圆柱形蓄电池 本发明涉及一种装有一个螺旋形线圈电极板组件的圆柱形蓄电池。更详细地说，它涉及一种适合用于例如车辆驱动电源的碱性蓄电池。在焊接到电极板组件的上和下部件上的集电器的形状上改进电池，以提供高速充电和放电。
已知多种圆柱形蓄电池，其中典型的电池包括镍镉蓄电池和镉金属氢化物蓄电池。这些电池由于具有高度可靠性，且容易维护，故广泛用于各种设备，例如便携式电话和笔记本个人计算机。近年来，急待发展适合高速放电的圆柱形蓄电池，以用作马达动力助推自行车、割草机和甚至电动汽车等的电源。
上述用于高速放电的圆柱形蓄电池具有一个电极板组件，它包括一个条状正电极板和一个条形负电极板，在它们之间插入一个隔板，把它们绕成螺旋形线圈，并且在一个由金属制成的电池外壳中安放该组件。关于适合收集大量电流的集电器的结构，例如在U.S.P.Nos.3732124和5238757中公开了一种结构，在其中相应地把由一个长方形板或一个近似圆形板形成的集电器，以多个部位焊接到一个从电极板组件的端平面向外伸出的端子边缘上(此后把这种结构叫作无接头型结构)，这种结构是目前通用的。
已提出过多种被焊接到电极板组件端子部件上的上述集电器，图8所示的集电器14是其中的一个典型。这种集电器装有一个长方形平板部件14A，一些通过对沿板件14a的长度方向延伸的两侧边缘进行垂直向下弯曲而形成的肋型突出部件14b，和两个U形开口部件14C或冲孔。用下述步骤实现把集电器14焊接到电极板组件上：使肋型突出部件14b穿过从电极板组件向上伸出的一侧电极的端子边缘；把一对棒型焊接电极压在把开口部件14c装于其间的平板部件14d的上侧上，或压在突出部件14b地上侧上；和在加压情况下在电极之间通电。
然而，在上述集电器中，在沿着平板部件14a的长度方向延伸的两侧边缘，形成肋型突出部件14b。因此，甚至当通过把一对焊接电极压在处于把开口部件14c装于其间的位置的平板部件14a上，并且在加压情况下通电，而进行焊接时，流过这对焊接电极之间的平板部件14a的电流(即焊接时的损耗电流)，由于电通路远和电阻大而也是大的；反之，则流过这对突出部件14b和电极端子边缘的交叉部分的电流是小的，从而难以熔化突出部件14b和电极端子边缘的交叉部分去充分保证良好的焊接。结果，焊接部分，即由肋型突出部件14b和电极端子边缘形成的结合部分，具有高的接触电阻；并且当电池以大电流，例如3c(三倍于电池容量的电流)放电时，在焊接部分的IR电压降太大，以致不能给出满意的电池性能。
本发明之主要目的在于提供一种克服上述困难的蓄电池，它容许高速地充电和放电，因为对焊接到螺旋形线圈电极板组件上的集电器的形状作了改进，以便把焊接电流集中于为集电器而设的肋型突出部件和电极的突出端子边缘的交叉部分，借此充分熔化该交叉部分，以实现坚固的焊接。
根据本发明，提供一种圆柱形蓄电池，它包括一个螺旋形线圈电极板组件，该组件基本上由一个正电极反、一个负电极板和一个隔板组成，以上诸板都是条形的；和相应地包括一个集电器，它基本上由一个长方形板或一个近似圆形板所组成，在从电极板组件的上端表面和下端表面分别向外伸出的正电极端子边缘或负电极端子边缘上，分别焊接该集电器；各个集电器皆以径向方式装有多个开口部件，它们从平板部件的中心附近延伸到平板部件的外周边缘，在各个开口部件的边缘段，向下整体地形成肋型突出部件；肋型突出部分，在一种和端子边缘交叉且部分地夹入其中的状态下，被焊接到一侧电极板的端子边缘上。
集电器的形状，对于在从电极板组件向外伸出的电极板端子边缘上牢固地焊接它，是很重要的。
例如，如果一对用于电阻焊接的电极仅仅是放在一个集电器的没有开口部件的平板部件上，则流过电极之间的平板部件表面且无助于焊接的损耗电流会增加，从而难以在多个部位把集电器的肋型突出部件牢固地焊接到电极端子边缘上。
在本发明中，集电器由镀镍钢制作，它装有多个开口部件；这些开口部件延伸到集电器的外周边缘，且以径向方式开放；在各开口部件的边缘部分，整体地形成向下的肋型突出部件。
因此，肋型突出部件是和从电极板组件的端部伸出的一侧电极板的端子边缘彼此交叉的。因此，通过把一对焊接电极压在集电器上，使长方形开口部件处于其间，就能借助该开口部件而降低在这对焊接电极之间的集电器表面流动的损耗电流，并且流入在位于开口部件下侧上的突出部件与电极板的端子边缘之间交叉部分的焊接电流被增加，从而在一些交叉部分实现牢固地焊接。
不限制开口部件形状，例如长方形开口部件、U形开口部件和梯形开口部分都是典型的。为了便于制作肋型突出部件，长方形开口部件是较好的。最好以相等的间隔形成开口部件。开口部件的数目最好是4～8个，而4～6个更好。可以只在每个开口部件的两个相对边缘部分形成肋型突出部件。要穿过电极板端子边缘的肋型突出部件的高度(宽度)和厚度，对于固定交叉部分和集中焊接电流，也是重要的。在本发明中，肋型突出部件离平板部件的长度应当小于组成电极板突出端子边缘的镀镍钢冲孔片的裸露部分的长度(宽度)；突出部件的突出长度最好是等于冲孔片裸露部分的宽度的1/5至2/3，使突出部件甚至在完成焊接时，也不接触相反电极的端子边缘。突出部件的厚度最好是2-8倍于冲孔片的厚度，以便突出部件的接头可以牢固地固定在电极板的冲孔片裸露部分的端表面上。并且交叉部分可由电阻均匀地产生热量，且可被均匀熔化和成形。
根据本发明的一个方面，确定用于正负电极的集电器的焊接形状和状态，在从一个螺旋形线圈电极板组件的上端和下端分别向外伸出的电极板端子边缘上，焊接正负电极集电器。在一些部位把用于正负电极的集电器牢固地焊接到电极板端子边缘上，借此提供一个容许高速地充电和放电的集电器结构。
根据本发明的其它方面，确定肋型突出部件的具体形状和尺寸，以及突出部件尺寸与要焊于其上的电极板端子边缘的冲孔片部件的尺寸的关系，以便固定适合高速地放电的焊接部分。
下面参照附图和实例，描述本发明的其他细节和容许高速地充电和放电的电池优选结构。
图1是在本发明实例中所示的镍镉蓄电池的部分断面的侧视图；
图2是上述电池的集电器的上视图；
图3是上述电池的集电器的前视图；
图4是另一实例的集电器的前视图；
图5是集电器的突出部件的下端部分的断面图；
图6是又一实例的集电器的前视图；
图7是本发明的近似圆形板型集电器的上视图；和
图8是现有技术的典型集电器的立体图。
下面描述本发明的一些具体实例。
图1是本发明实例中所示的装有一个无抽头式集电器的镍镉蓄电池的断面侧视图。电池A具有33mm的直径，61.5mm的高度和5,000mA的标称容量。下面详述电池A的结构。
制备一个厚度为11.0mm的烧结式镍正电极板和一个厚度为20.7mm的浆糊式镉负电极板，各个电极板皆在其长度方向上的端子边缘装有裸露的冲孔片部件3和4，在诸电极板之间插入一个隔板6，使裸露片部件3和4分别伸出电极板组件5之上和之下约15mm，并且螺旋地缠绕整个组件，以形成一个约30mm直径和约50mm高度的电极板组件5。
正好在上述电极板组件5的上端平面之上，安置一个长方形的集电器7，它具有约27mm的对角线长度，在其中心部分开有一个孔；并且在一个其对角线长度是等于或略大于在其中心部位装有一个用于焊接的连接舌片形导体的集电器7的对角线长度的长方形集电器8，与电极板组件5的下端平面的裸露冲孔片部件4保持接触的同时，用一对焊接电极在多个部位把各集电器分别焊接到裸露冲孔片部件3和4上。下面描述焊接详情。把电极板组件5插入一个金属外壳9中；把一个焊接电极穿过集电器7的中央孔，以压紧在电器8的中央提供的舌形导片；并且把压紧的部件焊接到电池外壳的内底表面上。
然后，利用集电器7的中央孔和开口部分把预定数量的碱性电解液注入电池外壳9中，把供给集电器7的连接导片的端部焊接到兼作正电极终端的密封板11的下表面上，并且用密封板11牢牢地密封外壳9的开口。这样得到本发明的电池A。
如图2所示，被焊接到电极板组件上部的长方形集电器7用一个0.4mm厚的平板部件7b和一些肋型突出部件7d形成；在平板部件7b的中央提供一个例如6mm直径的用于在其中穿过一个焊接电极的孔，和在平板部件7b的4个其间为相等间隔的并且沿径向的部位，提供4个宽度为3mm的从中孔附近延伸到外周边缘的长方形开口部件7a；肋型突出部件7d是整体地提供的：在每个开口部件7a的两个相对边缘部分向下弯曲，并按图3所示焊接到与此交叉的正电极板1的裸露冲孔片部件3上。把突出部件7d焊接到电极板端子边缘的裸露冲孔片部件是用下述方法进行的：沿着边缘部件7c把具有长方形触头的对焊接电极安放到平板部件7b上，以便在其间安放开口部件7a；并且在把该焊接电极压在平板部件7b上的同时，在这对电极之间用约2,000A的交流通电约10μs。
这样，在这对焊接电极之间的集电器7的平表面上流动的焊接电流，就由于长方形开口部件7a的遮断和电流流动距离的增加而减小。另一方面，在穿过裸露冲孔片的焊接电极之间的距离相对地减小，使流入电极板的裸露冲孔片部件和肋型突出部件7d的交叉部分的焊接电流得以增加。在这种情况下，为了同时焊接大量的突出部件7d和电极板的裸露冲孔片部件的交叉部分，这对焊接电极的端子形状最好是长方形的，这才有可能在大致沿着开口部件7a的长度方向上安装焊接电极触头。
这种焊接技术不仅用于正电极集电器7，而且用于负电极集电器8和负电极板的裸露冲孔片部件4的交叉部分的焊接。在负电极集电器的中央形成的连接舌形导片，在用穿过位于正电极集电器中央的孔的焊接电极压紧的同时，被焊接到电池外壳的内底中央。
为了比较上述电池，便制备一个对比实例的电池B，它具有和上述结构相同的结构，但用上述的集电器14取代焊接到电极板组件5的上部集电器7。如图8所示，集电器14由一个0.4mm厚的长方形平板部件14a，一些通过垂直地弯曲平板部件14a的两个侧边而形成的具有相同厚度的肋型突出部件14b，和一些开口部件14c组成。
对两个电池A和B分别用5A的电流充电1.5小时，然后用15A(即3C)的电流放电，直至端电压达到1.0V为止。表1示出由试验确定的放电容量和平均放电电压。
表1 电池 放电容量 平均放电电压 A 5000mAh 1.18V B 4700mAh 1.16V
如表1所示，电池A的放电容量比电池B的放电容量高300mAh，且电池A的平均放电电压比电池B的平均放电电压高0.02V。
为了检验其性能上的差别，拆卸电池A和B作检查。在电池A中，发现被焊接到电极板组件上部的正电极侧集电器7是在肋型突出部件7d和裸露冲孔片部件3的全部交叉部分被牢固地焊接的，突出部件7d咬入冲孔片部件3，并且本身被熔化；焊接部分还显示足够大的抗拉强度。而在电池B中，被焊接到电极板组件上部的正电极侧集电器14是在突出部件14b和裸露冲孔片部件3的交叉部分中的多个部位没有被充分地焊接的，这些没有被充分焊接的部分在拉伸时容易剥落，并且焊接部分整体地显示不够大的抗拉强度。
电池B有多个部分是突出部件14b和裸露冲孔片部件3没有充分熔化和焊接的这一事实意味着，从整体来看，把突出部件14b焊接到裸露冲孔片部件3的部分的接触电阻是加大的；结果，电池B具有加大的内阻，从而显示比电池A低的平均放电电压和低的放电容量。
在电池A中，在开口部件7a的相反边缘部分7c整体地提供向下弯曲的集电器7的肋型突出部件；因此，当把一对焊接电极安放到集电器上时，流过比突出部件7d更靠外侧的平板部件7b的电流是小的，并且大部分焊接电流集中于突出部件7d；因此，在突出部件7d皆咬合裸露冲孔片部件3的每个部位，突出部件7d穿过裸露冲孔片部件3，并且按照原样熔化，从而牢固地焊接该部件。因此，该电池具有比电池B低的电阻，容许用大电流充分放电；结果，能够用电池A充电和放电的电流值及其放电容量二者皆大。
在上述实例中，如图3所示，采用有相同厚度的肋型突出部件7d和平板部件7b构成集电器7。然而，也可采用另一种集电器12，如图4所示，其中，在拉伸开口部件的相对边缘部分以减小其断面积的同时，向下弯曲肋型突出部件12a，以便提供小于平板部件12b厚度的突出部件12a厚度，例如平板部件的厚度为0.4mm，而突出部件12a的厚度为0.3mm。此结构之优点在于：在把突出部件12a焊接到电极端子边缘时，焊接电流更容易集中于突出部件12a，且更可靠地实现焊接。
在上述实例中，如图3所示，所用肋型突出部件7d是在它的整个高度范围内具有相同形状的，在这种情况下是长方形。然而，如图5的断面图所示，可采用另一种结构，其中修整突出部件7d的下端，以提供刀刃形式的尖锐部分7e，其优点在于突出部件的尖端更容易咬入电极端子边缘的裸露冲孔片部件，焊接状态变成更可靠，且从而增加焊接强度。
此外，还可采用又一种集电器13，如图6所示，其中，从上看的形状相同于图2所示的形状，但平板部件13a受过加压处理，以得到小于原始厚度的厚度，例如，其厚度从0.5mm减至0.4mm，把突出部件13b的厚度选成0.5mm，使它的厚度大于平板部件13a的厚度；并且突出部件13b的端缘13c是通过修整成刀刃形状而削尖的，适合于取出大的电流，因为它能够显著增加电流取出部分的面积，它可给出大体上与上述实例相同的焊接效果。
这样，集电器的厚度最好为0.25-0.5mm以保证良好的焊接和足够的电通路断面积。突出部件的高度，虽然还取决于该突出部件穿过和咬入冲孔片伸出部分的长度(即宽度)，但当伸出部分的长度为约0.7-1.8mm时，最好是约0.5-0.7mm。当上述各尺寸处于该范围内时，能够在减小不参加电动反应的电极板部分的同时，获得可靠的焊接。
从上看的上述集电器的形状不限于图2所示的长方形。还可按照圆柱形蓄电池的类型，采用图7所示的其中平板部件7b的近似圆形的集电器。当把这样一种集电器焊接到电极板组件的端部时，能得到大体上与实例相同的效果。此外，虽然在实例中用镍镉蓄电池作示范，但本发明还可用于其他的碱性蓄电池，例如镍金属氢化物蓄电池，只要它们是圆柱式的即可。
这样，根据本发明，在有螺旋形线圈电极板组件的圆柱形蓄电池中，一个被焊接到电极板组件上部的长方形或近似圆形类型的集电器具有一个平板部件，该部件装有多个长方形开口部件，它们是辐射状的，其间的间距相等，从中心附近延伸到板的外周边缘；和具有一些肋型突出部件，它们是在各个开口部件的两个相对边缘部分向下整体地形成的，并且要和一侧电极端子边缘交叉和焊接；因此，一侧电极的端子边缘和集电器的肋型突出部件，能够在一种两者彼此交叉和咬合的状态下，彼此可靠地熔化和牢固地焊接。结果，能够提供一种具有优良集电结构和容许高速放电的电池。