專利名稱：電池陰級(jí)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電池陰極。
背景技術(shù)：
電池通常用作電能來(lái)源。電池包含負(fù)極，典型稱為陽(yáng)極，正極，典型稱為陰極。陰極可以包括可被還原的正極活性材料(例如，過(guò)渡金屬氧化物如MnO2)、導(dǎo)電助劑(例如，石墨)以及粘合劑(例如聚乙烯(PE))。陽(yáng)極可以是包括可被氧化的活性材料(例如，鋅顆粒)的凝膠。陽(yáng)極活性材料能夠還原陰極活性材料。為了防止陽(yáng)極材料和陰極材料的直接反應(yīng)，陽(yáng)極和陰極通過(guò)隔板彼此電絕緣。
當(dāng)電池在裝置中用作電能來(lái)源時(shí)，在陽(yáng)極和陰極上構(gòu)成電接點(diǎn)，使得電子流過(guò)該裝置，允許發(fā)生各自的氧化和還原反應(yīng)，以提供電能。與陽(yáng)極和陰極接觸的電解質(zhì)包含流過(guò)電極之間的隔板的離子，以在放電過(guò)程中保持整個(gè)電池的電荷平衡。
堿性電池包括圓柱形電池，例如，常規(guī)AA、AAA、AAAA、C和D電池，這些電池通常在商店中銷售。這些常規(guī)堿性電池包括圓柱形容器(稱作殼)，此容器中包含由中空?qǐng)A柱形過(guò)渡金屬氧化物陰極環(huán)繞的中央圓柱型凝膠陽(yáng)極。
圓柱型陰極可以由許多方式制成。一種方法是將多個(gè)環(huán)形盤片放在殼中以形成高的、松配合的中空?qǐng)A柱體。通過(guò)在圓柱體的空腔中放置芯棒以及向環(huán)形盤片的頂部施加壓力從而使這些環(huán)形盤片重新壓緊，在殼中重整這些環(huán)形盤片以便提供對(duì)殼壁的良好接觸。還可以將這些環(huán)形盤片加大，即，環(huán)形盤片的外直徑大于殼體的內(nèi)徑，將它們插入錐形漏斗，從而強(qiáng)迫安裝到殼中。另一種制造陰極的方法包括將陰極粉末或顆粒放入殼中，利用沖壓機(jī)在壓住陰極頂表面上的粉末的同時(shí)將中央芯棒插入到粉末中，從而形成陰極。由這些方法制成的陰極可具有帶封閉孔的發(fā)亮、光滑表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及具有由開(kāi)槽和/或粗化改進(jìn)了陰極的電池。通常，改進(jìn)后的電池在高低消耗速率方面以及在連續(xù)和間歇放電速率下具有良好的容量。
不依據(jù)任何理論，發(fā)明人認(rèn)為對(duì)陰極的改進(jìn)提高了電池性能是基于以下原因增加了陰極的表面積，使得更多的電解質(zhì)由陰極表面上的開(kāi)孔吸收。通過(guò)降低陰極中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移阻力、降低隔板極化、和/或延遲陽(yáng)極鈍化，增加的表面積和/或電解質(zhì)流量可提高電池性能。
在一個(gè)方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于陰極，在陰極的表面中至少具有一條長(zhǎng)約10至約450微米、優(yōu)選約70至約110微米的凹槽。陰極可以成形為具有內(nèi)表面和外表面的帶芯圓柱體，其中凹槽延伸到陰極的內(nèi)表面。凹槽可以圍繞著陰極的縱軸或平行于陰極的長(zhǎng)度螺旋形的延伸。陰極可以成形為棱柱，凹槽可以延伸到陰極的主表面。本發(fā)明另一特點(diǎn)在于具有上述陰極的電池(例如，圓柱形、棱柱形和紐扣型)。
在另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于具有表面并且在陰極的表面上包括石墨顆粒的陰極。石墨顆?？删哂谢旧喜黄叫欣缁旧洗怪庇陉帢O表面取向的a-b晶面。石墨顆粒的a-b晶面可以基本上垂直于陰極的長(zhǎng)度和/或基本上平行于陰極的主軸取向。陰極可以包括集流體，該集流體具有垂直于石墨顆粒的a-b平面的主表面。陰極可以成形為圓柱體或棱柱體。本發(fā)明的另一特點(diǎn)在于具有上述陰極的電池(例如，圓柱形、棱柱形和紐扣型)。
在另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于具有如上所述的陰極的電池，在陰極的表面中至少具有一條長(zhǎng)約10至約450微米、優(yōu)選約70至約110微米的凹槽。陰極可以限定為空腔，電池可以包括設(shè)置在空腔中具有圓柱形狀的隔板。電池可以是圓柱形的(例如，AA，AAA，C，D)，可以具有圓柱形的隔板。
在另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于制造陰極和電池的方法。該方法包括在陰極的表面中形成凹槽。凹槽可以以大約10至大約450微米的深度延伸到表面中。形成凹槽可以包括使螺絲錐與陰極的表面接觸，使直的有槽絲錐接觸到陰極表面，和/或通過(guò)例如旋轉(zhuǎn)或推進(jìn)機(jī)械地除去一部分陰極表面。
在另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于制造電池的方法，該方法包括在陰極的表面處形成具有表面和石墨顆粒的陰極，其中石墨顆粒具有不平行于陰極的表面取向的a-b晶面。該方法還可以包括將隔板鄰接于陰極的表面放置。
在另一方面，本發(fā)明的特點(diǎn)在于制造電池的方法，該方法包括形成包括石墨顆粒的陰極，該石墨顆粒具有基本上平行于陰極表面取向的a-b晶面。形成陰極可以包括將一部分陰極材料填入殼中。該方法還可以包括垂直于陰極的表面對(duì)陰極鉆孔。
該方法基本上可以使石墨顆粒這樣取向?qū)τ趫A柱型電池，a-b平面平行于在內(nèi)徑處、在外徑處以及在陰極的體積內(nèi)的導(dǎo)電平面。這種取向同時(shí)促進(jìn)了陰極中的電子和離子導(dǎo)電。


根據(jù)說(shuō)明書和附圖、以及根據(jù)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特點(diǎn)、目的和優(yōu)點(diǎn)將更為顯而易見(jiàn)。
圖1是圓柱型電池的側(cè)截面圖；圖2A-2B是具有開(kāi)了槽的陰極的圓柱形電池的示意性側(cè)截面圖；圖3是對(duì)于具有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，電池電壓相對(duì)于容量的曲線；圖4是對(duì)于另一個(gè)具有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，電池電壓相對(duì)于容量的曲線；圖5是對(duì)于具有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，閉路電壓相對(duì)于時(shí)間的曲線；圖6是對(duì)于具有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，吸收的電解質(zhì)相對(duì)于時(shí)間的曲線；圖7A-7B是對(duì)于帶有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，分別在電靜態(tài)和電動(dòng)態(tài)放電的條件下，陽(yáng)極鈍化相對(duì)于容量的曲線；圖8A-8B是對(duì)于帶有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，極化(分別為歐姆和動(dòng)力，物質(zhì)轉(zhuǎn)移)相對(duì)于脈沖電流的曲線。
圖9是對(duì)于帶有開(kāi)了槽的陰極的電池而言，電池極化相對(duì)于脈沖電流的曲線；圖10是石墨顆粒的原子結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11是在陰極的表面上開(kāi)槽或粗化所可能產(chǎn)生的作用的示意圖；圖12是棱柱電池的側(cè)截面圖；圖13是紐扣或硬幣電池的透視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及具有增加了電池性能的表面的電池陰極。
參考圖1，電池10包括陰極12、陽(yáng)極14、隔板16以及圓柱殼18。電池10還包括集流體20、密封件22、以及用作電池的負(fù)極端子的金屬頂帽24。陰極12與殼18接觸，電池的正極端子在遠(yuǎn)離負(fù)極端子的電池相對(duì)端。電解液分布在整個(gè)電池10。在此描述的發(fā)明可以用于不同尺寸的電池，但是為了以下描述的實(shí)施方式，電池10是AA電池。
陰極12包括活性材料例如二氧化錳、石墨顆粒，堿性電解質(zhì)和粘合劑。
用于陰極的二氧化錳可以采用任何常規(guī)的形式。盡管可以采用化學(xué)合成的MnO2(CMD)以及EMD和CMD的混合物，但是優(yōu)選的二氧化錳是電解合成的MnO2(EMD)。這種二氧化錳的供應(yīng)商包括Kerr McGee公司(Trona D)，Chemetals公司，Tosoh，Delta Manganese，MitsuiChemicals，JMC，Evachem以及Chuo Denki。一般來(lái)說(shuō)，陰極包括大約在80wt％和88wt％之間的二氧化錳。
石墨顆粒用作導(dǎo)電助劑以提高陰極的導(dǎo)電性。石墨顆?？梢允窃陉帢O中采用的任何常規(guī)的石墨顆粒。它們可以是合成的或非合成的，它們可以是膨脹的或非膨脹的。在特定實(shí)施方式中，石墨顆粒是非合成、非膨脹的石墨顆粒。在這些實(shí)施方式中，利用Sympatec HELIOS分析儀進(jìn)行測(cè)量，石墨顆粒優(yōu)選具有小于約20微米的平均粒徑，更優(yōu)選為約2微米至約12微米，最優(yōu)選為約5微米至約9微米。非合成的、非膨脹的石墨顆?？梢詠?lái)自例如Brazilian Nacional deGrafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X))。通常，陰極包括在約4wt％和約10wt％之間的石墨顆粒。
粘合劑的例子包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、波特蘭水泥和碳氟樹(shù)脂，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。例如，聚乙烯粘合劑在Coathylene HA-1681(Hoechst)的商品名下有售。通常來(lái)說(shuō)，陰極包括在約0.1wt％和約1wt％之間的粘合劑。
陰極12可以包括其它添加劑。在美國(guó)專利US5342712中公開(kāi)了這些添加劑的例子，在此引作參考。陰極12可以包括例如約0.2wt％至約2wt％的TiO2。
電解液例如9N KOH可以分布在整個(gè)陰極12中，在分散了電解液之后判定上面提供的重量百分比。通常來(lái)說(shuō)，陰極包括在約4wt％和約8wt％之間的電解液。在某些實(shí)施方式中，沒(méi)有電解液加入到陰極中，但是在組裝電池之后，陰極從其它電池元件吸收電解液，例如隔板和/或陽(yáng)極。
參考圖2A-B，陰極12的內(nèi)表面26包括凹槽。正如在此所采用的那樣，“凹槽”是在表面上的細(xì)長(zhǎng)通道或凹陷。陰極12可以是以除去一部分陰極12的表面的方式開(kāi)槽，例如，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺絲錐進(jìn)入陰極12的內(nèi)腔，從而構(gòu)成圍繞殼18和陰極12的縱軸A延伸的螺旋狀槽28，如圖2A所示?？梢圆捎酶蟮穆菁y以除去更多的陰極材料，形成更大的凹槽。陰極12還可以通過(guò)下述方式開(kāi)槽，將適當(dāng)大小的槽紋模具推入陰極12以形成平行于縱軸A延伸的凹槽28，如圖2B所示。還可以鋸(例如，利用弓形鋸)陰極12的內(nèi)表面26，從而形成垂直凹槽。凹槽還可以通過(guò)下述方式形成，例如，用牙鑿或鋼絲刷刮陰極表面。還可以采用其它結(jié)構(gòu)的凹槽。例如，凹槽可以是波紋狀的、蛇形的、之字形的或不連續(xù)的。根據(jù)凹槽的尺寸，可以形成不同數(shù)量的凹槽，例如可以形成約24個(gè)至約72個(gè)凹槽。
選擇性地，或此外，可以對(duì)陰極12的表面進(jìn)行粗化，例如，用200-400粗砂紙打磨陰極。正如在此所述，“粗”通常表示有網(wǎng)紋的、粗糙的、不平的、不規(guī)則的、不均勻的或不光滑的。例如，粗表面通常具有不相等的皺褶和凸起。在一種方法中，利用具有可以粗化陰極12的內(nèi)表面的粗化表面的陰極壓片形(pellet)柱塞，可以粗化陰極12的表面。例如，在將柱塞插入陰極盤片或圓柱體以形成環(huán)形盤片或中空?qǐng)A柱體之后，可以使柱塞朝著所形成的盤片或圓柱體的內(nèi)表面徑向地扭轉(zhuǎn)，以便粗化盤片或圓柱體。一旦完成徑向扭轉(zhuǎn)/粗化操作，柱塞從所形成的盤片或圓柱體中抽回。另一種粗化方法包括例如，利用壓力噴頭、利用鋼絲刷的砂蝕(sand etching)，用硬表面磨擦陰極。
對(duì)于AA電池，對(duì)陰極12的內(nèi)表面26進(jìn)行開(kāi)槽和/或粗化，這樣不超過(guò)陰極的原始厚度的6％被除去，盡管所除去的陰極量一般取決于陰極的原始內(nèi)徑。優(yōu)選的，不超過(guò)4.5％被除去，更優(yōu)選地，不超過(guò)2％被除去。參見(jiàn)圖2A，在沿著陰極12的內(nèi)表面26延伸的縱向線(例如線X)和殼18的內(nèi)表面之間的距離優(yōu)選沿著陰極12的長(zhǎng)度基本上保持相同。正如在此采用的那樣，“基本上相同”意味著該距離的差別不超過(guò)3％。用其他方式表示，凹槽28可以沿著原始的、未改進(jìn)的陰極12的內(nèi)表面26向下延伸約10至約450微米，優(yōu)選，約70至約110微米，更優(yōu)選，約90至約11微米。結(jié)果，當(dāng)開(kāi)了槽的陰極用在圓柱狀堿性電池中時(shí)，一般的直壁圓柱隔板可以用于電池，即便陰極的內(nèi)表面26已經(jīng)開(kāi)槽和/或粗化。通常，為了保持電池中最大量的活性材料，以便彌補(bǔ)開(kāi)槽或粗化造成的陰極材料的損失，所提供的將要進(jìn)行開(kāi)槽或粗化的改進(jìn)的陰極要稍微厚于未進(jìn)行改進(jìn)的陰極。例如，在2000年4月26日提交的U.S.S.N.09/559872中描述了形成堿性陰極和電池的方法，在此將其全部?jī)?nèi)容引作參考。
陰極12的開(kāi)槽和/或粗化增加了內(nèi)表面26的表面積。根據(jù)凹槽的尺寸，例如通過(guò)調(diào)節(jié)模具上螺紋的尺寸，內(nèi)表面26的表觀面積可增加至大于100％。
參見(jiàn)表1，示出了用于制備標(biāo)準(zhǔn)AA陰極的有槽和粗化陰極的典型試驗(yàn)參數(shù)。正如在此采用的那樣，“預(yù)注入量”是指在放置隔板之前加入到電池的電解質(zhì)的量，不包括已經(jīng)存在于陰極片中的電解質(zhì)。
表1

所得到的陰極開(kāi)過(guò)槽的電池，不管有沒(méi)有包括添加的電解液，都顯示了良好的性能。參見(jiàn)圖3和4，在1安培連續(xù)放電的條件下，帶有開(kāi)槽的陰極的兩種不同類型的電池均顯示出良好的容量。
參見(jiàn)表2，具有開(kāi)槽的陰極的電池通常顯示出在高低消耗速率方面和在持續(xù)和間歇放電速率條件下良好的容量。一般來(lái)說(shuō)，具有開(kāi)了槽的陰極的容量的提高在更高的終止電壓下會(huì)更高。終止電壓是測(cè)試結(jié)束時(shí)的電壓，這是因?yàn)?，例如，裝置在比此終止電壓更低的電壓下是不能工作的。
表2

具有開(kāi)了槽的陰極的電池的強(qiáng)大性能可以歸功于凹槽和/或加入到電池中的更多電解質(zhì)。對(duì)陰極開(kāi)槽增加了陰極的內(nèi)表面面積，由此降低了在陰極反應(yīng)界面例如陰極/隔板界面處的電流密度。參見(jiàn)圖5，在1A下的最初階段，可能由于在內(nèi)陰極表面的高表面積，因此陰極開(kāi)槽的電池顯示出52mV的歐姆電阻和45mV的動(dòng)力電阻。
陰極表面積的增加還可以降低陰極極化和典型存在于圓柱形陰極的曲率效應(yīng)。陰極極化起源于對(duì)穿過(guò)陰極/隔板界面的擴(kuò)散的限制。當(dāng)MnO2顆粒的表面層放電時(shí)，會(huì)形成更低的氧化物，這導(dǎo)致了極化電阻的增加。對(duì)陰極的開(kāi)槽或粗化使得在陰極的反應(yīng)界面處出現(xiàn)了更高的表面積，這可以產(chǎn)生更均勻的電流分布，這樣的話，例如，整個(gè)陰極厚度可以在相同的速率下放電，和/或可以產(chǎn)生低電流密度，從而更低的電壓降穿過(guò)界面。類似地，對(duì)圓柱陰極進(jìn)行開(kāi)槽還可以例如通過(guò)減少陰極的圓柱形的幾何參數(shù)來(lái)加快電池反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸。
形成凹槽還可以改善對(duì)電解質(zhì)的吸收，這是通過(guò)在陰極表面處開(kāi)孔和/或通過(guò)施加機(jī)械壓力來(lái)改善陰極片的密度。參見(jiàn)圖6，演示了開(kāi)槽對(duì)電解質(zhì)吸收的作用。通過(guò)下述方法進(jìn)行測(cè)量將電解質(zhì)填充陰極直至高達(dá)頂部，在時(shí)間的不同階段倒出電解質(zhì)。按重量測(cè)量被陰極獲得的重量。如圖6所示，在開(kāi)槽的陰極中吸收速率最高。此數(shù)據(jù)表明，開(kāi)槽的陰極可以導(dǎo)致在陰極中、甚至隔板和陽(yáng)極中的低物質(zhì)轉(zhuǎn)移阻力。機(jī)械地形成凹槽還可以除去非常緊密的表面層，此表面層是在用于形成陰極的制片過(guò)程和重新壓緊的過(guò)程中形成的。
一般來(lái)說(shuō)，陰極表面積的提高，并結(jié)合電池中電解質(zhì)含量的提高，就改善了電池的物質(zhì)傳輸性能，即，降低了物質(zhì)轉(zhuǎn)移電阻，增加了質(zhì)量流量。具有有限的電解質(zhì)通常提高了在低終止電壓下的電極極化和隔板極化，這是由于高物質(zhì)轉(zhuǎn)移電阻和較早的陽(yáng)極鈍化。添加更多的電解質(zhì)可以提高電池的臨界容量，臨界容量定義為由于在放電過(guò)程中或在休息過(guò)程中電解質(zhì)的損耗導(dǎo)致的電池的內(nèi)阻急劇上升的情況下容量。加入更多的電解質(zhì)可以降低隔板極化，例如，由于歐姆或物質(zhì)轉(zhuǎn)移電阻引起的經(jīng)過(guò)隔板的電壓降。加入更多的電解質(zhì)還可以延遲陽(yáng)極的鈍化，當(dāng)在電解質(zhì)中的氫氧根離子耗盡時(shí)會(huì)發(fā)生此鈍化現(xiàn)象。如圖7A-B所示，將更多的電解質(zhì)加入到陰極開(kāi)了槽的電池中可以延遲在電靜態(tài)和電動(dòng)態(tài)條件下的陽(yáng)極鈍化。
參見(jiàn)8A-B，進(jìn)一步演示了對(duì)陰極進(jìn)行開(kāi)槽或粗化的優(yōu)點(diǎn)。圖8A示出了具有粗化的陰極或開(kāi)槽的陰極的電池，有或沒(méi)有過(guò)剩的電解質(zhì)，引起低電阻和動(dòng)力學(xué)極化。類似地，圖8B表明，對(duì)于粗化了或開(kāi)了槽的陰極而言，物質(zhì)轉(zhuǎn)移極化降低。因此，參考圖9，陰極粗化并開(kāi)槽的電池的整個(gè)電池的極化降低，由此提供了具有高容量的電池。
對(duì)于電池性能的改進(jìn)的另一種可能的解釋是，對(duì)陰極的粗化和開(kāi)槽在陰極上形成了這樣的表面，該表面使得陰極具有更好的電子和離子導(dǎo)電性。參考圖10，石墨顆粒30具有層狀原子結(jié)構(gòu)，其中碳原子在a-b晶面中設(shè)置的六邊形陣列中結(jié)合。沿著c-方向結(jié)合主要是微弱的結(jié)合力，例如范德華力或弱共價(jià)鍵。因此，在石墨顆粒中電子的傳導(dǎo)主要發(fā)生在a-b平面。并且，由于其原子結(jié)構(gòu)，石墨顆粒通常顯示出優(yōu)選的取向性，例如，由于它們通常將它們的a-b平面平行于剪切或滑動(dòng)力進(jìn)行取向，因此石墨可以用作潤(rùn)滑劑。
參考圖11，形成帶芯圓柱陰極的一些方法生產(chǎn)出陰極12，在陰極12中，石墨顆粒30可以在陰極的體積內(nèi)任意地進(jìn)行主要取向。但是，這些方法也可以在陰極的內(nèi)外表面上形成平滑光亮、相對(duì)不可滲透的層。在此層中，在此叫做“受影響的區(qū)域”34，石墨顆粒30可以是優(yōu)先地取向它們的a-b平面平行于電池的縱軸(A)，它們的結(jié)晶c-軸垂直于軸(A)。由于在圓柱形電池的陰極中電子和離子的導(dǎo)電通常在徑向上(R)，因此在受影響的區(qū)域34中石墨顆粒的取向會(huì)阻礙電池的電子導(dǎo)電性、粒子遷移率和電解質(zhì)滲透。
參考圖11，通過(guò)除去完全受影響的區(qū)域36或者通過(guò)從表面層充分除去受影響的區(qū)域32以接近不受影響的區(qū)域38，對(duì)陰極表面進(jìn)行開(kāi)槽或粗化可以改善電池的性能。隨著充分除去受影響的區(qū)域，電子和離子導(dǎo)電性以及液體滲透性可以接近沒(méi)有受影響的區(qū)域的那些電極所能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。
因此，由于在陰極中的傳導(dǎo)通常發(fā)生在徑向(R)上，并且由于在石墨顆粒中電子的傳導(dǎo)主要發(fā)生在a-b平面上，通常優(yōu)選的是，陰極含有它們的a-b平面平行于徑向(R)取向的石墨顆粒。對(duì)于圓柱形電池，石墨顆粒優(yōu)選具有垂直于縱軸A的a-b平面。優(yōu)選地，此取向保持在整個(gè)陰極中，特別是在陰極的表面，即，在陰極/隔板和陰極/殼界面處，在這些位置會(huì)出現(xiàn)非優(yōu)選的取向和光亮現(xiàn)象。
現(xiàn)在描述制造圓柱形電池陰極的方法，該陰極具有所需要的顆粒取向并且使光亮面的形成最小化。將一部分例如陰極粉末或顆?？偭康募s25％放入電池殼中。將電池殼放置在牢固的裝配模具中并由其支撐。將壓制柱塞壓入殼體中，從而壓緊陰極粉末，在殼體的底部形成固體型芯(slug)。在壓制之后，型芯的上表面基本上垂直于殼的縱軸。壓力有助于石墨顆粒的a-b平面平行于徑向取向。
柱塞從殼體中抽出，將陰極粉末的其余部分放入殼體中。用柱塞重復(fù)進(jìn)行壓制。重復(fù)進(jìn)行上述填充和壓制步驟，例如四次，直到形成所需要的固體陰極圓柱體。
在第一或第二部分之后加入的陰極粉末部分也可以多次壓緊，以提供具有均勻硬度的陰極圓柱體。在典型的壓緊和鉆孔方法中，陰極粉末的第一部分放入殼體中并壓緊或加壓。第二部分放入殼體中第一部分之上并壓緊。第三部分放在第二部分之上并壓緊兩次，允許第三部分在壓緊之間松弛。然后，將第四部分放在第三部分之上并壓緊三次，允許第四部分在壓緊之間松弛。而底下的部分(例如，第一和第二)還會(huì)受到來(lái)自上面部分(例如，第三和第四)多次壓緊造成的多余壓力，通常底部的壓力不會(huì)和上面部分的壓力一樣大。因此，此方法通常將陰極材料的各部分暴露于大約相同的壓力下，這樣所形成的陰極圓柱體具有均勻的強(qiáng)度和硬度。人們相信由此方法形成的電池具有提高的存儲(chǔ)特性。
在形成陰極圓柱體之后，從支撐模具上除去電池殼，并固定到鉆孔機(jī)上，例如車床。對(duì)陰極圓柱體進(jìn)行一次或多次的鉆孔以形成用于陽(yáng)極的陰極空腔。如果需要，含有針頭(pip)中空體積的陰極底部可以被鉆開(kāi)。該方法生產(chǎn)出具有所需要的石墨顆粒取向和使陰極表面的光亮度最小化的陰極。此“壓緊和鉆孔”方法可以基本上使石墨顆粒在內(nèi)徑上、在外徑上以及在圓柱型電池的陰極容積中這樣取向a-b平面平行于導(dǎo)電平面，例如，平行于徑向。此取向有利于電子和離子導(dǎo)電。
表3示出了具有由上述壓緊和鉆孔方法制成的陰極的電池的數(shù)據(jù)。通常，由上述方法制成的電池顯示出良好的性能，尤其是在高消耗和高電壓終點(diǎn)。
表3

在上述壓緊和鉆孔方法的另一種變化中，陰極材料以形成的固體片的形成放在殼體內(nèi)，而不是以顆粒的形式。將陰極粉末或顆粒壓成片狀，例如，各片可以形成為陰極的最終尺寸的約25％。第一壓片放置在殼中并例如用柱塞壓緊。第二壓片放入殼體中的第一壓片之上并壓緊?？梢约由掀渌膲浩壕o，直到形成所需要的固體陰極圓柱體?？梢匀缟纤鰧?duì)陰極進(jìn)行鉆孔。對(duì)剩下的兩個(gè)壓片進(jìn)行多次壓緊，如上所述。
已經(jīng)描述了本發(fā)明的多種實(shí)施方式。盡管如此，應(yīng)理解在不脫離本發(fā)明精神和范圍的條件下可以進(jìn)行各種變化。例如，在上面討論了堿性電池的同時(shí)，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它類型的電池，例如金屬-空氣電池和空氣還原電池。類似地，本發(fā)明可以用于非圓柱形電池，例如紐扣電池、棱柱形電池、跑道(racetrack)電池。本發(fā)明可以用于多葉狀電極電池，正如在1999年9月21日提交的U.S.S.N.09/358578中描述的那樣，在此引作參考。
由壓緊和鉆孔方法形成的空腔可以由下述方式形成首先形成較小的空腔，例如通過(guò)將中空?qǐng)A柱體壓過(guò)陰極或通過(guò)擠壓，然后通過(guò)鉆、鏜、磨的方式將小空腔擴(kuò)大?？涨豢梢跃哂蟹菆A柱體的截面。通過(guò)在適當(dāng)?shù)姆较蛏咸峁C(jī)械振動(dòng)、改變磁場(chǎng)、電場(chǎng)、聲場(chǎng)以及在多孔模子中進(jìn)行粉漿澆鑄，可以有助于石墨顆粒的取向。
本發(fā)明可以用于硬幣電池、紐扣電池、棱柱形電池。在這些電池中，陰極通常是棱柱形的，例如，圓棱柱或矩形棱柱。參見(jiàn)圖12和13，在這些電池中電子和離子傳導(dǎo)通常平行于陰極12的主軸A或垂直于陰極的主表面流動(dòng)。正如在此采用的那樣，主表面是垂直于主軸的表面。因此，石墨顆粒優(yōu)選以它們的a-b平面平行于電池的縱軸取向。這些電池的陰極可以如下形成將一塊陰極材料壓緊，然后將此塊陰極切成陰極片，當(dāng)陰極放入電池時(shí)，使得石墨顆粒的a-b平面平行于電池的縱軸。
對(duì)于具有集流體例如絲網(wǎng)或箔的陰極而言，一般來(lái)說(shuō)，主要在垂直于集流體主表面發(fā)生傳導(dǎo)?？梢詫⒒钚圆牧稀⑹w粒和粘合劑靜電地設(shè)置在集流體上以提供所需要的取向，即石墨顆粒的a-b平面垂直于集流體的主表面，然后固化粘合劑，以保持所需要的石墨顆粒取向。
其它實(shí)施方式在權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種陰極，包括延伸進(jìn)陰極的表面內(nèi)約10至約450微米的凹槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的表面內(nèi)約70至約110微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的表面內(nèi)約90至約110微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中陰極成形為具有內(nèi)表面和外表面的帶芯圓柱體，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的內(nèi)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的陰極，其中凹槽圍繞著陰極的縱軸呈螺旋形延伸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的陰極，其中凹槽平行于陰極的長(zhǎng)度延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中陰極成形為棱柱體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的陰極，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的主表面。
9.一種陰極，包括粗化的表面。
10.一種具有表面的陰極，陰極包括在陰極表面處的石墨顆粒，石墨顆粒具有基本上不平行于陰極表面取向的a-b晶面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的陰極，其中石墨顆粒的a-b晶面基本上垂直于陰極的表面取向。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的陰極，其中陰極成形為圓柱體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的陰極，其中石墨顆粒的a-b晶面基本上垂直于陰極的長(zhǎng)度取向。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的陰極，其中陰極成形為棱柱體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的陰極，其中石墨顆粒的a-b晶面基本上平行于陰極的主軸取向。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的陰極，進(jìn)一步包括具有垂直于石墨顆粒a-b面的主表面的集流體。
17.一種電池，包括具有至少一個(gè)延伸進(jìn)陰極表面內(nèi)約10至約450微米的凹槽的陰極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的表面內(nèi)約70至約110微米。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中凹槽延伸進(jìn)陰極的表面內(nèi)約90至約110微米。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中陰極限定了空腔，電池進(jìn)一步包括設(shè)置在空腔中具有圓柱形狀的隔板。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中凹槽圍繞電池的縱軸呈螺旋形延伸。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中凹槽平行于電池的縱軸延伸。
23.根據(jù)權(quán)利要求17的電池，其中電池是圓柱體。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的電池，進(jìn)一步包括形狀為圓柱體的隔板。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的電池，其中電池是AA電池。
26.根據(jù)權(quán)利要求23的電池，其中電池是AAA電池。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的電池，其中電池是AAAA電池。
28.根據(jù)權(quán)利要求23的電池，其中電池是C電池。
29.根據(jù)權(quán)利要求23的電池，其中電池是D電池。
30.一種電池，包括具有機(jī)械粗化陰極的陰極。
31.一種電池，包括在陰極表面處具有石墨顆粒的陰極，石墨顆粒具有不平行于陰極表面取向的a-b晶面。
32.一種電池，包括成形為棱柱體并且在陰極的表面處具有石墨顆粒的陰極，石墨顆粒具有不平行于陰極表面取向的a-b晶面。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的電池，其中電池是棱柱形電池。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的電池，其中電池是紐扣電池。
35.一種制造陰極的方法，該方法包括在陰極的表面中形成凹槽，凹槽延伸進(jìn)表面內(nèi)的深度約為10至450微米。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中形成凹槽包括使絲錐與陰極的表面接觸。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中形成凹槽包括使槽紋模具接觸到陰極的表面。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中形成凹槽的步驟包括機(jī)械地除去一部分陰極表面。
39.一種制造陰極的方法，該方法包括粗化陰極。
40.一種制造電池的方法，該方法包括在陰極的表面中形成凹槽，凹槽延伸到表面的深度約為10至450微米。
41.一種制造電池的方法，該方法包括粗化陰極表面。
42.一種制造電池的方法，該方法包括形成具有表面和在陰極的表面處的石墨顆粒的陰極，其中石墨顆粒具有不平行于陰極表面取向的a-b晶面。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，進(jìn)一步包括將隔板鄰接于陰極的表面設(shè)置。
44.一種制造電池的方法，包括形成包括石墨顆粒的陰極，該石墨顆粒具有基本上平行于陰極表面取向的a-b晶面。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中形成陰極包括將一部分陰極材料塞入殼中。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，進(jìn)一步包括垂直于陰極的表面對(duì)陰極進(jìn)行鉆孔。
47.一種制造陰極的方法，包括將一部分陰極材料放入殼中；在殼中壓緊陰極材料；以及除去一部分陰極材料部分。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中將陰極材料的多個(gè)部分放入殼中。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中陰極材料包括顆粒。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中陰極材料包括壓片。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中壓片限定開(kāi)口，除去一部分陰極材料部分以加大開(kāi)口。
52.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中將陰極材料的多個(gè)部分放入殼中，在陰極材料的各部分放入之后，對(duì)陰極材料進(jìn)行加壓。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中對(duì)部分陰極材料加壓多次。
54.根據(jù)權(quán)利要去47的方法，其中除去一部分陰極材料部分包括對(duì)陰極材料進(jìn)行鉆孔。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電池(1)，該電池(1)具有通過(guò)開(kāi)槽和/或粗化陰極的方式改進(jìn)了的陰極(12)。陰極(12)設(shè)置有至少一條延伸進(jìn)陰極表面內(nèi)約10至約450微米的凹槽。陰極可以在陰極表面上含有石墨顆粒。石墨顆粒具有基本上平行于、但不平行于或垂直于陰極表面取向的a－b晶面。通常，改進(jìn)后的電池在高低消耗速率和在持續(xù)或間歇放電速率的條件下具有好的容量。
文檔編號(hào)H01M6/08GK1470082SQ01814579
公開(kāi)日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月24日
發(fā)明者特里·柯普蘭德, 斯圖爾特·M·戴維斯, 李泰元, 亞歷山大·A·里夫, 加里·A·米勒, 曾書明, A 米勒, 大 A 里夫, 特 M 戴維斯, 特里 柯普蘭德 申請(qǐng)人:吉萊特公司