电池电极及其制作方法和装置 【技术领域】
本发明涉及用于二次电池(例如，镍氢电池、镍镉电池等)的一种电极，更具体地说，涉及电池电极(通过成螺旋形地缠绕一个填充活性材料的多孔金属支撑底板构制而成)的制作方法和制作装置，以及一种通过这种处理方法制作的电极。
背景技术
二次电池的的电极包括泡沫金属(具有与支撑底板一样的高度多孔的连续三维网状结构)和填充该泡沫金属的活性材料。具有这种构造的电极展示了相当优秀的放电特征。而且，如今，人们强烈要求改进高效率的放电特性。为了实现这个目标，提出了以下的构造：制作方法包括两个过程：在一个过程中，形成一个部分，暴露核心材料部分，而不在沿电极纵向的一侧填充活性材料；在另一个过程中，通过成螺旋形地缠绕交替层叠的正电极和负电极(通过一个分离器)来形成一个大约呈圆柱形的电极组，所述大约呈圆柱形地电极组的端面只用不填充活性材料的核心材料部分构制而成。通过这种构造，形成了适于焊接的一个金属暴露部分；通过无槽(tubless)系统，引线片被焊接到这个金属暴露部分。也有提议通过这种构造来改进二次电池的集电特性。
但是，将泡沫金属用作核心材料的电极的核心部分没有任何固体金属部分可让引线片直接焊接其上。作为一种对策，提议进一步在该电极的一侧提供一个金属溅射层(引线片焊接在其上)，事先放置金属箔用于加固等，以便改进核心材料部分的导电性。此外，日本特开平公报第139251/87号描述了一种方法：电极核心材料(使用泡沫金属片)中没有填充活性材料的部分在电极的宽度方向上被压缩，以便加固核心材料焊接部分的引线片。通过这种方法，金属部分的密度和强度提高了，从而能够焊接引线片。
图7指出了这种传统的方法。纤细的矩形电极材料51的整个表面被平面体从左、右两侧夹住，通过气缸52加压力F1于该表面。在防止电极表面产生任何变形(例如，弯曲、不平、厚度改变等)，以及电极材料51的一侧从下面得到支撑的形态的同时，通过使用一个压力53，在电极宽度的方向上，从没有填充活性材料的电极材料的一侧上施加一个强加压力P。没有填充泡沫金属的活性材料(形成电极材料51纵向上的一侧)的部分被压缩，以挤压泡沫产生的空间。通过这种方法，在未填充电极材料51的活性材料的一侧的金属部分的密度和强度提高了。由此，实现了简化焊接和改进质量方面的尝试。
但是，活性材料的填充容量一般根据电极表面部分而变化，所以，电极表面的厚度不均匀。因为这个原因，故很难用高硬度的金属平面从电极材料的两侧来均匀地支撑电极的表面。而且，电极材料51纵向上的活性材料的填充宽度也发生了变化。因此，电极材料的支撑形态在纵向上的部分发生变化，当尝试用一个压力在电极材料的纵向上均匀加压时，该电极材料接受压力的加压力的形态和电极材料的支撑形态都改变了。结果，用作引线焊接部分的电极侧的强度和密度有可能发生变化，从而增加了制作质量完全令人满意的电极的难度。如果通过增加在电极材料51宽度方向上施加的压力P来优先提高电极材料的引线焊接部分的强度和密度，则该加压力会影响电极的整个宽度，电极的宽度在整个长度上会趋向于越来越窄，并且，电极在局部施加的一个强加压力下会发生变形。因此，很难只在电极材料整个长度上的电极宽度的一侧上形成一个适于局部小宽度焊接的高密度引线焊接部分。此外，要完全保留其他部分中的泡沫金属的优秀特征，难度也很大。而且，这种传统的方法在生产能力方面尤其不足，所以，远远没有达到令人满意的程度。
在以上描述的传统技术中，很难在电极材料纵向一侧的整个长度上形成任何适于均匀焊接无槽(tubless)引线的高质量、高密度的引线焊接部分，原因是电极材料中活性材料的填充条件发生局部的微小变化。此外，当对泡沫金属进行高级可塑性加工时，如上所述，泡沫金属被挤压，高密度泡沫金属部分变硬、变脆。因此，这种传统的方法还有一个缺点，即，在后来的过程中，当通过成螺旋形地缠绕交替层叠的正电极和负电极(通过一个分离器)来形成一个圆柱形的形状时，会产生裂缝。
本发明提供一种在电极制作过程中能改进电池的性能和产量的电极、一种电极制作方法和一种电极制作装置。
发明描述
根据本发明的一种电极制作方法包括以下步骤：
(a)在具有空间的泡沫金属中填充活性材料，提供具有填充部分(填充活性材料)、未填充部分(没有填充活性材料)和填充部分与未填充部分之间的一条边界线的电极材料。其中，电极材料是矩形或带状，未填充部分沿电极材料的较长的一侧建立，边界线有一条大致的直线与该较长的一侧平行。
(b)折叠一部分未填充部分，与通过未填充部分的边界线平行，与未填充部分成直角。
(c)通过在垂直于填充部分的方向上施加(弯向未填充部分)一个力以挤压所述空间和压缩所述弯曲部分，来沿较长一侧的方向形成一个引线焊接部分。
在步骤(c)中，最好将所述未填充部分的高度压缩至一个比填充部分的厚度为薄的厚度。
根据本发明用弯曲成直角的电极材料形成电极的制作装置中，电极材料是矩形的，具有填充部分(其中，活性材料填充在有空间的泡沫金属中)和未填充部分(没有填充活性材料)。该电极材料具有折叠部分，一部分未填充部分与填充部分成直角折叠，平行于该通过未填充部分的矩形的较长一侧。
根据本发明的该制作装置包括第一滚轮和第二滚轮，它们相互平行地安装在轴中心并按彼此相反的方向旋转，一个导杆安装在第一滚轮与第二滚轮之间。第一滚轮的外周与第二滚轮的外周之间的距离等于所述填充部分的厚度。电极材料的填充部分在第一滚轮的外周与第二滚轮的外周之间传送，折叠部分在第二滚轮的侧面与导杆之间传送。当该折叠部分通过第一滚轮与第二滚轮之间的最窄的区域时，它在垂直于填充部分的方向上被压制，该折叠部分中的泡沫金属内的空间被挤压，一个高密度引线焊接部分沿较长一侧的方向形成。
第二滚轮最好是一个具有第一外周面、第二外周面、第三外周面和第四外周面的分级滚轮。
第二外周面和第三外周面位于第一外周面和第四外周面之间，第二外周面位于第一外周面的侧边上。
在第一外周面、第二外周面、第三外周面和第四外周面中，第一外周面的外径最大，第二外周面和第四外周面的外径相等，第三外周面的外径最小。
第二滚轮的侧面由第一外周面与第二外周面之间的分级部分的壁面构成。
导杆安装成与第三外周面相接触。
折叠部分被传送以定位在所述第二滚轮的侧面与导杆之间。
折叠部分由第二外周面和第一滚轮的外周面压制。
根据本发明的电池电极包括填充部分(具有填充在泡沫金属中的活性材料)和引线焊接部分(通过压制不包含活性材料的泡沫金属而制成)。泡沫金属有空间。引线焊接部分是一个通过在减小折叠部分的高度的方向上压制折叠部分(通过按直角折叠没有活性材料的未填充部分来形成)、挤压空间而制成的金属部分。
引线焊接部分和填充部分最好是矩形，引线焊接部分的宽度最好小于填充部分的宽度。
在该矩形的较长一侧的方向上，电极最好通过一个分离器呈缠绕状。
在引线焊接部分的表面和背面中的至少一面上，最好形成多个从上至下(up-down)的图形。
这种构造能够获得一个具有高密度和高机械强度的金属部分，作为引线焊接部分。当一根引线线连接到这个金属部分(引线焊接部分)时，可以将一根无槽引线直接焊接到一个电极的端面，而这对于传统的方法而言是很困难的。而且，当将正电极板和负电极板通过一个分离器层叠放置并使它们成螺旋形地向上缠绕成一个圆柱形时，通过在引线焊接部分中提供多个凹槽起伏，可以避免产生裂缝。
如上所述，通过本发明的构造，可以获得电池电极的制作方法和制作装置(与传统的制作装置相比更简单、更便宜)以及电极。
附图简述
图1是一幅透视图，展示了在本发明一个实施例里电池电极制作过程中的一个电极的形状。
(a)是本发明加工过程之前电池电极材料的透视图。
(b)是一幅透视图，展示了在没有填充泡沫金属核心材料(根据本发明的电池电极材料)的活性材料的部分中制作一个折叠部分(作为初步处理)的状态。
(c)是表示本发明加工之后电极的形状的透视图。
图2示出根据本发明的电池电极的制作装置的正截面(C-D截面)。
图3示出根据本发明的电池电极的制作装置的侧截面(A-B截面)。
图4是一幅局部截面视图，表示在本发明一个实施例里的电池电极中与一个无槽引线相焊接的一节电池。
图5是图2的E-F截面视图，即利用本发明一个实施例的方法的电极加工装置的主要部分的放大的截面视图。
图6示出设置在高密度金属部分的两面上的电极板，它在垂直于本发明一个实施例中的电极的长度方向上具有凹槽形状的起伏。
(a)是一幅电极的前正视图，
(b)是一幅电极的侧视图，和
(c)是一幅电极的平面视图。
图7是一幅表示传统的电极加工方法的示意图。
本发明的最佳实施方式
以下将参照图1来解释本发明实施例的一种模式。根据本发明的电极制作过程，按图1中的程序(a)、程序(b)和程序(c)的顺序来展示、说明。如图1(a)所示，制备一种填充活性材料的泡沫金属的电极材料1。该电极材料1具有一块纤细的矩形板。泡沫金属构成电极的核心材料。电极材料1包括一个填充部分2(填充活性材料)、一个未填充部分3(没有填充活性材料，只包括泡沫金属)和一条边界线4(是填充部分2与未填充部分3之间的边界)。未填充部分3沿较长一侧的宽度较窄。填充部分2具有表面和背面的电极表面。泡沫金属内有大量的空间。接下来，如图1(b)所示，在平行于所述边界线的一条直线7上，一部分未填充部分3(包含未填充部分3)与填充部分2的电极表面成直角地折叠，以形成一个折叠部分5。此后，当折叠部分5从两侧获得支撑以避免变形时，从垂直于填充部分2的方向上向填充部分2的电极表面强制施加一个压力F2。通过这个压力，折叠部分5内的空间被挤压，折叠部分5在高度的方向上被压制，其厚度不大于填充部分2的电极表面的厚度。结果，如图1(c)所示，通过挤压泡沫金属内的空间而制成的高密度金属部分6均匀地形成于电极材料1的纵向上的一侧上。金属部分6是一个用于连接引线的引线焊接部分。电极30就是用这种方法制作而成的。
折叠部分5通过成直角地折叠一部分未填充部分3而形成，这样可以防止加压力F2对电极构件的其他区域产生影响。也就是说，通过形成折叠部分5和只加压该折叠部分5，来防止填充部分2发生变形等。
当在电池的制作过程中采用根据本发明的电极制作方法时，可以同时大大提高电池的质量和产量。如图2和图3所示，尤其应该使用一个电极制作装置。
图2表示本发明一个实施例的电池电极的制作装置的前截面视图。图3表示本发明一个实施例的电池电极的制作装置的侧截面视图。如图1(a)所示，首先制备一种电极材料，该电极材料具有一个填充部分2(包含活性材料)、一个未填充部分3(没有任何活性材料)和一条边界线4。使用一种已知的方法和装置(未加特别说明)，该方法和装置通过折叠电极材料1的一部分未填充部分3来制作一个折叠部分5。这里将忽略关于这些方法和装置的解释，因为它们已为人们普遍了解。
在图2和图3中，由于电极材料1被第一滚轮10和第二滚轮11夹住且滚轮10、11各自按箭头标记的方向旋转，所以，电极材料1在向右被馈送时得到压制。也就是说，第一滚轮10和第二滚轮11按彼此相反的方向旋转，插入滚轮10与11之间的电极材料1通过这些滚轮的旋转力而被传递。
此后，将参照图2和图3来解释电极制作装置的主要部分的轮廓。该电极制作装置通过压制折叠部分5在电极材料1的纵向上的一侧上形成一个高机械强度和高密度的金属部分6。
在图3中，该制作装置具有一个框架28、第一滚轮10和第二滚轮11。第一滚轮10固定到第一个轴15。第二滚轮11和第二齿轮14固定到第二个轴16。第一滚轮10和第一齿轮13被置于上侧，而第二滚轮11和第二齿轮14被置于下侧。第一滚轮10是一个压力滚轮。第二滚轮11是一个分级的加压力滚轮。而且，第一个轴15由轴承18、19支撑而转动。第二个轴16由轴承20、21支撑而转动。此外，这些轴15、16的制作在推力的方向上没有任何作用。
图5表示在第一滚轮10和第二滚轮11的外周处的接触部分的扩展侧视图。如图5所示，第二滚轮11的外周面具有不同的层次。也就是说，第二滚轮11的外周面拥有第一外周面11a、第二外周面11b、第三外周面11c和第四外周面11d。第二外周面11b和第三外周面11c置于第一外周面11a与第四外周面11d之间。
第二外周面11b置于第一外周面11a侧边上。第三外周面11c置于第二外周面11b与第四外周面11d之间。第一外周面11a的外径最大，第二外周面11b和第四外周面11d的外径相同，第三外周面11c的外径最小。
在第一滚轮10的外周面离第二滚轮11的外周面最近的位置处，当第一滚轮10的第一个侧面10a与第二滚轮11的第二个侧面12保持接触时，滚轮10、11旋转。
导杆22与第三外周面的外周相接触。导杆22具有矩形截面的形状。第一滚轮10的外周面与第二滚轮11的第四外周面之间形成一个空间，电极材料1的填充部分2可以通过这个空间。在第一个圆周的右侧面12、导杆22的左侧和第二外周面、第一滚轮10的外周面中间形成的一个空间，允许电极材料1的折叠部分5通过。通过用滑动部分25(用于调节各个滚轮之间的间距)控制第一滚轮的位置，来控制两个滚轮10、11之间的距离。轴承18和19由一个轴承加压板26支撑。
而且，第一齿轮和第二齿轮各自的齿数使第一滚轮10的外周处的圆周速率与第二滚轮的外周面11b处的圆周速率相等。
第一齿轮13的夹紧圈的直径大致等于第一滚轮10的外径。第二齿轮14的夹紧圈的直径大致等于第二滚轮11的小直径部分处的外周面11b。这两个齿轮13和14互相咬合，其构造方式使所述两个滚轮10和11以其各自外周面处的相同圆周速率、按彼此相反的方向旋转，并且，根据电极材料1的厚度来保持它们之间的一段窄间距。导杆27位于第一滚轮10与第二滚轮11之间的侧面边上。
在这种装置中，电极材料1(具有一个折叠部分5和一个填充部分2)由导杆22和导杆27引导，在第一滚轮10与第二滚轮11之间传送。也就是说，折叠部分5的两面被插入第二滚轮11的第二个侧面12与导杆22的侧面之间。电极材料1的填充部分2的表面用压制弹簧23和螺钉24的力夹紧在第一滚轮10的外周与第二滚轮11的第四外周面11d之间，与滚轮10、11的旋转相关联，该折叠部分以一个恒定的速度被准确送入运作区域。第一滚轮10的外周与第二滚轮11的第四外周面11d之间的距离约等同于电极材料1的填充部分2的厚度。因此，当电极材料1在第一滚轮10与第二滚轮11之间传送时，第一滚轮10与第二滚轮11之间的距离逐渐变窄，第一滚轮10的外周面与第二滚轮11的第二外周面11b之间的距离也逐渐变窄。所以，折叠部分5的高度H从顶部和底部被压缩(如同挤压未填充部分3内的空间)，其厚度压缩到不大于填充部分2的厚度。这样，折叠部分5得到压制，在电极材料(1)纵向的一侧上形成了一个高强度、高密度和小电阻的金属部分6(由一种泡沫金属的核心材料构成)。该金属部分6是一个引线焊接部分。这样，就可以用电极材料1制作一个具有一个引线焊接部分6和一个填充部分2的电极30。用这种方法制作的具有一个引线焊接部分6和一个填充部分2的电极30通过一个分离器9被成螺旋形地缠绕为一个圆柱形的形状，引线片8被焊接到引线焊接部分6。这样便制成了图4所示的一个封闭式镍氢电池(具有一个集电极)。
还有一种可行的构造是：第一滚轮10的外周面和第二滚轮11的第二外周面中至少有一个面具有多个从上至下的图案。这些多个从上至下的图案是褶状的凹槽或突出物。在此构造情况下，如图6所示，这些褶状的凹槽或突出物被传递到电极材料1的金属部分的表面，形成垂直于电极30长度方向的凹槽状的凹面或凸面6a。在通过成螺旋形地缠绕交替层叠(通过一个分离器)的正、负电极30(具有这种上下起伏的部分6a)来形成一个大致为圆柱形的小直径电极组的过程中，这有利于减小在金属部分6中产生裂缝的危险。而且，与加工前的宽度相比，电极材料的宽度相对于折叠部分5的高度H而减小。因此，这也对电池的小型化产生了很好的影响。
在使用电极材料1(事先被切割为对应于一节电池所需长度)的情况下，当将电极成螺旋形地缠绕为一个电极组时，应该除去缠绕在中心的侧边上的一部分折叠部分5(如图1(b)的左下方所示)。使用这种方法，则当首次在两个滚轮10与11之间传送电极材料时，可以防止折叠部分5首先触及所述滚轮11的外周面11b，从而避免了电极材料在馈送过程中所遇到的障碍。
在使用电极材料1(一种长长的箍状连续材料)的情况下，第一个过程变得很不方便，但无须特别除去一部分折叠部分。
此外，当为两个滚轮10与11之间的电极材料1馈送时，导杆22(具有一个矩形的截面)的左侧面能够防止因该电极材料的弯曲化而产生的左、右位移。而且，当电极材料1的折叠部分5被压制时，导杆22的作用是支承以防止折叠部分5与滚轮11的端面12一起落入任何不利的方向。
在此装置中，一个旋转的驱动力(具有加工处理必需的规定扭矩和速度)通过一个链轮17、第二个轴16、第二齿轮14、第一齿轮13和第一个轴15等从驱动源(未示出)传输到第一滚轮10和第二滚轮11。在此情况下，可以将一种长长的连续箍状或一种为每节电池切短的形状用作电极材料1的形状。作为用于电池电极(可以应用这种加工方法)的泡沫金属的一个例子，采用高纯度镍的泡沫金属。但是，并不局限于此，也可以使用铝、铜、纯铁等具有优良扩散性能的泡沫金属。
(示范实施例)
接下来，将解释一个示范实施例。
将参照图1来说明有关镍氢电池的电极的一个典型实施例。如图1(a)所示，厚度为1.3mm的一种长长的镍泡沫金属被用作电极的核心材料。这种长长的构件用活性材料填充。此后，它被压制成厚度“t”为0.5mm。接着，切割该压制体，使电极宽度为28mm，宽度为24mm的部分用活性材料填充，还对应于一节电池的电极长度切割出一个300mm的长度。电极材料1就是用这种方法准备的。此后，如图1(b)所示，电极材料1沿一条平行于电极材料1的纵向的直线7成直角地折叠，通过离侧边上的末端(没有填充电极材料1的活性材料)3mm处的一个位置，以形成一个折叠部分5。已说明了这样一种情况：用一种与该折叠部分的压制过程中所用的装置不同的装置来完成电极的折叠过程。但是，并不局限于此，也可以在一个与构成一系列过程的装置相同的装置中提供这个过程。此后，在图2和图3所示的电极制作装置上(折叠部分5向下)，在第一滚轮10、第二滚轮11和导杆22的中间，从左边到右边，沿导杆22和导杆27馈送电极材料1。在此情况下，移去电极材料1尖端处的一部分折叠部分5。只有当首次作为电极材料馈送时，才有必要在滚轮10与11之间强制插入电极材料。但是，一旦填充部分2夹在滚轮10和11的外周之间，电极材料1会自动往右传送，并沿滚轮10和11的箭头标记的方向旋转。随着电极材料前进到右边，滚轮10与第二滚轮11的第二外周面11b之间的间距减小了。因此，折叠部分5从顶部和底部被压制，并且在加工处理后，该折叠部分的高度H逐渐变小。当电极材料1通过连接第一滚轮10和第二滚轮11的中心的线从右侧出来时，折叠部分5完全被挤压，折叠部分5的厚度变得大致等同于填充部分2的厚度。
在这个实施例中，第一滚轮10和第二滚轮11各自的外周被赋予两种不同的功能一一压制(压制折叠部分5)和馈送(馈送电极材料)，但是，这并不具有局限性，也可以提供一种用于馈送该电极材料的分离馈送机制。为了避免折叠部分5落入垂直于材料馈送的方向，也因为必须用导杆22的侧面和第二滚轮11的端面12来支撑折叠部分5，所以，由导杆22的左侧和第二滚轮11的端面12构成的空间被设置为约0.5mm(比核心材料的厚度“t”稍微宽一些)。而且，此空间的大小与金属部分6的宽度密切联系。此外，第一滚轮10的外周与第二滚轮11的外周之间的空间必须仔细设置，以符合无槽引线的各种焊接条件，因为此空间与金属部分6的厚度“t”密切联系。
滚轮10、11各自的外周面处的圆周速率对应于电极材料1的馈送速率。滚轮10、11各自的外周面处的圆周速率被设置为约20米/分钟。当将箍状的长材料用作电极材料1时，可以进行持续的加工处理，并可以十分有效地实行压制。这样，如图1(c)所示，通过这种工作方法和装置，电极30的宽度比加工处理前的宽度窄了约3mm，宽度约为0.5mm的一个高密度金属部分6形成于电极30的一侧上。该金属部分6具有金属光泽。该压制过的金属部分6的密度大致比加工前的泡沫金属的密度约大3～4倍。
此外，无槽引线的集电极通过连续点焊被焊接到使用该电极30的电极组的金属部分6的端面。结果，可以稳定地获得一个焊接强度，该焊接强度大于用传统方法制成的金属部分的焊接强度。这样，这个实施例的方法证明在生产能力和质量方面比传统方法更胜一筹。
在这个实施例中，具有一个金属部分6和一个填充部分2的电极30一次被制成如图1(c)所示的电极30的形状，然后，该电极30被夹在两个滚轮(在外周上形成褶状滚花形状的起伏，与滚轮的轴中心平行)之间，以便从两侧向其施加一个压力。如图6所示，通过这种方法，在金属部分6的表面上形成上下起伏，该金属部分6形成于电极30纵向的一侧上。这样，与具有平坦表面的电极相比，在金属部分6的表面上有上下起伏的电极30更加灵活。所以，很好地防止了缠绕电极组时在该金属部分中产生裂缝。结果，电池的质量和可靠性得到了提高。尤其是，即使当电极30被缠绕成一个小直径，也能很好地避免裂缝的产生。这样，随着电池小型化的进步，可以容易和稳定地制作缠绕成一个小直径的电极30，而不会产生裂缝。由此，显而易见，这个实施例实现了电池的小型化，改进了电池的质量和可靠性。此外，尤其是金属部分6上的上下起伏将最好建立在两面上，而不是一面上。例如，构造上下起伏时，节距“p”的范围最好从约1mm到约2mm(约1.5mm特别好)，凹槽深度“d”的范围最好从约0.1mm到约0.15mm。这种构造的作用特别显著。该金属部分6与引线焊接部分6相同。
工业适用性
本发明能够提供一种电池电极的制作装置。与传统的制作装置相比，该装置的构造更简单，费用更便宜。它能够在电池电极(将泡沫金属用作核心材料)的一侧上持续、有效地建立一个高机械强度、高密度和导电性能优良的金属部分。而且，它能够生产既具备这些优秀的性能，又有稳定质量的金属部分。因此，无槽引线的焊接质量得到了稳定。结果可以获得高质量的电池。此外，还可以稳定生产无缺点的高质量电池。制作成本也可大大降低。