具有二次电池和用于将电池充电的电触点的助听器.pdf

本发明提供了二次电池，可将这些电池充电而无需从装置中取出。在一些具体实施中，电池的阴极包括作为活性物质的LiFePO4。在一些具体实施中，这些电池包括碳阳极。本发明还提供了包含此类电池的助听器和用于将助听器内的电池再充电的充电器。

权利要求书

具有二次电池和用于将电池充电的电触点的助听器
技术领域
本发明涉及用于助听器的二次电池、用于此类电池的阴极、以及用于将此类电池再充电的充电器。
发明背景
电池是通常使用的电能来源。电池包含一般称作阳极的负极和一般称作阴极的正极。阳极包含可被氧化的活性材料；阴极包含或消耗可被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。
当在装置中使用电池作为电能来源时，阳极和与阴极发生电接触，使电子流过装置，发生各自的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极相接触的电解质包含流过位于电极之间的隔板的离子以在放电期间保持电池整体的电荷平衡。
可充电电池，也称为二次电池，包含可通过充电再生的活性物质。取决于它们的构造，当这些电池所产生的能量降低至最佳效率以下时，可将它们以许多方式中的任何一种进行再充电。基于电池的化学组成，可将可充电电池细分为两个主要类别。这两个类别，即碱性二次电池和锂二次电池，均包含很多种类的电池型式。
与二次电池形成对比的是，一次电化学电池旨在仅放电(例如，放电至耗尽)一次，然后即废弃。一次电池不打算再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook of Batteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学电池可被再充电许多次，例如，超过五十次，超过一百次，或更多次。在一些情况下，二次电池可包括相对坚固的隔板，例如具有许多层的那些和/或相对较厚的那些。二次电池也可被设计成能适应可能会在电池中发生的变化，诸如溶胀。二次电池描述在例如Falk&Salkind的“Alkaline Storage Batteries”(JohnWiley&Sons，Inc.1969)；美国专利345,124；和法国专利164,681中，这些专利均据此以引用方式并入本文。
标准助听器使用基于锌-空气化学作用的纽扣电池一次(不可充电)电池组。锌-空气化学作用由于可在小体积中产生高能量密度而被广泛采用。但遗憾的是，锌-空气电池具有会趋于妨碍使用者满意度的一些限制。由于性能期限和储存寿命这两方面的原因，这些电池必须每月更换一至两次。锌-空气电池是与空气相通的，因此存在如下问题：电解质会变干并且碳化作用会积聚在阴极膜上，从而阻塞空气透进阳极中。纽扣电池趋于难以让老年人来频繁地更换，因为它们尺寸小，从而使得它们难以看见和操纵。
发明概述
本发明人已开发出纽扣电池型锂离子二次电池，其中阴极包含LiFePO₄。这些电池具有可用于助听器和其它应用的所期望的特性。例如，当用于助听器时，可将这些电池充电，而无需将它们从助听器中取出。
在一些具体实施中，将本文所述的锂离子二次电池用于助听器，从而可生产出低成本的助听器。在一些情况下，本文所述的电池为可快速充电的可充电电池。在所述电池需要置换之前，它们可提供超过100次的循环，通常数百次或数千次的循环。一些优选的电池具有大于约5mAh的容量，从而允许以恒定功率消耗每日服务超过12小时。
该LiFePO₄基可充电电池具有足够的容量，从而每充电一次可提供至少一天的服务时间，并且可提供1至3年的日常使用年限。这些电池还具有15分钟或更短时间，优选5分钟或更短时间的充电能力。此外，使用LiFePO₄阴极制造的优选的电池一般可表现出良好的安全性、快速充电能力(例如，5分钟或更短时间)、良好的功率密度、一致的性能、以及环境容受性。5分钟或更短时间的快速充电能力可最小化使用者的不方便之处(例如，在助听器的应用中，助听器在充电期间可能无法使用)。在装置内对电池进行充电的能力可消除对于经常取出和插入电池的必要。优选的电池还提供优异的循环寿命(＞1000次)和储存寿命(3年)。
在一些具体实施中，阴极和阳极呈折叠的电极组合件形式，或作为另外一种选择，呈带状卷绕的电极形式。纽扣形外壳可具有小于约0.5cm³的体积，例如0.25cm³或更小的体积。纽扣形外壳具有大于1的直径对高度的比率。
为了允许阴极和阳极适配在纽扣形外壳内，在折叠(对于折叠电极组合件而言)之前，阴极和阳极优选地非常薄。在一些具体实施中，阴极在折叠之前具有小于100微米的总厚度，并且阳极在折叠之前具有小于75微米的总厚度。
在一个方面，本发明的特征在于一种助听器，所述助听器包括：助听器主体；设置在主体内的助听器组件；以及与助听器组件电气连通的呈纽扣电池形式的二次电池，该二次电池被构造成可再充电而无需从助听器主体中取出。助听器主体包括电触点，所述电触点被构造成用于与电池充电器上的对应的电触点进行电气连接。
在一些具体实施中，二次电池包括阳极、包括Li_(1-x)FePO₄的阴极(其中0≤x≤1)、以及阳极和阴极之间的隔板。助听器主体也可包括覆盖件，所述覆盖件被构造成可在其中覆盖件覆盖助听器主体上的电触点的第一正常位置和其中电触点被暴露以用于接触的第二偏转位置之间移动。
在另一方面，本发明的特征在于一种助听器系统，所述系统包括：(a)助听器，所述助听器包括：(i)包括电触点的助听器主体；(ii)设置在主体内的助听器组件；和(iii)与助听器组件电气连通的呈纽扣电池形式的二次电池，该二次电池被构造成可再充电而无需从助听器主体中取出；和(b)包括触点的电池充电器，所述触点被构造成用于与助听器主体上的触点电气连接。
在另一方面，本发明的特征在于一种助听器，所述助听器包括(a)助听器组件；和(b)与助听器组件电气连通的呈纽扣电池形式的二次电池，所述电池包括阳极、阴极、以及在阳极和阴极之间的隔板，所述阴极包括Li_(1-x)FePO₄，其中0≤x≤1。
本发明的特征还在于用于二次电池的阴极，该阴极包括基底，所述基底包括两个或更多个连接的弓形部分，使得当基底折叠时阴极将具有大致圆形的形状，其中基底在双面上均涂覆有包含锂的活性物质。在一些具体实施中，活性物质包含LiFePO₄。本发明的特征也在于折叠电极组合件，所述组合件包括堆叠并折叠以形成大致圆形的折叠电极组合件的阳极、阴极和隔板；以及包括此类电极组合件的纽扣电池和助听器。
本发明一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过该说明书和附图并通过所述权利要求书，本发明的其它特征和优点将显而易见。
附图概述
图1为在折叠层压体之前的用于折叠电极组合件的层压体的图解视图。
图2和2A为助听器的透视图，所述助听器被构造成允许将电池充电而无需将其从助听器中取出。
图3、3A和3B分别为充电器的透视图、顶视图和侧视图，所述充电器可用来将图2和2A所示的助听器的电池再充电。
图4为插入到图3至3B所示的充电器中的一对助听器的透视图。
图4A为图4所示的电池充电器的一个井孔的高度放大的剖面图。
发明详述
所述电池包括包括标称组成的LiFePO₄作为其活性物质的阴极、碳阳极、隔板和电解质。一些优选的电池呈纽扣电池的形式。所述电池为二次电池，即，它们为可充电的。
阴极也可包括粘合剂。阴极的厚度将取决于电池设计和所需的性能特征。
阳极一般为碳阳极。其它合适的阳极材料可包括合金基阳极(例如，与铝、硅或锡合金的锂金属)、以及各种金属氧化物。
该电池也将包括隔板和电解质，如电池领域所熟知的那样。在本文所述的电池中，电解质在充电和放电期间一般不消耗。因此，电解质的量由电极中可用的孔隙体积确定。
该电池使用带有间隔开的阴极和阳极的折叠电极设计以增大表面积，如图1所示。在此情况下，阴极9层压到阳极11上，其中隔板(未示出)喷涂在阳极和阴极上或层压在它们之间。如图1所示，将电极切割以便当层压体折叠起来时所得折叠电极组合件具有所期望的形状，所述形状用于包括在特定类型的电池(在图1的情形中为纽扣电池)中。因此，如图1所示，每个电极均可包括多个弓形部分10，所述部分通过纤维网12连接。因此，当弓形部分折叠在彼此上时，所得折叠电极为大致圆形的并且可适配到纽扣形外壳中。
每个电极(阴极和阳极)均可通过如下方式制造：提供基底并且将基底的双面涂覆上适当的材料，例如对于阳极可涂覆碳，并且对于阴极可涂覆粘合剂、导电性碳和活性物质的混合物。优选地，对于阴极，每个侧面上的涂层均为约30微米至45微米厚，以便总阴极厚度在折叠之前为约70微米至90微米。对于阳极，优选的是每个侧面上的涂层均为约15微米至20微米厚，以便总阳极厚度在折叠之前为约45微米至55微米。用于阴极的基底可为例如铝箔，并且可具有约8微米至约35微米的厚度。用于阳极的基底可为例如铝箔，并且可具有约4微米至约35微米的厚度。
在折叠它们以按圆柱形体积堆叠之前，可将电极(阴极和阳极)单独地冲孔成所需的形状并且层压或装配在一起。堆叠的电极组合件的最顶部部件和最底部部件具有相反的极性，并且在它们的外表面上具有无料区以用于电气连接和适当的电池平衡。无料区可使用任何所需的技术来形成，例如通过间歇涂覆基底、通过掩模、或通过从所需用于无料区的位置中移除涂层的部分来形成。可将隔板喷涂到电极中的任一个或其两者上以便于装配，或其可为层压在阴极和阳极之间的独立组件。
可利用类似的方法来以高表面积电极包括常规化学物质。LiCoO₂/C化学物质可以相同的体积给出两倍的容量，但充电速率会受到限制并且需要使用用于充电控制的电子器件。
作为另外一种选择，可使用带型卷绕电池来替代堆叠的折叠电极设计。在一些情况下，由于容限的缘故，可能难以在高度小于3mm的电池中利用此设计。然而，带状电池的一个优点是，可使用高速卷绕而不要求电极组合件具有特别的形状。带状电池不同于其它卷绕电池之处在于它们的纵横比较低，通常小于约2.3，并且在一些具体实施中小于1.0，例如0.4至0.8。纵横比被定义为电池的高度与卷绕电池的直径的比率。带状电池由于它们的高度非常小而具有低纵横比。带状电池可提供良好的热耗散，因为电极的大表面积可紧靠罐表面。
这些电池的性能特征可有利地允许将它们以处在装置例如助听器内的方式充电。适用于以在装置内方式充电的助听器100的一个实例显示于图2和2A中。助听器100包括主体102，所述主体包括被构造成放置在使用者耳中的部分104。电池隔室门106(图2A)设置在主体的基座108处。邻近电池隔室门的是一对滑动接触门110，所述滑动接触门覆盖并保护一对电触点(未示出)。滑动接触门110被设计成由电池充电器的协同操作部分来偏转，从而暴露出电触点以便与充电器的对应的触点连接。
图3和3A显示能够同时充电两个助听器诸如助听器100的助听器充电器120。助听器充电器120包括两个井孔122，可将两个助听器的基座108放置到所述井孔中。如图4A最佳所示，每个井孔均包括侧壁124，所述侧壁包括倾斜的上部121、直边形中部123、以及终止于底部表面127的倾斜的下部125。上部121的几何形状可帮助将助听器导向到井孔122中，而中部123和下部125的几何形状则对应于助听器主体的形状。每个井孔122均包括一对电触点126，所述电触点设置在井孔的基座处以便接触助听器的电触点。如图4所示，电触点126从侧壁124的下部125凸出，并且被构造成将助听器的滑动接触门110向旁边推开，从而暴露出下面的助听器的触点以便与充电器的电触点126接合。
可在短时间(例如，5分钟或更短的时间)内将电池充电而无需将其从助听器中取出的能力可使助听器的使用者显著地更易于保持他们的助听器的正常运行。
实施例
LiFePO₄化学物质通过将其用于三种纽扣电池封套(源自Duracell锌-空气电池产品系列的#312、#13和#675)进行了评测。首先在AA型和AAA型圆柱形电池中测量了LiFePO₄/C基化学物质的阴极容量、充电速率和循环寿命，结果如下表1所示。
表1：LiFePO₄/C基化学物质的阴极性能