CN1430801A - 锌/空气电池 - Google Patents

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Abstract

一种具有胶接密封剂(143)的锌/空气钮扣电池(210)，该胶接密封剂被施加于电池的阴极外壳(240)的部分内表面上。可以将胶接密封剂(143)施加于凹进环形台阶(245)的内表面上，该凹进环形台阶在阴极外壳(240)上环绕于电池的正极端子周围。所施加的胶接剂的图案优选与环形凹进台阶(245)的形状一致。可以将优选为特氟隆的电解液阻挡板施加于位于所述凹进台阶(245)的内表面上的胶接剂图案上，优选使得该胶接剂将阻挡板的边缘与台阶结合在一起。该胶接剂可以防止电解液从电池中泄漏出去。优选通过下列步骤施加该胶接剂：制备其上具有所需蚀刻图案的板，由胶剂混合物填充该板中的蚀痕，将硅盘施加于蚀痕中，以将胶接剂图案转移到盘件上，然后将盘件施加于阴极外壳台阶(245)的内表面上，以将胶接剂图案转移到其上。该胶接剂优选为包含聚酰胺的以溶剂为基的混合物。

Description

锌/空气电池
技术领域
本发明涉及金属/空气电池，该金属空气电池具有包含锌的阳极和空气阴极，并在部分阴极和阴极外壳之间具有胶接密封剂。本发明还涉及将胶接密封剂施加于阴极外壳的部分内表面上的盘件转移工艺。
背景技术
锌/空气去极电池(depolarized cell)一般为微型钮扣状，它特别用作电子助听器的电池，该电子助听器包含可编程型助听器。这种微型电池一般为盘圆柱状，其直径约为4-12mm，高度约为2-6mm。锌/空气电池也可以被制成稍大一些的尺寸，其圆柱外壳尺寸可与传统AAAA、AAA、AA、C和D尺寸的Zn/MnO2碱性电池相当，甚至更大一些。
微型锌/空气钮扣电池一般包含阳极外壳(阳极杯)和阴极外壳(阴极杯)。该阳极外壳和阴极外壳都可具有封闭端和开口端。在将所需材料嵌入阳极外壳和阴极外壳之后，一般将阳极外壳的开口端嵌入阴极外壳的开口端，并且通过压接法(crimping)将电池密封。阳极外壳内可以填充包含粒子态锌的混合物。一般而言，锌混合物包含汞和胶凝剂，并且在将电解液加入混合物时，该锌混合物会产生凝胶作用。电解液一般为氢氧化钾的水溶液，但是，也可以使用其它碱性电解液。一般在阴极外壳的封闭端的中心处具有凸起部分(当该外壳保持垂直且封闭端朝上时)。该凸起部分形成正端子(positive terminal)，并且一般包含多个穿过于其中的气孔。该阴极外壳封闭端一般也具有环绕正端子的环形凹进台阶(recessed step)。
阴极外壳包含空气扩散元件(空气过滤元件)，该空气扩散元件(空气过滤元件)排列于位于外壳封闭端的凸起部分内表面上。可以选择多个包含纸和多孔聚合物材料的可透气材料用作空气扩散元件。将空气扩散元件配置于外壳封闭端的凸起部分中的气孔的邻近处。可以在不接触气孔的空气扩散元件的一边将通常包含粒子态二氧化锰、碳和疏水性粘合剂的催化材料嵌入阴极外壳中。通过在催化材料的一边对电解液阻挡材料层(疏水性透气膜)，优选特氟隆(四氟乙烯)进行叠层，在另一边对可渗透电解液(可渗透离子)的隔离元件材料进行叠层，可以形成阴极催化部件。然后，一般将阴极催化部件嵌入阴极外壳中，使得其中心部分覆盖空气过滤元件，并且使电解液阻挡层的一部分靠在台阶的内表面上。
在高消耗或其它需求的装置中，可以将电解液移至催化阴极部件的边缘，这样就可能发生电解液从外壳中泄漏的情况。如果发生泄漏，泄漏一般沿阴极催化部件和阴极外壳的圆周边缘发生，然后通过阴极外壳封闭端中的气孔从电池中逐渐渗出。当阴极外壳较薄时，比如阴极外壳的壁厚约为0.01英寸(0.25毫米)或更小至0.05毫米时，也非常易于发生泄漏。由于壁厚较薄时可以增加电池内部体积容量，所以需要这种较薄的壁厚。但是，当通过压接法密封电池时，薄壁阴极外壳非常易于发生松驰。这种外壳松驰可以导致阴极催化部件和阴极外壳台阶内表面之间的微观通道的扩展或放大，从而又反过来为电解液的泄漏提供通道。
阴极外壳一般为镀镍不锈钢，例如，由镍板形成阴极外壳的外表面，而不锈钢形成外壳的内表面。阳极外壳也可以为镀镍不锈钢，一般由镍板形成外壳的外表面。阳极外壳可以为包含具有镍外层和铜内层的不锈钢的三层(triclad)材料。在这种实施例中，镍层一般形成阳极外壳的外表面，铜层形成阳极外壳的内表面。需要铜内层在于它可以在锌粒子和位于阳极外壳封闭端的电池的负极端子之间提供高的导电路径。可以将耐久性的聚合物材料的绝缘环嵌入阳极外壳体的外表面。绝缘环一般为可以在受到挤压时抵抗流变(冷流变)的高密度聚乙烯、聚丙烯或尼龙。
将锌/电解液混合物填充入阳极外壳中，并且将空气扩散元件、催化剂和电解液可渗透性(离子可渗透性)隔离元件置于阴极外壳内，然后，可以将阳极外壳的开口端嵌入阴极外壳的开口端。可以在阳极外壳的圆周边缘处对阴极外壳进行压接，以形成紧密密封的电池。阳极外壳周围的绝缘环可以防止阳极和阴极杯之间的电接触。在位于阴极外壳表面上的气孔上配置可去除的薄盖(tab)。在使用前，去除薄盖以暴露出气孔，使得空气进入并激活电池。阳极外壳的封闭端部分可以作为电池的负极端子。
需要制造在阴极部件和阴极外壳之间具有紧密密封的锌/空气电池。
需要制造可防止电解液沿阴极部件边缘周围泄漏并通过阴极外壳中的气孔漏出的锌/空气电池。
发明内容
本发明的一个方面在于，对于锌/空气电池，将胶接密封剂施加于阴极外壳的内表面部分的工艺。锌/空气电池一般为微型钮扣电池。这种微型钮扣电池在作为用于电子助听器的电源方面具有特殊的应用。优选将胶接剂施加于凹进台阶的内表面上，该凹进台阶在外壳的封闭端环绕于电池阴极外壳的中心正极端子。胶接密封剂可以防止电解液从电池中泄漏。如果阴极外壳的封闭端是平整的，即，不具有凹进台阶时，则可以将胶接密封剂施加于邻近其外圆周边缘的封闭端的内表面上。
本发明的工艺包含下列步骤：在板上预制蚀痕或凹槽表面；将胶接剂混合物填充于板上的蚀痕或凹槽中，以形成胶接剂图案；将硅盘件施加于板上的胶接剂图案，由此使得胶接剂图案转移到盘件上；然后将该盘件施加于阴极外壳的部分内表面上，这样，当将盘件从表面上拿开时，胶接剂图案就会转移到阴极外壳的内表面上。阴极外壳优选具有环绕于阴极外壳的正极端子的环形凹进台阶。胶接剂图案优选从盘件转移到所述环绕于阴极外壳的正极端子的所述环形凹进台阶的内表面。转移的胶接剂图案的形状优选为与凹进台阶的形状和尺寸一致的连续环，一般为圆环。因此胶接剂图案最好作为与台阶内表面接触的连续环，被施加于环形台阶的内表面上。胶接剂图案的宽度可以与所述凹进台阶的宽度相同，最好为台阶宽度的三分之一到二分之一。因此胶接剂优选覆盖大部分的台阶内表面，更优选绝大部分的台阶内表面。将胶接剂施加于台阶上，使得它具有较薄的且均匀的厚度。转移到阴极外壳台阶上的(湿状态)胶接剂图案的厚度大致与蚀痕的深度相等，优选为20-40微米(0.020-0.040毫米)。如果蚀痕太浅，盘件就不能带走足够多的胶接剂材料；如果蚀痕太深，盘件就会仅带走部分胶接剂材料。所需的蚀痕深度范围约为20-40微米(0.020-0.040毫米)。转移胶接剂的厚度优选为约30微米(0.030毫米)(湿状态)，以及约为70微米(0.070毫米)(干状态)。
一方面，将电解液阻挡板施加于位于所述凹进台阶的内表面上的胶接剂环上，并优选使得阻挡板的边缘粘附在胶接剂上。阻挡板具有疏水性，即对于水和碱性电解液不具有渗透性，但它对于空气是可渗透的。阻挡板材料优选为特氟隆(四氟乙烯)。胶接剂环在阻挡板和凹进台阶之间形成永久性结合。将包含催化阴极层的催化阴极部件施加于电解阻挡板上，使得阻挡板位于阴极部件和正极端子之间，该催化阴极层一般包含二氧化锰、碳和粘合剂的混合物。阴极部件可以包含置于催化阴极层上的可渗透电解液的隔离元件。隔离元件将阴极部件和电池内部包含锌和碱性电解液的阳极混合物隔开。在电解液阻挡板的边缘和环绕正极端子凹进台阶的内表面之间的胶接剂结合提供了这样一种紧密密封：它可以防止电解液沿阴极部件渗漏并从电池中渗出。
在本发明的工艺中，转移到阴极外壳台阶的内表面上的胶接剂图案优选为可溶于聚酰胺胶接剂混合物。优选的胶接剂混合物由低摩尔重量的聚酰胺胶接剂凝胶或可溶于溶剂的固体形成。所需的聚酰胺摩尔重量约为195-390原子质量单位。可以对聚酰胺材料与溶剂的比进行调整，使得在通过本发明的工艺对盘件进行转移时，溶液的粘度保持最佳。采用低摩尔重量聚酰胺的胶接剂混合物的优选粘度约为1000-1300厘泊，更优选为1100厘泊。
附图说明
参照下列附图将会更好理解本发明。
图1为本发明的锌/空气电池的实施例的等角度投影剖面图。
图2为图1中催化阴极部件和胶接密封剂的优选实施例的分解视图。
图3A为在开始位置的转移盘件的正视图。
图3B为固定于静止巢中的阴极外壳的剖面图。
图3C为说明蚀刻部分的蚀刻板的局部俯视图。
图3D为在用于分配胶接剂的罐下面滑动的蚀刻板的正视图。
图4A为压在蚀刻板上并从蚀痕中带去胶接剂的盘件的正视图。
图4B为固定于静止巢中的阴极外壳的剖面图。
图5A为盘件从图4A所示的蚀刻板上缩回后，其上携带有胶接剂的盘件的正视图。
图5B固定于静止巢中的阴极外壳的剖面图。
图5C为处于缩回状态的蚀刻板的正视图，该蚀刻板位于用于发送胶接剂的罐的下面。
图6A为盘件的正视图，该盘件压到阴极外壳台阶的内表面上，由此将胶接剂从盘件转移到外壳台阶的内表面上。
图6B为蚀刻板的正视图，该蚀刻板已回到缩回位置，以准备好在用于发送胶接剂的罐下通过。
图7为阴极外壳的等角度投影剖面图，以说明施加于外壳台阶的内表面上的胶接剂。
具体实施方式
本发明针对气体去极电化学电池。这种电池具有一般包含锌的金属阳极和空气阴极。该电池一般指的是金属/空气去极电池，更典型的是锌/空气电池。
本发明的锌/空气电池最好为微型钮扣电池。它在作为用于电子助听器的电源方面有特殊的用途。本发明的微型锌/空气钮扣电池一般具有盘件状圆柱形状，其直径约为4-16mm，优选约为4-12mm，高度约为2-9mm，优选约为2-6mm。微型锌/空气电池的工作电压一般约为1.1-0.2伏特。该电池在约为1.1-0.9伏特之间一般具有基本上水平的放电电压曲线(profile)，在此电压基础上，电压可以相当迅速地下降为零。微型钮扣电池可以以约0.2-20毫安之间的速度放电。这里所用的术语“微型电池”或“微型钮扣电池”意指包含这种小尺寸的钮扣电池，但并不是为了对其进行限定，因为它也可能是具有其它形状和尺寸的小型锌/空气电池。例如，也可以以具有圆柱外壳的稍微加大的尺寸制成锌/空气电池，使其尺寸与传统AAAA、AAA、AA、C和D尺寸的Zn/MnO2碱性电池相当。本发明也打算应用于较大的电池尺寸以及其它的电池形状，例如棱形或椭圆形状。
本发明的电池可以包含添加的汞，例如，该汞在阳极中与锌的重量百分比约为3％，或者也可以基本上不包含汞(零添加汞电池)。在这种零添加汞电池中，没有添加的汞，并且在锌中基本上仅有痕量的汞存在。因此，本发明的电池中的汞总量可以小于总电池重量的约百万分之50，优选小于总电池重量的百万分之20，更优选为小于总电池重量的百万分之10。(这里所用的术语“基本不包含汞”指的是电池中汞的含量小于电池总重量的约百万分之50)。本发明的电池可以在阳极中具有非常少量的铅添加剂。如果将铅添加入阳极，电池中的铅含量一般可以约为阳极中金属总量的100-600ppm。但是，电池最好不包含添加的铅量，因此可以基本上不包含铅，即，总的铅含量小于30ppm，最好小于阳极的金属总量的15ppm。
本发明的锌/空气电池210(图1)具有阳极外壳260、阴极外壳240、位于其间的电绝缘材料270。阳极外壳260具有壳体263、整体封闭端269和开口端267。阴极外壳240具有壳体242、整体封闭端249和开口端247。阴极外壳的封闭端249一般在其中心附近具有凸起部分244(当该外壳保持垂直且该封闭端朝上时)。该凸起部分244形成正端子接触区域且一般包含多个穿过其中的气孔243。阴极外壳封闭端249也一般具有环形凹进台阶245，该凹进台阶从凸起端子部分的圆周边缘246延伸到外圆周边缘248。
阳极外壳260包含阳极混合物250，该阳极混合物包含粒子态的锌和碱性电解液。粒子态锌最好与100-1000ppm的铟进行合金化。阴极外壳240在其封闭端表面的凸起部分244上具有多个气孔243。将包含催化复合材料234(图2)的阴极催化部件230置于邻近气孔的外壳内。在电池放电的过程中，催化材料234会促进与通过气孔243进入的周围氧气进行电化学反应。将胶接密封剂143沿阴极外壳240的部分内表面进行配置。如图1和7所示，在优选实施例中，通过本发明的方法以连续环的形式在位于外壳的封闭端249上的环形凹进台阶245的内表面上施加胶接剂。如果阴极外壳的封闭端为平整的，即，不具有凹进台阶245，则可以将胶接密封剂143施加于邻近于所述封闭端的外圆周边缘248的封闭端249的内表面上。对于后面一种情况，最好将胶接密封剂143作为连续环施加于封闭端249的内表面上，使得胶接剂143的连续环的外径约为封闭端249内径的75-100％，优选为90-100％，更优选为95-100％。可以通过对电解液阻挡膜材料235在催化复合材料234的一边进行叠层，同时对离子可渗透性隔离元件材料238在其另一边进行叠层，从而形成阴极催化部件230(图1和图2)，该电解液阻挡膜材料优选特氟隆(四氟乙烯)。优选为特氟隆的电解液阻挡膜235对于空气是可渗透性的，但会阻止水和电解液从其中通过。可以将阴极催化部件230的边缘施加于台阶245上的所述胶接剂环143上，由此在阴极复合材料234和外壳台阶245之间提供永久胶接剂密封。在特定实施例中，可以将阴极催化部件230施加于台阶245上的胶接剂143上，使得电解液阻挡膜235与胶接剂接触。在优选实施例中，可以将优选为特氟隆的隔离电解液阻挡板232施加于台阶245的内表面上的胶接剂环143上，由此将电解液阻挡板232与台阶245的内表面结合在一起。然后，可以将催化部件230施加于电解液阻挡板232上，优选使优选为特氟隆的第二电解液阻挡板235的表面与阻挡板232接触(图2)。当阻挡板232与台阶245的内表面结合时，特别在阻挡板235与施加于阻挡板232上的第二阻挡板235结合的情况下(图2)，它就会提供非常有效的密封效果，以防止电解液沿催化部件230的边缘渗出并逐渐从气孔243中泄漏出。胶接密封剂143的使用也可以减少在压接阳极外壳体的外圆周边缘242b时所需的压接力。由于高的压接力可能会使薄的外壳和阴极部件扭曲或产生裂纹，所以当使用薄壁外壳(厚度约为0.001英寸(0.0254mm)-0.015英寸(0.38mm))以及薄的催化阴极部件230时，它就会具有特别的优点。
本发明的锌/空气电池的优选实施例如图1所示。图1中所示的实施例为微型钮扣电池。电池210包含阴极外壳240(阴极杯)和阳极外壳260(阴极杯)以及位于两者之间的电绝缘材料270。隔离元件270最好为环形，这样可以被嵌入阳极外壳体263的外表面上，如图1所示。如图1所示，隔离元件环270最好具有延伸并超出阳极外壳的圆周边缘268的加长部分273a。具有加长部分273a的隔离元件270可以防止在将电池密封后阳极活性材料与阴极外壳240接触。隔离元件270为耐久性的电绝缘材料，诸如在受到挤压时可以抵抗流变(抵抗冷流变)的高密度的聚乙烯、聚丙烯或尼龙。
阳极外壳260和阴极外壳240开始为分开的元件。分别将阳极外壳260和阴极外壳240装入活性材料，然后，可以将阳极外壳260的开口端267嵌入阴极外壳240的开口端247内。阳极外壳260的特征在于，它具有第一直体部分263a，在此处具有最大直径，该第一直体部分从圆周边缘268垂直向下延伸到阳极外壳260高度的至少50％的点处，然后，外壳向内倾斜以形成倾斜的中间部分263b。另外还具有从中间部分263b的端部向下垂直延伸的第二直体部分263c。第二直体部分263c的直径小于直体部分263a。第二直体部分263c终止于90°弯曲，以形成具有相对较平的反端子表面265的封闭端269。阴极外壳240的壳体242具有直体部分242a，在该直体部分处该阴极外壳具有最大直径，该直体部分从封闭端249向下垂直延伸。壳体242在圆周边缘242b处终止。阴极外壳240的圆周边缘242b及下面的绝缘环270的圆周边缘273b在开始时为垂直向下，并可以被压接到阳极外壳260的倾斜的中间部分263b上。这会在阳极外壳260上扣住阴极外壳240并形成紧密密封的电池。
可以通过首先制备粒子态锌和粉末状凝胶材料，将阳极外壳260单独填充入阳极活性材料。锌的平均粒子尺寸最好约为30-350微米。锌可以为纯锌，但优选为与铟(100-1000ppm)合金化的粒子态锌。锌也可以为与铟(100-1000ppm)和铅(100-1000ppm)进行合金化的粒子态锌。也可以使用锌的其它合金，例如与铟(100-1000ppm)和铋(100-1000ppm)进行合金化的粒子态锌。这些粒子态锌合金都必须包含纯锌并且具有纯锌的电化学性能。因此，应该将术语“锌”理解为包含这些材料。凝胶材料可以为选自基本上不溶于碱性电解液的多种凝胶。例如，这些凝胶可以为交联的羧甲基纤维素(CMC)；淀粉嫁接共聚物(starch graft copolymer)，诸如嫁接到淀粉主链上的水解聚丙烯腈，该淀粉主链可以从名称Waterlock A221(Grain ProcessingCorp.)得到；交联的聚丙烯酸聚合物，可以从商业名称Carbopol C940(B.F.Goodrich)得到；碱性皂化的聚丙烯腈，可以从名称WaterlockA400(Grain Processing Corp.)得到；称为钠聚丙烯酸超吸收性聚合物(sodium polyacrylate superabsorbent polymer)的聚丙烯酸的钠盐，可以从名称Waterlock J-500或J-550得到。在形成粒子态锌和凝胶剂粉末的干状态的混合物时，凝胶一般约占干状态的混合物重量的0.1-1％。将包含约30-40wt.％KOH和2wt.％的ZnO的含水KOH电解液溶液添加入干状态混合物中，以形成可以嵌入阳极外壳260的湿状态阳极混合物250。也可以首先将粒子态锌和凝胶剂的干状态粉末混合物置于阳极外壳260中，然后添加电解液溶液，以形成湿状态的阳极混合物250。
可以将催化阴极部件230(图1和图2)和空气扩散元件231嵌入外壳240中，步骤如下：可以将空气多孔滤纸或多孔聚合材料形式的空气扩散元件盘件231(图1)嵌入阴极外壳240中，使其平放在与气孔243相反的外壳的凸起部分244的内表面上。将胶接密封剂环143施加于位于阴极外壳封闭端上的凹进台阶245的内表面上。例如，可以将单独的诸如聚四氟乙烯(特氟隆)的电解液阻挡层232(图1和图2)选择性嵌入空气扩散元件231上，使得阻挡层232的边缘与胶接剂环143相接触。阻挡层232对于空气是可渗透性的，但对于碱性电解液或水是不可渗透的。这样胶接剂环143就会永久性地将阻挡层232与凹进台阶245的内表面结合在一起。其上结合有阻挡层232的胶接剂环143可以防止电解液从阳极转移到阴极催化部件230里或其圆周并通过气孔243从电池中泄漏出去。可以将图2中所示的催化阴极部件230制备成叠层，该叠层包含：电解液阻挡层材料层235，位于阻挡层235下面的阴极催化复合材料层234，位于催化复合材料234下面的离子可渗透性隔离元件材料238，如图2所示。隔离元件238可选自传统的离子可渗透性隔离元件材料，包含：玻璃纸、聚氯乙醇、丙烯腈和微孔聚丙烯。可以单独制备这些层中的各层，并通过热压法进行层合以形成催化部件230。电解液阻挡层235最好为聚四氟乙烯(特氟隆)。然后，可以将催化部件230施加于电解液阻挡板232上(图2)，优选使阻挡板(特氟隆)235的表面与阻挡层232相接触。
催化阴极复合材料234最好包含粒子态二氧化锰、碳和疏水性粘结剂的催化阴极混合物233，并通过传统涂敷方法将该催化阴极混合物施加于优选为镍网孔屏(nickel mesh screen)的导电屏237上。它可以包含或使用其它催化材料，诸如银、铂、钯和钌的金属，或金属或锰的氧化物(MnOx)和已知的可催化氧气还原反应的其它成分。在应用过程中，催化混合物233基本被吸收进入屏237的多孔网孔中。催化混合物233中所用的二氧化锰可以为传统的电池等级二氧化锰，例如电解二氧化锰(EMD)。催化混合物233中所用的二氧化锰也可以为通过硝酸锰(Mn(NO3)2)的热分解而形成的二氧化锰。在制备混合物233时所用的碳可为石墨、炭黑和乙炔黑等。优选的碳为炭黑，因为它具有高的比表面积。适当的疏水性粘结剂可以为聚四氟乙烯(特氟隆)。催化混合物233一般可包含重量百分比约为3-10％的MnO2；重量百分比约为10-20％的碳，并且粘结剂为余量。在电池放电过程中，催化混合物233开始时作为催化剂，用以促进需要吸入空气的电化学反应。但是，可以将额外的二氧化锰添加入催化剂中，并且可以将电池转换为由空气参加的锌/空气或由空气参加的碱性电池。在这种可以为钮扣电池形式的电池中，至少一部分二氧化锰被放电，即通过引入氧气在电化学放电的过程中一些锰被还原。也可以将胶接剂环143和这里应用的方法应用于这种空气参加的电池，以防止电解液从其中泄漏。
将空气扩散元件231和催化部件230嵌入外壳240中，使得阻挡层235或阻挡层232两者之一与胶接剂环143粘结在一起，然后，用阳极材料250填充阳极外壳260。可以将填充后的阳极外壳260的开口端267嵌入阴极外壳240的开口端247。如上所述，可以将阴极外壳的圆周边缘242b压接到阳极外壳的倾斜的中间部分263b上，使得绝缘体270位于其间。
在优选实施例中(图1)，阳极外壳260在其内表面上镀有或包覆有铜层266，使得在组装后的电池中，锌阳极混合物250与铜层接触。需要铜层是因为它可以提供用于高的导电路径，使得在锌放电时电子从其中通过，以从阳极250转移到反端子265。最好由不锈钢形成阳极外壳260，并且其内表面上镀有铜层。如图1所示，阳极外壳260优选由三层材料形成，包含：不锈钢264、在不锈钢内表面上的铜层266和在不锈钢外表面的镍层262。因此，在组装后的电池210中，铜层266形成与锌阳极混合物250相接触的阳极外壳的内表面，镍层262形成阳极外壳的外表面。
铜层266的厚度最好约为0.0002英寸(0.005mm)-0.002英寸(0.05mm)。不锈钢板的厚度一般约为0.001英寸(0.0254mm)-0.01英寸(0.254mm)，镍层的厚度一般约为0.0001英寸(0.00254mm)-0.001英寸(0.0254mm)。包含三层材料的阳极外壳260的总壁厚最好约为0.001英寸(0.0254mm)-0.015英寸(0.38mm)。
然后，可以制备成具有如上所述的元件(图1)的微型锌/空气电池，所述元件包含位于台阶245的内表面上的胶接剂环143。可以使用胶接剂环143使特氟隆的电解液阻挡层232与台阶245的内表面单独进行结合。作为特定的例子(不是为了限定电池尺寸)，电池可以为标准尺寸的635锌/空气电池，其整体直径约为0.608英寸(15.4mm)，高度(从正端子到反端子)约为0.314英寸(7.98mm)。(这种尺寸符合国际电化学委员会(IEC)规定的该类电池的尺寸标准)。阴极外壳240可以为壁厚约为0.01英寸(0.25mm)的镀镍钢板。阴极催化复合材料237可以具有下列组分：4.6wt.％的MnO2、15.3wt.％的炭黑、18.8wt.％的特氟隆粘合剂和61.2wt.％的镍网孔屏。阴极催化复合材料237的总重可为0.140g。阳极250可以包含零添加量的汞(汞的量可以小于电池重量的20ppm)，并且可以具有下列组分：77.8wt.％的锌(锌可以与各为200-500ppm的铟和铅进行合金化)、21.9wt.％的电解液(40wt.％的KOH和2wt.％的ZnO)、0.3wt.％的胶凝媒剂(WaterlockJ-550)和400ppm(0.04wt.％)的铅。阳极250的总重量可以为2.43g，锌的重量可以为1.9g。
作为另一个特定的但并非限定的例子，电池尺寸可以为标准尺寸的312锌/空气电池，其外径约为0.3025-0.3045英寸(7.68-7.73mm)，高度约为0.1300-0.1348英寸(3.30-3.52mm)。例如，两种尺寸的电池的外壳240壁厚可以为0.004英寸((0.10mm)。312尺寸的电池的组分可以按照上述的635尺寸的电池，但应根据312尺寸电池的体积调整活性材料的总量。在本发明的保护说明中所述的施加密封剂143以及优选的胶接密封剂(干状态和湿状态)的宽度和厚度同样可以应用于这种不同的电池尺寸。前已述及，本发明的工艺最好应用于微型锌/空气钮扣电池，该微型锌/空气钮扣电池一般具有盘状圆柱形状，直径约为4-16mm，优选约为4-12mm，高度约为2-9mm，优选约为2-6mm。
在本发明的工艺中，优选将胶接密封剂143作为连续环施加于阴极外壳凹进台阶245的内表面上。制备表面上被蚀刻的，即表面上具有凹槽图案的蚀刻板130。蚀刻板130一般为钢板。可以使用广泛应用于印刷工业的传统电化学方法进行蚀刻。也可以采用其它方法进行蚀刻，例如，通过压印法、机加工法或铸造法，使得在板的表面上出现蚀痕或所需的凹槽图案。这里所用的术语“蚀刻板”意指在其表面上具有凹槽图案的板，并不是为了限定实现这种凹槽图案的任何特定方法。优选由位于板130的表面上的封闭(连续)凹槽形成蚀刻环133。凹槽可以为椭圆、卵圆或圆形，并且优选与台阶245的形状相匹配。蚀刻环133优选具有与台阶245的形状相匹配的连续圆形凹槽图案，该台阶形状一般为圆形。蚀刻环133的深度最好约为20-40微米(0.020-0.040mm)，优选约为30微米(30mm)。对于具有盘状圆柱形状的锌/空气电池，该盘状圆柱形状的直径约为4-16mm，优选约为4-12mm，高度约为2-9mm，优选约为2-6mm，则阴极外壳240中的台阶245的宽度最好约为0.025-0.035英寸(0.63-0.89mm)。台阶245的宽度优选约为29mils(0.74mm)。蚀刻环133的宽度虽然不比台阶245宽，但可以与其有大致相同的宽度。蚀刻环133的宽度(从而也包含胶接剂143的宽度)优选小于台阶245的宽度，最好约为台阶宽度的三分之一到三分之二，更优选约为台阶245宽度的一半。在这种情况下，转移到台阶245上的胶接剂143最好位于台阶的中心。因此，如果台阶245的宽度约为29mils(0.74mm)，则蚀刻环133的宽度最好约为15mil(0.38mm)。如图3B所示，将阴极外壳240配置于静止巢150的反向位置，并固定于其中。将盘件120配置于阴极外壳240的开口端247上(图3A)。将胶接剂143注入剂量罐140中。剂量罐140倒扣配置，并与蚀刻板130的表面接触(图3D)。
在下一步工艺中，板130在剂量罐140下水平滑动，这样胶接剂140就会填充入蚀刻环133，如图3D所示。(在整个过程中罐140保持固定位置)。如图3C所示，蚀刻环133优选为位于板130表面上的凹槽图案。板130优选以同样的连续行程进一步在剂量罐140下滑动，直到填充有胶接剂的蚀刻环133在转移盘头(transfer pad head)125下排列起来。转移盘头125最好具有如图3A所示凸面表面，该凸面表面形成转移盘件120的暴露端。最好为硅橡胶的转移盘件可以从马萨诸塞州罗尼尔市的Innovative Marking Systems公司得到。转移盘件120紧密地固定于外套110内，在该外套上可以附加上可滑动安装的臂件112。可以通过臂件112带动盘件以所需的定时次序上下移动。
在板130的蚀痕133排列于盘头125下以后，盘件120垂直向下移动，直到盘头125压到板130中的填充有胶接剂的蚀刻环133上，如图4A所示。同时，将阴极外壳240固定安装到静止巢150中(图4B)。然后使盘件从蚀刻板130缩回。如图5A所示，当盘件缩回时，胶接剂143从蚀痕133转移到盘头125上。胶接剂143作为与蚀痕133一致的胶接剂图案从蚀痕133转移到盘件上。如图5B所示，阴极外壳240仍然固定于静止巢150中。在盘件120从蚀痕133缩回后，蚀刻板130也缩回到开始位置，如图5C所示。盘头125移向蚀刻板以及回到开始位置(缩回)的时间周期一般约为2-5秒。转移的胶接剂143与板130上的蚀刻环133具有相同的图案。
在其上转移有胶接剂的盘件120从板130缩回后，盘件120穿过外壳开口端247并压入，从而与阴极外壳240的部分内表面相接触，如图6A所示。在该步骤中，外壳240仍在静止巢150中保持不动，而台阶245内表面反向位置的外壳通过外壳开口端247面向盘头125。盘头125上的胶接图案143移动到阴极外壳台阶245上以及回到开始位置(缩回)的时间周期一般约为2-5秒。转移到台阶245上的胶接剂143与板130上的蚀痕133具有相同的图案，优选的图案为前已述及的连续圆形环。转移的胶接剂优选为与凹进台阶245的形状和尺寸一致的连续环。因此，最好以与台阶形状一致的连续环将该胶接剂施加于圆形台阶245的内表面上。转移到台阶245上的胶接剂143的厚度与蚀刻环133的深度相同，一般约为30微米(30×106米)。在胶接剂转移到台阶245上之后，它就在约1-3秒的时间迅速变干，从而在台阶245上留下厚度约为7-10微米的粘性的胶接剂环。在盘件120从外壳240缩回后，蚀刻板130已准备好从其开始位置(图6B)在剂量罐140下穿过，以开始新的循环。上述过程可以自动实现，使得可以以连续的方式将胶接剂图案施加于单个阴极外壳上。
将胶接密封剂143应用于阴极外壳240的台阶245的上述用于盘件转移的过程考虑到了对于所施加的胶接剂的实际量(厚度及宽度)的精确控制，并且保证对于所需图案具有统一的规格。更具体地，盘件转移过程保证以所需的小厚度，例如约30微米，以及较小的宽度，例如约为15mils(0.38mm)将胶接剂施加于所需环形图案中的台阶245上。相对于挤压法，将胶接剂143应用于阴极外壳240的盘件转移过程可以对胶接剂的量以及胶接剂在外壳240上的布置进行更好的控制。本发明的盘件转移过程也可以减轻与挤压有关的“粘连丝(stringing)”问题。挤压法易于留下挤压材料的细线或细丝，这些细线或细丝会附着在所施加的胶接剂上。这种材料的细线会与阴极外壳240内部的其它部分发生粘接，导致在放电过程中电池的内阻增加。
可以理解，可以用上述方式将胶接剂143同时施加于多个阴极外壳240上。通过在板130的表面上蚀刻并排的多个相同的蚀刻环图案可以很容易地实现这一点。可以使用多个相同的转移盘件带走位于盘件130的表面上的多个蚀痕133上的胶接剂。可以将盘件压到与其相对应的填充有胶接剂的蚀痕上，从而同时将胶接剂图案从各蚀痕转移到其各自的盘件上。可以通过在其各自的盘件下通过外壳，并将各盘件压到其各自的外壳240上，以将胶接剂143同时转移到多个阴极外壳240上。相对于使用单个盘件的情况，这种方式可以在单位时间内用胶接剂涂敷更多数量的阴极外壳。
施加于蚀痕133上的胶接剂优选为以溶剂为基的混合物，该混合物包含以聚丙烯酰胺为基的胶接剂组分。胶接剂组分最好为低分子量的热塑性聚酰胺树脂，优选的聚酰胺树脂可以从商业名称REAMID-100或VERSAMID-100(来自Henkel公司或Cognis公司)得到。REAMID-100或Versamid-100为低分子量的聚酰胺，其在室温下为凝胶。它是作为分子量约为390的二聚脂肪酸，并且是二聚脂肪酸和二元氨化合物的反应产物。在室温下它具有约为30-50泊的浆体稠度和粘度。通过将REAMID-100聚酰胺溶于由重量上为50份的异丙醇和重量上为50份的甲苯组成的溶剂，可以很容易地形成胶接剂混合物。另一种合适的REAMID-100的溶剂可以为由重量上为40份的异丙醇和重量上为40份的甲苯以及重量上为20份的丁醇组成的混合物。可以从Specialty Chemicals公司获得包含REAMID-100和适当的溶剂的胶接剂混合物，该胶接剂混合物在混合后要达到所需的约1100厘泊的混合物粘度。需要以聚酰胺为基的胶接剂，因为它可以以较小的胶接剂厚度为诸如特氟隆和金属的材料之间提供非常强的粘接结合，例如特氟隆板和镀镍钢板之间。更具体地，施加于阴极外壳台阶245的内表面上的聚酰胺胶接剂层143以较小的胶接剂厚度(例如，厚度在溶剂蒸发后为7微米)为特氟隆板232和镀镍外壳(台阶245)之间提供非常强的结合。以聚酰胺为基的胶接剂混合物也是需要的，因为它可以抵抗来自氢氧化钾电解液的化学侵蚀。虽然在混合物中可以使用以较高分子量为基的胶接剂组分，但最好使用诸如REAMID-100的较低分子量的聚酰胺，因为这种较低分子量的胶接剂更易于溶于溶剂。另外，还需要调整胶接剂的粘度，使得从罐140中发送出的胶接剂即不厚也不薄。如果胶接剂混合物太厚，就会在罐140内形成胶接剂淀积物，并达到其开口边缘。
如果胶接剂混合物太薄，就不能将足够多的聚酰胺胶接剂组分施加于阴极外壳台阶245上，在这种情况下，就不能以低的涂层厚度实现所需的胶接结合。当蚀刻板130在其下通过时，它会导致罐140产生滑动。并且如果胶接剂混合物太粘，则它就不能从蚀刻板130转移并均匀地与盘头125粘结在一起，并且不能从盘头125上均匀地转移到阴极外壳上。因此，可以调整胶接剂/溶剂混合物的粘度，以提供适当的涂层性能。用于从剂量罐140向蚀痕133发送的优选胶接剂混合物最好为下述混合物：溶于溶剂的优选为REAMID-100的聚酰胺胶接剂组分，使得混合物的粘度约为1100厘泊。REAMID-100具有这样一种所需的性能：在胶接剂混合物被施加并且溶剂蒸发后，它可以长时保持一定的粘性。
从罐140发送的优选胶接剂混合物包含溶于溶剂的聚酰胺凝胶(REAMID-100)，该溶剂由重量上为50份的异丙醇和重量上为50份的甲苯组成。在制备胶接剂混合物时，使得聚酰胺凝胶(REAMID-100)在总的胶接剂混合物中的重量百分比为50-60％，并且所述溶剂在总的胶接剂混合物中的重量百分比为40-50％。混合物的粘度约为1100厘泊。可以通过将聚酰胺凝胶(REAMID-100)溶于溶剂中制备另一种优选的胶接剂混合物，其中所述溶剂包含重量上为40份的异丙醇、在重量上为40份的甲苯和在重量上20份的丁醇。在制备胶接剂混合物时，使得聚酰胺凝胶(REAMID-100)在总的胶接剂混合物中的重量百分比为50-60％，并且所述溶剂在总的胶接剂混合物中的重量百分比为40-50％。这些胶接剂配方具有这样一些综合性能：容许胶接剂混合物以均匀涂层的形式从蚀刻板130上转移到盘头125上，并且易于以均匀的薄的涂层从盘头125施加于阴极外壳台阶245上。该配方使得可以将足够多的胶接剂固体转移到阴极外壳245上，以提供与施加于其上的特氟隆阻挡层232之间较强的结合。当在台阶245内以薄的涂层(例如30微米)施加胶接剂混合物时，在约1-3秒的时间内，胶接剂混合物就会迅速变干。在溶剂蒸发后，干的胶接剂提供均匀的涂层厚度(例如7微米)，该涂层可以在较长时间，例如在大约一个月的时间内保持一定的粘性。因此可以将特氟隆层232(或235)施加于涂敷有胶接剂的台阶245上，在这种较长时间内，不会降低胶接剂的结合或密封性能。如果如上所述将特氟隆层232与涂敷有胶接剂的台阶245的内表面结合，则会在阴极部件230和阴极外壳台阶245之间提供足够紧密的密封，以防止电解液沿阴极部件230渗出并渗入气孔243。
虽然已参照特定的实施例对本发明进行了说明，但应该理解，在不违背本发明的概念的条件下，其它的实施例也是可能的。因此，本发明并不仅限于特定实施例，其范围应该体现在权利要求书及其等同物上。

Claims (46)

1.一种将胶接剂施加于锌/空气电池的阴极外壳的部分内表面上的方法，包含：
将由转移盘件携带的胶接剂施加于所述阴极外壳的部分内表面上。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包含：
从所述外壳缩回转移盘件，由此使得盘件上的部分胶接剂留在阴极外壳上。
3.一种将胶接剂施加于锌/空气电池的阴极外壳的部分内表面的方法，包含下列步骤：
(a)提供其表面上具有凹槽或蚀痕的板，
(b)用胶接剂填充板上的凹槽或蚀痕，以在板上形成胶接剂图案，
(c)将转移盘件施加于胶接剂图案上，
(d)从胶接剂图案缩回转移盘件，由此使得所述胶接剂图案转移到盘件上，
(e)将转移盘件施加于所述阴极外壳的部分内表面上，
(f)从所述外壳的内表面缩回转移盘件，由此使得转移盘件上的胶接剂图案转移到阴极外壳上，
4.如权利要求3所述的方法，其中，盘件为硅橡胶。
5.如权利要求3所述的方法，其中，阴极外壳为具有开口端和闭口端的罐形，其中，闭口端的中心部分形成电池的正端子，并且所述正端子被凹进环形台阶环绕，其中步骤(e)包含：通过所述开口端使转移盘件与所述环形台阶的部分内表面相接触，并且步骤(f)包含：从台阶的内表面缩回盘件，由此使得盘件上的胶接剂图案转移到阴极外壳的内表面上。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包含：将部分电解液阻挡板施加于位于所述台阶的内表面上的胶接剂图案上。
7.如权利要求6所述的方法，其中，电解液阻挡板为特氟隆(四氟乙烯)。
8.如权利要求7所述的方法，其中，将阻挡板的边缘施加于位于所述台阶的内表面上的胶接剂图案上，并且阻挡板的边缘与所述台阶的内表面相结合。
9.如权利要求7所述的方法，其中，将包含二氧化锰的催化阴极施加于电解液阻挡板上，使得阻挡板位于所述台阶的内表面和催化阴极之间。
10.如权利要求5所述的方法，其中，所述电池为钮扣电池，并且所述台阶为阴极外壳整体的一部分。
11.如权利要求10所述的方法，其中，台阶为圆环形，并且胶接剂图案为与所述台阶形状一致的连续环。
12.如权利要求5所述的方法，其中，胶接剂图案包含聚酰胺。
13.一种金属/空气去极电池，包含：阳极外壳、阴极外壳，和位于所述阳极外壳内包含锌和碱性电解液的阳极材料，和位于所述阴极外壳内的催化阴极，其中阴极外壳为具有开口端和封闭端的罐状，并且，将胶接剂施加于所述封闭端的部分内表面上。
14.如权利要求13所述的金属/空气电池，其中，将胶接剂施加于邻近所述封闭端的外圆周边缘的所述封闭端的部分内表面上。
15.如权利要求13所述的金属/空气电池，其中，电池为钮扣电池，并且胶接剂为连续环的形状，该连续环的外径约为所述封闭端的内径的75-100％。
16.如权利要求13所述的金属/空气电池，其中，所述封闭端的中心部分被凹进环形台阶包围，并且将所述胶接剂施加于所述台阶的内表面上。
17.如权利要求13所述的金属/空气电池，其中，电池为钮扣电池，并且所述封闭端为阴极外壳整体的一部分。
18.如权利要求16所述的金属/空气电池，其中，电池为钮扣电池，并且所述台阶为阴极外壳整体的一部分。
19.如权利要求16所述的金属/空气电池，其中，胶接剂为与所述环形台阶形状一致的连续环。
20.如权利要求13所述的金属/空气电池，其中，电池进一步包含第一电解液阻挡板，该第一电解液阻挡板的一部分与位于所述封闭端的内表面上的胶接剂相结合。
21.如权利要求16所述的金属/空气电池，其中，电池进一步包含第一电解液阻挡板，该第一电解液阻挡板的一部分与位于所述台阶的内表面上的胶接剂相结合。
22.如权利要求21所述的金属/空气电池，其中，电解液阻挡板为特氟隆(四氟乙烯)。
23.如权利要求22所述的金属/空气电池，其中，将所述第一阻挡板的边缘施加于位于所述台阶的内表面上的胶接剂上，其中，所述第一阻挡板的边缘与所述台阶的内表面结合在一起。
24.如权利要求23所述的金属/空气电池，其中，将包含二氧化锰的催化阴极施加于第一电解液阻挡板上，使得所述第一阻挡板位于所述台阶的内表面和催化阴极之间。
25.如权利要求24所述的金属/空气电池，其中，在催化阴极和所述第一阻挡板之间配置有第二电解液阻挡板。
26.如权利要求25所述的金属/空气电池，其中，所述第二电解液阻挡板为特氟隆(四氟乙烯)。
27.如权利要求24所述的金属/空气电池，包含：位于催化阴极背对第一电解液阻挡板一侧上的离子可渗透隔离元件；包含锌和碱性电解液的阳极，所述阳极包含所述电池的内部，使得所述隔离元件位于催化阴极和所述阳极之间，其中，所述第一电解液阻挡层与所述台阶的内表面相结合，以防止电解液从电池中泄漏出去。
28.如权利要求27所述的金属/空气电池，其中，位于所述台阶的内表面上的胶接剂可以防止电解液从电池中泄漏出去。
29.如权利要求28所述的金属/空气电池，其中，胶接剂包含聚酰胺。
30.一种用于金属/空气去极电池的阴极外壳，其中，阴极外壳的形状为具有开口端和封闭端的罐状，并且，将胶接剂施加于所述封闭端的部分内表面上。
31.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，将胶接剂施加于邻近于所述封闭端的外圆周边缘的所述封闭端的部分内表面上。
32.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，外壳为圆筒状，并且胶接剂的形状为连续环，该连续环的外径约为所述封闭端的内径的75-100％。
33.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，所述封闭端的中心部分被凹进环形台阶包围，并且将所述胶接剂施加于所述台阶的内表面上。
34.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，外壳为圆筒状，并且所述封闭端为阴极外壳整体的一部分。
35.如权利要求33所述的阴极外壳，其中，外壳为圆筒状，并且所述台阶为阴极外壳整体的一部分。
36.如权利要求33所述的阴极外壳，其中，胶接剂为形状与所述环形台阶形状一致的连续环。
37.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，电池进一步包含第一电解液阻挡板，该第一电解阻挡板的一部分与位于所述封闭端的内表面上的胶接剂相结合。
38.如权利要求33所述的阴极外壳，其中，电池进一步包含第一电解液阻挡板，该第一电解阻挡板的一部分与位于所述台阶的内表面上的胶接剂相结合。
39.如权利要求38所述的阴极外壳，其中，电解液阻挡板为特氟隆(四氟乙烯)。
40.如权利要求39所述的阴极外壳，其中，将所述第一阻挡板的边缘施加于位于所述台阶的内表面上的胶接剂上，其中，所述第一阻挡板的边缘与所述台阶的内表面结合在一起。
41.如权利要求40所述的阴极外壳，其中，将包含二氧化锰的催化阴极施加于第一电解液阻挡板上，使得所述第一阻挡板位于所述台阶的内表面和催化阴极之间。
42.如权利要求41所述的阴极外壳，其中，将第二电解液阻挡板配置于催化阴极和所述第一阻挡板之间。
43.如权利要求42所述的阴极外壳，其中，所述第二电解液阻挡板为特氟隆(四氟乙烯)。
44.如权利要求41所述的阴极外壳，包含离子可渗透性隔离元件，该离子可渗透性隔离元件位于催化阴极背对所述第一电解液阻挡板的复合材料一侧。
45.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，金属/空气电池为锌/空气电池。
46.如权利要求30所述的阴极外壳，其中，胶接剂包含聚酰胺。
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