如陽極凝膠和堿性電解質時 具有足夠的耐久性和無反應性。
然而，以前的金屬和金屬合金集流器存在多個缺點。 一些材料如銅 等的高成本使得增加了電池生產商的總生產成本。此外，固體金屬和金屬合金部件則傾向于使整個電池出現(xiàn)不希望的重量增加。最后，當電池 進行放電且特別地處在深度放電狀態(tài)下時，金屬集流器在冒氣和泄漏方 面的性能較差。因此，已經(jīng)采取了多種解決方案來改進集流器的性能并 減輕集流器的腐蝕。
授權給Imai等的美國專利No. 6， 783， 895教導了一種用于堿性二 次電池的親水性集流器，所述集流器由鍍鎳的非織造織物制成。通過磺 化作用、氣態(tài)氟處理或乙烯基單體接枝法對該鍍鎳的非織造織物進行親 水化處理，且該發(fā)明還披露了一種通過對具有聚烯烴和聚酰胺纖維的非 織造織物進行親水化處理且隨后進行鍍鎳來制造所述集流器的方法。然 而，該發(fā)明所披露的集流器顯然僅有利于組裝這樣的二次電池，其中鎳 板的孔隙率對于增加電池容量而言是必要的，且該非織造織物具有從一 個表面延伸至其另一表面的多個微孔隙。
授權給St-Amant等的美國專利No. 5， 423， 974中披露了這樣一種 方案，其中在真空下對塑料膜的至少一面進行金屬化，隨后進行電化學 電鍍從而提供均勻的導電材料。由此獲得的金屬薄板片被附到塑料膜上 且受到所述塑料膜的支承，這樣形成的結構特別地可用作用于聚合物電 解質鋰電池的集流器。然而，該方案需要多個復雜的生產步驟，其中涉 及到真空的使用。
授權給Toshiba Battery Co.的日本專利No. 63108666教導了減 輕電性能劣化的方案，所述電性能的劣化是由于集流器中的腐蝕造成 的。特別地，與正電極接觸的導電塑料表面上涂覆有碳基導電漆。
授權給Toshiba Battery Co.的日本專利No. 62126548涉及將導 電塑料用作陰極集流器。特別地，在集流器的一側的中心處形成了金屬 薄層，且隨后將陰極導線連接至該金屬層。
就前面的內容來看， 一種適用于筒管型電池中的集流器和組合集流 器組件設計將會是受歡迎的。更特別地，需要提供這樣的一種棒形集流 器，所述棒形集流器的制造過程較為簡單且由輕質而并不昂貴的材料制 成。

發(fā)明內容
考慮到上面的因素，本發(fā)明的實施例的目的是提供一種具有集流器 的電化學電池，所述集流器是一種具有制造成本效益性的集流器、依賴于并不昂貴的材料且具有令人滿意的電性能。這種集流器應該具有不導 電芯體和導電表面層，特別是聚合物芯體，所述聚合物芯體的表面上沉
積有金屬。
本發(fā)明的實施例的另一目的是提供一種棒形負電極集流器，所述集 流器具有相對較輕的重量、具有導電性、與用于形成負電極的材料是相 容的、具有較高的氫超電勢以便減少電池中的氫氣產生量，由此提高產 品可靠性。
本發(fā)明的實施例的進一步的目的是提供一種用于電化學電池的集 流器組件，所述集流器組件包括適于被設置在電化學電池的容器的開口 端中的密封件或墊圈，其中集流器延伸穿過所述密封構件中的開口和被 連接至所述電池的正極端子或負極端子的非焊接電連接裝置。
本發(fā)明的實施例的又一 目的是提供一種具有復合集流器的電化學 電池，所述復合集流器具有不導電芯體和導電金屬表面層，其中所述電 池所呈現(xiàn)出的運行結果與具有金屬集流器的對照電池的運行結果是相 當?shù)摹?br> 顯然，本發(fā)明旨在特別地可應用于采用筒管型設計的電化學電池，
尤其是具有標準電池型號(如AAA、 AA、 CC或D)的那些電池和使用堿 性電解質的那些電池。然而，應該注意到上面的目標僅是示例性的， 且所屬領域技術人員將易于意識到根據(jù)下面對實施例及其所有各種衍 生方式和等效方式的描述來說可以包括在內的多個優(yōu)點和其它可選方 式，所有這些衍生方式和等效方式顯然被構想為構成了本發(fā)明的披露內 容的一部分。
因此， 一種滿足或超過了這些目標以及其它目標的電化學電池包 括堿性電解質、陽極和陰極，所有這些都被設置在容器內。棒形集流 器隨后被放置而與所述陽極或所述陰極電接觸，且被密封在所述電池容 器內?？墒褂脡|圏或密封件。所述棒形集流器由不導電芯體材料制成， 所述不導電芯體材料優(yōu)選是至少一種聚合物，且不含碳的導電材料被沉 積在所述芯體的最外表面上，所述不含碳的導電材料優(yōu)選是銅、錫、鋅 和/或其組合或合金。
本發(fā)明還描述了 一種集流器組件。所述集流器組件包括不導電的密 封轂套(hub seal)。理想地，該密封轂套將被制成墊圏尺寸以便與電 化學電池容器的開口端相匹配。棒形集流器穿透了所述墊團從而允許電
8流傳導通過所述墊圏。所述集流器具有不導電芯體，所述不導電芯體優(yōu) 選由至少一種聚合物制成。隨后在所述集流器上涂覆不含碳的導電材 料，如銅、錫或鋅。
最后，本發(fā)明描述了一種制造電化學電池的方法。不導電芯體由至 少一種聚合物制成。不含碳的導電材料隨后被沉積在所述芯體上，所述
沉積優(yōu)選是通過無電鍍覆(electroless plating)來實現(xiàn)的。隨后將 堿性電解質、陽極和陰極設置在適當?shù)娜萜髦?。所述?jīng)過鍍覆的芯體隨 后被插入，這可能是與密封墊圈相結合地進行的且所述芯體被插置穿過 該密封墊圏，以便保持容器與陽極或陰極之間的電接觸。隨后對所產生 的電池進行密封。
所屬領域技術人員結合下面的說明書、權利要求書和附圖將進一步 地理解和意識到本發(fā)明的這些及其它特征、優(yōu)點和目的。


可結合下面的附圖來理解本發(fā)明。圖中的部件并不一定是按比例繪 制的。此外，在附圖中，相似的附圖標記在所有的各幅圖中表示相應的 部件。特別是
圖la和圖lb分別是穿過棒形集流器和階梯形集流器的一個實施例 的垂直剖視圖2是穿過圖1所示的線A-A截取的分解視圖，圖中示出了可能的 導電涂覆層的一個實施例；
圖3是曲線圖，圖中示出了對于400mA和1000mA的連續(xù)耗盡 (drain)實驗而言，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的導電涂層與常規(guī)電池 性能相比所具有的優(yōu)化厚度；
圖4是具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的集流器組件的電化學電池 的一個實施例的縱向剖視圖5是用于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電化學電池的集流器組件 的側視圖；和
圖6A是用于根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的電化學電池的集流器組件 的側視圖，且圖6B和圖6C是集流器頭部的頂視圖，圖中示出了用以保 持容器或接觸端子與集流器組件之間的電接觸的相匹配的聯(lián)接部的一 個實施例。圖7-圖9分別示出了與實例1-3相關的數(shù)據(jù)的曲線圖。
具體實施例方式
下面參見附圖，其中附圖標記的后兩個數(shù)字指的是所有圖共有的部件或元件，圖1示出了本發(fā)明的集流器110的一個實施例。集流器110適于提供從正電極或負電極操作性地通往電化學電池的端子或蓋的導電路徑，在一些電化學電池設計中，所述導電路徑可與容器整合在一起。集流器110優(yōu)選被用于一次堿型電化學電池中且用來操作性地提供從
的另一導電構件的電流路徑/〃' ° 、' 、
集流器110是棒形的細長構件且適用于筒管型電化學電池設計中。所述棒可以呈圓柱形，優(yōu)選具有釘形形狀，所述釘形形狀的棒具有位于一端上的錐形端子和位于相對端上的擴大的變平的頭部。該圓柱體可具有變化的直徑(即呈階梯狀和/或是漸細的)或具有均勻直徑(即具有恒定直徑或不是漸細的)。除圓柱體以外，還可能使用其它管形形狀。示例性而非限制性地，這些形狀包括(分別)具有三條、四條或多條基本上平的邊的三角形、方形/矩形或多邊形管道。包括一條或多條平的邊連同一條或多條彎曲的邊的組合方式也是可能的。在每一實例中，該
部。顯然，該尖端通?？删哂腥魏卧O計且可例如具有錐形端部(如圖la和圖lb所示)、截錐形端部(如圖4所示)、變鈍的端部或類似形狀的端部。
如圖la所示，集流器110必然包括桿112。在優(yōu)選實施例中，桿112具有大體上恒定的外徑且設置了錐形端部114。顯然，該桿必須具有足夠的軸向長度以便高效地收集來自與集流器110接觸的電極的電流。在圖lb中，桿112具有階梯形外徑和錐形端部。此處，該桿同樣必須具有足夠的軸向長度和直徑以便高效地收集電流。
在圖la和圖lb中，集流器110的上端包括頭部116，所述頭部具有擴大的直徑但具有與桿112相比小得多的軸向長度，以便簡化具有以下設計的集流器組件的生產過程。即，頭部116通常具有比桿112更大的尺寸以便將集流器110保持在電池內的所需位置處。頭部116可具有沿其全部軸向長度或沿其軸向長度的一部分漸細的外表面，所述漸細是
10相對于集流器110的中心軸線所測量得出的。頭部116還從頭部116連接至桿112的上端的位置處向著所述頭部的上端沿徑向向外漸細，且徑向直徑可以優(yōu)化方式與桿112的徑向直徑相匹配(例如圓形、多邊形、不規(guī)則形狀等)。
其它頭部設計可并不是漸細的，或該頭部可包括多個沿徑向偏移的部段，所述多個沿徑向偏移的部段在桿的端部附近形成了除上述變平的端子以外或用來替換該變平的端子的一個或多個凸部。這些凸部可被制成一定尺寸以便與密封轂套或密封墊圏協(xié)同作用從而將集流器110保持在適當位置處。例如，參見圖5，徑向凸部417與頭部416協(xié)同作用從而將集流器410緊固地保持在密封轂套或密封墊圈430內部的適當位置處。另一種可選方式是，這種徑向凸部還可作為階梯狀部分的一部分而以一體方式被設置，如圖lb所示。
集流器110必須具有復合結構，所述復合結構具有至少兩個不同的層，即至少一個導電的不含碳的層122，所述不含碳的層即使并未完全地被設置在不導電芯體120上也被部分地設置在該不導電芯體上，所述不導電芯體優(yōu)選由一種或多種聚合物制成?？赏ㄟ^注塑成型、熱成形、擠出成型或其它適當?shù)囊压姆椒ǘ删酆衔锘蚬簿畚矬w系制成芯體120。芯體120應該是固體且非多孔的，但其表面并非一定是完全光滑的。事實上，在某些情況下可能優(yōu)選會在表面上設置一些變化或凹凸不平，這包括凹部、突點或類似結構。顯然，芯體120并不一定是織造或非織造的織物、板片或膜，這是因為對于預想用于生產本文預想的筒管型電池的生產工藝來說，這種板片易于被包括在所述工藝中。芯體120提供了用于集流器110的所需基底結構，不含碳的導電層122隨后被施加到所述基底結構上。
與現(xiàn)有技術中的金屬集流器如由黃銅制成的金屬集流器相比，除了由于體積原因而帶來的重量較輕和成本效益的優(yōu)點以外，芯體UO還提
供了所希望的強度、剛度和耐沖擊性。還應該選擇不導電材料以使其具有低熱膨脹系數(shù)且使其對電池中使用的堿性電解質具有耐受性。
如上所述，不導電芯體120是聚合物或共聚物，所述聚合物或共聚物是熱塑性或熱固性的，且優(yōu)選采用合成熱塑性聚合物或共聚物。芯體層120的實例包括，但不限于，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、縮醛樹脂(如Delrin⑧)、丙烯酸樹脂(如尼龍)、氟碳樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、液晶聚合物、聚苯醚(Polyphenyl Oxide)、聚苯硫醚(Polyphenyl Sulfide)、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚氯乙烯、聚氨酯、聚砜、聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯及其組合，且適當?shù)乜蛇x地可使用所屬領域已公知的增容劑?？蓮奈挥贏kron，Ohio的1353 Exeter Road的Diamond Polymers, Inc.獲得的電鍍級ABS塑料優(yōu)選被用于形成本發(fā)明的一個實施例中的芯體120，這是因為其具有優(yōu)良的表面精加工性能且能夠良好地粘附到導電層122上。
正如所屬領域技術人員已公知地，芯體層的聚合物或共聚物可包括多種添加劑、填料或類似物質，且填料的實例包括陶瓷粉末、玻璃球、木屑(wood flower)和砂。其它添加劑包括，但不限于，穩(wěn)定劑、增塑劑、潤滑劑、著色劑、阻燃劑、抗氧化劑、抗靜電劑、防腐劑、加工助劑、防煙劑和抗沖改性劑。正如本文所述，芯體120中基本上沒有任何導電組分。
可使用適當?shù)难b置如注塑成型裝置、熱成形機或擠出成型機來制造芯體120。最普遍采用的制造熱塑性部件的方法是注塑成型，本發(fā)明即優(yōu)選采用這種方法，特別地，在成型之前需要對ABS樹脂進行干燥而使其具有0. 1%或更低的濕度水平，所述干燥過程通常是在干燥劑型干燥器中實施的，干燥溫度為80-85°C,干燥時間為2"小時?？稍谝韵聝?yōu)選條件下對ABS樹脂進行注塑成型處在220-250°C范圍內的滾筒溫度、介于40-80。C之間的模型溫度、介于700-1100psi范圍內的注塑壓力和更慢的注塑速度。
在不導電芯體120已被成形為所需形狀之后，導電表面層122被施加到其上，所述導電表面層優(yōu)選在芯體120的表面上形成了金屬化層。盡管導電層122可僅被施加到芯體120的表面的一部分上，但通常會對芯體120上的導電層122的覆蓋率進行選擇以便確保集流器110能夠對在電池中流動的所有電流都進行處理且優(yōu)選在芯體120上實現(xiàn)了 100%的覆蓋率。
導電層122包括一個或多個單獨的層124、 126、 128，所述一個或多個單獨的層可以是相同或不同的，如圖2大體上示出地那樣。可利用例如無電鍍覆、化學鍍、電鍍、真空沉積或其組合等的工藝而在芯體120上形成導電層122。在優(yōu)選實施例中，利用無電鍍覆后進行電鍍的方式在芯體120上形成多個導電層，其中這些層可以是相同或不同的材
12料。例如，優(yōu)選的導電層124包括銅層，所設置的銅層的厚度為至少 1.5 n邁且更優(yōu)選為至少6. 0 pm，且通過無電鍍覆后在層126中進一步 電鍍上附加的銅的方式來提供銅。隨后可施加其它的一種或多種金屬以 便共同形成導電層128,這包括，但不限于，銅、錫、鋅、銦、鎘、鉛 及其組合和/或其合金。應該注意不含碳的材料是最適于實現(xiàn)本發(fā)明 的目標且最適用于本發(fā)明的方法的材料。此外，應該相信，與依賴于碳 基漆料和類似物質的以前的已公知方法相比，本文披露的鍍覆方法優(yōu)化
了金屬粘附到不導電芯體上的粘附力。
無電鍍覆步驟是在不使用電力的情況下實施的。不導電芯體，如適 用于D型電池的注塑成型的ABS釘型芯體，被置于包括還原劑和以離子 形式存在的一種或多種所需金屬的鍍浴液內，所述還原劑例如為10ml/L 的甲醛，且所需金屬例如為5g/L的硫酸銅。來自還原劑的電子在存在 催化劑如鉑的情況下產生作用從而將金屬離子沉積到ABS釘形芯體上。 使用其它組分如絡合劑、pH調節(jié)劑、緩沖劑、穩(wěn)定劑等可對該工藝產 生進一步的幫助。該工藝可重復多次以便形成多個沉積材料層。在這種 情況下，可使用去離子水在鍍層之間對部件進行沖洗，且在組裝電化學 電池之前應該對最終的帶鍍層的釘形芯體進行干燥。
在進行無電鍍覆之前，可對芯體120實施多次預處理過程，這包括， 但不限于清洗、蝕刻、中和以及活化。此外，為了確保在沉積金屬/ 金屬合金122與芯體120之間獲得令人滿意的結合，應該在各個鍍覆/ 導電材料沉積過程之間用去離子水或其它適當溶劑來沖洗該芯體12 0。 最后，在將最終的集流器IIO用于電化學電池中之前應該對所述集流器 進行干燥。
由此產生的帶鍍層的桿將具有比原始芯體略微粗糙的表面。例如， 在以無電鍍覆方式將銅鍍覆在ABS芯體上的情況下，其表面粗糙度可以 達到單獨的ABS芯體的粗糙度或典型的黃銅釘型芯體的粗糙度(應該注 意到ABS芯體和黃銅釘型芯體具有大約相同的表面粗糙度)的兩倍至 三倍之間的任何倍數(shù)。通常情況下，該粗糙度傾向于隨著鍍層厚度的增 加而減少，參見下表1。表1 表面粗糙度測量值
黃銅釘型芯體0. 25(im
ABS芯體(無鍍層)0. 27,
1. 5nm厚的Cu無電鍍覆層0. 86,
4. 3^n厚的Cu無電鍍覆/電鍍組合層0. 68pm
7.5nm厚的Cu無電鍍覆/電鍍組合層0. 60一
圖2示出了沿圖1的線A-A截取的剖視圖。集流器110具有被設置 于其上的多個導電材料層124、 126、 128。在一個實施例中，銅層126 被鍍覆在無電鍍覆銅層124上，且最終的金屬層128如銦鍍層或錫鍍層 處在最外層表面上?？墒褂脻L鍍裝置，例如可從處于St. Charles, Illinois的3745 Stern Ave.的Sterling系統(tǒng)獲得的實驗室級滾鍍器， 或使用振動裝置，來實施電解鍍覆。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例制成的電化學電池的實驗結 果。銅鍍層被設置在ABS桿上，所述ABS桿隨后被引入C型電池內。使 用常規(guī)的黃銅釘型芯體來制造附加的對照電池，且在連續(xù)的400mA和 1000mA的耗盡率下對電池進行運行測試。如圖中的兩條曲線所示，從 圖中看來，在超過6 的鍍層厚度處出現(xiàn)了遞減返回(就性能而言) 點。
本發(fā)明的集流器根據(jù)需要可用于大體上任何的電化學電池中，且優(yōu) 選用于任何圓柱形堿性電化學電池中。對于這種電池而言，典型的工藝、 構造和材料都是所屬領域眾所周知的。因此，典型的美國專利 6,528, 210; 6, 589,693; 6， 670， 073;和6， 828， 061由于其中的教導內 容與這種工藝、構造和材料相關而因此在此作為參考被引用，所述美國 專利都共同轉讓給Eveready Battery Company。
圖4所示的圓柱形堿性電化學電池400具有根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例的集流器410。電化學電池400包括圓柱形鋼罐402，所述圓柱形鋼 罐具有封閉底端404、開口頂端406和在所述封閉低端與所述開口頂端 之間延伸的圓柱形軸向側壁408。罐402的封閉底端404具有正極蓋， 所述正極蓋被焊接到所述封閉底端上或者以其它方式附接到其上，且所 述正極蓋由帶鍍層的鋼制成，且伸出的接觸端子409位于所述封閉底端 的中心區(qū)域處。集流器410和集流器組件411以及外部負極蓋450被組 裝到鋼罐402的開口頂端406上，所述外部負極蓋優(yōu)選由帶鍍層的鋼制
14成，所述外部負極蓋形成了電池400的負極接觸端子。盡管在本實例中 預想了負極蓋，但該電池的極性還可能反轉(由此連同對電極進行的相 應的重新布置一起而使蓋450具有正極性)，這不會偏離本文披露的原理。
圍繞鋼罐402的外表面在除了鋼罐的端部404、 406的位置處形成了 金屬化的塑料膜標簽403。所形成的膜標簽403處在正極蓋的周部邊緣 上且可在負極蓋450的周部邊緣上部分地延伸。
正電極432 ,皮成形于鋼罐402的內表面周圍，所述正電極在本文中 也被稱作陰極。根據(jù)一個實例，陰極432由二氧化錳、石墨、氫氧化鉀 溶液和添加劑的混合物制成。防止電池中的任何固體顆粒產生遷移的隔 件434被設置在陰極432的內表面周圍，所述隔件優(yōu)選由非織造織物制 成。負電極436設置有處在隔件434內部的電解質且與集流器410接觸， 所述負電極也被稱作陽極436。電解質可包括堿性電解質，所述堿性電 解質包含氫氧化鉀(KOH)水溶液。根據(jù)一個實例，陽極436由鋅粉、 膠凝劑和添加劑制成。分別用于陰極432和陽極436中的二氧化錳和鋅 是電化學活性材料。因此，陰極432被構造為電池的正電極，且陽極 436凈皮構造為電池的負電極。
集流器410與外部負極蓋450接觸，所述外部負極蓋形成了電池400 的負極接觸端子。細長的桿被設置而與陽極436接觸且在該實施例中所 述桿具有大體上均勻的直徑。集電器410借助于可壓縮的盤繞導電連接 器438或其它已公知的器件被連接至外部負極端子450。該盤繞連接器 438可被焊接到外部負極蓋450的底表面上和/或焊接到集流器410的 擴大的頭部的上表面上，或另一種可選方式是，所述盤繞連接器可借助
觸。集流器410和連接器438用作電流路徑以便在外部負極蓋450處提 供負極性。
環(huán)形的聚合物密封件430被設置在鋼罐402的開口端中以便防止鋼 罐402中包含的具有電化學活性的電池材料產生泄漏。聚合物密封件 430可包括合成熱塑性樹脂如尼龍。密封件430的其它可選材料可包括 聚丙烯，如在商業(yè)上可從General Electric Company獲得的NORYL Extend聚丙烯，且所述聚合物密封件也可包括會被視作適用于密封件 430的其它材料。
15密封件430具有處在中心的轂套，所述轂套具有直立式圓柱形內壁， 所述內壁限定出用于接收集流器410的中心開口 (即孔)。該轂套通常 被限定為密封件430的包含直立式壁部的中心部分，所述直立式壁部被 壓靠在集流器410上。對于轂套的開口來說，該集流器410的擴大的頭 部通常具有超尺寸，且因此使得密封件430被壓靠在集流器410上從而 與限定出轂套開口的直立式內壁形成過盈配合式接合。該直立式壁部被 構造以便在位于密封(非通氣)位置處時在該集流器410的擴大的頭部 中進行密封或者在可沿集流器410的桿設置的任何徑向凸部(未示出) 中進行密封。該中心轂套還具有在集流器410的該擴大的頭部的上周表 面上形成的上邊緣以便進一步阻止集流器410向上移動。優(yōu)選由剛性金 屬制成的內蓋被設置以便用來提高剛性并用來支持環(huán)形密封件140產 生的徑向壓縮，由此改善密封有效性。內蓋被構造以便與中心轂套的直 立式外壁進行接觸且與密封件430的外周部分處的直立式壁部接觸。盡 管使用的是具有超尺寸的集流器410和內蓋將密封件430壓靠在集流器 410上，但也可采用其它壓縮技術如壓縮環(huán)在集流器410與密封件430 之間提供密封的過盈配合式接合。密封件430、內蓋和外部負極蓋450 為罐402的開口端406提供了低型面(low profile)封閉裝置。此外， 外部負極蓋450還包括一個或多個通氣開口 (未示出)，所述通氣開口 用來使電池400的未密封的體積空間暴露于周圍的外部大氣。通氣開口 的作用在于 一旦集流器和密封組件進行通風，則將從電池400內產生 的壓力積聚排往外部大氣。
集流器410、環(huán)形密封件430且如果存在內蓋的話與內蓋一起形成 了集流器和密封組件411，它們可被組裝在一起并作為一個單元而被插 入鋼罐402的開口端406內。集流器和密封組件411的組裝過程以及罐 402的開口端406的封閉過程包括將環(huán)形的聚合物密封件430設置在罐 402的開口端406中，所述開口端可具有外張的開口或在罐402的內壁 上沿徑向向內形成的珠狀部件，并且向內彎折罐402的上端并對所述上 端進行彎折而使其處在密封件430的外周上，從而將密封件430壓靠在 內蓋上。還應該意識到的是環(huán)形的聚合物密封件430使得外部負極蓋 450與鋼罐402是電絕緣的。
根據(jù)本發(fā)明，集流器和密封組件411密封封閉了罐402的開口端406、 為外部負極端子450提供了電流路徑、且進一步用作在經(jīng)受過度壓力差時的壓力釋放機構。集流器和密封組件411被設計以便在組件411經(jīng)受 預定壓力差時從電池400的密封活性體積空間內釋放出受壓氣體。壓力 差指的是密封件430下面的內部壓力與該密封件上面的大氣壓力之間 的壓力差。受壓氣體通風通常是借助于集流器410與環(huán)形的聚合物密封 件430之間的相對軸向(即平行于集流器410的縱向軸線進行的)移動 來實現(xiàn)的。從內部體積空間釋放出的受壓氣體借助于設置在外部負極蓋 450中的開口 (未示出)而,皮排出電池400。
在美國專利NOs. 6， 855， 454和6， 312， 850中進一步闡明了適當密封 組件的實例，所述美國專利在此作為參考被引用。本發(fā)明的集流器還可 與其它相似的密封件和通氣裝置一起使用。
圖5示出了包括本發(fā)明的集流器410的密封組件411的進一步的實 施例。在圖示的特定布置中，密封組件411包括密封件430，所述密封 件由如上所述的材料制成，所述材料優(yōu)選為尼龍。具有不導電芯體和導 電外表面的本發(fā)明的集流器410，例如上述的集流器，具有頭部部分 416，所述頭部部分延伸通過密封件430中的孔口 。在優(yōu)選實施例中， 可使用粘結劑440如Swift Adhesive #82996或其它混合物來完善集流 器410與密封轂套430之間的密封。
頭部416的一部分在密封件430上方進行延伸以便適當?shù)剡B接至端 子450或另一適當接觸端子。密封件430優(yōu)選包括一個或多個變薄的部 分以便容納通氣機構。
在又一實施例中，本發(fā)明的集流器設有頭部或其它部分，所述頭部 或其它部分具有聯(lián)接或連接至蓋的相匹配的聯(lián)接部或連接部，如電化學 電池的負極蓋的連接器。這種相匹配的聯(lián)接部使得與圖4和圖5所示的 連接部相比連接器與集流器之間的接觸區(qū)域更大(其中，分別使用了非 焊接的連接器438或簡單的焊接接觸部)。使用相匹配的聯(lián)接部而不是 固定的連接部如焊接部使得生產工藝變?yōu)榱烁骶€型且更具有成本效 益的生產工藝，原因在于這樣做使得可減少工藝的步驟。相匹配的接合 部還將增加接觸表面積以4更防止電流"燒通(burning through)，，或 "穿通(punching through)，，本發(fā)明的集流器的表面上的導電鍍層。 發(fā)生這種燒通的原因被認為是，集中在小接觸點上流動的電流會導致產 生電阻加熱。在一些情況下，燒通可導致電路的斷開和電池的失效。
圖6A示出了相匹配的聯(lián)接部的一個可能的實施例。提供如箭頭J所
17示的相匹配的連接、壓配合使得實現(xiàn)了較大面積的表面接觸。連接器
438包括負極蓋450上的伸出部440,所述伸出部與集流器410的頭部 416中的凹部442相匹配。在本實例中，伸出部440具有多邊形形狀， 但也可使用能夠進行過盈配合的任何形狀。凹部442的形狀與伸出部 440互補，這^f吏得負極蓋450可,皮壓配合進入頭部416內以^便形成相匹 配的聯(lián)接部。在優(yōu)選實施例中，伸出部40具有六邊形垂直(或相對于 桿412的圓柱體沿軸向的)剖面和大體上呈圓形的水平(或相對于桿 412的圓柱體沿徑向的)剖面。該相匹配的聯(lián)接部也可具有反轉的設計 從而使得上述元件的部件/或取向可以互換。
圖6B進一步示出了圖6A所示的相匹配的聯(lián)接部的實施例的頂視圖， 但該圖中未示出負極蓋450。在圖6B中，凹部442具有大體上呈圓柱 形的水平剖面，其中該剖面的直徑可沿凹部442的高度產生變化。圖 6B示出了伸出部的實例，所述伸出部具有橢圓形或圓形的水平/徑向剖 面形狀(圖6B中未示出)，所述伸出部配合在集流器410的相應的凹 部442內。凹部442的深度必須與伸出部協(xié)同作用，但伸出部440的三 維形狀并不必須是矩形或均勻的(例如成對的伸出部/凹部可具有平的、 傾斜的、彎曲的、圓形和/或不規(guī)則的底表面/頂表面)。應該注意到 虛線441可表示桿412的剖面直徑。另一種可選方式是或此外，虛線 441還可表示用于形成連接器438的過盈壓配合的形狀的最外周剖面。
圖6C示出了另一可選實施例的頂視圖。此處，凹部442沿穿過頭部 416的頂部的整個長度進行延伸。在其它實施例中，凹部442可沿小于 頭部416的整個長度的長度進行延伸和/或在一個以上的方向上進行延 伸(例如呈交叉形狀、Y形、U形等)。
盡管本文已經(jīng)結合圓柱形電化學電池對集流器進行了描述，但應該 意識到本發(fā)明的概念同樣可應用于多種其它電池構型，這包括使用多 個電極和多個集流器的電池，以及其中的罐和集流器分別電連接至負電 極和正電極的這樣的電池。此外，還應該意識到本文所述的集流器和 密封組件可封閉地密封靠在使用多種不同的鋼罐封閉裝置的鋼罐上。此 外，另一種可選方式是，集流器可被構建在一次電池或二次電池中。
除了降低了用于本發(fā)明的集流器中的電化學電池的材料成本且減輕 了該電池的重量以外，本發(fā)明所采用的復合設計還可減輕電池的深度放 電冒氣現(xiàn)象或泄漏現(xiàn)象且因此導致產生了更可靠的電池設計。正如已公
18知地，現(xiàn)有技術中的黃銅釘型芯體在深度放電過程中會被氧化且該被氧 化的釘型芯體表面將與鋅形成電偶對從而加速陽極冒氣現(xiàn)象。當本發(fā)明 的鍍鋅復合集流器被用來代替黃銅釘型芯體時，該鋅鍍層將在深度放電 過程中被脫除或剝除。因此，集流器將變回絕緣體，這將會防止在集流 器與鋅之間形成電偶聯(lián)接，且因此減輕了深度放電冒氣或泄漏或同時減
輕了放電冒氣和泄漏。
實例1
通過注塑成型制造出圖la所示的棒形ABS塑料集流器，該集流器 具有0. 091"的直徑尺寸和1.631"的長度尺寸。通過無電鍍覆且隨后進 行電解電鍍而在該塑料集流器上鍍銅。在進行無電鍍覆之前先采取以下 預處理步驟。在實施完下面的每個步驟之后都要在水中對部件進行徹底 地清洗。
1. 蝕刻-在包含375至450g/L的三氧化鉻和335至360g/L的硫酸 的"鉻-硫酸"蝕刻劑中對ABS塑料集流器進行蝕刻。該蝕刻過程的實 施溫度為140-160。F且蝕刻時間達4-10分鐘。
2. 中和-隨后將該塑料集流器置于包含1至5%的亞硫酸氫鈉的中和 劑中以便通過化學還原去除零部件上過多的蝕刻劑。該中和過程的實施 溫度為92至132。F且中和時間達l-4分鐘。
3. 活化-為了在ABS塑料表面上形成催化位點，在40至104。F的溫 度下進行5至10分鐘的活化過程?；罨髟∫喊ㄒ韵鲁煞致然瘉?錫(10~20g/L的溶液)、二氯化鈀(0. 2~0. 3g/L )和氫氯酸(~200mL/L )
4. 加速-為了使在活化步驟中沉積的活化物質具有盡可能高的活 性，在95至104°F的溫度下將ABS塑料集流器浸沒在包括80至120mL/L 氫氯酸的活化溶液中達1至3分鐘。
通過無電鍍覆在經(jīng)過預處理的ABS塑料集流器上鍍覆1. 5nm厚的銅 且隨后通過傳統(tǒng)的電解鍍銅將鍍層厚度延伸至4. 3至7. lpm。與所使用 的黃銅集流器相同地，同樣用化學鍍的方法在該鍍銅的ABS塑料集流器 的銅鍍層外部形成0. 02 0. 08nm的錫。
在C型堿性電池(LR14 )中對該鍍銅的ABS集流器進行測試且將該 集流器與棒形的鍍錫的黃銅集流器(直徑為0.072"且長度為1.631") 進行對比。在溫度為室溫的情況下，在400mA和1000mA的連續(xù)放電電流下對電池進行測試直至0. 9V的切斷電位。圖7示出了電池的運行數(shù) 據(jù)。圖7中的批次A代表具有黃銅集流器的電池且批次B、 C和D代表 被構造以便分別具有帶1. 5、 4. 3和7. lpm的銅鍍層的ABS塑料集流器 的電池。批次A的放電容量在圖7中被定義為100%，且隨后相對于批 次A中的電池的性能對來自批次B、 C和D的電池的性能進行標準化。 圖7的數(shù)據(jù)表明當銅鍍層的厚度達到或超過4. 3nm時，可達到與黃銅 集流器等效的性能。
實例2
通過采用與上述實例1中的過程相同的過程而用無電鍍覆的方式 在圖la所示的棒形ABS塑料集流器上鍍覆約lnm的銅膜。隨后用電鍍 的方式分別在集流器上鍍覆61pm的銅或23nm的錫。以與上述方式相同 的方式進行運行評測且評測數(shù)據(jù)如圖8所示。圖8中的批次E代表被構 造以便使用黃銅集流器的電池且批次F和G表示被構造以便分別使用具 有61pm的銅鍍層的ABS塑料集流器的電池或使用具有23|Lim的錫鍍層的 ABS塑料集流器。對于400mA的放電電流而言，鍍銅或鍍錫的ABS塑料 集流器都可與處于運行過程中的黃銅集流器相匹配或超越該黃銅集流 器的性能。對于1000mA的放電電流而言，具有23pm的錫鍍層的ABS 集流器則表現(xiàn)出了不足。對比圖7和圖8可以看出將銅鍍層從7. 3nm 進一步增加至61nm并未帶來性能的明顯改善。
實例3
通過注塑成型制造出圖lb所示的階梯形ABS塑料集流器，該集流 器具有0. 071/0. 051"的直徑尺寸和1. 597"的長度尺寸。利用與實例1 中所述的過程相同的過程在該集流器上鍍覆15. 3|Liin的銅鍍層。在C型 堿性電池(LR14)中對集流器的運行進行測試且將該集流器與棒形的鍍 錫的黃銅集流器進行對比，所述黃銅集流器的直徑尺寸為0. 046"且長度 尺寸為1.597"。圖9中的批次H代表具有黃銅集流器的電池且批次I 代表被構造以便具有階梯形ABS塑料集流器的電池，所述ABS塑料集流 器具有15. 3pm的銅鍍層。該鍍銅的階梯形ABS塑料集流器顯示出與黃 銅集流器等效或更為優(yōu)良的性能。
實施本發(fā)明的技術人員和所屬領域技術人員應該易于理解可在不 偏離所披露概念的精神的情況下對本發(fā)明做出多種變形和改進。所提供 的保護范圍受到權利要求書和在法律允許范圍內做出的解釋寬度的限定。
權利要求
1、一種電化學電池，所述電化學電池包括容器，所述容器具有至少一個接觸端子；正電極、負電極、隔件和電解質，所有這些都被設置在所述容器內；和被設置在所述容器內的細長構件，所述細長構件具有不導電芯體和被沉積在所述芯體的最外表面上的基本上不含碳的導電層，所述集流器在所述接觸端子與所述正電極或負電極中的一個電極之間產生電接觸且所述不含碳的導電層與所述電解質是化學相容的。
2、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述不導電芯體基本 上包括一種或多種聚合物。
3、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述不導電芯體包括 選自包括以下物質的組群中的至少一種物質丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚 物、縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、氟碳樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、液晶 聚合物、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚氯乙烯、聚氨 酯、聚砜、聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯及其 組合。
4、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述導電層包括選自 包括以下物質的組群中的至少一種物質銅、錫、銦、鋅及其合金。
5、 根據(jù)權利要求4所述的電化學電池，其中存在多個導電層。
6、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中存在多個導電層。
7、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述細長構件具有選 自包括以下形狀的組群中的形狀非漸細的圓柱體、階梯狀的圓柱體、 漸細的圓柱體、具有至少三條或更多條基本上平的邊的非漸細的棒、具 有至少三條或更多條基本上平的邊的階梯狀的棒、具有至少三條或更多 條基本上平的邊的漸細的棒、具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊 的非漸細的棒、具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊的階梯狀的棒 和具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊的漸細的棒。
8、 根據(jù)權利要求7所述的電化學電池，其中所述細長構件包括以 下部件中的至少一種部件被設置在所述細長構件的端子端部處的頭 部、沿所述細長構件的軸向部分設置的徑向轂套、被設置在所述細長構 件的端子端部處的截錐體、被設置在所述細長構件的端子端部處的完整推體和被設置在所述細長構件的端子端部處的變鈍的端部。
9、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述細長構件借助于 非焊接的連接部被電連接至所述接觸端子。
10、 根據(jù)權利要求9所述的電化學電池，其中所述非焊接的連接部 包括相匹配的聯(lián)接部。
11、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述不含碳的導電層 具有至少6|nm的厚度。
12、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述細長構件包括以 下部件中的至少一種部件被設置在所述細長構件的端子端部處的頭 部、沿所述細長構件的軸向部分設置的徑向轂套、被設置在所述細長構 件的端子端部處的截錐體、被設置在所述細長構件的端子端部處的完整 推體和被設置在所述細長構件的端子端部處的變鈍的端部。
13、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，進一步包括被設置在所述 容器內的密封墊圏且其中所述細長構件穿透了所述密封墊圏。
14、 根據(jù)權利要求13所述的電化學電池，其中所述細長構件包括 與所述密封墊圏協(xié)同作用的凸部。
15、 根據(jù)權利要求13所述的電化學電池，其中所述細長構件包括 頭部，其中所述頭部被設置在所述墊圏與所述容器之間但所述頭部并不 與所述陽極或所述陰極物理接觸。
16、 根據(jù)權利要求1所述的電化學電池，其中所述芯體的最外表面 被所述導電層完全覆蓋。
17、 一種用于電化學電池的集流器組件，所述集流器組件包括 適于形成跨過電化學電池的容器的開口端的密封件的不導電密封轂套；和延伸穿過所述密封轂套的集流棒，所述集流棒具有不導電芯體和位 于所述芯體的至少一部分上用以在不損害由所述密封轂套形成的密封 件的情況下跨過所述密封轂套而傳導電流的不含碳的導電涂層。
18、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，進一步包括被設置在所述密封轂套與所述集流棒之間的密封劑。
19、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述集流棒具有選 自包括以下形狀的組群中的形狀非漸細的圓柱體、漸細的圓柱體、階 梯狀的圓柱體、具有至少三條或更多條基本上平的邊的非漸細的棒、具有至少三條或更多條基本上平的邊的階梯狀的棒、具有至少三條或更多 條基本上平的邊的漸細的棒、具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊 的非漸細的棒、具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊的階梯狀的棒 和具有至少一條彎曲的邊和至少一條平的邊的漸細的棒。
20、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述不導電芯體基 本上包括一種或多種聚合物。
21、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述不導電芯體包 括選自包括以下物質的組群中的至少一種物質丙烯腈丁二烯苯乙烯共 聚物、縮醛樹脂、丙烯酸樹脂、氟碳樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、液 晶聚合物、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚氯乙烯、聚 氨酯、聚砜、聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯及 其組合。
22、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述不含碳的導電 層包括選自包括以下物質的組群中的至少一種物質銅、錫、銦、鋅及其合金。
23、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述芯體被所述不 含碳的導電涂層完全覆蓋。
24、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述不含碳的導電 涂層具有至少6|Lim的厚度。
25、 根據(jù)權利要求17所述的集流器組件，其中所述密封轂套被制 成一定尺寸以^便與選自以下型號的電池型號相匹配AA、 AAA、 C和D。
26、 一種用于制造電化學電池的方法，所述方法包括以下步驟 由至少一種聚合物制成不導電棒；將包括導電金屬或導電金屬合金的至少一種不含碳的材料沉積在 所述棒的外表面上；選擇與所述不含碳的材料在化學上相容的電解質并將所述電解質、陽極和陰極設置在適用于電化學電池中的容器內；將所述棒設置在所述容器內的與電極相鄰的位置處，所述電極選自 所述陽極和所述陰極，以便保持所述容器與所述電極之間的電接觸；以 及將所述電解質、所述陽極、所述陰極和進行了無電鍍覆的棒密封在 所述容器內以便形成電化學電池。
27、 根據(jù)權利要求26所述的方法，其中密封轂套組件被設置以便 密封所述電化學電池且其中所述棒被插置通過所述密封轂套組件以便 將電流載運通過其中。
28、 根據(jù)權利要求26所述的方法，進一步包括在所述棒與所述容 器之間形成相匹配的聯(lián)接部。
29、 根據(jù)權利要求26所述的方法，其中所述聚合物是選自包括以 下物質的組群中的至少一種物質丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、縮醛樹 脂、丙烯酸樹脂、氟碳樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、液晶聚合物、聚 苯醚、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚氯乙烯、聚氨酯、聚砜、 聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯及其組合。
30、 根據(jù)權利要求26所述的方法，其中利用以下方式中的至少一 種方式將所述不含碳的材料沉積在所述棒上無電鍍覆、化學鍍、電鍍 和真空沉積。
31、 根據(jù)權利要求26所述的方法，其中所述導電金屬或導電金屬 合金是選自包括以下物質的組群中的至少一種物質銅、錫、銦、鋅以 及其合金的任何組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及電化學電池用具有不導電芯體和表面金屬化的釘型集流器。電化學電池，且特別是用于電池的集流器組件，所述集流器組件在電池電極與所述電池的端子之間形成了導電路徑，和一種用于制造所述電化學電池的方法。所述集流器包括不導電芯體和被設置在所述芯體上且被成形為細長棒的導電外表面層。一種用于密封電池容器的開口端且在經(jīng)受過度壓力時用于進行通氣的密封轂套墊圈。制造電池的方法包括將不含碳的導電材料沉積在不導電的芯體上，且所產生的集流器被插入電池內以便保持所述電極與所述容器/接觸端子之間的電連接。
文檔編號H01M2/22GK101496197SQ200780028670
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月30日 優(yōu)先權日2006年7月31日
發(fā)明者D·M·利索斯基, N·崔 申請人:永備電池有限公司