制造镍锌电池的方法 【技术领域】
本发明涉及可再充电电池技术， 并且更特别地涉及镍锌可再充电电池单元的制造。 背景技术
允许多样的移动连通性的便携式通信和计算设备的出现已激起可再充电电池领 域的成长和创新。 增加的容量和功率已使可再充电电源进入包括电力工具场所的各种领域 成为可能。因为电力工具典型地具有大的电流需量， 所以可再充电电源已必然地发展以适 应快速放电特性。 可以认识到本发明也将在电力工具之外的应用例如不可间断电源 (UPS)、 电动车辆以及高要求消费电子产品中找到使用， 这些应用都需要高的载流容量和放电能 力。当然， 发明也应用于相对较低放电速率的应用例如许多主流消费电子产品应用。
可再充电电源具有优于不可再充电电源的多个优点。例如， 不可再充电电源的使 用唤起关于危险废物处置和补救的越来越多的环境担忧。依赖于便携式设备的增生， 使用 那些设备而需要的不可再充电电源的数量将是庞大的。 可再充电电源允许电池单元被重复 地使用， 从而减少危险废产物引入到环境中。 此外， 可再充电电源允许金属和化学资源的节 约， 否则它们将在不可再充电电源中浪费。 最后， 可再充电电源的使用促进和扩展容纳增长 的人口所需的连续节约努力。
虽然可再充电电源的优点许多， 但是它们不是没有成本的。 特别地， 构成可再充电 电源的材料经常引起对环境的重大的潜在威胁。 地区性的再循环代理比如东北再循环理事 会 (NERC) 正在积极地处理可再充电电源处置的问题。在 NERC 的新近报告中， 10 个成员州 的 9 个禁止铅酸电池的处置 ； 10 个州的 6 个禁止镍 / 镉电池的处置 ； 并且 10 个州的 4 个禁 止氧化汞电池的处置 (http://www.nerc.org/documents/recylingrules0901.html)。EPA 也已经介入并且当前已关闭 NiCad 电池处置的工业广泛实践的反馈， 在工业和家用电器例 如无绳电话、 电力工具和漆上型计算机中通常使用的 NiCad 电池是当不正确处置时引起潜 在环境危险的许多产品的一种。电池包括镍和镉即最有毒的成分， 并且当不正确地处置时 能够引起健康问题。 它们都是重金属， 并且在再循环和处置过程中也能够有害地影响环境。 (http://www.epa.nsw.gov.au/media/0403/eprbatteries.htm)
因为常规可再充电电源的某些通常使用材料的有害本质， 制造减少任何潜在有害 材料的量的可再充电电源将是期望的。特别地， 找到对广泛使用的镍镉电池单元的替代品 将是期望的。
已经发现可再充电镍锌单元能够以合理的成本提供超过镍镉单元和锂铁单元的 功率 - 重量和功率 - 体积比。但是， 由于至少两个原因， 镍锌电池技术还没有广泛地施用。 首先， 已经发现其具有相对有限的循环寿命。 换句话说， 给定的镍锌单元仅能够充电和放电 用可相比的镍镉单元典型获得的周期的若干分之几。这是由于锌分布和枝晶形成。其次， 还没有为镍锌电池开发的合适量产制造工艺。
在可能的程度上使用现有制造技术以制造环境上更安全的可再充电电源以便杠杆利用现有制造基础设施而不是需要全新的制造基础是期望的。 发明内容 本发明通过利用具有某些重要变化的镍镉型制造工艺来实现上述优点， 这些变化 允许用较少毒害的负电极例如由锌或锌化合物例如氧化锌或锌酸钙制造的电极替代镉负 电极。在这里描述制造无镉电池的各种方法。方法利用镍和锌电极制造的量产线。作为制 造工艺的一部分， 负和正电极材料的软浆、 软膏或干粉连续地涂敷到载体片上。
正电极材料优选地具有类似于用来制造常规镍镉电池中的镍电极的组份， 虽然可 能有对镍锌电池系统的某些重要优化。 负电极优选地利用氧化锌和锌金属或其合金作为电 化学活性材料。在某些实施方案中， 负电极包括其他材料例如氧化铋、 氧化铟以及 / 或者氧 化铝。负电极的载体 ( 其用作集电器 ) 应当与负电极材料在电化学上兼容。对于锌电极， 例如载体材料优选地是以穿孔片或金属网形式的铜或铜合金。
在利用湿法工艺的一个实施方案中， 负电极材料包括分散剂以最小化氧化锌颗粒 的结块， 因为已经发现结块不利地影响镍锌单元的性能。 在更多实施方案中， 方法利用分隔 电极并最小化锌枝晶的形成的多片 ( 例如， 4 片 ) 分隔器材料。 合适的分隔器材料的例子包 括尼龙片和多微孔聚烯烃片。此外， 本发明的制造方法优选地利用阻碍锌电极中的枝晶生 长的高导电性电解质。
重要地， 制造方法制造具有锌负电极的单元， 但它们也利用在此之前为其他单元 型储备的某些制造技术。特别地， 现有镍镉制造线可以以较小修改用来适应这里所描述的 方法。 在一个例子中， 方法利用下面序列 ： 用正和负电极材料的软膏或软浆涂敷正和负电极 集电器片、 干燥并压紧初生电极片、 切割并清除片， 以及从切割的电极片和交插的多微孔分 隔器片形成 “果冻辊” 单元组件。所描述的方法将在所有现成定义好的且成熟的制造基础 中得到特别应用。
另外， 公开了方法和单元设计， 以通过反转单元的极性使得与常规制造方法相比 端子被反转而增加可再充电电池的效率。
某些实施方案利用干法工艺， 其中电极部件的相对干的粉末或粒状混合物用来代 替软浆或软膏。 在这些干法工艺中使用的电极组成不需要包括通常提供来改善软浆或软膏 的黏稠度的分散剂或其他添加剂。
制造可再充电电池的某些干法处理方法可以用下面的操作序列表征 ： (a) 将锌负 电极材料施加到第一导电载体上以形成第一电极片 ； (b) 将充分干的状态的镍正电极材料 施加到第二导电载体上以形成第二电极片 ； (c) 将至少一个分隔器片布置在第一电极片和 第二电极片之间使得第一电极和第二电极片以及该至少一个分隔器片形式被成层以形成 单元组件 ； 以及 (d) 卷绕或折叠单元组件以形成具有一般地对应于可再充电电池的形状因 子的三维结构。在某些实施方案中， 负电极材料可以在充分干的状态中施加到第一导电载 体上。可选地， 它可以被施加为软膏或软浆。可再充电电池可以具有任何形状因子包括各 种形式的圆柱形和棱形单元。
干法处理的一个优点在于可以基本上在无分散剂和有机浆料的辅助下制造镍正 电极材料。并且， 在某些实施方案中， 镍正电极材料将包括粘合剂例如氟化聚烯烃。在某些 实施方案中， 在镍正电极材料中以大约 0.1 ～ 5 重量百分比的水平提供粘合剂。在特定例
子中， 正电极材料包括氢氧化镍和 / 或羟基氧化镍、 氧化锌、 氧化钴， 以及粘合剂。在某些实 施方案中， 负电极材料包括氧化锌、 锌或锌合金、 氧化铋， 以及氧化铝。在某些情况中， 负电 极也可以包括粘合剂和 / 或减少颗粒结块的分散剂。优选地， 负电极具有低的碳酸盐含量 ； 例如， 它可以利用具有至多大约 1 重量百分比碳酸盐的氧化锌。也可以通过将负电极加热 到至少大约 200℃的温度而驱散碳酸盐。这种加热可以具有其他有益的效果。
在某些实施方案中， 由铜或铜的合金制造第一导电载体。 在某些例子中， 第一导电 载体可以包括穿孔的铜或铜合金或者网眼铜或铜合金。在某些实施方案中， 由镍例如镍泡 沫片制造第二导电载体。
在某些实施方案中， 方法也包括下面的操作 ： (e) 将第一内部端子与单元组件的 第一端连接使得仅负电极与第一内部端子电连通 ； (f) 将第二内部端子与单元组件的第二 端连接使得仅正电极与第二内部端子电连通 ； (g) 将单元组件插入到保留容器中 ； (h) 用电 解质填充包含单元组件的保留容器 ； 以及 (i) 密封保留容器使得电解质和单元组件基本上 与环境隔离。 该方法的一种或一类涉及将单元封盖端子连接到第一内部端子以及将单元组 件插入到保留容器中以及将第二内部端子连接到保留容器， 使得单元具有负封盖。方法也 可以包括以下 ： 根据规定的充电曲线初始充电可再充电电池 ； 以及单独地测试可再充电电 池使得可再充电电池按充电 / 放电相似性进行分组。
发明的另一个方面属于由以下操作表征的制造方法 ： (a) 将锌负电极材料施加到 第一导电载体上以形成第一电极片 ； (b) 将镍正电极材料施加到第二导电载体上以形成第 二电极片 ； (c) 将至少一个分隔器片布置在第一电极片和第二电极片之间使得第一电极和 第二电极片以及该至少一个分隔器片形式被成层以形成单元组件 ； (d) 卷绕或折叠单元组 件以形成具有一般地对应于可再充电电池的形状因子的三维结构 ； 以及 (e) 将第一内部端 子压力接合到单元组件的第一端使得仅负电极与第一内部端子电连通。 也可以通过将第一 内部端子软焊到单元组件的第一端使得仅负电极与第一内部端子电连通来实施接合。 在该 方法中， 在软焊之前， 第一内部端子可以提供有焊料涂层。
不管利用什么类型的接合， 多个附加的特征可能与方法关联。这些包括在上面对 于干法处理过程所陈述的所有那些。此外， 方法可以利用采取穿孔盘、 开缝盘或 H 形结构形 式的内部端子。在某些实施方案中， 第一内部端子通过由完全装配的可再充电电池中的单 元封盖提供的向下力而保持与单元组件的第一端压紧。 这种力可以通过夹置在单元封盖和 内部端子之间的弹性元件或弹力装置来提供。 附图说明
通过下面参考结合附图进行的描述可以更完全地理解发明， 其中 ：
图 1 是本发明的实施方案的工艺流程的图形表示。
图 2 是本发明的实施方案的工艺流程的进一步图形表示。
图 3 是在卷绕之前的阴极和阳极的图形横截面表示。
图 4a 是反极性电池子组件实施方案的图形表示。
图 4b 是反极性电池子组件实施方案的图形横截面表示。
应当明白， 在附图中， 相似参考数字指明相似结构元件。 并且， 应当明白， 附图中的 描述不一定是按比例的。具体实施方式
本发明一般地涉及使用与镍镉可再充电电池的一般接受制造技术类似的技术来 制造镍锌可再充电电池单元的技术。
在下面参考图 1-4b 讨论发明的该方面的实施方案。但是， 本领域技术人员将容易 认识到在这里关于这些图而给出的详述用于说明的目的， 因为发明超出这些有限的实施方 案。
首先转到图 1， 图 1 给出本发明的实施方案的制造工艺流程的图形表示。最初， 工 艺包括两个分开的路径， 一个用于制造负电极片而另一个用于制造正电极片。 最后， 在所描 述的工艺中， 这两个路径在将分开的负和正电极装配到单个单元中时汇合。 典型地， 根据本 发明， 这两个路径的工艺步骤在单个车间内并行地执行， 使得电极能够连续地形成为各个 片， 然后在形成镍锌单元的过程中连续地组合。
方框 101 和 121 描绘正和负电极的例子起始材料。这些方框表示以下事实 ： 制造 工艺必须通过提供用于制造电极的必需起始材料而开始。除了原始电极配方材料之外， 工 艺还将需要电极载体片 ( 包含最终在装配的单元中用作集电器的导电材料 ) 以及用于在装 配的单元中分隔正和负电极的分隔器片、 电解质、 如果在工艺中使用电极软膏或软浆时用 以形成电极软膏或软浆的水， 以及单元封装材料 ( 例如， 盘端子、 单元罐等 )。 首先考虑负电极， 制造工艺通过提供形成负电极所需的负电极材料 (101) 而开 始。在图 1 中所示的例子实施方案中， 负电极材料 (101) 包括锌金属、 ZnO、 Bi2O3、 Al2O3、 HEC 以及分散剂。在一些实施方案中也包含氧化铟。各种其他配方是可能的， 包括利用其他形 式的锌例如锌酸钙或其前体 ( 例如， 氧化钙或氧化锌 ) 的那些配方。其他电极配方包括多 种无机氟化物、 无机纤维例如氧化铝 - 二氧化硅纤维， 以及有机纤维例如棉屑等。还有其他 配方不利用 HEC、 分散剂或其他有机材料。
如上所述， 发明一般地涉及制造镍锌电池的方法。 这样， 负电极材料基于锌和锌化 合物， 这比更通常使用的镉化合物明显更少危害。EPA 将锌和锌化合物分类到群 D 中， 群D 指示关于其致癌潜力的不充分证据 (U.S.EPA， 1995a)。此外， 国际癌症研究机构 (IARC) 还 没有关于其致癌潜力而分类锌 (IARC， 1987a)。相反地， 流行证据强烈地支持镉暴露和瘤形 成包括呼吸癌和肾癌之间的关联 (ARB， 1986c)。此外， EPA 已基于显示肺癌增加的人类和动 物研究将镉分类到群 B1 ： 可能的人类致癌物质 (U.S.EPA， 1994a)。此外， IARC 已基于在人 类中致癌性的流行证据以及在动物中观察到的致癌效果将镉和镉化合物分类到群 1 ： 人类 致癌物质 (IARC， 1993b)。
如所示的， 氧化锌是在负电极中使用的合适电化学活性材料。也可以使用其他锌 化合物。特别地， 另一个例子实施方案， 锌酸钙 (CaZn(OH)4)， 可以代替 ZnO 用作起始材料。 应当认识到制造锌酸钙可能包括潜在有害的放热反应。 反应也强烈地脱水并且可能在用于 制造负电极的软浆或软膏的生成过程中难以控制。 因此， 如果要使用锌酸钙， 那么它应当在 现场外至少部分地预先形成。然后， 它应当添加到负电极材料的混合物中。以该方式使用 锌酸钙的一般过程在在此引用作为参考的 2002 年 3 月 15 日提交的发明者 J.Phillips 的 PCT 专利申请 CA02/00352 号 ( 国际公开号 WO 02/075825) 中描述。
在负电极中使用的其他合适电化学活性材料是锌金属和锌合金。优选地， 锌金属
或合金颗粒的尺寸是相对小的 ； 例如， 小于大约 50 微米平均直径 ； 更优选地小于大约 45 微 米平均直径 ； 并且更优选地小于大约 40 微米平均直径。在特定实施方案中， 锌材料具有以 下粒子尺寸分布， 其特征在于 92 重量百分比的材料具有小于 45 微米的粒子尺寸以及 8 重 量百分比的材料具有大于 45 微米的粒子尺寸。可以在锌合金中使用多种合金元素。例子 包括铟和铋， 其中在某些情况中铅或铁也是合适的。优选地， 铟和 / 或铋浓度不超过总合金 质量的 1％。在一些实施方案中， 合金包含高达大约 500ppm 的铟以及高达大约 500ppm 的 铋。在某些实施方案中， 合金可以包含高达大约 25ppm 的铅和 / 或高达大约 5ppm 的铁。
已经发现高温 “烧制” 过程可以改善作为结果的锌电极的高速性能。在典型的方 法中， 在惰性气氛中或者在真空下 ( 以限制下面的铜集电器的氧化 ) 将氧化锌加热到大约 200 ～ 400℃优选地大约 300 ～ 380℃ ( 例如大约 320℃ ) 的温度并持续大约 0.5 ～ 2 小时 的时间。 烧制过程可以去除被认为对锌电极的高速放电具有有害影响的分散剂和其他有机 材料。 可选地， 或者另外地， 烧制过程可以去除可能妨碍高速放电的碳酸盐。 可能地， 通过耗 尽电解质中的氢氧化物以及 / 或者减小电解质的运输能力， 可以减小电解质的导电性。不 幸地， 在外界条件下氧化锌容易与二氧化碳反应而形成碳酸锌。 因此， 暴露于外界条件的氧 化锌颗粒的表面能够逐渐获得相对大量的碳酸盐。 许多商业的氧化锌来源具有相当数量的 碳酸盐含量。 为了减轻该问题， 在电极制造之前加热氧化锌以及驱散二氧化碳将是期望的。 在优选实施方案中， 用来制造负电极的氧化锌包含不多于大约 1 重量百分比的碳酸盐。已 经发现锌金属组份能够在烧制过程中抵挡氧化。 在暴露于大气的过程中仅相对小百分比的 锌在烧制过程中转换成氧化物。 在某些实施方案中， 由氧化锌的软浆或软膏以及其他电极材料制成锌电极。在其 他实施方案中， 通过干法工艺形成锌电极， 其中将电极组份提供为压紧到集电器或其他载 体上的粉末状混合物。如将在下面更完整地解说的， 干法工艺可以不需要可能负面地影响 性能的分散剂或其他有机材料。
除了氧化锌或其他电化学活性锌来源之外， 负电极混合物可以包括促进电极中的 某些过程例如离子传输、 电子传输、 润湿、 多孔性、 结构整体性、 活性材料可溶性等的其他材 料。在湿法工艺中， 其他添加剂控制流体的黏稠度以及软浆和软膏本身的其他过程相关性 质。 在特定实施方案中， 负电极软浆包括锌合金、 氧化铋、 氧化铝、 羟乙基纤维素 (HEC)， 以及 分散剂。
羟乙基纤维素 (HEC) 可以用来控制负电极材料的软浆或软膏的黏稠度。HEC 是非 离子的水溶聚合物， 它能够变浓、 悬浮、 凝固、 乳化、 成膜、 稳化、 分散、 保水， 以及提供保护性 胶体动作。它在热或冷水中是易溶的并且能够用来制备具有宽范围黏性的溶液。并且， 对 于溶解的电解质它具有突出的忍耐力。因此， HEC 或具有相关性质的其他材料用于某些实 施方案中以迫使负电极材料 ( 处于其软膏形式 ) 保留水。
在形成负电极软浆的一种方法中， 两种单独的混合物被制造然后被组合以形成软 浆。 第一混合物包含水和 HEC( 或其他合适材料 )， 而第二混合物包含水和预筛滤的固体 ( 例 如， 锌金属或锌合金、 ZnO、 Al2O3、 Bi2O3 和分散剂 )。
其他负电极组成在在此引用作为参考的以下文档中描述 ： PCT 公 开 号 WO 02/39517(J.Phillips)， PCT 公开号 WO 02/039520(J.Phillips)， PCT 公开号 WO 02/39521， PCT 公 开 号 WO 02/039534(J.Phillips)， 以 及 2002 年 3 月 15 日 提 交 的 美 国 专 利 申 请
10/098,195 号。 在这些参考文档中描述的负电极添加剂当中的是二氧化硅以及各种碱土金 属、 过渡金属、 重金属和贵金属的氟化物。
如所述的， 制造过程优选地利用低碳酸盐的氧化锌。 不幸地， 已经发现低碳酸盐的 氧化锌在悬浮中比典型的较高碳酸盐的氧化物更容易结块。因此， 已经发现难以在湿组成 物中制造具有很好混合的、 均匀分布的组份的负电极， 因为氧化锌易于形成结块。 为了处理 该问题， 某些实施方案利用分散剂以最小化低碳酸盐的氧化锌颗粒的结块。 一般地， 分散剂 修改颗粒的表面性质以促进遍及软浆或其他悬浮物各处的分散。 许多分散剂是常规的表面 活性剂或者针对待分散的特定颗粒的表面性质而修改的变型。 因为氧化锌广泛用于油漆工 业， 所以已经研发出针对氧化物的各种分散剂。一个这种分散剂是商业上可获得的 Kyoto Japan 的 San Nopco Ltd. 的 NOPCOSPERSE 44。足够数量的分散剂被建立以涂敷氧化锌颗 粒的表面， 从而消除本发明的制造工艺中的氧化锌颗粒的结块。
回到图 1， 如上所述地组合负电极材料 (101) 以形成水基软浆 (103) 并连续地施加 到导电载体片 (151) 上作为软浆涂层 (105)。本领域技术人员可以认识到 ： 材料也可以制 成软膏并通过如同步骤 125 的软膏头连续地施加以形成负电极。在特定例子中， 软膏头将 负电极软膏混合物在大约 3psi( 磅每平方英寸 ) 的压力下施加到载体片的两面。如果利用 软浆涂层， 那么可以使用常规的软浆涂敷装置。 在这种装置中， 软浆的连续供给提供到载体 片通过的腔室。 应当注意通过将软膏或软浆汲取到负电极的载体上的真空技术形成常规锌电 极。在氧化钙和氧化锌已用作活性材料的某些情况中， 石油基的添加剂用来促进特氟纶 (Teflon) 的纤维化， 以促进可以压紧到载体上的电极片的制造。
在某些实施方案中， 锌电极组份提供为干混合物。 换句话说， 这些实施方案不利用 软浆、 软膏或其他湿组份。 在干混合物中， 电极组份提供为相对无水或无其他液体媒介的粉 末或粒状混合物。 因此， 电极混合物将不以软膏或软浆的方式流动， 从而将不通过软膏头或 相关机械提供。
干式处理服从利用金属添加剂例如锌或锌合金的电极混合物， 它们可能发泡并负 面地影响软膏或软浆的黏稠度。此外， 干式处理不需要使用某些有机材料例如分散剂和软 膏黏稠度添加剂例如 HEC。如上所述， 这些添加剂可能负面地影响镍锌单元的性能。
在一个例子中， 在干法工艺中利用的锌电极混合物包括电化学活性锌源以及氧化 物例如氧化铝、 氧化铋和 / 或氧化铟。其他添加剂可以包括多种无机氟化物、 无机纤维例如 矾土 - 硅石纤维以及有机纤维例如棉屑等。电化学活性锌源可以是氧化锌、 锌金属、 锌金属 的合金、 锌酸钙或其前体 ( 例如， 氧化钙和氧化锌 )、 部分氧化的锌金属， 以及它们的组合。 对于锌合金， 炼制合金的元素的例子包括铟和铋。一个特定实施方案利用已部分氧化成氧 化锌的锌金属或锌金属合金粉末。 作为结果的部分氧化金属与氧化物和合适的粘合剂例如 上述干的聚四氟乙烯 (P.T.F.E) 粉末组合并施加到负电极载体材料上。
干粉锌工艺涉及以控制的速率将粉末连同三维电化学兼容衬底例如网状铜泡沫 或网眼铜金属一起供给到压辊使得粉末被保持并压紧到适当的孔隙中。
可以认识到多种载体材料的任一种可以用来形成正电极， 包括但不限于镍、 镀镍 钢、 银等。本领域技术人员应当明白载体片在完成的镍锌单元中用作负电极的集电器。给 定铜的低电阻系数、 相对低的价格以及与锌电极的电化学兼容性， 铜和铜合金是用作载体
片的特别优选的材料。特别地， 镀镍钢是在商业镍镉单元中为镉电极选择的载体。
载体片能够以多种结构形式提供， 包括穿孔金属片、 网眼金属， 以及金属泡沫。用 来选择具体结构形式的准则之一是成本、 涂敷轻易， 以及促进电化学活性电极材料和集电 器之间的电子传输的能力。在优选实施方案中， 载体的厚度对于穿孔片大约是 2 ～ 5 密耳， 但对于网眼金属可以是 2 ～ 20 密耳。金属泡沫衬底可以是 15 ～ 60 密耳。
一旦涂敷了负电极， 在湿法工艺的情况中它被干燥 (107) 以驱散过量的用作电极 材料的传送媒介的水。利用流动空气或氮气的热干燥器可以用于该目的。
然后， 使用辊或其他适当的压紧机械压紧作为结果的负电极 (109)。 本领域技术人 员可以认识到， 压紧使电极获得均匀厚度， 使得可以保持制造容差。 压紧也使负电极获得期 望的孔隙度。可以认识到孔隙度控制电解质和电极之间的离子的传输性质。孔隙度也规定 活性表面面积， 从而规定负电极的电流密度。 在典型的例子中， 负电极的压紧后厚度大约为 10 ～ 40 密耳 ( 例如， 大约 20 密耳 )， 并且孔隙度大约为 40 ～ 65％。
在将电极片压紧适当的程度之后， 可以在步骤 111 处切割和清除它。应当注意载 体片典型地具有显著大于单电池单元所需的宽度 ； 例如， 宽度可以是一码的量级。因此， 负 电极切割成符合最终产品特定容差的宽度 ( 例如， 对于子 C 尺寸单元大约为 1.25 英寸 )。 可以在进一步装配之前 “清除” 所切割的负电极的一部分。特别地， 沿着负电极的边缘长度 的负电极材料的条被去除。清除后的条在进一步的步骤 203 中通过暴露下面的集电器金属 促进端子到负电极集电器的连接。虽然可以实施其他端子连接方法， 但是清除留下特别适 合于软焊 (soldering)、 点焊或本领域中众所周知的任何其他类型导电接合的表面。 本领域 技术人员可以认识到可以通过以下不具限制的方法来实施清除电极 ： 刮擦、 冲刷、 研磨、 洗 涤以及擦拭。这典型地结合真空清除而实施直至消除微粒物质。
以如同上面对于负电极讨论的类似方式， 可以形成正电极。在初始步骤 121 处开 始， 正电极材料被提供以形成正电极。在湿法工艺中所使用的例子实施方案中以及如图 1 中所示的， 提供包括氢氧化镍 (Ni(OH)2)、 氧化锌、 氧化钴 (CoO)、 镍金属、 任选的钴金属， 以 及任选的流控制介质例如羧甲基纤维素 (CMC) 的正电极材料 (121)。在优选实施方案中， 至少一些氧化锌和氧化钴与氢氧化镍一起在化学混合物中提供， 从而独立颗粒包含氢氧化 镍、 氧化锌和氧化钴。这种预混合的材料可以通过独立组份的共沉淀来制备并且可以在常 见知名提供商例如 International Nickel Corporation 和 Tanaka 的商业上可用配方中获 得。这些材料通过将氧化物锁定在不溶解的镍基质中而防止浸出。共沉淀也通过建立穿过 正电极材料的导电通道而显然助长电荷转移效率。在优选实施方案中， 氧化锌和氧化钴每 个以大约 2-3 重量百分比的锌浓度和大约 2-6 重量百分比的氧化钴浓度在共沉淀材料提 供。此外， 正电极材料可以附加地包含化学上纯净的钴和镍金属。
如果在正电极中利用钴金属， 那么优选地它以大约 1 ～ 10 重量百分比的浓度提 供。该浓度范围适合于宽范围的放电速率 ( 例如， 锌电极表面积的大约 0.001 ～ 0.4 安培 / 2 cm )。在典型的高速应用 ( 例如以锌电极表面积的大约 0.01 ～ 0.4 安培 /cm2 实施放电 )， 钴金属的浓度在正电极中大约是 4-10 重量百分比。在典型的低速应用中， 钴金属的浓度大 约是 1-5 重量百分比， 并且以锌电极表面积的大约 0.001 ～ 0.01 安培 /cm2 实施放电。
在可选实施方案中， 氧化钴可以在操作 121 处添加到材料中以增强导电性。但是， 一般地优选地， 起始材料包含很少或没有额外的氧化钴。应当注意在商业镍镉单元中无钴氧化物通常在正电极混合物中使用。
在一种方法中， 从两种单独的混合物形成正电极软膏 ： 一个包含 CMC( 羧甲基纤维 素 ) 和水， 而另一个包含水和共沉淀的氢氧化镍 - 氧化镍 - 氧化锌、 镍金属， 以及相对纯净 的氧化钴。然后， 组合这两种混合物以形成正电极软膏。应当注意在步骤 123 处包含 CMC 以改善作为结果的软膏的流动特性。
一些正电极组份在在此引用作为参考的以下文档中描述 ： PCT 公 开 号 WO 02/039534(J.Phillips)( 共沉淀的 Ni(OH)2、 CoO 和细碎的钴金属 )， 以及 2002 年 3 月 15 日 提交的美国专利申请 10/098,194 号 ( 氟化物添加剂 )。
在方框 125 处， 软膏通过软膏头连续地施加到正电极载体片上。可以认识到多种 载体金属的任一种可以用来形成负电极， 只要它们满足适当的设计准则例如低成本、 高导 电性、 与正电极的电化学兼容性， 以及与电化学活性材料的良好接触。 例子包括但不限于镍 以及镀镍不锈钢。载体金属可以具有多种结构形式之一种， 包括穿孔金属、 网眼金属、 烧结 金属、 金属泡沫以及镀金属的聚合物材料。 在优选实施方案中， 载体是例如通过使镍电解沉 积于其上的聚氨酯泡沫热解而形成的镍金属泡沫。 在经历用以保证厚度均匀的预压之后泡 沫正电极载体的厚度例如大约为 15 ～ 60 密耳。 如同负电极一样， 可以使用干法工艺制备正电极。在该方法中， 不使用 CMC 和某些 其他有机物。 应当注意在某些实施方案中， 从正电极混合物中它不是可行的烧掉有机物。 因 此相对不含有机物的干法工艺可以提供显著优点， 特别是在利用具有相对低的氢氧化物浓 度的电解质的镍锌单元的环境下。在特定实施方案中， 干法工艺的正电极组份包括氢氧化 镍、 氧化锌、 氧化钴 (CoO)、 镍金属， 以及任选的钴金属， 其中在与氢氧化镍的化学混合物中 至少部分地存在锌和钴氧化物。另外， 可以利用磨碎的粘合剂例如干的 P.T.F.E.。该材料 在缺乏 CMC 和水媒介时提供电极结构整体性所需的粘合。干的混合材料连同三维载体一起 计量供给到压辊。当粉末填充孔隙空间时， 它们被压紧到适当的孔隙中。
在某些实施方案中， 在干法混合工艺中使用的正电极的组份与在上述湿法工艺中 所使用的非常类似。但是， 不使用 CMC 粘合剂， 并且使用显然更少的水， 因为不形成软膏或 软浆。在特定实施方案中， 干的正电极组份是电化学活性镍 ( 氢氧化镍 (Ni(OH)2))、 氧化镍 和 / 或羟基氧化镍 )、 氧化锌、 氧化钴， 以及钴金属。应当注意在这里不包含粘合剂， 因为在 该实施方案中它将在随后被引入。 可以使用适合于混合粉末或粒状组份的混合装置来实施 组份的混合。 作为例子， 混合器装置可以利用刀片、 冲击轮、 辊、 带锯、 内螺纹、 振动元件等以 实现均匀混合。在可选实施方案中， 使用例如抹刀手动地实施混合。
在干的组份已经混合之后， 粘合剂例如 PTFE( 聚四氟乙烯 ) 可以添加到正电极组 份的全部干混合物的大约 0.1 ～ 5 重量百分比的水平。其他粘合剂材料可以用来代替或联 合 PTFE。作为粘合剂， 这些材料 “粘合” 电极的其他组份， 从而将它们保持在适当位置并且 最小化从集电器剥落或脱离的可能性。在某些实施方案中， 所选择的粘合剂材料对于正电 极的电化学环境是惰性的。 也就是， 粘合剂材料在制造过程中或正常操作过程中不分解、 熔 化或者扩散出正电极。在某些实施方案中， 这种材料抵抗氧化或其他化学降解。优选地， 它 们将不产生二氧化碳或碳酸盐。 根据本发明的实施方案的具有能够用作有用电极粘合剂的 成分的一类材料的一个例子是氟化聚烯烃。
例如， 可以在干的状态下或作为乳状物添加粘合剂。 在特定实施方案中， 当粘合剂
是氟化聚烯烃时， 它提供为包含大约 60 重量百分比粘合剂的乳状物。手动地或通过任何合 适的混合装置 ( 例如上述的那些 ) 将它与其余组份组合， 以产生随后被加热以去除湿气的 均匀分布的混合物。 在手动过程中， 负责混合的个人可以使用抹刀或类似工具以实施混合。 在某些实施方案中， 与上述的两级过程形成对比， 粘合剂和正电极的其余组份在单个步骤 中组合。
在正电极的粘合剂和其他组份以充分混合的状态组合之后， 它们在干的状态下沉 积到集电器或其他载体或衬底上。 在一个实施方案中， 泡沫或网眼金属集电器用于该目的， 2 例如具有大约 300 ～ 600gm/m 并且更优选地大约 450 ～ 500gm/m2 密度的镍泡沫。
正电极混合物可以通过例如刷抹、 印刷等以连续方式施加到衬底上。在可选实施 方案中， 以批量方式或者以半连续方式实施施加， 从而混合物施加到足够形成例如 8-10 个 单元的衬底的 “基板” (“plaque” ) 上。已施加正电极材料的基板被切割， 切划以及处理， 以产生用于在最终单元中装配的单独电极条。
可以通过用刷子手动地刷抹电极混合物以及周期性地检查以保证正确量的正电 极材料已包含在集电器泡沫或其他衬底材料中而实施刷抹。为此， 可以间或地称重衬底和 所包含的电极材料直至达到一组终点。 也可以使用例如具有布置在衬底的相对面的接收电 极材料的供给的两个或多个刷子的装置来自动实施刷抹。作为衬底在刷子之间通过时， 电 极材料被汲取到衬底中。 其后， 根据本发明的实施方案， 通过适当的技术例如日历法将电极材料压紧到衬 底上。 在特定实施方案中， 电极和载体垂直地通过日历辊以产生适当尺寸的压紧电极片。 在 特定实施方案中， 作为结果的电极具有大约 10 ～ 50 密耳或大约 20 ～ 30 密耳的厚度。
在已施加材料之后， 可以施加外部涂层。 如果电极易于剥落、 脱落或者活性电极材 料容易从集电器或载体脱离， 该步骤是适当的。涂层用来封装电极材料或者至少减小材料 与载体脱离的可能性。在一种实施方案中， 涂层包含 PTFE 或物理上类似的材料。在特定实 施方案中， 电极浸入或喷涂上涂层材料的乳状液 ( 例如， 大约 60 重量百分比 PTFE 的乳状 液 )。
在某些实施方案中， 作为结果的电极和载体组件 ( 不管是否被涂敷 ) 受到 “微发 裂” 。这是在张力下弯曲电极片以引入 “微裂纹” 从而使电极更柔韧的过程。用于引入微裂 纹的一种装置利用在张力下将电极片从中拉过的偏移辊。
在利用电极材料的载体和沉积的连续供给的某些实施方案中， 必须周期地切割载 体 / 电极片。在其他实施方案中， 载体定好尺寸以支撑一个或预定个数单元的正电极。在 载体支撑一组单元 ( 例如， 8 个单元 ) 的电极的情况中， 它被称作基板。在电极材料已包含 到基板中之后， 基板被切割成多个独立的电极条。 在特定实施方案中， 至少一个这种切割沿 着基板纵向进行， 使得该切割限定一个电极条的顶部分以及另一个电极条的底部分， 其中 顶和底标示指的是在装配单元中的位置。
一旦载体片涂敷上正电极材料， 如果需要的话将作为结果的片干燥 (127) 以驱散 过量的水然后被压紧 (129)。这些工艺操作可以用与负电极的操作 107 和 109 十分相同的 方式执行。如本领域技术人员可以认识到的以及如上面对于负电极所陈述的， 压紧使电极 获得如上面对于负电极路径所描述的均匀期望厚度和孔隙度。优选地， 作为结果的电极片 具有大约 15 ～ 40 密耳 ( 例如， 大约 25 密耳 ) 的厚度， 以及具有大约 30 ～ 45％的孔隙度。
与上面对正电极概括的工艺类似的工艺可以施加到负电极。 电活性材料和其他组 份将是不同的， 但是粘合剂的使用以及基本工艺将遵循上面陈述的过程。
如上所述制备正电极之后， 它可以如步骤 131 所示进行安装翼片和切割。按宽度 的电极切割可以在安装翼片之前或之后进行， 但是大部分自动化线在在线安装翼片工艺之 后切割电极堆。压印边缘的安装翼片便于在果冻辊的卷绕之后集电器布局的最终焊接。如 所示的， 集电器 ( 衬底 ) 可以是镍泡沫或具有大的空隙部分的其他材料。为了保证集电器 与集电器盘充分电接触， 工艺可以包括沿着集电器的一个纵向边缘施加金属翼片 ( 例如， 大约 0.08 ～ 0.15 英寸宽度的薄镍片 )。 在将安装翼片的正电极辊压成果冻辊之后， 翼片通 过例如软焊 (soldering)、 焊接或压力接点与集电器盘接触。 翼片可以在上述工艺的各个阶 段通过例如缝焊工艺、 电阻焊接工艺或超声焊接工艺附贴到集电器 ( 其中还没有施加湿法 或干法电极混合物 ) 的边缘。
在某些实施方案中， 不利用翼片， 即使当使用高空隙体积的集电器例如镍泡沫时。 在这种情况中， 压印的非粘贴区域可以折叠， 以产生更容易粘合到集电器盘上的平坦的或 一般平坦的表面。在某些实施方案中， 可以切割压印区域以允许弯曲容易。例如， 可以切除 某些部分以留下多个小的安装翼片的部分。在弯曲之后， 可以通过电阻焊接或者通过压力 接点来形成到集电器板或盘的接触。在这些实施方案中， 正电极果冻辊泡沫直接接触集电 器盘， 而不利用中间特征例如翼片。这里在其他地方描述该设计在 “反极性” 或负封盖中的 应用。 在工艺中的这一点上， 这两个路径 ( 负电极制造和正电极制造 ) 汇合， 以提供属于 完成单元的片的分层布局。在汇合点处 ( 在图 1 中表示为 “A” )， 多个材料片集合到一起并 且将装配到单元结构中。在特定例子中， 四个分隔器材料片 ( 描述为源 113 和 133) 与正电 极片和负电极片交插。因此， 一旦制造好电极， 它们夹置在半渗透分隔器片 (113， 133) 之 间。
在 例 子 实 施 方 案 中， 正 电 极 的 分 隔 器 (113) 包 括 多 个 通 常 可 以 获 得 为 来 自 Celgard Inc.(Charlotville， NC) 的 GELGARDTM 线的分隔器或来自 Solutech 的 SOLUPORE 产品的多微孔聚烯烃片。分隔器用来在机械上隔离正和负电极， 同时允许在电极和电解质 之间发生离子交换。因此， 对电解质的良好渗透性是期望的。在例子实施方案中， 负电极的 分隔器 (133) 包括尼龙片。可以利用在本领域中众所周知的其他分隔器材料。如所述的， 尼龙基材料和多微孔聚烯烃 ( 例如， 聚乙烯和聚丙烯 ) 是合适的。
简短地转到图 3， 图 3 是在卷绕之前的正和负电极的横截面表示。在所示例子中， 在与电极片一起被拉曳或馈送到卷绕装置 309 中之前， 分隔器 (301， 305) 首先沿着电极的 平坦表面横跨电极 (303， 307) 而折叠。 在该方法中， 利用两个分隔器来源。 在可选实施方案 中， 每个电极片由两个独立的分隔器片来源横跨， 使得利用四个分隔器来源而不是两个。 因 此， 最初地， 分隔器片不横跨电极的前沿而折叠。但是， 作为结果的分层结构是相同的。两 种方法产生其中分隔器的两个层将每个电极层与下一个相邻电极层分隔开的结构。 在镍钙 单元中一般不是这种情况， 其在相邻电极层之间仅利用分隔器的单个层。镍锌单元中所利 用的附加层帮助防止可能由锌枝晶形成而导致的短路。
枝晶是在金属沉积中具有骨骼或树状生长模式 (“枝晶生长” ) 的晶体结构。实际 上， 枝晶在电池寿命期间在电池的导电媒介中形成， 并且有效地桥接负和正电极， 导致短路
和随后的电池功能损失。
应当注意分隔器片一般不完全覆盖电极片的整个宽度。特别地， 每个电极片的一 个边缘保持暴露以在步骤 203 处连接端子。 这是在步骤 111 和 131 处清除电极材料的边缘。 此外， 由于相同的理由， 电极横向地偏移大约上述清除条的宽度。 这提供仅暴露负集电器的 一个横边以及仅暴露正集电器的相对横边， 以适应在步骤 203 中的端子连接。
卷绕装置同时拉入多个片并且将它们辊压成果冻辊状结构。 在产生足够厚度的圆 柱器之后， 装置切割分隔器和电极的层以产生完成的单元组件。
转到图 2， 显示了图 1 的工艺流程的继续。图 2 的工艺以从装配操作 “A” 产生的单 元组件 201 开始。对于圆柱形单元， 该组件是果冻辊状的结构。在可选实施方案中， 它是矩 形或棱形的分层结构。 本领域技术人员可以认识到单元组件的形状因子是随用户而定的并 且可以采取本领域中众所周知的多种形式的任一种。如果使用棱形形式， 那么在装配之前 将在它们各自分隔器中的正和负电极片预先卷绕可能是期望的。
一旦完成电极层和交插的分隔器层的卷绕或其他装配， 独立的内部端子导电性地 连接 (203) 到负电极和正电极的每个上。更特别地， 正端子在单元组件的一个轴端上导电 性地连接到暴露的正集电器， 而负端子在单元组件的另一个轴端上导电性地连接到暴露的 负集电器。 内部端子的连接可以通过本领域中众所周知的任何方法来实施， 例如点焊、 超声 焊接、 激光焊接、 软焊、 压力接点， 或者适合于端子和集电器材料的任何其他类型的导电焊 接。在下面将描述用于连接铜内部端子的特定方法。
在本发明的一个实施方案中， 内部端子包括可以是或者可以不是穿孔的或开缝 (slotted) 的盘。在另一个实施方案中， 内部端子包括 H 形的结构。不管它们的实际结构如 何， 内部端子可以导电性地连接到电极而不需要在电极上提供通过它可以附贴内部端子的 翼片。
在连接内部端子之后， 在圆柱形单元组件的情况下， 将单元组件插入保留容器例 如罐子中 (205)。 罐子或其他容器用作最终单元的外壳或包套。 由于单元装配在罐子中， 端 子盘 ( 或其他内部端子 ) 可以在步骤 207 处导电性地连接到单元罐以及盖子或其他外部端 子。
外部端子提供通往供电装置的电池的直接电通路。 这样， 在某些实施方案中， 外部 端子优选地电镀上非锈蚀性金属例如镍板。此外， 外部端子可以用来使电极与机械冲击隔 离。假定电子装置的便携性本质， 机械冲击的可能性是相当高的。如果外部端子与电极集 电器直接连接， 那么可能发生焊接点的重大故障或者对电极的直接损伤。
在下一个步骤 209 中， 提供适当的电解质。关于本发明的特别适当性， 电解质应当 具有限制枝晶形成和锌电极中材料再分配的其他形式的组份。 这种电解质一般地在本领域 中还没找到。但是， 似乎满足准则的一种电解质在 1993 年 6 月 1 日颁发给 M.Eisenberg 的 在此引用作为参考的美国专利 5,215,836 号中描述。特别优选的电解质包括 (1) 以某个量 提供以产生在化学计量上对酸过量的每公升 2.5 ～ 11.0 当量的氢氧化物的碱或碱土氢氧 化物， (2) 对应于每公升总溶液的 0.01 ～ 1.0 当量的浓度范围的某个量的可溶碱或碱土氟 化物， 以及 (3) 硼酸盐、 砷酸盐以及 / 或者磷酸盐 ( 优选地硼酸钾、 偏硼酸钾、 硼酸钠以及 / 或者偏硼酸钠 )。在一个特定实施方案中， 电解质包含 4.5 ～ 10 当量 / 公升的氢氧化钾、 2.0 ～ 6.0 当量 / 公升的硼酸或偏硼酸钠， 以及 0.01 ～ 1.00 当量的氟化钾。高速应用的当前优选电解质包含 8 当量 / 公升的氢氧化物、 4.5 当量的硼酸， 以及 0.2 当量的氟化钾。
发明不限于在 Eisenberg 专利中给出的电解质组份。一般地， 满足为所关心的应 用指定的准则的任何电解质组份是足够的。假设高功率应用是期望的， 那么电解质应当具 有良好的导电性。假设长寿命是期望的， 那么电解质应当抵抗树枝晶形成。在本发明中， 包 含 KOH 电解质以及适当分隔器层的硼酸盐和 / 或氟化物的使用减少枝晶的形成， 因此获得 更强健且更长寿命的电池。
在特定实施方案中， 电解质组份包括超过大约 3 ～ 5 当量 / 公升氢氧化物 ( 例如， KOH)， NaOH， LiOH。这假设负电极是氧化锌基电极。对于锌酸钙负电极， 另选的电解质配方 可能是适当的。在一个例子中， 对锌酸钙适当的电解质具有以下组份 ： 大约 15 ～ 25 重量百 分比的 KOH， 大约 0.5 ～ 5.0 重量百分比的 LiOH。
多种技术可以用来以电解质填充容器。在一个例子中， 电解质通过灌注工艺而引 入， 其中电解质通过填充端口进入单元。在其他情况中， 可以在封盖施加之前添加电解质， 并且将单元旋转以分布液体。
在罐子或其他容器填充上电解质之后， 将容器密封以使电极和电解质与环境隔 离。 参看方框 211。 本领域技术人员可以认识到多种密封方法的任一种可以利用， 包括但不 限于卷边、 焊接、 冲压、 或粘结。应当注意在圆柱形单元中封盖典型地密封在位于罐子上部 的周边珠上的垫圈上。为了实施密封， 将罐子的顶边缘向下向封盖卷曲， 但不形成电接触。
虽然单元一般地密封隔离环境， 但是在一些实施方案中单元可以允许从电池中以 排出在充电和放电过程中产生的气体。 典型的镍镉单元在大约 200PSI 下排出气体。 在一些 实施方案中， 镍锌单元设计成在该压力以及甚至更高的压力下 ( 例如， 高达 300PSI) 工作而 不需要排出。 这可以促进在单元中产生的任何氧气和氢气的再结合。 优选地， 单元被构造以 保持内部压力不大于大约 600PSI， 并且更优选地不大于大约 450PSI。在其他实施方案中， 镍锌单元设计成在相对更低的压力下排出气体。这对于释放氢气和 / 或氧气而不是促进它 们在镍锌单元中的再结合可能是适当的。 排出机制优选地设计成允许气体逃逸但不允许可 能妨碍排出的可再生功能的电解质通过。憎水膜的使用可能对于该目的是有效的 ( 参见例 如， J.Phillips 于 2002 年 3 月 15 日提交的在此引用作为参考的美国专利申请 10/098,193 号 “二次电池的防漏卸压阀” )， 并且这些可以单独地或者结合曲折的气体逃逸路径一起使 用。许多其他的电池排出机制是本领域中众所周知的， 并且适合于随本发明一起使用。
为了制备供使用的单元典型地需要一个或多个 “化成” (“formation” ) 周期以修 改电极结构。在图 2 中， 单元的化成在步骤 213 处实施。化成周期遵循决定某些因素例如 电极组份和单元容量的特定电压 - 电流 - 时间曲线。在典型的情况中， 在例如大约 24 ～ 74 小时的时间上使用一次充电多个单元的大电源来实施化成。
在特定例子中， 化成和相关操作可以如下执行。单元真空填充上电解质并且浸泡 小于 2 小时 ( 作为比较， 镍钙单元一般地浸泡 24 小时， 但通常是滴填 )。 在到达 2 小时之前， 单元处于化成充电， 其中将净 100％～ 150％的理论容量输入 24 ～ 60 小时。化成规程包括 被认为有助于散布电解质的放电和再充电步骤， 但是可以实施该例子而不使用该操作。在 另一个例子中， 消除了中间化成放电。 单元可以单个地或者两个串联地充电， 但是在制造环 境中以更大的串联串充电单元是更平常的。在化成过程中， 人员可以在完整的化成过程上 监测电压行为， 以及收集重量损失、 阻抗值和开路电压以分类和识别可能的不耐用单元。一旦化成完成， 每个单元在质量控制步骤 215 处放电以确定每个单元的具体容 量。具有相似容量的单元分成一组供在相同的电池组中使用。这样， 电池组中的每个单元 在接受基本上相同量的电荷之后变成充分充电。因此， 当充电完成时电池组中没有单元显 著地利用不足， 并且电池组中没有单元显著地过充电。电池的分组可以依赖于应用的本质 和敏感性限定于两个或多个分组。
应当注意图 2 的操作一般地与在镍钙单元的制造中所使用的相应操作相同或非 常相似。 因此， 在镍钙单元制造中用于这些操作的装置一般地也可以用于镍锌单元制造中。 但是， 应当注意电极、 集电器以及电解质差异可能需要专用化的装置或处理。例如， 锌电极 可以使用铜集电器， 但这不能随镉电极一起使用。 虽然铜具有比钢更好的电子导电性， 但是 它可能存在制造问题。例如， 将集电铜盘连接到铜片可能需要特殊的激光焊接设置和适当 的夹具以在焊接过程中提供连续压力。
根据该发明制备的镍锌单元可以具有对于电力工具和 UPS 应用特别有用的性 质。例如， 能量密度将超过大约 60Wh/kg， 并且连续功率密度通常超过大约 500W/kg 或甚至 1000W/kg。
在本发明的另一个实施方案中， 与消费电子产品的常规单元比较起来， 单元的端 子的极性是反转的。 在这里描述的许多相同的制造方法用来以这里所描述的较小变化来实 施该实施方案。在常规的电池制造中， 单元的极性被建立， 其中封盖是正的， 而罐子或容器 是负的。 也就是， 单元组件的正电极与封盖电连接， 而单元组件的负电极与容纳单元组件的 罐子电连接。显然， 封盖通过使用柔性垫圈和含沥青密封剂而与罐子电隔离。 转到图 4a， 图 4a 是反极性电池子组件实施方案的图形表示。 使用这里所提供的技 术制造电池组件 (407)。负内部端子 (405) 与电池组件的负电极电连接。因为镍 / 锌电化 学的独特性质， 所以负内部端子 (405) 优选地包含铜。典型地， 常规电池表现出大约 3 ～ 5 毫欧姆的总阻抗。大约 0.8 毫欧姆可以归因于正集电器和焊接到封盖的电阻。这部分地是 由于给定常规电池的电化学时端子的成分需求。在本实施方案中， 所述方式下的铜的使用 导致时下负端子的大约 0.5 毫欧姆的显著阻抗减小， 从而获得电力上更有效的单元。本领 域技术人员将认识到可以通过用铜涂敷或电镀保留容器的内部表面 (411) 并且随后与负 集电器盘接触而构造稍微更高阻抗的单元， 虽然该方法会使可选的制造步骤成为必要。
重要地， 在这个和其他实施方案中， 当用作内部端子时， 铜需要特殊的关注。特别 地， 如本领域中众所周知的， 铜不仅载流方面而且在导热方面是特别有效的。这样， 内部端 子与负电极的电连接需要特殊制造技术。在例子实施方案中， 将铜内部端子穿孔并且在沿 着负电极的多个点处连接， 使得电极在沿着其长度的多个点处连接到集电器。通过激活更 大区域， 充电和放电效率进一步增强。穿孔也用来布置电极并且允许电解质在电解质填充 操作过程中均匀地穿透堆叠。在另一个实施方案中， 内部端子被开缝以实现指定的优点。
此外， 如上所述， 铜在导热方面是特别有效的， 并且需要将内部端子与负电极连接 以避免伤害负电极的新技术。特别地， 这些新技术可以与本领域中众所周知的其他技术结 合使用， 例如点焊、 超声焊接、 激光焊接、 非焊接热粘合 ( 例如， 软焊 )、 压力接合， 或者适合 于端子和集电器材料的任何其他类型的导电性接合。
在一个优选实施方案中， 激光焊接用来形成内部端子和铜集电器之间的低阻抗连 接。 在特定方法中， 以横跨方式或最大化焊接点数目的其他跨越方法执行激光焊接， 其中激
光器跨越内部端子的表面移动以捕捉每个点。已经发现可以使用具有 600 微米光束直径的 具有大约 0.2 ～ 5kW 功率、 大约 0.5 ～ 4 毫秒脉冲宽度以及大约 1 ～ 20Hz 脉冲频率的激光 脉冲来获得良好的焊接。可以用脉冲 Nd:YAG 激光器例如 Unitek Miyachi Corporation 的 型号 LW70A 来获得这些功率水平和占空度。在一种方法中， 将镍锌果冻辊插入夹具中， 其中 铜集电器盘压紧到负电极的暴露的铜边缘。然后， 激光束被编程以当其经过果冻辊的端部 时搭焊连接。所需的功率水平依赖于铜电极衬底的厚度以及集电器盘的厚度。依赖于单元 尺寸和载流能力， 前者一般是 0.002-0.005 英寸， 而后者是 0.002-0.01 英寸。
另一个实施方案利用软焊将铜内部端子粘合到果冻辊铜片上。 使内部端子和果冻 辊在引起软焊的温度下接触。 在某些实施方案中， 可软焊的金属的薄层施加到内部端子上。 它可以施加到端子的一面或两面上以及施加其整个表面或仅仅特殊区域。可以通过电镀、 无电电镀、 与金属的高温接触等来施加金属。所选择的金属应当与锌电极电化学兼容并且 当在过充电和过放电过程中典型遭遇到的电势下接触电解质时抵抗腐蚀。在特定例子中， 内部端子在至少一面涂敷上具有大约 0.0002 ～ 0.002 英寸厚度的锡或锡合金。
在另一个实施方案中， 通过在内部端子和果冻辊的铜之间的压紧来形成接触。可 以通过由完整装配单元中的单元封盖所提供的向下力来提供这种压紧。 为了将封盖连接到 内部端子， 一些实施方案利用介于封盖和内部端子之间的 O 环或其他弹性元件或金属弹簧 装置。在特定实施方案中， 内部端子提供为具有一个翼接触果冻辊并且另一个翼接触单元 封盖的折叠的单一元件。O 环或其他弹性元件或镀铜不锈钢弹簧布置在内部端子的两翼之 间， 使得当单元封盖被安置时， 其将向下力从端子的一翼传输到 O 环以及传输到邻接果冻 辊的端子的第二翼上。 回到图 4a， 使用本领域中众所周知的技术将正内部端子 (409) 与正电极电连接。 然后， 使用这里所描述的制造技术进行电池制造。为了说明的目的， 给出图 4b 以进一步阐 明上述实施方案。 特别地， 图 4b 是反极性电池子组件实施方案的图形横截面表示。 特别地， 图 4b 说明用来使负外部端子 ( 即封盖 (401)) 与正外部端子 ( 即罐子 (409)) 电隔离的绝 缘垫圈 (403) 的位置。可以想到在本实施方案中可以多种材料来实现电隔离。
前面描述本发明以及其当前优选实施方案。 预期本领域技术人员在本发明的实践 中将想到许多修改和变化。这种修改和变化将包含在下面的权利要求书中。
在此陈述的所有参考文献的全部公开内容在此引用作为参考。