CN1934731A - 薄片碱性电池 - Google Patents

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Abstract

公开了一种薄片状结构的薄片碱性电池。该电池具有一对包括所述电池的至少大部分边界表面的相对的侧面。该相对的侧面限定其间短的电池尺寸。该电池包括粘结在一起形成层压结构的阳极组合件和阴极组合件。该电池包括单一框架或两个分开的框架以容纳阳极和阴极材料。阳极组合件具有其内典型地包含锌的阳极材料，而阴极组合件具有其内典型地包含二氧化锰的阴极材料。该电池耐用且优选为刚性，具有细长的渗漏阻挡通道，并且可抵抗电解质的渗漏。

Description

薄片碱性电池
本发明涉及一种薄片碱性电池，该电池具有基本薄片状构造和高的面积厚度纵横比。在一个主要方面，本发明涉及一种薄片碱性电池，其中阳极包含锌，阴极包含二氧化锰。
常规的碱性电化学电池具有包含锌的阳极和包含二氧化锰的阴极。电池典型地形成有圆柱形外壳。新电池的开路电压(EMF)为约1.6伏，并且中等漏电服务条件下(100至300毫安)的平均运行电压介于约1.0和1.2伏之间。圆柱形外壳最初形成有扩大的开口端和相对的封闭端。当提供了电池内容物之后，将具有绝缘索环和负端端帽的端帽组件插入到外壳的开口端。通过在绝缘索环边缘之上卷曲外壳边缘并在绝缘索环周围径向压缩外壳，开口端被封闭以提供紧密的密封。绝缘索环将负端帽与电池外壳电绝缘。在相对的封闭端处的电池外壳的一部分形成正端。
常规的圆柱形碱性电池一般具有多种可识别的型号，即AAAA、AAA、AA、C和D型电池。在2003年11月26日提交的普通转让美国专利申请系列10/722879中描述了一种薄片电池，其中电池内容物被封装到固体金属壳体中。金属壳体具有带封闭端和相对的开口端的整体主体表面。将电池内容物插入到开口端内，然后用端帽密封。端帽的设计为具有金属裙边、塑料绝缘索环和设置在索环内部的金属柱或铆钉。金属裙边被压缩在绝缘索环周围，而索环被压缩在金属柱周围，以在两接口处均形成耐碱性密封。然后通过焊接将端帽组件的金属裙边连接到金属壳体上。
当期望电池的厚度越小时(例如远低于6mm)，将阳极和阴极材料填充到这样的电池之中则变得越来越困难。因此，需要有一种扁平或者薄片状碱性电池，并且即使在电池厚度小于约6mm时(例如介于约0.5mm和6mm之间，理想地介于约1.5mm和4mm之间)，也可容易地加工和填充电池内容物。这使得将薄的棱柱形碱性电池用作小型电子装置的一次(不可充电)电源或者备用电源成为可行，小型电子装置通常是采用薄的、可充电电池(例如薄锂离子电池)作为电源。通过适当调节电池的化学物质和内部组分也可以制造薄的碱性可充电电池。近些年来，许多电子装置(例如便携式收音机、音频播放器)和通讯装置变得更小和更薄。因此需要用于这样小型电子装置的总厚度小的薄层状薄片电池。
一次碱性电化学电池典型地包括锌阳极活性材料、碱性电解质、二氧化锰阴极活性材料和电解质可渗透的隔离膜，该膜典型为纤维素或纤维质及聚乙烯醇纤维膜。例如，阳极活性材料可包括与常规胶凝剂(例如羧甲基纤维素钠或者丙烯酸共聚物的钠盐)混合的锌粒和电解质。胶凝剂起到让锌粒悬浮并使它们保持相互接触的作用。典型地采用插入到阳极活性材料中的导电金属钉作为阳极集电器，其电连接到负端端帽。电解质可以是碱金属氢氧化物例如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的水溶液。阴极典型地包括作为电化学活性材料的粒状二氧化锰，其与典型为石墨材料的导电添加剂混合以提高导电率。任选地，可以在阴极中加入少量聚合物粘合剂(例如聚乙烯粘合剂)和其它添加剂(例如含钛化合物)。
用于阴极的二氧化锰优选为电解二氧化锰(EMD)，其可以通过含硫酸锰和硫酸的电解液的直接电解而制备。期望使用EMD是因为其具有高密度和高纯度。EMD的导电率(1/电阻率)相当低。在阴极混合物中加入导电材料以提高单独的二氧化锰颗粒之间的导电性。这样的导电添加剂还可以提高二氧化锰颗粒和电池外壳之间的导电性，该电池外壳也用作常规圆柱形碱性电池的阴极集电器。合适的导电添加剂可以包括例如：石墨、石墨材料、导电碳粉末，如炭黑，包括乙炔黑。优选的导电材料包括薄片状结晶天然石墨或薄片状结晶人造石墨，或者柔性或膨胀石墨或者石墨类碳纳米纤维以及它们的混合物。
现在已经有可供使用的小尺寸矩形形状的可充电电池，用于给小型电子装置提供电源，如MP3音频播放器和迷你盘(MD)唱机。这些电池典型为小型的，具有矩形形状(立方体)，相当于一块口香糖的大小。本文所用术语“立方体”是指其通常的几何定义，即“长方体”。这种电池的形式例如可以为可充电镍金属氢化物(NiMH)，尺寸为按照International Electrotechnical Commission(IEC)提出的这种电池的标准尺寸的F6型或者7/5F6型立方体。F6型(无标签)厚度为6.0mm，宽度为17.0mm，长度为35.7mm。有一种形式的F6型，其中长度可以达到约48.0mm。7/5-F6型厚度为6.0mm，宽度为17.0mm，长度为67.3mm。当用于给如MP3音频播放器或者迷你盘(MD)唱机一样的微型数字音频播放器提供电源时，F6或7/SF6 NiMH可充电电池的平均运行电压介于约1.0和1.2伏之间，典型为约1.12伏。
当用于给迷你盘(MD)唱机提供电源时，电池的消耗速率介于约200和250毫安之间。当用于给数字音频MP3播放器提供电源时，电池的消耗速率典型为约100毫安。
期望能有与小尺寸立方体(长方体)镍金属氢化物电池同样尺寸和形状的小型扁平碱性电池，使得小型碱性电池可以与镍金属氢化物电池交替使用，以给小型电子装置如迷你盘或者MP3播放器提供电源。
如上所提及，还期望能有薄片碱性电池，其总厚度小于6mm，例如介于约0.5mm和6mm之间，优选介于约1.5mm和4mm之间。
期望薄片电池的设计使得电解质渗漏的可能性最小或者极大地降低这种可能性。在参考文献M.Hull，H.James，“Why Alkaline CellsLeak”Journal of the Electrochemical Society，第124卷，第3期，1977年3月，第332至329页)和S.Davis，M.Hull，“Aspects of AlkalineCell Leakage”，Journal of the Electrochemical Society，第125卷，第12期，1978年12月)中，碱性电池渗漏的一个方面被解释为在吸附的水分存在下于负极外部电池末端上大气氧电化学还原形成OH-离子。这些电化学生成的OH-离子然后吸引水合正离子，如K(H2O)x +或Na(H2O)x +。K(H2O)x +或Na(H2O)x +离子产生于电池内部，为了在吸附的水膜上维持电中性而迁移越过负极密封表面到电池外部。这往往会吸引KOH或者NaOH电解质从电池内部到末端表面，因此实际上促进了这种电解质从电池内部向末端表面的迁移或者渗漏。
还期望这种薄的薄片电池应包含足够的活性材料，以作为耗电装置的长寿命电源。因此，尽管很薄，薄片电池还应具有投影面积和足够大的内部体积，从而包含足够的活性材料以在相当长的时间内以相当的速率释放电能。
在随后的讨论当中，薄片电池是指薄的薄片状单元电池。该电池可以具有一个或多个表面是扁平的或弯曲的或随机扭曲的。该电池可以具有均匀的厚度，或者其厚度在不同的点上可以是不同的。该电池对任何的点、轴或平面可以是对称或非对称的。电池的“占有面积”定义为当考虑到电池的所有可能的取向时，电池在任何平表面上的最大正交投影面积。
电池的边缘为外表面，取决于电池形状，一个或多个边缘构成其厚度尺寸。在具有变化厚度的电池情况下，厚度将在某些给定点上具有最大值。电池的正面是一个外表面，其限定电池的占有面积并具有标称垂直厚度轴。在电池是扁平状并且厚度均匀的情况下，电池两面的每一面的面积都等于电池占有面积。在电池是弯曲的形状或者厚度不均匀，或者既弯曲又厚度不均匀的情况下，电池两面的每一面可与电池占有面积相匹配，或者超过电池占有面积。同样地，电池边缘不必厚度均匀。
期望可以容易地制造能够顺应各种整体形状和尺寸的薄片电池，例如其中至少一侧为多边形，或者可选择性地为圆形、椭圆形或者至少部分的曲线形。
因此，期望具有这样的薄片电池，即使在小于6mm的如此小的电池厚度下，也制作方便并能够容易地插入电池内容物。薄片电池还必须足够坚固和耐用，以经受释放气体的内部压力、抵抗机械误用和处理造成的损坏，并能避免密封失效造成的任何电解质渗漏。
本发明的主要方面涉及一次或二次薄片碱性电池。该薄片电池设计为用作电能来源，其包括负端和正端，以及包括所述电池的至少大部分边界表面的一对相对侧面。该相对侧面在某些点上限定了其间的平均短电池尺寸(厚度)。该电池包括粘结在一起形成层压结构的阳极组合件和阴极组合件。
在一个方面，电池可以为基本薄片状构造，其在导电和非导电元件之间包括不同的密封接口。耐碱性电解质的密封剂放置在这些接口内。通过机械设计特征或者通过使用结构型粘合剂，可以使包含密封剂的密封接口免受剥离和剪切力。采用新型电池设计和外包装设计，以确保从电池内部到两电池末端中任何一方的可能的渗漏通道基本长于电池厚度尺寸。
在一个主要方面，本发明的薄片碱性电池具有包含锌的阳极、包含二氧化锰和碱性电解质(优选为含水氢氧化钾)的阴极。然而，该薄片碱性电池可以具有包含其它活性材料的阳极和阴极，并且使用其它碱性电解质也是可能的。例如，阳极可包含锌、镉或金属氢化物合金，阴极可包含二氧化锰、羟基氧化镍、氧化银(单独的Ag2O或AgO或混合物)、氧化铜(CuO)、银氧化铜(单独的AgCuO2或Ag2Cu2O3或者彼此的混合物，或者与MnO2的混合物)。上面所列举的每一种阳极材料都可与上面所列举的每一种阴极材料配合使用。碱性电解质可包含氢氧化钠或氢氧化钠与氢氧化钾的混合物，这可以降低电解质从电池内部迁移的倾向。薄片电池还可以是可充电电池的形式。
包括在阳极组合件内部或阴极组合件内部的是隔板层，其可以是离子可渗透膜、隔膜或非织造织物。可供选择地，隔板层可以位于阳极和阴极组合件之间，在一些实施方案中，可以凸入到由阳极和阴极组合件的配合面形成的密封区域的一部分中。
在一个具体实施方案中，电池形状为立方体。电池的厚度可以较薄，例如介于约0.5mm和6mm之间，或者例如介于约1.5mm和6mm之间，典型地介于约1.5mm和4mm之间。
在本发明的一个主要方面，阳极组合件包括用于所述阳极的外壳，阴极组合件包括用于所述阴极的外壳。可以将隔板层置于阳极或阴极组合件的内部使得面向相对的组合件，或者可以将隔板设置在两个组合件之间。优选将阳极和阴极组合件与位于阳极和阴极活性材料之间的隔板粘合在一起，以形成耐用的并且优选刚性、紧凑的层压结构。
在本发明的一个方面，形成阳极组合件一部分的阳极外壳包括阳极框架，优选为耐用塑料，该框架具有限定阳极腔体边界的内周边。框架沿所述周边具有正面和相对的背面。将阳极集电器片粘结到框架的背面，使其面对电池的外表面边界。将阳极材料插入至所述阳极腔体内，使其与所述阳极集电器片接触。集电器片是导电的，优选金属，优选为铜、黄铜、青铜、锡或锌，或者镀锌、锡、银、铟或铋的铜或黄铜，或者这些金属的组合。
形成阴极组合件一部分的阴极外壳包括阴极框架，优选为耐用塑料，该框架具有限定阴极腔体边界的内周边。框架沿所述周边具有正面和相对的背面。将阴极集电器片粘结到框架的背面，使其面对电池的外表面边界。将阴极材料插入到阴极腔体内，使其与所述阴极集电器片接触。阴极集电器片优选为镍、镀镍钢或涂覆碳的金属片，优选为涂覆碳或碳化的镍片。可供选择地，阴极集电器片可以为镀镍的或用镍包覆的冷轧钢。可以在镍上覆盖碳，或者覆盖一层钴，然后再在钴上覆盖一层碳。在另一个实施方案中，可以在阴极集电器上覆盖碳，然后涂覆含碳涂料。
在另一个方面，可以使用单一框架代替分开的阳极和阴极框架。在这种实施方案中，单一框架结构优选为塑料，其优点是可以将阳极材料和阴极填充到单一框架的相对侧内，从而不必将各单独框架粘结在一起。
本发明的叠层薄片电池结构的优点在于能够容易地加工基本上具有任意占有面积尺寸的电池，从例如1cm2的很小的到例如600cm2的很大的，但总厚度却很小，例如介于约1.5mm和6mm之间，典型地介于约1.5mm和4mm之间。电池厚度甚至可以还要低，例如低至约0.5mm。因此可以很容易将电池装进总厚度很小的电子装置的腔体内。叠层电池结构的另一个优点是其可以制作成基本上任意期望的整体形状，例如多边形、椭圆形、圆形、曲线形或部分多边形和部分曲线形。本发明的叠层电池耐用且紧密粘结，从而可暴露于热和冷气候以及高湿度和低湿度的气氛且仍可抵制电解质渗漏。
在本发明的薄片电池中，通过三种方法减少电解质渗漏机会：
1)通过在电池内部与阳极和阴极集电器片之间制造非常紧密粘结的且基本电解质不可渗透的密封。
2)通过制造很长的弯曲通道(渗漏阻挡通道)，电池内部的电解质从电池中逸出必须要经过该通道。总的渗漏阻挡通道由框架宽度加上从框架的外边缘至暴露的电池末端之间的距离之和构成。
3)通过将暴露的外部负极接触表面积减少至最低值，从而减少在外部负极接触表面上的OH-的生成总速率。
对于减少电解质渗漏的方法1，优选通过在框架的边缘和每一个阳极和阴极集电器片的边缘之间使用分级粘合剂密封方式，在本发明的薄片电池中实现紧密粘结的且电解质不可渗透的密封。为了将集电器片粘结到它们相应的框架上，分级密封包括沿塑料框架边缘并置(并列)排放的至少两个不同的粘合剂涂层。外粘合剂涂层优选为结构型粘合剂，例如环氧。这种粘合剂能为薄片状电池构造赋予结构强度。内涂层优选为粘合密封剂，例如可以为聚酰胺或官能化聚乙烯或者沥青溶液。这种密封剂涂层能改善整体粘合性，但其主要的功能是密封住电解质。可供选择地，除了结构型粘合剂之外，还可以使用铆钉，也可以用铆钉代替结构型粘合剂，在铆钉之间的框架部分上涂敷密封剂涂层。
对于减少电解质渗漏的方法2，涉及到提供增加的长度或相对长的阻挡通道，以减少电解质从电池内部渗漏到外部环境的机会。在这方面，已经确定期望设置任何可能的渗漏通道的长度基本大于总电池厚度，该长度是从任一活性电极的边缘到电池外部其相应的末端接触区进行测量。在本文一个优选的实施方案中，可能的渗漏通道(渗漏阻挡通道)与电池厚度的比率大于1.5，更优选大于2。
这可以通过单独或结合使用两种不同的方法来完成。
在第一种方法中，塑料框架的宽度提供第一渗漏阻挡通道A。塑料框架的宽度(渗漏阻挡通道A)是从框架的内周边(与电池活性材料和电解质接触)向其外周边测量，其应该设置为约等于或长于电池的厚度尺寸。因此，对于3mm(1/8″)厚的电池，期望框架宽度(A)为大约3mm(1/8″)或更大。尽管为阻止渗漏希望能增加框架宽度(渗漏阻挡通道A)至最大值，但应当理解，这将以牺牲电池内可用于活性材料的内部体积为代价。因此，对于给定的电池占有区域(平行或基本平行于阳极或阴极框架表面的电池侧面)，存在着能够允许填充合理数量的活性材料到电池内的框架宽度的上限。
在第二种方法中，期望在电池的外表面覆盖塑料薄膜，通过密封剂粘附到电池外表面，包括塑料框架的所有暴露边缘，还包括两个导电端板(集电器片)的大部分表面，仅除了每个端板上位于距框架外周边一段距离处的微小的末端接触区域。在一个优选的实施方案中，暴露的接触区(例如负极接触区)位于导电端板上距框架的所有外缘尽可能最远的距离处。因此，从阳极框架的外周边到暴露的负极接触区限定了至少与电池厚度一样长的距离B。该距离B限定了第二电解质渗漏阻挡通道(阻挡通道B)的长度。薄膜包裹物越过此距离B，优选包括第一和第二覆盖的收缩薄膜包装带，且优选在其间和在第一包裹物与电池表面之间具有密封剂。在第一薄膜带与电池之间的密封剂和在两个薄膜带之间的密封剂有助于达成优良的电解质阻挡性能，防止或极大地延迟电解质沿通道B渗漏的机会。第一塑料收缩包裹物优选为围绕电池周边(边缘)施加的塑料管薄膜带(周边带)。未收缩带的中心轴的定向平行于厚度方向。收缩之后，该带覆盖并粘附于大部分带有密封剂的外部表面，包括所有边缘和导电端板的相当大部分。电池末端接触区域不在之内(这些区域保持裸露)。因此从框架的外周边至电池末端附近可能的渗漏通道被进一步加长。
第二塑料收缩包裹物优选为塑料管薄膜带(横向带)，与第一带成直角施加到电池上。未收缩带的中心轴的定向垂直于厚度方向。第二收缩包裹物(横向带)紧紧地收缩，覆盖大部分剩余的暴露表面。横向带上备有小的冲孔或切孔，对准在外部金属端板上没有密封剂的接触区域，因此暴露出电池末端。第一和第二收缩包装带(周边带和横向带)一起覆盖了电池的除了电池末端处的整个外表面。
为了进一步增强抗渗漏，在施加第二横向带之前，可以在第一收缩包装带(周边带)的外表面涂覆附加密封剂，因此在第一带(周边带)的外部与第二带(横向带)之间形成密封。这将确保任何渗漏电解质的仅有的剩余出口点为暴露的电池接触区。
在单独的阳极和阴极框架粘结在一起的情况下，如本文所提及的第一电解质渗漏阻挡通道(阻挡通道A)的长度可以限定为等于阳极框架周边的宽度，即围绕框架内的中空空间的框架边缘的宽度。(然而应该理解，通过类比，阴极框架宽度决定电池阴极侧的第一阻挡通道A。)在单一的共用框架既容纳阳极材料又容纳阴极材料的情况下，第一电解质渗漏阻挡通道(阻挡通道A)的长度可以限定为等于该共同框架的边缘宽度。上面提到的第二电解质渗漏阻挡通道(阻挡通道B)的测量为从阳极框架外周边的边界到电池表面上暴露的负极接触区之间的距离。对于具有非常大的占有面积的电池来说，期望总电解质渗漏阻挡通道A+B为至少电池厚度的1.5至4倍，甚至可以更大。
对于减少渗漏的方法3，可以通过使与电池占有区域的总面积成比例的外部负极接触区的面积最小化来实现。
因此，通过覆盖尽可能多的负极接触区的外表面、使用密封剂和收缩塑料薄膜可以使暴露的接触面积与电池占有区域的比率最小化。优选该比率小于5％(对于具有1cm2至14.5cm2占有面积的电池)，更优选小于1％(对于具有14.5cm2至603cm2占有面积的电池)，最优选小于0.1％(对于具有603cm2或更大占有面积的电池)。
如此描述的排列适用于具有不同形状和表面的本发明薄片电池，所述形状包括如正方形、矩形、多边形、圆形或椭圆形，且表面可以是扁平的或弯曲的。
总渗漏通道由框架宽度加上从框架的外边缘至电池末端之间的距离之和构成。在本发明优选的实施方案中，总渗漏通道为电池厚度尺寸的至少二倍。更优选地，总渗漏通道为电池厚度尺寸的至少3倍。最优选地，总渗漏通道为电池厚度尺寸的至少4倍。通过用密封剂和收缩塑料薄膜覆盖电池外部，从框架的外周边到电池末端间可能的渗漏通道被进一步加长。运用本文公开的设计原理，可以制作具有非常大面积的薄碱性电池，例如21.6cm×27.9cm或603cm2(约8.5in×11in或93.5in2)。
图1是本发明薄片电池的一个实施方案的透视图。
图1A是具有双重框架构造的图1中薄片电池实施方案的截面图。
图2是图1中电池沿2-2线截取的横截面正视图。
图3是图1中电池沿3-3线截取的横截面正视图。
图4A是显示包括阳极组合件的部件的一个实施方案的分解视图。
图4B是显示包括阴极组合件的部件的一个实施方案的分解视图。
图5A是显示包括铆接的阳极组合件的部件的分解视图。
图5B是显示包括铆接的阴极组合件的部件的分解视图。
图6A是图5A中阳极组合件的横截面，显示了从阳极塑料框架突出通过阳极集电器片中的小孔的铆钉。
图6B是图5A中阳极组合件的横截面，显示了层压的铆钉头位于阳极集电器片表面下方。
图7A是具有单一框架构造的图1中的薄片电池的第二实施方案的截面图。
图7B是图7A中薄片电池实施方案的分解视图，显示了包括阳极和阴极组合件的部件。
图8A是显示收缩周边薄膜带在围绕电池边缘插入之前的透视图。
图8B是显示收缩周边薄膜带围绕电池边缘插入时的透视图。
图8C是显示具有周边薄膜带围绕电池边缘收缩的电池的透视图。
图8D是显示围绕电池及在周边薄膜带之上插入横向收缩薄膜带时的透视图。
图8E是显示具有横向薄膜带围绕电池收缩的电池的透视图。
图9A是显示具有双重弯曲表面的薄片电池实施方案的透视图。
图9B是显示具有单个弯曲表面的薄片电池实施方案的透视图。
图9C是显示具有弯曲表面和不均匀厚度的薄片电池实施方案的透视图。
图1显示了本发明中典型的薄片碱性电池10。在图1的实施方案中，电池具有带圆刀角的整体矩形形状。电池10具有形成电池主体的两个相对的矩形薄片状表面20′和80′以及其间两对相对的矩形端面，一对为端面110a、110b，第二对为端面110c和110d。优选相对的薄片状表面20′和80′相互平行。如图1所示，优选相对的端面110a和110b相互平行，优选相对的端面110c和110d相互平行。因此电池10的形状为具有圆角的立方体(长方体)。
应当理解，相对的薄片状表面20′和80′可以为其它形状，例如多边形，也可以为圆形、椭圆形，或者为具有不同表面积的曲线形或部分曲线形周边。因此本发明不表示局限于矩形电池。相对的薄片状表面20′和80′可以不平行。因此如果需要，电池可以具有变化的厚度。相对的薄片状表面20′和80′可以不是扁平的。因此如果需要，电池可以具有单一或双重曲率，具有恒定的或变化的厚度。具有单一曲率的电池例如示于图9B和9C中。在图9B中，从顶部表面20′向下观察时，电池向内弯曲(凹的)。在图9C中，从顶部表面20′向下观察时，电池向外弯曲(凸的)。在图9C中，电池同样在110a端比在相对的110b端更薄。类似地，电池在110a端的宽度也可以不同于相对的110b端的宽度。在图9C中，在110a端的电池宽度小于在相对的110b端的宽度。电池表面还可以具有多重曲率。在图9A中示出了具有双重(鞍形)曲率的电池。
例如，如图1A所示，在形成电池的薄片状结构以后，可以在电池的表面施加一个或多个塑料薄膜带。所述带优选为热收缩塑性材料，期望是聚氯乙烯薄膜。如图8A所示，首先在电池外部(电池末端接触区域25和26除外)覆盖第一外部密封剂层120(如下所述的粘合密封剂B)。然后围绕电池的周边施加第一热收缩包裹物，即周边收缩塑料薄膜带210(图8B)。优选带210形成于闭合的主体表面211，其限定了中空内部空间212。当薄膜带210热收缩到电池表面时，薄膜带210的主体表面211折叠到电池表面上并粘附于第一外部密封剂层120(图8C)。除了在末端接触区域25外，密封剂120的一部分在中心处(图8C)置于暴露状态。除了任选从电池的周边省略密封剂121的情况之外，在周边收缩塑料带210的外表面上施加第二外部密封剂层121(如下所述的粘合密封剂B)。然后垂直于周边收缩塑料带210施加第二热收缩包裹物，即横向收缩塑料薄膜带220，覆盖剩余暴露的薄片状表面20′和80′。当横向薄膜带220热收缩到电池表面上时，其与第二密封剂层121相接触。因此横向带220粘附于在周边带210之上施加的第二密封剂层121上。横向带220也粘附于施用到薄片状表面20′和80′之上但未被收缩塑料的周边带210所覆盖的第一密封剂120的暴露部分(图8C)。在薄片状表面20′和80′上，横向带220提供有将末端接触区域25暴露的洞222，在带220相对的面上有将相对的末端接触区域26暴露的同样的洞(未显示)。在所示的具体实施方案中，例如在图2中，末端接触区域25提供电池的负端，相对的接触区域26提供正端。在带220收缩至周边带210上之后，一小部分横向带220在带220的开口端上提供了小孔或窗口224。通过窗口224暴露显示了在下面的周边带210的一小部分(图8E)。
优选电池10的总厚度较小，例如介于约0.5mm和6mm之间，例如介于约1.5mm和6mm之间，更典型地，介于约1.5mm和4mm之间。
电池10(图1)的具体构造示于图1A的截面图以及图2和3的侧截面与端截面中。电池10的特征在于首先形成阳极组合件，例如组合件30A(图4A)，然后形成阴极组合件，例如组合件70A(图4B)。然后优选通过粘合剂将阳极组合件30A和阴极组合件70A粘结在一起形成完整的电池。优选将该完整的电池涂覆密封剂，并用热收缩塑料薄膜200包装起来，优选进行两次，热收缩塑料薄膜200优选为聚氯乙烯。将热量施加到塑料薄膜200上以形成电池的标签。可以使用其它类型的外部薄膜包裹物200，例如涂覆粘合剂的塑料薄膜和热收缩聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。如上所述，外部薄膜包裹物200优选包括双重包裹物，即围绕电池的周边施加第一薄膜带210，并在第一薄膜210上横向施加第二包裹物220。
在优选位置将粘合剂或密封剂涂覆或施用在不同的部件上。描述了粘合剂和密封剂的一般类型，并指定了具体优选的例子。然而应当理解，具体粘合剂和密封剂的替代物也是可行的，因此本发明中并不局限于本文给出的那些物质。用于形成本文所述薄片电池10的实施方案中的粘合剂/密封剂有三类。
粘合剂A：这是主要用于给粘结在一起的部件赋予保持强度的结构型粘合剂。优选使用环氧基粘合剂作为粘合剂A。优选的环氧粘合剂例如可以由以商品名2216购自3MCompany的两组分环氧物质组成。也可以是单一的组分，以商品名非金属填充的环氧2214购自3M的热活化环氧物质，或以商品名LC-1211购自3M的UV引发丙烯酸酯粘合剂，或以商品名AF-111 Scotch-Weld薄膜粘合剂购自3M的薄膜粘合剂。
粘合密封剂B：这是粘性粘合剂，其有助于将部件粘结在一起，并且还起到密封剂的功能，即密封住并阻止碱性电解质的渗漏。优选将粘合密封剂B作为包含粘性聚酰胺的基于溶剂的溶液来施加。可供选择地，密封剂B可包含官能化聚乙烯，其为具有接枝侧基的聚乙烯。一个优选的官能化聚乙烯粘合密封剂以商品名J-43粘合剂购自Haerbin Renown Tech.Co.Ltd.，China。可供选择地，可以使用沥青。包含聚酰胺树脂的一个优选的基于溶剂的溶液形式的密封剂B以商品名Specseal售自Specialty Chemicals Co.。另一个包含粘性聚酰胺树脂的优选的基于溶剂的溶液以商品名REAMID-100和VERSAMID-100获得(购自Henkel Corp.或Cognis Corp.)。期望这种粘合剂组分是低分子量的热塑性聚酰胺树脂。优选的聚酰胺树脂以商品名REAMID-100和VERSAMID-100获得(购自Henkel Corp.或CognisCorp.)。这些树脂在室温下为凝胶，是分子量为390左右的二聚脂肪酸，以及二聚脂肪酸与二胺的反应产物。尽管可以使用更高分子量的聚酰胺基粘合剂组分，但优选低分子量的组分，因为它们更容易溶解于所选的优选溶剂中。将粘合剂组分溶解于溶剂中形成期望的粘度。可以使用多种溶剂，例如异丙醇或甲苯，以及溶剂的混合物。优选使用异丙醇为溶剂，因为其在处理时具有相对无害的本性。聚酰胺具有的附加优点在于其可以抵抗氢氧化钾电解质的化学侵害。可以使用包括喷射方法在内的常规的喷涂技术将粘合剂施用到电池部件上。可以施用粘合剂以在聚合物部件的需要表面之间、金属部件的表面之间或聚合物与金属部件的表面之间为电池提供粘合密封。
粘合剂C：该粘合剂主要用于粘结具有相同或类似塑料材料的两种塑料部件。则优选的粘合剂具有与将要粘结的塑料材料相同的聚合物基。例如，如果将要粘结的塑料材料是高抗冲聚苯乙烯(HIPS)，则优选粘合剂也包含聚苯乙烯粘合剂树脂。可以基于溶剂的溶液形式常规施用这种粘合剂，所述溶液包含溶解于合适溶剂中的粘合剂树脂。
在描述本发明的具体实施方案过程中，除非另外指明，将参考如上指定的粘合剂A、B或C给出粘合剂。
优选的阳极组合件30A(图4A)包括阳极框架30，优选为塑料，具有外周边33a和内周边37。内周边37围绕中空的内部空间33b。阳极框架30优选由耐用而柔韧且可用粘合剂粘结的塑性材料构成。用于框架30的优选材料是高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚砜或聚氯乙烯(PVC)塑料。阳极组合件30A还包括阳极材料40、阳极集电器片20和隔离膜板50。任选地隔离膜板可以作为阴极组合件70A的一部分包括在其中，或者作为在阳极和阴极组合件之间的单独的物体。在组合件中，可以将集电器片20用粘合剂粘结到框架30的背面(图4A)。在这样的实施方案中(图4A)，框架30和粘结在那里的阳极集电器片20有效形成了阳极材料40的外壳。优选的集电器片20为铜。期望片20的厚度介于约6mil和8mil(0.152mm和0.203mm)之间。优选将集电器片20采用分级密封方式紧固并密封于框架30的背部边缘33a上，由邻近框架外缘的结构型粘合剂20a(上述的粘合剂A)的带和邻近框架内缘的密封剂材料20b(上述粘合密封剂B)的带组成。可以施用均一化组成的单一粘合剂代替分级密封，然而分级密封是优选的，因为其能提供更良好的密封住电解质的系统。可以将间隔珠掺入到结构型粘合剂中以控制粘合剂层的厚度。然后可以将阳极材料40插入到框架30之内的内部空间33b中，使其压靠集电器片20。框架30可提供有形成框架内缘的凹形架36。优选用粘合剂37涂覆凹形架36。粘合剂37可以为基于溶剂的接触型粘合剂，例如以商品名1357-L购自3MCompany的接触型粘合剂，或者以商品名30-NF购自3M的水基接触型粘合剂。施用到凹形架36上的优选的溶剂基粘合剂包括10％重量的高抗冲聚苯乙烯与90％重量的甲苯的溶液。可以将隔离膜板50插入在阳极材料40上方，使其边缘置靠架36并通过粘合剂涂层37粘结在那里。可供选择地，可以通过超声或热与压力焊接技术将隔离膜板50的边缘焊接至架36。整个的阳极组合件30因此为层压结构形式，包含压靠集电器片20的阳极材料40，集电器片20和隔板50粘结在框架30的相对侧上。
优选的阴极组合件70A(图4B)包括阴极框架70，优选为塑料，具有外周边73a和内周边77。内周边77围绕中空的内部空间73b。阴极框架70优选由耐用而柔韧且可用粘合剂粘结的塑性材料构成。用于框架70的优选材料是高抗冲聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚砜或聚氯乙烯塑料。阴极组合件70A还包括阴极材料60和阴极集电器片80。期望阴极集电器片80为镀镍钢片，优选为在镍上具有碳层的镀镍钢。钢片典型地可以为冷轧钢。另一个合适的阴极集电器片80可以是如美国专利6,555,266B1中公开的镀镍钢片，其在镍层上具有钴层，并在钴上具有碳涂层。另一个合适的阴极集电器为被蚀刻、碳化并涂覆以碳涂层的纯镍片。期望镍片可以具有介于约6mil和8mil(0.152和0.203mm)之间的厚度。可以通过基于溶剂的涂覆技术来施加镍片上的碳涂层，例如，如美国专利6,555,266中所述。可使片材通过高温操作炉来对镍片进行碳化，其中碳从挥发的碳前体物质沉积到镍表面上。后面这种将碳沉积到镍表面以形成碳化的镍表面的技术描述于美国专利2,051,828(William F.Dester，1936年8月25日)中。在碱性电池中使用碳化的镍集电器描述于美国专利3,713,896(Ralph H.Feldhake，1970年8月19日)中。
在组合件中，可以将集电器片80用粘合剂粘结到框架70的背面(图4B)。在这样的实施方案中(图4B)，框架70和粘结在那里的阴极集电器片80有效形成了阴极材料60的外壳。优选将集电器片80采用分级密封方式粘结到框架70的背部边缘73a，由邻近框架外缘的结构型粘合剂70a(上述的粘合剂A)的带和邻近框架内缘的密封剂材料70b(上述粘合密封剂B)的带组成。可以施用均一化组成的单一粘合剂代替分级密封，然而分级密封是优选的，因为其能提供更良好的密封住电解质的系统。然后可以将阴极材料60插入到框架70之内的内部空间73b中，使其压靠集电器片80。整体的阴极组合件70A因此为包含压靠集电器片20的阴极材料60的层压结构形式，但是阴极材料60的一部分是暴露的。
可以将阳极组合件30A用粘合剂固定到阴极组合件70A上以形成单一的叠层电池结构10，阳极40与阴极60的材料彼此相对，隔板50位于其间(图1A)。通过向阳极框架30的暴露边缘33a(图4A)施用粘合剂可以方便地将阳极组合件30A和阴极组合件70A粘结在一起。阳极框架边缘的宽度典型地可以介于约0.31cm和0.63cm(1/8和1/4英寸)之间，其为待施用的粘合剂留有足够的空间。期望粘合剂32包含与框架30的塑性材料为相同类型的粘合剂树脂。因此，如果框架30为高抗冲聚苯乙烯，则优选粘合剂32为高抗冲聚苯乙烯的甲苯溶液。可供选择地，如果框架由ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)或PVC(聚氯乙烯)制成，可以使用这些塑料聚合物在甲苯或其它溶剂中的溶液。在将粘合剂32施用到阳极框架30的边缘33a之后，将阳极框架30压在阴极框架70上，因此将阳极组合件30A用粘合剂粘结到阴极组合件70A上，形成粘结的层压结构，得到图1至3所示的整体电池10。最佳显示于图1A、2和3的整体电池10是刚性、坚固和紧凑的。粘结的叠层电池构造形成在其中保持电池内容物的紧固密封的电池。如图2和3所示，电池可以涂覆有一层或两层密封剂，并包装有一层或两层塑料薄膜，优选为热收缩聚氯乙烯薄膜。当在薄膜上施加热量时，其围绕电池的边界表面收缩形成标签。
本发明的一个方面是要设计电池，使得对任何的电解质而言其从电池内部穿过到达外部逸出点之前具有较长的渗漏通道(除了上面描述的对不同的电池部件提供粘合剂和粘接密封剂之外)。因此，设计本发明的薄片电池10，使得框架30和70(或者在图7A和7B所示的单一框架实施方案的情况下的框架130)具有优选至少与总电池厚度一样大的框架边缘宽度(例如，在图4A所示的边缘33a和37之间，或者在图4B所示的边缘73a和77之间，或者在图7B所示的边缘130a和137之间)。例如，如图2所示，这给从电池内部穿越到达框架外端的电解质提供了相对较长的第一渗漏阻挡通道“通道A”。而外部热收缩薄膜包裹物200(如图8A至8E所示，可包括双重薄膜包裹物210和220)提供了第二渗漏阻挡通道“通道B”。阻挡通道B定义为从位于导电端板(例如端板20)上的暴露的末端接触区(例如末端接触区25)至框架(例如框架30)的外周边处的距离“B”(图2)，其至少为与框架宽度一样长的距离，即近似等于或大于电池厚度的距离。在上下文中，总的电解质渗漏阻挡通道A+B(图2)优选至少为电池厚度的两倍。应当理解，对于图7A和7B所示的本发明具有单一框架130的实施方案也适用相同的渗漏阻挡通道A和B的定义。
本发明电池10的优选放电速率例如可以高达约15至45毫瓦/cm2(13.5至40.5毫安/cm2)。(平方厘米面积是基于阳极/阴极界面处的面积)。总尺寸为4cm宽×8cm长×3Mm厚的典型的薄片电池10可以供给的电流消耗速率介于约1和1,000毫安之间，优选介于约10毫安和100毫安之间。
在图5A和5B所示的可供选择的实施方案中，通过包括沿着相应的框架边缘33a和73a的突出铆钉的阳极框架30和阴极框架70的整体成型，可以加强整体电池的结构完整性。这种整体成型的铆钉35从阳极框架30的后边缘突出显示。同样地整体成型的铆钉从阴极框架70的后边缘突出显示。阳极集电器片20沿其边缘提供有与阳极框架30上的突出铆钉35配合的小孔22。同样地，阴极集电器片80沿其边缘可以提供有与阴极框架70上的突出铆钉75配合的小孔82。这样，通过将铆钉35穿过小孔22，可以将阳极集电器片20固定到阳极框架30上，通过将铆钉75穿过小孔82，可以将阴极集电器片80固定到阴极框架70上。然后可以通过对其施加热和压力而将铆钉头敲平(层压)。还期望在阳极集电器片上的铆钉孔22之间的空间上和在阴极集电器片上的铆钉孔82之间的空间上施用密封剂。用于此目的的优选密封剂可以是具有粘性的、官能化聚乙烯树脂的基于溶剂的密封剂，如以商品名J-43Adhesive购自Haerbin Renown Tech.Co.Ltd，China。在图6A和6B所示的实施方案中，沿着阳极框架的突出铆钉35可以具有沿着阳极框架30的边缘从浅锯齿形空间38突出的凹陷基座。这种构造能允许铆钉头在插入到集电器片孔22内并层压以后退至阳极集电器片20的表面以下。对于从阴极框架70突出的铆钉75可以采用同样的凹陷铆钉头构造。
根据图4A和4B所示的实施方案以及图5A和5B所示的铆钉实施方案制作了电池10。在使用如图4A和4B所示的阳极和阴极组合件的一个具体构造中，电池具有2.8mm的总厚度、38.1mm(1.5英寸)的宽度和38.1mm(1.5英寸)的长度。以77.5和0.775毫瓦/cm2之间不同的恒定速率将电池放电至约0.6伏的截止电压(面积基于阳极和阴极之间的界面面积)。到约0.6伏截止的放电循环期间的平均负载电压为约1.1伏。因此，上面的瓦特密度范围用电流消耗密度表示的话，为约70.5至0.705毫安/cm2。这该放电范围内，电池膨胀的厚度最多为其原始厚度的约10％。电池并不破裂，也没有任何电解质的渗漏。为了确保在电子装置的电池腔体内电池不至于膨胀而变得太紧密，推荐将这种腔设计成比电池要足够大，或者将电池的厚度设计成比腔的开口要足够小，以允许存在10％的标称电池膨胀。
在另一个优选的薄片电池的实施方案中(图7A和7B)，可以使用单一框架130代替图4A和4B实施方案中所示的两个框架30和70。优选为塑料的单一框架构造的优点在于，可以将阳极材料40和阴极60填充到单一框架130的相对侧内，从而不必将各单独框架粘结在一起。最佳显示于图7B中的单一框架130具有围绕中空内部空间133b的内周边132。在图7A和7B所示的单一框架实施方案的情况下，阳极组合件包括阳极集电器20、阳极40、隔板50和框架130的上侧面。阴极组合件包括阴极集电器80、阴极60和相同的框架130的下侧面。阳极集电器20和阴极集电器80粘结到框架130的相对侧面，形成薄片状电池构造。
为了实现使用单一框架(图7A和7B)实施方案中的电池构造，可以沿框架130的内缘(图7B)将粘合剂137施用到凹形架136上。
粘合剂137可以为基于溶剂的接触型粘合剂，例如以商品名1357-L购自3MCompany的接触型粘合剂，或者以商品名30-NF购自3M的水基接触型粘合剂。施用到凹形架136上的优选的溶剂基粘合剂包括10％重量的高抗冲聚苯乙烯与90％重量的甲苯的溶液。
用接触型粘合剂137将隔离膜板50粘合到凹形架136上。可供选择地，不使用粘合剂，而是通过使用热和压力或者超声焊接，可以将隔离膜板50直接焊接到凹形架136上。
将阴极60压在隔离膜板50的暴露侧。然后将阴极集电器片80施加至阴极60之上，使得集电器片80的边缘与框架130的边缘接触。分级的粘合剂80a和80b保持阴极集电器80牢固地粘结到框架130的下侧，从图7A和7B中可以推断出这一点。
将阳极40挤出或压制到隔离膜板50的相对的暴露侧。然后将阳极集电器片20施加至阳极40之上，使得集电器片20的边缘与框架130的边缘接触。分级的粘合剂130A和130b保持阳极集电器20牢固地粘结到框架130的上侧，如图7A所示。
优选沿着框架130的边缘133a施加分级的密封。分级密封可以包括邻近框架外缘的结构型粘合剂130a(上述的粘合剂A)的带和密封剂材料130b(粘合密封剂B)的带(邻近框架内缘)。可以沿框架130的表面133a施用均一化组成的单一粘合剂代替分级密封，然而分级密封是优选的，因为其能提供更良好的密封住电解质的系统。
可以在框架130的相对侧或沿着阴极集电器片80的边缘施加类似分级的粘合剂。后者示于图7B中。分级的粘合剂包括邻近阴极集电器片80外缘的结构型粘合剂80a(上述的粘合剂A)和邻近阴极集电器片80内缘的密封剂材料80b(粘合密封剂B)的带。可以施用均一化组成的单一粘合剂代替分级粘合剂，然而分级粘合剂是优选的，因为其能提供更良好的密封住电解质的系统。
作为一个非限制性例子，对于具有占有面积尺寸为38.1mm×76.2mm(1.5英寸乘3.0英寸)的薄片电池10(4mm厚)，典型的工作电流消耗可以介于约1毫安和约2,000毫安之间，典型地介于约10和250毫安之间，更典型地介于约10和100毫安之间。应当理解，一般而言，本发明中大尺寸的电池10(依据其阳极/阴极界面面积，而非厚度)将允许电池在越来越高的电流消耗的需求中显示具有良好的性能。
在采用某些类型锌粉末合金、锌粒尺寸和使用某些类型阳极集电器的情况下，阳极可能产生氢气过快，快于其扩散到阴极，则被阴极材料氧化生成水。因此可能需要有某种形式的气体管理系统。具体地讲，可能需要能排放积聚的氢气的系统。这例如可以采取在其整个长度上放置多孔插件的气体可透过聚合物管的形式，该管越过阳极腔并终止于塑料框架的外缘之外，类似于Polaroid Corporation在美国专利4,105,831中公开的内容。
下面有关阳极40、阴极60和隔板50的化学成分的电池组成的描述适用于上述实施方案中所公开的具有代表性的薄片电池10。
在上述的电池10中，阴极60包含二氧化锰和电解质，阳极40包含锌、胶凝剂和电解质。含水电解质包括KOH和氧化锌的常规混合物。阳极材料40的形式可以为包含无汞(零加入汞)的锌合金粉末的胶凝混合物。也就是说，电池具有汞的总含量按重量计每一百万份的锌中小于约100份(ppm)，优选按重量计每一百万份的锌中小于50份的汞。优选电池也不包含任何添加的铅含量，因此基本上是无铅的，也就是说，总铅含量小于阳极中锌总量的30ppm，理想小于15ppm。这种混合物典型地可以包含KOH电解质水溶液、胶凝剂(例如，以商品名CARBOPOL C940购自Noveon(早先购自B.F.Goodrich)的丙烯酸共聚物)和表面活性剂(例如，以商品名GAFAC RA600购自Rhone Poulenc的有机磷酸酯类表面活性剂)。仅给出这种混合物作为说明性的实施例，并不意味着对本发明的限制。用于锌阳极的其它有代表性的胶凝剂公开于美国专利4,563,404中。
期望应用于本发明的电池10的阴极60为描述于美国专利6,207,322B1中的类型的柔软或半固体阴极，该专利引入本发明以供参考。然而应当理解，也可以使用更为常规的固体二氧化锰阴极，例如具有的二氧化锰含量介于阴极的约87％重量和93％重量之间。然而，已经确定期望将柔软或半固体阴极应用于本发明中的薄片电池，因为其容易进入阴极框架70之内的腔体73b成型。此外，在本发明的粘接紧固的电池情况下，优选这种柔软或半固体阴极，因为已经发现在电池的使用寿命期间其可以保持与阴极集电器80的暴露表面紧密和均匀的接触。在本发明中的粘接叠层电池10中不存在保持固体阴极与阴极集电器紧密和均匀接触的压缩力，这种接触可以随时间而有所松弛。因此优选柔软或半柔软阴极。
本文所用术语“半固体”旨在广泛地包括所有性质介于真实固体和真实液体中间的所有物态。因此术语半固体旨在包括(例如，但不限于)通常与腻子和糊剂有关联的具有柔软结构和流变性能的物态。本文所用半固体材料包括(例如，但绝不限于)不像液体那样自由流动而通常需要外力才能使其通过导管移动的材料。术语半固体还旨在适用于(例如，但绝不限于)在施加外部压力时可挤出和可变形但不碎裂的材料。
期望用于本发明薄片电池中的半固体阴极60可以具有如美国专利6,207,322B1中所描述的性质和组成范围，该专利如下引入本发明：
因此，期望用于本发明电池10中的半固体阴极60包含二氧化锰的量小于阴极的80％重量，优选介于约40％重量和80％重量之间，典型地介于约45％重量和78％重量之间，更典型地介于阴极的约45％重量和70％重量之间。包含二氧化锰的半固体阴极可以为腻子或糊剂或具有可测量粘度的高粘稠物质。
柔软阴极60典型地包含介于阴极的约45％重量和78％重量之间的MnO2(EMD)(更典型地介于阴极的约45％重量和70％重量之间)、炭黑(Shawingan乙炔黑或更优选石墨化炭黑，例如描述于WO9703133中的购自Timcal，Belgium的MM 131或MM 179)和KOH电解质水溶液(7至9当量)。优选还加入少量的石墨。有利的是，炭黑含量优选介于半固体阴极的约4％重量和15％重量之间。炭黑增加半固体阴极的导电率并提供保持阴极为半固体状态的内部网络。炭黑还起到电解质吸收体的作用，使得碱性电解质溶液固定不动，从而电解质的自由流动变得不明显。石墨含量可介于阴极的约1％重量和8％重量之间，并改善阴极导电性。期望本发明的半固体阴极还含有包含氢氧化钾的电解质溶液。半固体阴极还可以包含粘合剂，例如聚四氟乙烯，期望含量介于阴极的约0％重量和2％重量之间。任选可以加入小于2％重量的粘土以调节稠度，例如购自Southern Clay Products Company的Laponite RDS粘土。
半固体阴极60的孔隙度可以介于约30％和70％之间，优选介于约35％和70％之间，更优选介于约40％和70％之间。本文孔隙度用来表示由非固体物质(即电解质+空气)构成的阴极体积分数。以总的阴极的重量百分数表示，期望半固体阴极60还具有高于常规使用的用于碱性电池的包含固体MnO2的阴极的电解质含量。半固体阴极材料60可以具有的KOH含量(纯)在总阴极材料的约6％重量和18％重量之间，总水含量在约9％重量和27％重量之间。为计算目的，本文和实施例中所用的关于KOH的术语KOH(纯)为纯的、无水的KOH含量(即不含有水)。
阴极孔隙率可以这样计算，确定电解质、其它液体和夹带的空气占有的体积(包括夹带在固体孔隙中的液体和空气的体积)，用该体积除以阴极的表观体积并乘以100(表观体积为容纳在样品的外部边界内的样品总体积)。在固体被混合到阴极中之前，首先通过常规的氦置换方法得到每种固体的真实密度，可以方便地计算出阴极孔隙度。(每种固体的真实密度为用固体样品的重量除以其真实体积，即固体样品的表观体积扣除夹带空气所占的体积。)用将要混入阴极中的固体的各自重量除以它们各自的真实密度，得到阴极中固体的真实体积。从整体的阴极的表观体积中扣除固体的真实体积，该差值除以阴极表观体积×100，得到孔隙度百分数。
电解二氧化锰的平均粒度典型地介于约1和100微米之间，理想地介于约20和60微米之间。石墨的形式典型地为天然的、合成的或膨胀石墨，或者它们的混合物。石墨还可以单独包含石墨类碳纳米纤维或与天然、合成或膨胀石墨的混合物。这种阴极混合物旨在说明性的，并不意味着对本发明的限制。
阳极材料40包括：62至72％重量的锌合金粉末(99.9％重量的锌包含200ppm至500ppm的铟作为合金材料和镀材)、包含38％重量的KOH和约2％重量的ZnO的KOH水溶液、以商品名“CARBOPOL C940”购自Noveon的交联丙烯酸聚合物胶凝剂(例如，0.5至2％重量)，以及任选的以商品名“Waterlock A-221”购自Grain Processing Co.的接枝到淀粉主链上的水解的聚丙烯腈(介于0.01和0.5％重量之间)、有机磷酸酯表面活性剂RA-600或以商品名RM-510购自Rhone-Poulenc的二壬基酚磷酸酯表面活性剂(介于10ppm和100ppm之间)。本文所用术语锌应该理解为包括含有非常高浓度锌的锌合金粉末，例如至少99.9％重量的锌。这种锌合金材料与纯锌的电化学功能基本相同。
对于本发明薄片状碱性电池10的阳极40，期望锌粉末的平均粒度介于约1和350微米之间，理想地介于约1和250微米之间，优选介于约20和250微米之间。典型地，锌粉末可以具有约150微米的平均粒度。阳极40中的锌粒可以为圆形或球形。阳极中锌的堆密度为每立方厘米的阳极约1.75至2.2克锌。优选阳极中的电解质水溶液的体积百分数按阳极体积计为约69.2％至75.5％。
可按常规方式平衡电池10，使得EMD的毫安-小时容量(基于410毫安-小时/克EMD)除以锌的毫安-小时容量(基于820毫安-小时/克锌)得到的值约为1。然而，通过平衡电池，使阴极过剩，可以减小深度放电时的膨胀。因此可以平衡电池10，使得EMD的总理论容量除以锌的总理论容量得到的值在约1.03和1.10之间，理想地介于约1.05和1.08之间，优选在1.07左右，以减少电池膨胀。
测试电池实施例1
制作如图1至3所示的方形构造的测试电池10。测试电池10长度为38.1mm(1.5英寸)，宽度为38.1mm(1.5英寸)，总厚度为2.8mm。在电池的外表面不施加任何的标签200而测试电池10。阳极40和阴极60具有以下组成。
阳极组成
               重量百分比(％)
锌1           69.9
表面活性剂2   0.12
溶液
(RM 510)
电解质3
(9当量KOH)     29.98
               100.0
注：
1.锌粒的平均粒度为约150微米，合金化并镀以铟至总铟含量约200ppm。
2.有机磷酸酯类表面活性剂溶液RM510购自Rhone Poulenc，在水中占3％重量。
3.电解质溶液包含总含量为电解质溶液的约1.5％重量的胶凝剂Waterlock A221与Carbopol C940和约2％重量的ZnO。
            柔软(半固体)阴极组成
                              重量百分比(％)
MnO2(EMD)
(购自Kerr McGee的Trona D)     63.0
碳
(Shawinigan乙炔黑50％压缩)    5.0
石墨1
(Grafmax MP12 du天然石墨)     2.0
电解质
(9当量KOH)                    30.0
                              100.0
注：
1.Grafmax MP12 du天然石墨购自Nacional DeGrafite。
阳极塑料框架由HIPS(高抗冲聚苯乙烯)塑性材料构成，厚度约0.76mm。阴极塑料框架由HIPS塑性材料构成，厚度约1.52mm。隔板50包括层压至玻璃纸薄膜上的非织造聚乙烯醇纤维片。阴极含有1.61克MnO2。阳极、阴极、电解质和隔板占电池外部体积的约37％。
按下面的方式对电池放电，在一系列功率需量下可以给出电池的性能指示。
在功率消耗500毫瓦(454毫安)的条件下将新电池10放电到约0.6伏的截止电压。测得的容量为37.1毫瓦-小时。将电池放置1小时，然后以250毫瓦(227毫安)的速度将相同的电池放电到0.6伏的截止电压。测得该消耗增加的容量为100.4毫瓦-小时。将电池放置1小时，然后以100毫瓦(90.9毫安)的速度将相同的电池放电到0.6伏的截止电压。测得该消耗增加的容量为90.19毫瓦-小时。然后将相同的电池在15毫瓦、10毫瓦和5毫瓦条件下增加放电到0.6伏截止电压，每次放电之间放置1小时。后三次放电增加的容量分别为30.99、106.28和8.87毫瓦-小时。
放电测试完成以后，检查电池的膨胀和渗漏。测定电池总厚度膨胀约10％，即厚度从约2.8mm到3.1mm。没有可察觉的电解质渗漏。
运用本文公开的设计原理，可以构造具有非常大面积的薄碱性电池，例如21.6cm×27.9cm或603cm2(约8.5in×11in或93.5in2)或更大。涉及更加复杂的框架设计的本发明其它实施方案也在本发明的原理之内。例如，还可以将薄片电池构造成在其框架内具有内部间隔物或肋，因此可以将阳极框架或阴极框架的内部再分成多份体积空间。通过使用粘合剂、分级密封(密封剂涂层和粘合剂涂层并置)或密封剂加铆钉将这些内部肋连接到端板上，可以机械地增强整体电池结构，得到更大的硬度和抗弯曲性。对于具有大面积的电池而言，这种特点特别有用，对最外面的周边密封提供了额外的保护作用，使其由于电池封套的弯曲或翘曲引起剪切或剥离时免于故障。

Claims (77)

1.一种薄片碱性电池，所述电池包括负端和正端，以及一对包括所述电池的至少大部分边界表面的侧面，所述侧面限定其间的短电池尺寸，所述短尺寸介于约0.5mm和6mm之间，所述电池包括固定在一起形成层压结构的阳极组合件和阴极组合件，所述阳极组合件在其中包括阳极材料，并且所述阴极组合件在其中包括阴极材料。
2.如权利要求1所述的薄片电池，其中所述阳极材料选自锌、镉、金属氢化物合金、以及它们的混合物；所述阴极材料选自MnO2、NiOOH、AgO、Ag2O、CuO、AgCuO2、Ag2Cu2O3、以及它们的混合物。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述电池为一次碱性电池，并且所述阳极材料包含锌，所述阴极材料包括固体和与所述固体混合的电解质水溶液，所述固体包含二氧化锰，所述电解质水溶液包含氢氧化钾，其中所述阴极是孔隙度介于约45％和70％之间的半固体。
4.如权利要求3所述的电池，其中所述阴极材料还包含石墨化炭黑。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极组合件包括用于所述阳极的外壳，并且所述阴极组合件包括用于所述阴极的外壳，所述阳极和阴极组合件与位于其间的隔板用粘合剂粘结在一起，以形成层压结构。
6.如权利要求5所述的电池，其中所述阳极外壳包括阳极框架，所述阳极框架具有限定阳极腔体边界的内周边和限定所述阳极框架外部边界的外周边，所述框架具有包括所述周边的正面和相对的背面；所述阳极外壳还包括粘结到所述阳极框架背面的阳极集电器片，使其面对所述电池的外表面边界，并且其中所述阳极材料插入到所述阳极腔体内，使其与所述阳极集电器片接触。
7.如权利要求5所述的电池，其中所述阴极外壳包括阴极框架，所述阴极框架具有限定阴极腔体边界的内周边和限定所述阴极框架外部边界的外周边，所述框架具有包括所述周边的正面和相对的背面；所述阴极外壳还包括粘结到所述阴极框架背面的阴极集电器片，使其面对所述电池的外表面边界，其中所述阴极材料插入到所述阴极腔体内，使其与所述阴极集电器片接触。
8.如权利要求1的电池，其中限定其间所述电池的短尺寸的所述侧面包括一对相互平行的相对侧面。
9.如权利要求8所述的电池，其中所述电池的总厚度介于约0.5mm和6mm之间，其中所述总厚度定义为所述电池的所述相对侧面的外表面之间的距离。
10.如权利要求1所述的电池，其中所述电池周边的至少一部分为多边形。
11.如权利要求1所述的电池，其中所述电池周边的至少一部分为曲线。
12.如权利要求1所述的电池，其中所述电池外表面的至少一部分具有曲率。
13.如权利要求1所述的电池，其中所述外表面的至少一部分具有复合曲率。
14.如权利要求1所述的电池，其中当从所述电池外面观察时，所述电池外表面的一部分具有凸曲率，并且所述外表面的另一部分具有凹曲率。
15.如权利要求1所述的电池，其中所述电池的厚度不均匀。
16.如权利要求1所述的电池，其中所述电池为立方体形状。
17.如权利要求1所述的电池，其中所述电池具有刚性结构。
18.一次碱性电池，所述电池包括负端和正端，以及一对包括所述电池的至少大部分边界表面的相对的侧面，所述相对的侧面限定其间短的电池尺寸，所述电池形成包括阳极组合件和阴极组合件的层压结构，所述阳极组合件包括用于包含锌的阳极材料的外壳，并且所述阴极组合件包括用于包含二氧化锰的阴极材料的外壳；其中每个所述阳极和阴极外壳包括共用的单元框架，所述共用框架形成每个所述阳极和阴极外壳的至少一部分，其中所述共用框架具有限定所述框架第一侧面上的阳极腔体和所述框架相对的第二侧面上的阴极腔体的内周边，其中所述阳极材料插入到所述框架的第一侧面上的所述阳极腔体内，并且所述阴极材料插入到所述框架的相对的第二侧面上的所述阴极腔体内。
19.如权利要求18所述的电池，其中所述阴极材料包括固体和与所述固体混合的电解质水溶液，所述固体包含二氧化锰，并且所述电解质水溶液包含氢氧化钾，其中所述阴极是孔隙度在约45％和70％之间的半固体。
20.如权利要求18所述的电池，其中所述层压结构在所述阳极材料和阴极材料之间具有隔板。
21.如权利要求18所述的电池，其中所述阳极外壳还包括阳极集电器片，所述阳极集电器片粘结到所述共用框架的所述第一侧面，使其面对所述电池的外表面边界，其中所述阳极材料与所述阳极集电器片接触。
22.如权利要求18所述的电池，其中所述阴极外壳还包括阴极集电器片，所述阴极集电器片粘结到所述框架的所述相对的第二侧面，使其面对所述电池的外表面边界，其中所述阴极材料与所述阴极集电器片接触。
23.如权利要求18所述的电池，其中所述电池的所述一对相对的侧面相互平行。
24.如权利要求18所述的电池，其中所述电池为立方体形状。
25.如权利要求18所述的电池，其中所述电池具有刚性结构。
26.如权利要求18所述的电池，其中所述电池的总厚度介于约0.5mm和6mm之间，其中所述总厚度定义为所述电池的所述相对的侧面的外表面之间的距离。
27.一次碱性电池，所述电池包括负端和正端，以及一对包括所述电池的至少大部分边界表面的相对的侧面，所述相对的侧面限定其间短的电池尺寸，所述尺寸限定所述电池厚度，所述电池包括粘结在一起形成层压结构的阳极组合件和阴极组合件，所述阳极组合件包括含有锌和含水碱性电解质的阳极，并且所述阴极组合件包括含有二氧化锰和含水碱性电解质的阴极；
其中所述阳极组合件包括阳极外壳，所述阳极外壳包括阳极框架，所述阳极框架具有限定用于容纳所述阳极的阳极腔体边界的内周边和限定所述阳极框架外部边界的外周边，其中所述阳极框架具有包括所述周边的正面和相对的背面，并且阳极集电器片通过粘合材料粘结到所述框架的背面，使其面对所述电池的外表面边界，并且所述阳极插入到所述腔体内，使其与所述阳极集电器片的一部分接触；
其中所述阳极框架的宽度至少与所述电池厚度一样宽，以为所述电池提供第一细长的渗漏阻挡通道，在所述阳极框架和所述阳极集电器片之间的所述粘合材料限定所述第一电解质渗漏阻挡通道，以降低电解质从所述电池内部向所述外部环境渗漏的机会。
28.如权利要求27所述的电池，其中在所述电池外表面上施加塑料薄膜包裹物，并在所述电池表面上暴露出负端接触部分和正端接触部分。
29.如权利要求28所述的电池，其中在所述塑料薄膜包裹物和所述电池外表面之间具有粘合密封剂。
30.如权利要求28所述的电池，其中围绕包括所述电池的短尺寸的边缘在周边施加所述薄膜包裹物的带，并在所述电池的至少大部分所述边缘上热收缩。
31.如权利要求28所述的电池，其中所述塑料薄膜包裹物包括至少第一和第二塑料薄膜层。
32.如权利要求31所述的电池，其中在所述电池表面和所述第一塑料薄膜层之间具有粘合密封剂。
33.如权利要求32所述的电池，其中在所述第一塑料薄膜层和所述第二塑料薄膜层之间具有粘合密封剂。
34.如权利要求32所述的电池，其中在所述电池表面和所述第二塑料薄膜层的至少一部分之间具有粘合密封剂。
35.如权利要求31所述的电池，其中在所述电池表面和所述第一塑料薄膜层之间具有粘合密封剂，在所述电池表面和所述第二薄膜层的一部分之间具有粘合密封剂，在所述第一和第二薄膜层之间具有粘合密封剂。
36.如权利要求35所述的电池，其中以闭合薄膜带的形式施加所述第一和第二薄膜层的每一层，并且共同覆盖在至少大部分所述电池表面上。
37.如权利要求35所述的电池，其中以闭合薄膜带的形式施加所述第一和第二薄膜层的每一层，并且共同覆盖在至少大部分所述电池表面上，并且其中所述薄膜带的中心纵轴互成直角。
38.如权利要求36所述的电池，其中围绕包括所述电池的短尺寸的边缘在周边施加所述第一薄膜带，并在所述电池的至少大部分所述边缘上热收缩；并且其中在所述电池的两个相对的侧面的大部分之上横向施加所述第二薄膜带，并且热收缩以覆盖在所述第一薄膜带的至少一部分上。
39.如权利要求36所述的电池，其中每一个所述带热收缩在所述电池上。
40.如权利要求38所述的电池，其中在所述电池表面和所述第一薄膜带之间的粘合密封剂、在所述电池表面和所述第二薄膜带之间的粘合密封剂以及在所述第一和第二薄膜带之间的粘合密封剂为所述电池提供了第二电解质渗漏阻挡通道。
41.如权利要求40所述的电池，其中所述第二电解质渗漏阻挡通道从所述阳极框架的外周边延伸至所述负端，所述距离至少与所述电池厚度一样长。
42.如权利要求29所述的电池，其中所述电池的总厚度介于约0.5mm和6mm之间，其中所述总厚度定义为所述电池的所述相对的侧面的外表面之间的距离。
43.如权利要求42所述的电池，其中所述第一和第二电解质渗漏阻挡通道一起延伸至少为所述电池厚度的约1.5和4倍之间的距离。
44.如权利要求29所述的电池，其中所述电池表面上的暴露区域形成所述负端接触区，所述接触区包括约1％至5％的所述电池占有面积。
45.如权利要求29所述的电池，其中所述电池具有立方体形状和刚性结构。
46.如权利要求29所述的电池，其中所述阴极包括固体和与所述固体混合的电解质水溶液，所述固体包含二氧化锰，并且所述电解质水溶液包含氢氧化钾，其中所述阴极是孔隙度介于约45％和70％之间的半固体。
47.如权利要求46所述的电池，其中所述阴极材料还包含石墨化炭黑。
48.如权利要求29所述的电池，其中所述阴极组合件包括阴极框架，所述阴极框架具有限定阴极腔体边界的内周边和限定所述阴极框架外部边界的外周边，所述阴极框架具有包括所述周边的第一侧面和相对的第二侧面；所述阴极组合件还包括阴极集电器片，所述阴极集电器片粘结到所述阴极框架的相对的第二侧面上，使其面对所述电池的外表面边界；并且阴极材料插入到所述阴极腔体内，使其与所述阴极集电器片接触。
49.如权利要求48所述的电池，其中所述阳极和阴极组合件与位于其间的隔板粘结在一起以形成层压结构。
50.如权利要求49所述的电池，其中所述层压结构形成所述电池，所述层压结构用粘合剂密封，使得电池内容物保持在所述结构内。
51.如权利要求49所述的电池，其中所述正端与所述阴极集电器片电连通，并且所述负端与所述阳极集电器片电连通。
52.如权利要求27所述的电池，其中所述电池的所述相对的侧面互相平行。
53.如权利要求50所述的电池，其中所述阳极和阴极集电器片中的至少一个铆接到相应的阳极和阴极框架上。
54.如权利要求50所述的电池，其中所述阳极和阴极框架由电绝缘材料构成。
55.如权利要求49所述的电池，其中所述阳极和阴极框架包括塑性材料。
56.如权利要求27所述的电池，其中所述阳极集电器片包括铜。
57.如权利要求48所述的电池，其中所述阴极集电器片包括涂覆碳的金属片。
58.如权利要求49所述的电池，其中所述阴极集电器片包括涂覆碳的镍片。
59.如权利要求48所述的电池，其中所述阴极集电器片包括镍片。
60.一次碱性电池，所述电池包括负端和正端，以及一对包括所述电池的至少大部分边界表面的相对的侧面，所述相对的侧面限定其间短的电池尺寸，所述电池包括粘合在一起形成层压结构的阳极组合件和阴极组合件，所述阳极组合件包括含有锌和碱性电解质的阳极材料，并且所述阴极组合件包括含有二氧化锰和碱性电解质的阴极材料；
其中所述阳极组合件包括阳极框架，所述阳极框架具有限定阳极腔体边界的内周边和限定所述阳极框架外部边界的外周边，所述框架具有包括所述周边的正面和相对的背面；所述阳极组合件还包括粘结到所述框架背面的阳极集电器片，使其面对所述电池的外表面边界；并且其中所述阳极材料插入到所述阳极腔体内，使其与所述阳极集电器片接触；
其中通过使用第一和第二粘合剂沿所述阳极框架的宽度方向粘结所述阳极集电器片，所述第一和第二粘合剂是基本上不同的粘合剂，相互以并置关系沿所述阳极框架的背面面对所述阳极集电器片放置。
61.如权利要求60所述的电池，其中于最靠近所述阳极框架的外周边施加所述第一粘合剂，并主要起结构型粘合剂的作用，在所述阳极框架和所述阳极集电器片之间赋予结构强度；其中于靠近所述阳极框架的内周边施加所述第二粘合剂，其为能提高所述阳极框架和所述阳极集电器片之间的整体粘合强度的粘合密封剂，并还起到密封住电解质的密封剂的作用。
62.如权利要求61所述的电池，其中所述第一粘合剂选自环氧和UV引发的丙烯酸酯粘合剂，并且所述第二粘合剂选自粘性聚酰胺、官能化聚乙烯粘合剂和沥青。
63.如权利要求60所述的电池，其中所述电池的总厚度介于约0.5mm和6mm之间，其中所述总厚度定义为所述电池的所述相对的侧面的外表面之间的距离。
64.如权利要求60所述的电池，其中所述电池的总厚度介于约1.5mm和6mm之间，其中所述总厚度定义为所述电池的所述相对的侧面的外表面之间的距离。
65.如权利要求60所述的电池，其中所述电池具有刚性结构。
66.如权利要求60所述的电池，其中所述阴极包括固体和与所述固体混合的电解质水溶液，所述固体包含二氧化锰，并且所述电解质水溶液包含氢氧化钾，其中所述阴极是孔隙度介于约45％和70％之间的半固体。
67.如权利要求66所述的电池，其中所述阴极材料还包含石墨化炭黑。
68.如权利要求60所述的电池，其中所述阴极组合件包括阴极框架，所述阴极框架具有限定阴极腔体边界的内周边和限定所述阴极框架外部边界的外周边，所述框架具有包括所述周边的正面和相对的背面；所述阴极组合件还包括粘结到所述框架背面的阴极集电器片，使其面对所述电池的外表面边界；并且阴极材料插入到所述阴极腔体内，使其与所述阴极集电器片接触；
其中通过使用第一和第二粘合剂沿所述阴极框架的宽度方向粘结所述阴极集电器片，所述第一和第二粘合剂是基本上不同的粘合剂，相互以并置关系沿所述阴极框架的背面面对所述阴极集电器片放置。
69.如权利要求68所述的电池，其中于最靠近所述阴极框架的外周边施加所述第一粘合剂，并主要起结构型粘合剂的作用，在所述阴极框架和所述阴极集电器片之间赋予结构强度；其中于靠近所述阴极框架的内周边施加所述第二粘合剂，其为能提高所述阴极框架和阴极集电器片之间的整体粘合强度的粘合密封剂，并还起到密封住电解质的密封剂的作用。
70.如权利要求69所述的电池，其中所述第一粘合剂选自环氧和UV引发的丙烯酸酯粘合剂，并且所述第二粘合剂选自粘性聚酰胺、官能化聚乙烯粘合剂和沥青。
71.如权利要求68所述的电池，其中所述阳极和阴极框架包括塑性材料。
72.如权利要求60所述的电池，其中所述电池包括含有含水氢氧化钾的碱性电解质。
73.如权利要求60所述的电池，其中形成所述电池的所述层压结构使用热收缩塑料薄膜包裹。
74.如权利要求60所述的电池，其中所述阳极集电器片包括铜。
75.如权利要求67所述的电池，其中所述阴极集电器片包括涂覆碳的金属片。
76.如权利要求67所述的电池，其中所述阴极集电器片包括涂覆碳的镍片。
77.如权利要求67所述的电池，其中所述阴极集电器片包括镍片。
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