專利名稱：卷繞式電極組件及其生產方法
技術領域：
本發明涉及具有導電接片的卷繞式電極組件、將導電接片連到卷繞式電極的方法以及使用這種組件的電化學電池。
使用卷繞式電極組件的電化學電池在技術上是廣泛知道的。在許多這種電池結構中，卷繞式電極組件被插在用作電池的電流傳導端子的復合外殼中。組裝這種型式的電池時，導電接片必須首先通過適當的辦法例如焊接固牢到電極上。
使用卷繞式電極組件的電池可以使用例如鎳金屬氫化物、鎳鎘、鎳鋅等等各種不同的電化學方式生產。當使用鎳金屬氫化物電池時，鎳金屬氫化物電池的負電極一般是形式為金屬氫化物的氫存儲電極。正電極一般為氫氧化鎳。正如這一技術中眾所周知的一樣，這些電池還包含有一個隔離物和電解液。
正電極帶通常是用于鎳金屬氫化物電池的最外層卷繞式電極，并有一個一端固牢到載體的一個選定區域、另一端固牢到電池外殼上的導電接片。在將導電接片固牢到電極之前，導電載體的選定區域必須清除任何活性電極材料。常規的辦法是，這種清除系通過諸如風吹、擦拭、抽氣、超聲清除等等工藝過程進行。但是，使用這些方法的載體(基片)既依賴于從基片上清去活性材料的效率又依賴于導電接片對基片的最終焊接強度。
隨著氈毛、泡沫材料及其他脆性材料基片制作的導電載體的開發，從基片上除去活性材料和連接導電接片的任務變得越來越困難了。人們已使用了各種不同的方法從基片上碎裂或松脫活性材料例如從所要求的區域超聲去除活性材料、沿著電極的整個邊沿去除基片活性材料、連接“t”、“v”或“h”形的導電接片以加強接片區域的強度等等。
雖然從電極的整個長度去除活性材料有助于提高這種型式電池的制造效率，但當今的趨勢卻是借助在電化學電池中存在盡可能多的活性材料的反應作用使容量達到最大。因此，對僅從脆性材料基片的一小部分基本上去除活性材料而不致減弱或損壞基片并且允許將導電接片連接到已如此清除的基片的制造卷繞電極組件的方法仍存在需要。
本發明涉及卷繞式電極組件和卷繞式電極組件的生產方法。更具體地說，本發明涉及卷繞式電極組件中使用的具有一個導電接片連接其上的電極板。借助以本文所述方法處理覆蓋有活性材料的電極板的導電接片區域，隨后的超聲清除步驟基本上除掉存在于該區域的全部活性材料。將導電接片超聲焊接到已如此處理的區域，結果便得到帶有堅固的一體化接片組件的電極板。
本發明的第一步驟是刺孔步驟，用互相對置的錯開刺孔平板從兩側壓向電極板的導電接片區。刺孔平板具有隆起的表面探針刺穿活性材料并在被處理區域形成一個針孔圖案。下一個步驟清除被處理區，得到基本沒有活性材料的導電接片區域。通過使用本發明的工藝過程之后，各種型式的導電接片便可連接到已清除區域，結果便得到堅固的一體化接片組件。
還發現，用本發明工藝方法制備的電極由于接片區相對較平的關系很容易組裝成適用于電化學電池的卷繞式組件。此外，本工藝方法允許在電化學電池成品中包含有更多的活性材料，結果便獲得較高的容量。
圖1是電極板與具有隆起探針的刺孔板接觸的側視圖；圖2是具有隆起的表面探針的刺孔板的正視圖；圖2a是刺孔板的隆起表面探針的分解側視圖；圖3是一個照片，示出本發明的刺孔步驟后的電極板導電接片區域；圖4是一個照片，示出經本發明的刺孔步驟和超聲清除所得區域之后的電極板導電接片區域；圖5是未經本發明的刺孔步驟的對比電極板接片區域在超聲清除接片區之后的照片。
在本發明工藝方法的第一步驟，用互相對置的具有隆起表面探針的錯開刺孔板刺入電極的導電接片區。在下一步驟，所得區域被清除活性材料以露出底層基本沒有活性材料的多孔性基片。然后，將導電接片連接到已露出的底層多孔性基片上。
在根據本發明制造的電化學電池中可用于制備正電極的基片包括任何具有低機械強度的高多孔率基片例如泡沫材料、毛氈等等。基片被覆蓋上適合于所要求的電化學方式的活性材料。
在鎳金屬氫化物電池的情形，正電極的活性材料包括一種或幾種鎳化合物(例如氫氧化鎳)的混合物。活性材料還可包括這一技術中所知道的其他化合物，包括導電率增強到(例如氧化鈷)、導電材料(例如碳黑)、增稠劑、粘結劑等等。金屬粉和其他成分用水混合形成一種濕性漿料，可以用任何已知的方法例如刮漿刀法、滾涂法、濺射涂覆等等涂覆到多孔的基片上。然后，已涂覆的基片可以使用這一技術中已知的方法干燥并經過砑壓工藝形成一個光滑的硬化電極板。電極板的最終厚度通常為0.6至0.7mm左右的范圍，最好是0.63至0.67mm。然后，將電極板切割成所需的尺寸用在電化學電池中。
已經發現，通過用互相對置的錯開刺孔板刺入電接片區域，可以基本清除掉導電接片區的活性材料，而不致損壞底層的多孔脆性基片。被清除活性材料的導電接片區可以稍稍大于要接到已清除區域的導電接片的寬度。
圖1是在刺孔步驟中電極板(1)與對置的刺孔板(2)接觸的正視圖。電極板(1)受到來自具有錯開的隆起表面探針(3)(端部為一個點)的對置刺孔板(2)大約20至110磅/平方英寸的壓力。隆起的表面探針錯開是為了在對置的刺孔板接觸電極板時，隆起的表面探針的尖端刺入底層的多孔基片而不致互相碰觸。在一個最佳實施例中，隆起的表面探針刺入電極板的底層基片而不會透出電極板的另一表面。
圖2示出具有錯開的隆起表面探針(3)的刺孔板(2)的正視圖。表面探針與相鄰探針錯開一個距離(4)，與下一行表面探針錯開一個距離(5)為的是在壓向電極板時避免對置的表面探針互相碰觸。如圖2a-一個表面探針的分解側視圖所示，表面探針最好是與表面探針之底至表面探針尖端的垂直線成20度以下(最好等于18至22度)的銳角(6)。表面探針有一個0.4mm左右的底(7)，高度(8)約為0.6mm，隨電極板的厚度而定。表面探針的底和高可以從這些尺寸變化以避免損壞底層的多孔性基片。例如，如使用較窄的表面探針，探針就可能透出電極板的另一側面而不致損壞底層的多孔性基片。如果使用較寬的表面探針，表面探針穿入電極板的深度應當使底層的多孔性基片不受損壞。
圖1是已經用本發明的上述刺孔步驟處理過的電極導電接片區域的一個照片，所得區域在電極表面上具有鉆石形的針孔。隨著所用基片型式和活性材料厚度的不同，可以使用一次或一次以上的刺孔步驟，以使下一個清除步驟期間基本去掉活性材料更容易些。
在工藝過程的下一步驟，使用常規方法清除導電接片區域的活性材料。在一個優選實施例中，系使用超聲處理來去除活性材料。可以認為本發明的刺孔步驟還降低了從被處理區域基本除去活性材料所需要的超聲劑量，其結果是更少損壞底層的脆性基片。用于將超聲波施加到被處理區域的設備型式可以變化并且一般包括一個帶有光滑或隆起表面的角形超聲輻射體和一個具有光滑或隆起表面的砧座。在本發明的一個最佳實施例中，角形超聲輻射體具有一個光滑的表面而砧座則由一個帶有鉆石形鈍尖(為了防止損壞基底)的隆起表面的可移動滾輪組成。所施加的超聲劑量一般在至少20kHz左右百分之百幅度的范圍(約204焦耳的能量)，持續時間約0.5至1秒。
圖4是經過本發明的刺孔步驟處理及其后面的超聲清除步驟的導電接片區域的照片，示出在導電接片區域基本沒有活性材料的底層多孔性基片。照片示出事實上仍然保持脆性基片的完整性。
圖5是僅使用超聲清理而沒有用本發明的刺孔步驟清除導電接片區域的對比方法的照片，示出底層脆性多孔基片的纖維損壞情況。超聲清除導電接片區域而不使用至少一次本發明的刺孔步驟損害了將導電接片焊接到基片的被清除導電接片區域的能力。
在除去已處理區域的活性材料之后，就可以使用超聲或電阻焊接法將導電接片連接到基片上。導電接片可以是鎳或者被鎳的鋼，可以有任何需要的形狀例如雙層接片(v形或h形)或者矩形的平滑單層接片。在本發明的優選實施例中，使用超聲焊接法將矩形單層接片連接到基片上。使用這一技術中已知的方法完成超聲焊接。在一個優選實施例中，角形超聲輻射體具有隆起的表面，而砧座則具有平滑的表面。為了在基片和導電接片之間形成切向熔焊，沿平行被焊表面的方向(180°)以大約30磅/平方英寸的焊接壓力施加20kHz百分之百幅值的超聲振動。根據所用導電接片的型式不同，焊接能量可以從對單層接片的大約18焦耳到雙層接片的大約30至45焦耳，焊接時間大約0.5至1秒。
在本發明的一個最佳實施例中，使用具有隆起表面的角形超聲輻射體和具有平滑表面的砧座將單層導電接片連接到已清除的脆性基片上。出乎預料的是，使用平滑砧座時單層導電接片與脆性基片可形成充分的切向熔焊。一般，導電接片與脆性基片的超聲焊接還包括使用雙層導電接片例如h接片和v接片。這種型式的雙層接片便于使用具有隆起表面的砧座和具有隆起表面的角形超聲輻射體，因為基片被插在兩個金屬層之間，不接觸角形超聲輻射體也不接觸砧座。使用具有隆起表面的砧座會在焊接單層導電接片時損壞基片露出的脆性纖維。已經發現，通過使用本發明的方法，所有形狀的接片都可使用平滑的砧座成功地焊接到脆性多孔基片的導電接片區域上。
然后，具有上述連接導電接片的正電極可以用常規步驟處理。這些步驟可包括在電極邊緣上方的接片部分設置一個沖孔以改善柔韌性和便于接片與電池蓋帽連接；和/或用膠帶粘貼導電接片和導電接片區域以確保附加焊接強度和防止內部短路。
與雙層導電接片相反，使用單層導電接片能通過消除一般與具有雙層接片(即雙倍厚度)的卷繞電極組件聯在一起的隆起區域而達到改善商業制造工藝。消除這個隆起區域還減少了內部短路的可能性，并允許用附加的電極層合并到卷繞式電極組件中。
下面的例子比較使用本發明方法的超聲焊接和常規電阻焊接的結果。正電極用需要成分(氫氧化鎳、氧化鈷、凝膠劑、粘結劑、和碳黑)的濕漿料涂覆到比重在320m2/g左右到500m2/g左右之間的被鎳泡沫材料基片例如Eltec公司的Eltec 400泡沫材料上。然后，所涂覆的基片在大約110至120攝氏度烘干并使用30至40噸左右的壓力砑光形成一個正電極板。然后，正電極板再切割成需要的尺寸。使用一次或一次以上的本發明刺孔步驟制備一個電極板系列以形成一個處理過的導電接片區域。然后，使用具有光滑表面的角形超聲輻射體和具有隆起表面的可移動滾輪砧座的超聲清除法清除導電接片區域。
然后，使用超聲焊接法將單層導電接片連接到已清除區域。使用具有隆起表面的角形超聲輻射體和具有光滑表面的砧座進行超聲焊接。使用常規的電阻焊接法將雙層導電接片連接到上述制備的電極板系列上。
利用在Lloyd Instrument公司的LXR型拉力試驗機上作標準拉力試驗測量接片焊接的強度。試驗通過用試驗裝置的一端夾緊導電接片，另一端夾緊電極板的底部進行。然后以每分鐘5mm的速度朝相反的方向拉動夾具，直到接片與電極板之間的連接達到最大強度(剛好在導電接片/基片焊接減弱之前)為止。結果報告在表1中。
對照例子使用經過了超聲清除而沒有使用本發明刺孔步驟的電極板進行。單層導電接片由于損壞底層的基片和不完全清除導電接片區域活性材料而不能使用超聲焊接法焊接到電極板上。結果示于下面的表1中。每一個樣品標識符都表示來自使用同一樣處理步驟的五個不同批次的五個樣本的平均結果。
表1拉力試驗樣本超聲焊接 電阻焊接焊接強度/帶 焊接強度/帶(公斤)(公斤)A 0.7 0.71B 0.71 0.66C 0.77 0.62D 0.7 0.84對照 無焊接可能 -結果顯示出使用本發明的工藝過程連接單層導電接片時的焊接強度一致性。此外，本發明的工藝過程提供了可與使用雙層接片/基片電阻焊接相比擬的單層接片/基片焊接強度。
權利要求
1．一種用于生產具有一個導電接片區域的電極板的方法，包括的步驟是a．使用具有隆起表面探針的互相對置的錯開刺孔板刺進電極板的一個區域；b．清除所得區域以露出底層的多孔性基片，形成一個導電接片區域；以及c．將導電接片連接到所述露出的底層多孔性基片。
2．權利要求1的方法還包括一個以上的刺孔步驟。
3．權利要求1的方法，其中所述清除步驟系將超聲波施加到所述得到的區域。
4．權利要求3的方法，其中所述超聲波系通過具有光滑表面的角形超聲輻射體和具有隆起表面的砧座施加。
5．權利要求4的方法，其中所述砧座包括一可移動的滾輪砧座。
6．權利要求1的方法，其中所述露出的底層多孔性基片在所述清除步驟之后基本沒有活性材料。
7．權利要求1的方法，其中所述連接步驟系通過施加超聲波進行。
8．權利要求7的方法，其中所述超聲波系借助具有隆起表面的角形超聲輻射體和具有平滑表面的砧座。
9．權利要求1的方法，其中所述導電接片系用鎳或被鎳的鋼制成。
10．權利要求1的方法，其中所述導電接片是單層導電接片。
11．權利要求1的方法，其中所述導電接片是雙層導電接片。
12．權利要求1的方法，還包括在所述導電接片上沖一個孔的步驟。
13．權利要求1的方法，還包括給所述導電接片和導電接片區域貼膠條的步驟。
14．一種具有用電化學活性材料涂覆的底層多孔性基片的電極板，其中所述電極板包括一個基本上沒有所述活性材料的導電接片區域和一個連接到所述導電接片區域的導電接片。
15．一種電化學電池，包括一個正電極、一個負電極、一個隔離物和一種電解質，其中所述正電極包括一個用電化學活性材料涂覆的底層多孔性基片，所述電極板具有一個基本上沒有所述活性材料的導電接片區域和一個連接到所述導電接片區域的導電接片。
全文摘要
本發明涉及一種具有導電接片的轉繞式電極組件,將導電接片連接到轉繞式電極的方法以及使用這種組件的電化學電池。在本發明的方法中,涂敷有活性材料的電極板(1)的導電接片區域用具有隆起的表面探針(3)的相互錯開的刺孔平板(2)刺孔,所述探針刺穿該導電接片區域。所形成的區域去除活性材料,并且導電接片被焊接到如此處理的區域,得到帶有堅固的一體化接片組件的電極板。
文檔編號H01M4/04GK1221516SQ97195416
公開日1999年6月30日 申請日期1997年4月30日 優先權日1996年5月14日
發明者俄尼斯特·J·費古拉, 米切爾·D·林德梅爾 申請人:杜拉塞爾公司