專利名稱：鎳鋅電池設計的制作方法
技術領域：
在某些實施例中，本發明的電池包辦負極、^i^ l、分隔jE^ 負極的隔板、以及電解質的圓柱形組件。在某些實施例中，本發明的電M包括負集電元件和正集電元件，在 圓柱形電池的情況下，所述集電元件通常是圓盤。在一些實施例中，電連接負 集電盤和負極的負集電器彎曲或巻曲以形^！于附著負集電盤的l^平i^V或 連續的表面。這可以通it^該區域去I^-些材料來艦彎曲，從而獲得改善的 折疊。所產生的表面便于集電器和集電盤更好地附著，從而提高了可靠性并降 j氐了電池電卩JL^。下面將參照
圖1-10討i^;^發明i^面的實施例。然而，^U頁域技術 人員容易理解，^it^參照這些附圖給出的詳細說明A^于解顯目的，因為 發明延伸JJt些限制實施例"卜。用于負極的載體(其也可以起集電器的作用)應當是與負^t料電 化學相容的。栽體片可以以納結構形iy^供，所ii^構形式包括穿孑U^屬片、 金屬網以;5U包沫金屬。為了選##定結構形式使用的標準;|^本、易于涂敷、 以及艦電化學活性電極材料與集電H^間電子傳輸的能力。對于鋅電極，例 如，載^f^H^Af孑L^屬片或金屬網形式的銅或4^r。在一些實施例中， 集電器可以初^^上錫、鉛或與鋅更相容的其它^^t層，因為它不^ii鋅的腐
蝕。ituf，可能希望涂敷材料具有高氫化過電勢。這些材料可以通過^^r不同 的方法例如電鍍、浸漬在熔化的金屬中、層壓等涂在集電器上。在特定的實施
例中，負集電器是涂有約0.00005和O.OOl英寸之間的厚度的錫或^^;銅或 銅*。雖然對于4$#電池系統可以有一些重要的最優化，但A^ 221優 選具有與在傳統的鎳鎘電池中制造鎳電核》斤使用的相似的組合物。雖然也可以
^^I氧^^iLlt^i鎳，但是電化學活'^t^^!JL氧^^(Ni(OH)2)。如上面所建議，氧4緣也可以(或可選擇地)被添加到材料中以提 高導電率。請注意，在商業的鎳鎘電池中，游離的氧4緣通常^^iL^b'^^中
賴。優選使用泡沫H^體以支撐電活性鎳(例如，Ni(OH)2)電極材料。 在一個實施例中，可以^JU可由Inco有FIU^司購買的泡沫鎳。通ii^包沫敘ij Ni(OH)2 (或其它電化學活'I^N"料)的擴 ^應當短以適合要求高放電速率的 應用。在高速率下，離子穿透泡沫鎳要花費的時間很重要。iE^l的H包括 用M(OH)2 (或其它電化學活性材料)以及其它電極材^Ht真充的泡沫鎳，應當 凈 :優^^而^包沫鎳為Ni(OH)2材料提供充分空隙空間，同時^#離子通過 泡'衫ij Ni(OH)z的擴^^f^i。泡沫^jf度可以在15密耳和60密耳之間。 在M的實施例中，_ 的厚度，包括用電化學活性以及其它電極材料填充的 泡沫鎳，范圍順16密+24密耳。在特別to的實施例中，JE^L約20密耳厚。應當最優化泡沫鎳的密度以確保電化學活4±#料均勻地穿透泡沫的 空隙空間。在M的實施例中，橫月密度范圍從約300-500g/m2的泡沫鎳。更優 選的范圍在約350-500 g/n^之間。在特別M的實施例中，使用密度為約350g/m2 的泡沫鎳。隨著電極層的寬度減少，可使得泡沫較不密集以確保具有充分的空 隙空間。在m的實施例中，4M密度約350g/m2的泡沫鎳以A^度范圍麟 16密+18密耳。隔板2U用于才A^隔離iE^負極，同時允許在電妙電解質之間 ^A離子交換。隔板也FiL^枝晶形成。枝晶是在金屬^^、中具有骨骼或樹狀 生長圖案("枝晶生長")的晶體結構。實際上，在電池的壽命期間，枝晶形成 在電池的導電介質中，并iL^^M^接負W^t^L，從而導致Mi^且K吏得 電^5^M員失。通過^^J^l^可能J^iL負 目對地干，對電池的性能可能會有幫 助。因此，在一些實施例中，piL^M:于鄰近負極的位置，潤^M:于鄰^iE 極的位置。通1±^#電解質與貞緊密接觸，這樣的布置i殳置了電池的性能。在其它實施例中，潤S^i^成鄰近負極而P雄層iM鄰^J^L。 這種布置通過^ii^氣經由電解質傳輸到負*幫助氧^^負極的復合。中:阻擋層是多微孔的聚乙烯。用于阻擋
層的可購買到的材料的例子包括UBE U-PORE UP3138 (日本東京Ube工ik^" 卩IL^司)、產自荷蘭海爾倫的Solutech的SOLUPOREm產品、產自北卡羅絲 州Celgard的Charlotte公司的隔板CELGARD 線、以及產自Advanced Membrane Systems的AMS產品。阻擋層通常為約0.5密年4密耳厚，更M 在約2密耳和4密耳秋間。卩雄層膜的特定例子包括4密耳細S隔板、2層 1密耳厚的SOLUPORE 隔板以及兩層1密耳厚的CELGARD 隔板。也可以^^4^頁域中已知的其它隔板材料。如所指出的那樣，尼龍 _|^#多微孔,經(例如聚乙烯和聚丙烯)通常是非常適合的。"于負極是特別理 想的。集電器可以朝圖5a中所示的組件的中心彎曲或面對圖5b所示的一個方 向。在一些實施例中，在被壓平之前，例4魂it/MU^近彎曲點劃痕(score), 集電器可預先安排在理想的方向。在其它實施例中，當凈iU^^^巻繞時，
集電器被預先iM成彎曲。為了提供不受阻礙的彎曲，集電器的部分(從該區 J^f皮彎曲)可以被移除以創建##或 結構。在單個電極制造的開槽過程期
間這可以^^L便利地完成。所創建的表面提供集電器和集電盤的良好的附著，
其改善了可靠性并且l^f氐了電池阻抗。
00571對集電盤的主要考慮事項是導電率、到集電器的附著性、以^JL許 電解質的均勻分布。通過認識到在至少一個集電盤^JE確^^在電池中并附 著到電極集電器上之后電解質必須凈iliE常地添加，能夠理解后面的一點。在特 定的實施例中，正集電J:A穿孔的鎳圓盤。在一個布置中，以徑向開口截面將 圓盤(正或負)開槽并與同螺放^4繞電極的*密切接觸的垂直的能量導向 器(延伸或突出)相關聯，或可選擇地與帽或銜目關聯，其中圓盤的平坦部分 與巻繞電極電連接。通過使用例如基于毫秒務辦)kW^支術的逆換器，制造到鎳 和銅集電器的強粘結是可能的。這種垂直的延伸可以^'J彈簧的作用以幫助抵 抗由于沖擊或震動引樹電池的損傷，從而有艦允許電絲筒相對于罐"浮 動"。的電解質的量減少，提供允許電解質均勻分布的集電盤變## 加重要。對于^f可在正常工作期間泄漏到組件外的電解質的再回收，在填充期 間均勻的分布^M艮重要。例如， 一些電解質在工作期間流到集電盤上而且!5t^ 返回到J^4巻繞中。當這種情^L^時，,電解質流回到^4巻繞中，圓盤 i殳計可以M電解質的均勻分布。將孔均勻地間隔開或布置成最優化均勻的分 布。例如，可以以螺旋狀布置間隔孔開口，從而當將圓盤附著到電極上時，使 它們n隔M。才 樹實施例，本發明的電池可以設計成使鋅電極的氬化最小化。 在一些實施例中，負極可以包括減少在負極的充氣的材料，例如某些金屬氧化 物。電池中的二IU誠的存在中和堿性電解質并且肯誠過碳酸鹽的形成 卩JLih高iii文電。it^卜，氧化鋅的許多商業來源含有大量的碳^。在to的實 施例中，用于制造負極的鋅含有相對較低的^^JlL，例如，不超輛1重量％。
另夕卜，"fi4認為，碳^可以^^I有才;M^^在濕工序期間形成。因此，在優
選的實施例中，正^bi通過干工序方法形成的。在一些實施例中，可要求電池 中電解質的量增加以導致一定量的碳,^^液中帶出電解質。 銅導電it^和阻M少當在電池《iL^期間將帽(和排氣口組件)與電^M^酉e^的時候，與 ^4巻繞的電接觸通過已經插入在兩*行的銅盤之間的"彈簧"所產生的壓力 來維持。彈簧可以是已經鍍有銅、錫或具有高媳電勢的其它^^金屬的鋼彈 簧。可選擇地，彈簧可用密封^^環或耐堿性介質的"o"形環來代替。這樣的材 ^F可以是EPDM (乙烯基丙烯二烯^M^ (Ethylene Propylene Diene Monomer)) 或Viton⑧(來自DuPont Dow Elastomers,乙丄.<:.的^##:體(01101*06138加11161*) 家族)。在^f可一種情況中都維持足夠的壓力，從而在帽和絲巻繞之間維持低
阻抗電阻。在某些實施例中，通過o形g加的壓力通itil從電池罐的4ii^ M向下壓。在一些情況下希望提供加強的^^部。雖然這種方法特別適用于負 *點，但是，由于ii^具有金屬部的 最小IU沐有才;ii^^^^物的最小氧化，也可以將其^>^*上。^i^樣 的情況下，接錄面可以是由相似的彈簧裝妙壓的兩個互連的鎳圓盤。然而，
退化。為了防止電卩Jif大的錄，圓盤可以用鈷電鍍。雖然仍遭受氧化，但是 與^IU緣相比，鈷氧4緣提供狄的導電性。
010114^域技術人員能夠理解，在具有傳^L性的鎳鋅電池中，前面的 優點可通iM銅涂ltil鍍罐的內表面^Ml得。
[0102本發明的電歸有低總P且抗，這部分是由于上面所討論的負帽裝置 的緣故。在M的實施例中，鎳鋅次C電處4有大約3和5mQ之間的總AC P誠。在更to的實施例中，電^>*有大約3.5和4.511111之間的AC P雄。比 絲看，三洋(Sanyo )的電動工具次C電池NiCd電池的總AC阻抗是5,3mQ。
[0103前面直接描述了本發明及其目前M的實施例。對于;M頁域技批 員來說，期望想到實現本發明的許多修改和變形。例如，雖然上述說明書描述 了圓柱形電池，但4_本發明的某些方面也可以應用到其它電Jt^殳計例如棱柱形 電池設計中。這樣的修^變形包含在下列相刺要求中。
[0104本i^斤引用的所有參考文獻的4^1^Hf內容為了樹目的以引用的 方式并A^^文中。
權利要求
1、一種圓柱形鎳鋅電池，包括a)包含鋅的負極層；b)包含鎳的正極層；c)將所述正極層和所述負極層分隔開的隔板層，該隔板層包括基本上防止鋅枝晶形成的阻擋層和潤濕層；以及d)電解質。
2、 如權利要求1所述的電池，其中該負M的厚度在16密耳和24密耳之 間，該正極的厚度在16密耳和24密耳之間。
3、 如權利要求1所述的電池，其中該阻擋層和該潤濕層是不同的材料。
4、 如權利要求1所述的電池，其中該阻擋層和該潤濕層是相同的材料。
5、 如權利要求1所述的電池，其中該If雄層的厚度在l密耳和4密耳之間。
6、 如權利要求1所述的電池，其中該負船包括負集電器，并且，其中該 負集電器的端部彎曲以在該圓柱形電池的一端形成基本平坦的表面。
7、 如權利要求l所述的電池，其中通過彎曲以在該圓柱形電池的一端形成 M平坦的表面的該負集電器的端部的材#^移除以便于彎曲。
8、如權利要求1所述的電池，還包,負集電盤，并且，其中該銅盤的一 側用錫或錫合金凃敷。
9、 如權利要求1所述的電池，還包糊負集電器，并且其中將該圓盤焊接到該集電器上。
10、 如權利要求1所述的電池，其中該電解質中的至少一些為凝膠形式。
11、 如權利要求1所述的電池，還包括a) 與該正極層電連接的罐；b) 與該正極層電連接的正集電盤；以及c) 位于該正集電盤肖的一端之間的電解質^l^儲存器。
12、 如權利要求1所述的電池，還包括a) 與該正極層電連接的正集電盤；其中該正集電盤穿孔的；以及b) 與該負極電連接的負集電盤。
13、如權利要求1所述的電池，還包括a) 與該正極層電連接的正集電盤；其中該正集電盤是開槽的；以及b) 與該負極電連接的負集電盤。
14、如權利要求1所述的電池，其中該潤濕層與該負極相鄰，該阻擋層與 該正極相鄰。
15、 如權利要1所述的電池，其中總入AC阻絲大約3和5.0mΩ之間。
16、 如權利要求15所述的電池，其中該正集電盤和該負集電盤中的至少一 個包括彈簧元件。
17、 如權利要求l所述的電池，還包括電肖和電池帽，并且，其中該電 池帽包括該電池的負極端子。
18、 如權利要求l所述的電池，其中該電池帽包括可透過氬氣的環形聚合 物區域。
19、 如權利要求1所述的電池，其中該負極包括穿孔的涂有錫的銅條。
全文摘要
描述了鎳鋅圓柱形電池設計。所提供的設計限制枝晶形成并防止電池內氫氣的積累。本發明還提供快速放電應用所需的低阻抗電池。圓柱形電池可以具有與傳統電池相反的極性，具有負的帽和正的罐。圓柱形電池可以包括凝膠電解質儲存器。
文檔編號H01M2/14GK101208818SQ200680014124
公開日2008年6月25日 申請日期2006年4月25日 優先權日2005年4月26日
發明者姚志旺, 婁·L·烏澤爾, 杰弗里·菲里普, 范正剛, 薩馬里什·莫罕塔 申請人:鮑爾熱尼系統公司