專利名稱：具有高容量的金屬空氣電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬空氣紐扣電池、尤其是鋅空氣紐扣電池。
背景技術：
金屬空氣電池通常總是包括基于金屬的陽極和空氣陰極作為電化學活性組件，所述基于金屬的陽極和所述空氣陰極通過離子導電的電解質彼此分離。在放電時，在空氣陰極處氧在電子攝取下被還原。形成可以通過電解質遷移到陽極的氫氧離子。在那里，金屬在電子發射下被氧化。形成的金屬離子與氫氧離子反應(abreagieren)。不僅一次的而且二次的金屬空氣電池得以發展。二次金屬空氣電池被再次充電，其方式是，在陽極和陰極之間施加電壓和逆轉所描述的電化學反應。在此釋放氧氣。金屬空氣電池的最有名的例子是鋅空氣電池。這以紐扣電池形式尤其作為用于助聽器的蓄電池使用。眾所周知，紐扣電池是高度與直徑的比例小于I的電池。所述電池通常具有由碗狀的電池杯、碗狀的電池蓋和密封墊組成的液密地封閉的殼體。電池杯和電池蓋通常分別具有底部、環繞的外罩、連接所述底部和所述外罩的過渡區和位于末端的切邊。電池杯的底部和電池蓋的底部優選地分別構造為平坦的并且優選構造為圓的、在必要時也構造為橢圓形的。所述電池杯的外罩和電池蓋的外罩能夠優選地被描述為具有圓的或橢圓形的橫截面的空心圓柱體的環形的片段。通常，電池杯和電池蓋的外罩與所屬的底部正交地定向。電池杯和電池蓋的所提到的過渡區優選包括電池杯和電池蓋的、位于相應的底部的平面以外、但還不是所屬的外罩的一部分的部分。所述過渡區可以構造為倒圓角的，例如肩狀的，或者也可以具有尖銳的沿邊的形狀。電池杯和電池蓋優選由金屬材料如鍍鎳的鋼或鋼板制成。此外適合的尤其是還有三金屬(Trimetalle)、例如具有鎳、鋼和銅(從外向內)序列。在安裝紐扣電池殼體時，電池蓋利用切邊向前推入到電池杯中。這兩個部分在得出的殼體中通過所提到的密封墊彼此空間和電分離，所述密封墊因此不僅承擔密封功能而且承擔絕緣功能。此外，在得出的殼體中，電池杯和電池蓋的底部相互并行地設置。所述底部的間距定義了紐扣電池的高度，通過底部的中點的連接直線定義了基準軸(軸向方向)，沿著所述基準軸在安裝紐扣電池時將電池蓋推入到電池杯中。所述電池杯和電池蓋可以例如由鍍鎳的深沖鋼板作為沖壓拉深件來制造。通常，電池杯極化為正的而電池蓋極化為負的。這樣的電池的液密的封閉性經常通過電池杯的邊緣的卷邊實現。金屬空氣電池具有相對高的能量密度，因為在陰極處對氧氣的需求能夠通過來自環境中的空氣氧滿足。但相應地需要有針對性的措施，以便在放電過程時將來自環境空氣的氧氣輸送給陰極。并且相反地，在充電過程時，在空氣陰極處形成的氧氣必須被排出。為此目的，金屬空氣電池的殼體 有針對性地配備進入口或排出口。這通常通過在殼體中沖壓孔而實現。在殼體內，通常通過合適的膜片或過濾器實現所進入的空氣氧的精細分布。因此，鋅空氣紐扣電池的殼體在各種情況下在使用電池杯的情況下制成，在所述電池杯的底部中沖壓進氣孔。為了制成鋅空氣紐扣電池，在這樣的電池杯中插入濾紙(或其他合適的微孔層)，所述濾紙覆蓋所述杯的底部和在其中所沖壓的底部的進氣孔。所述濾紙用作用于電池內的通過進氣孔進入的空氣氧的精細分布的裝置。從US-4, 118，544公知一種具有這樣的用于空氣分布的裝置的紐扣電池。在所述出版物中描述的紐扣電池情況下，通過微孔層或然而通過進氣孔的大小調節空氣到電池中的進入。微孔層的細孔或進氣孔的大小限制了電池的電功率。然而，瞬間地電池也應該能夠放出較強的電流。這是可能的，因為在電池中(在功能上類似于所提到的濾紙地)設置了用于空氣分布的層(air diffusion layer:空氣擴散層),在所述層中存儲一定量的氧氣。隨后在濾紙上放置空氣陰極，在所述空氣陰極處可以實現空氣氧的還原。該空氣陰極又借助平面的分離器覆蓋，所述分離器在電池中在陽極室和陰極室之間構成分界層。這樣的預安裝的杯部件(Becherteil)通常與碗狀的電池杯組合,所述碗狀的電池杯用鋅粉末或其他合適的可還原的金屬作為陽極材料并且用電解質填充并且在其外側張緊環形的塑料密封墊。它被推入到電池杯中，從而塑料密封墊在兩個殼體部分之間平放著。通過將電池杯的位于末端的邊緣卷邊到被推入的電池蓋上，液密地封閉電池。
發明內容
本發明所基于的任務是，提供一種具有簡化的結構和改善的容量的金屬空氣紐扣電池。所述任務通過具有權利要求1的特征的紐扣電池解決。根據本發明的紐扣電池的優選實施方式在從屬權利要求2至6中說明。所有權利要求的措辭在此通過參考而成為該說明書的內容。
根據本發明的金 屬空氣紐扣電池尤其是鋅空氣紐扣電池、即是其中陽極包含金屬鋅或由金屬鋅組成的紐扣電池。替代鋅，作為電化學活性材料，也可以使用例如鋁或鎂。根據本發明的金屬空氣紐扣電池不僅可以是一次金屬空氣紐扣電池，而且可以是二次(可再充電的)金屬空氣紐扣電池。根據本發明的金屬空氣紐扣電池的殼體原則上不與傳統的紐扣電池相區別，根據本發明的金屬空氣紐扣電池的殼體包括開頭所述的組件，即電池杯、電池蓋和密封墊。對此參照對于這些部分的相應的實施。此外，根據本發明的紐扣電池的殼體如由現有技術已知的紐扣電池的殼體那樣，具有孔的形式的進入口，通過所述進入口，空氣氧可以進入所述殼體。這些進入口優選是圓孔。本發明的中心特征之一是，根據本發明的紐扣電池的殼體中的進入口或孔中的至少一部分具有小于0.025mm2,優選地小于0.0lmm2的開口面積。特別優選地，這些進入口的開口面積位于 0.00000000785mm2 和 0.00785mm2 之間、尤其在 0.0000196mm2 和 0.00709mm2之間的范圍內。傳統的金屬空氣紐扣電池的殼體通常具有顯著更大的進入口。因此，具有0.4_的直徑(在基本上圓形的孔的情況下相應于約0.125mm2的面積)和多于進入口的孔并不罕見。所述孔在根據本發明的紐扣電池情況下至少部分通過顯著較小的進入口代替，這隨之帶來大優點。也即已經發現，這樣小的孔可以同時接管用于通過進入孔進入的空氣氧的精細分布的裝置的功能。濾紙或功能上等價的微孔材料的所述插入在制作根據本發明的金屬空氣紐扣電池時可以相應取消，這顯著簡化了制作過程。
在開頭提到的US-4，118, 544中描述的鋅空氣電池同樣具有很小的空氣進入口。然而，在US-4，118，544中描述的電池的發明人沒有認識到，通過引入特別小的孔到殼體中能夠實現放棄開頭提到的用于空氣分布的層(空氣擴散層)。通過省略所述層，更多的內部容積可用于活性材料。根據本發明的紐扣電池的特征尤其在于，在殼體中的進入口和空氣陰極之間不設置用于空氣分布的單獨的、例如在功能上相應于濾紙的裝置。根據本發明的電池因此通常具有比可比的傳統紐扣電池高得非常多的容量。進入口的總數在根據本發明的電池情況下優選位于I和128之間，優選在2和48之間、特別優選在4和36之間、尤其在8和32之間。根據本發明的紐扣電池優選僅僅具有帶有所提到的尺度小于0.025mm2的開口面積的進入口。然而，也可以設想根據本發明的電池的實施方式:所述實施方式除了具有小于0.025mm2的開口面積的進入口之外，還具有一個或者多個較大的、帶有大于0.025mm2的開口面積的進入口。優選地，進入口被引入到根據本發明的紐扣電池的電池杯的底部中。插入到電池杯中的空氣陰極可以直接由進入的空氣氧襲來(anstroemen )。優選地,根據本發明的紐扣電池具有以平坦層的形式的空氣陰極，所述空氣陰極這樣覆蓋電池杯的底部、尤其是其中所引入的進入口，使得通過進入口進入的空氣氧不能夠經過空氣陰極而侵入到殼體中。可以通過隔離物、例如平坦的網或柵格使空氣陰極與電池杯的底部分離，但優選地，所述空氣陰極直接和緊靠著地放在所述電池杯的底部上。特別優選地，在根據本發明的金屬空氣紐扣電池中，作為空氣陰極使用以平坦的層的形式的塑料連接的氣體擴散電極。這樣的氣體擴散電極例如在DE 37 22 019 Al中得以描述。在這樣的電極中，塑料粘合劑(大多是聚四氟乙烯，簡寫:PTFE)構成多孔的基質，其中由電催化活性材料(例如由貴金屬如鉬或鈀或由氧化錳)組成的顆粒被填入到所述多孔的基質中。這些必須能夠催化空氣氧的所提到的轉化。這樣的電極的制造在各種情況下以如下方式實現:由粘合劑和催化劑組成的干混合物被軋制成薄膜。所述薄膜又可以滾壓到例如由銀、鎳或鍍銀的鎳組成的金屬網中。所述金屬網形成電極內的導電體結構并且用作電流導電體。替代地或附加地，在層狀的空氣陰極被插入到電池杯中之前，金屬網或金屬柵格可以被放在根據本發明的紐扣電池的電池杯的底部上。所述金屬網或金屬柵格于是可以用作電流導電體和/或用作所提到的隔離物。特別優選地，進入口基本上在電池杯的底部上均勻地分布。“均勻的分布”尤其應理解為，如果通過直線將所述底部分成兩個相同大小的區域，則所述區域中的每一個具有類似數量、優選相同數量的進入口。進入口的布置在此基本上任意可變。所述進入口例如可以以同心圓的形式或光柵式地設置。根據本發明的紐扣電池、尤其是根據本發明的鋅空氣紐扣電池的殼體通常具有在0.08mm和0.15mm之間的厚度。這尤其適用于由進入口穿過的區域，即尤其是所提到的電池杯的底部。如上提到的，進入口優選地是圓孔。然而，這些進入口并不一定必須具有恒定的孔直徑。在特別優選的實施方式中，孔從殼體外側出發，向殼體內側錐形展開。因此，孔直徑從外向內增高。 在這點上，對于術語“開口面積”還有一些文字:如果孔或進入口的橫截面在軸向上(即從殼體外側向殼體內側或相反)變化，則在本申請的意義上，開口面積相應于軸向上最小的可確定的橫截面。否則，開口面積相應于孔或進入口的(恒定的)橫截面面積。孔或進入口、尤其被構造為圓孔的進入口的最小的可確定的直徑優選不超過極限值0.15mm,特別優選地位于0.1mm以下。特別優選地,進入口的最小的可確定的直徑位于0.0OOlmm和0.1mm之間、尤其在0.005mm和0.095mm之間的范圍內。為了制作根據本發明的金屬空氣紐扣電池，電化學活性組件、即例如所提到的鋅陽極和同樣已經提到的空氣陰極被包圍在殼體中，所述殼體的特征在于，其具有所描述的、尤其被構造為圓孔的、用于空氣氧的進入口，所述進入口具有小于0.025mm2、優選地小于
0.0lmm2的開口面積。
·
因此，例如為了制作根據本發明的鋅空氣紐扣電池，可以提供碗狀的、在底部區域中具有被構造為圓孔的進入口的電池杯，所述進入口具有在ΙΟμπι和ΙΟΟμπι之間的直徑。如已經提到的那樣，可以取消插入作為空氣氧分配器的濾紙。代替之，電池杯的內底部優選直接借助平坦的空氣陰極層覆蓋，在所述空氣陰極層處可以實現通過進入口引來的空氣氧的還原。此外，可以如同從現有技術中已知的那樣處理。具有小于0.025mm2的開口面積的用于空氣氧的進入口特別優選地借助于激光器熔化進殼體中。根據本發明的電池的殼體的進入口因此優選是熔化到殼體中的圓孔，而不是沖壓的孔。所述進入口相應地也不強制地具有圓形形狀。在此可以得到上述的錐形形狀，其方式是，將開口從在完成的電池中構成殼體的內側的該側引入到殼體中。合適的激光器是例如商業上可獲得的纖維激光器、即固體激光器，其中玻璃纖維的摻雜的芯構成活性介質。激光器的運行參數必須盡可能精確地匹配于殼體的厚度，其中進入口應引入到所述殼體中。功率例如可以通過激光的脈沖頻率的變化被調制。
本發明的所述的和其他的優點尤其還結合從屬權利要求從現在以下的對附圖的說明中得出。在此，本發明的各個特征可以本身單獨地或者彼此組合地實現。所描述的實施方式僅僅用于闡述和用于更好地理解本發明并且絕不應理解為限制性的。
具體實施例方式圖1示意性地示出根據本發明的金屬空氣紐扣電池100的橫截面。示出碗狀的電池杯101、被推入到所述電池杯中的、同樣是碗狀的電池蓋102和在其間設置的塑料密封墊103，根據本發明的電池的殼體由它們構成。密封墊103將電池杯101和電池蓋102在空間上和電地彼此分離。所述殼體具有圓柱形形狀。殼體在端面通過電池杯101和電池蓋102的底部限制，在外罩側通過電池杯101的環繞的外罩限制。空氣陰極104在電池100中作為薄的、完全覆蓋電池杯101的底部的層被包含。陰極層在此直接并且緊靠著地放在電池杯101的內底部上。所述陰極層包括由塑料組成的多孔基質，其中催化劑分散在所述多孔基質中。金屬網108在基質內形成導電體結構。在陰極層104上方繪出平面的分離器105。所述平面的分離器105將電池100的空氣陰極104與陽極室106分離。作為活性材料，金屬粉末、尤其是鋅被引入到所述陽極室中。借助激光器將進入口 107a_d熔化到電池杯101的底部中。兩個位于外部的進入口在此比兩個設置在中央的進入口具有更大的直徑。所述進入口中的一個被放大地示出(不按比例)。可以看出，進入口從外部朝殼體內側未來地錐形地展開。進入口因此不具有恒定的直徑。錐形構造的進入口的直徑在外側是大約15 μ m (dA),而在內側大約60 μ m ((I1)0所示出的電池杯的殼體在底部區域中具有大約130μπι的厚度。假設進入口在外側(在那里橫截面最小)具有圓形的橫截面，則可以計算進入口的開口面積，所述開口面積大約是
0.0001767mm2。在圖2中繪出在圖1中以橫截面所示的電池100的底部的俯視圖。所述底部是電池100的兩個端面中的一個，第二個由被推入到電池杯101中的電池蓋102的底部構成。圖1中所示的電池100的切割沿著線Z-Z’實現。可以看出，總共20個用于空氣氧的進入口，其中可以看出以剖視圖在圖1中繪出的進入口 107a-d。所述20個進入口以兩個同心設置的圓的形式均勻地分布在電池底部上。在此，內圓的進入口具有比外圓的進入口小的開口面積和 直徑。
權利要求
1.金屬空氣紐扣電池、尤其是鋅空氣紐扣電池，包括含金屬的陽極和空氣陰極作為電化學活性組件和具有進入口的、包圍所述含金屬的陽極和所述空氣陰極的殼體，通過所述進入口，空氣氧可以進入到所述殼體中，其中所述殼體具有電池杯和電池蓋并且所述進入口引入到所述電池杯的底部中，并且其中所述進入口中的至少一部分具有小于O. 025mm2、優選地小于O. Olmm2的開口面積，并且其中所述空氣陰極具有平坦的層的形式并且緊靠著地放在所述電池杯的底部上。
2.根據權利要求I所述的紐扣電池，其特征在于，所述進入口基本上均勻地分布在所述電池杯的底部上。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的紐扣電池，其特征在于，所述進入口的總數位于I和128之間、優選在2和48之間、特別優選在4和36之間、尤其是在8和32之間。
4.根據上述權利要求中任一項所述的紐扣電池，其特征在于，所述殼體具有帶有不同大小的開口面積的進入口。
5.根據上述權利要求中任一項所述的紐扣電池，其特征在于，所述殼體具有在O.08和O. 15mm之間的殼體厚度，尤其是在由所述進入口穿過的區域中。
6.根據上述權利要求中任一項所述的紐扣電池，其特征在于，所述進入口從外部向殼體內側錐形展開。
全文摘要
說明了一種金屬空氣紐扣電池、尤其是鋅空氣紐扣電池，包括含金屬的陽極和空氣陰極作為電化學活性組件和具有進入口的、包圍所述含金屬的陽極和所述空氣陰極的殼體，經由所述進入口，空氣氧可以進入到所述殼體中，其中所述殼體具有電池杯和電池蓋并且所述進入口被引入到電池杯的底部中，并且其中所述進入口的至少一部分具有小于0.025mm2，優選地小于0.01mm2的開口面積，并且其中所述空氣陰極具有平坦的層的形式并且緊靠著地放在所述電池杯的底部上。
文檔編號H01M2/02GK103238230SQ201180050854
公開日2013年8月7日 申請日期2011年8月18日 優先權日2010年8月20日
發明者W.高格勒, W-U.巴倫蒂恩, R.布倫納 申請人:瓦爾達微電池有限責任公司