BRPI0619444A2

BRPI0619444A2 - célula de zinco/ar

Info

Publication number: BRPI0619444A2
Application number: BRPI0619444-3A
Authority: BR
Inventors: Derek Bobowick
Original assignee: Gillette Co
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2011-10-04
Also published as: WO2007066290A2; WO2007066290A3; US20070128495A1; EP1958288A2; JP2009518801A; US7258940B2; CN101322282A

Abstract

CéLULA DE ZINCO/AR. Uma célula de tipo botão de zinco/ar (100), em que a célula tem um invólucro único, especificamente o envoltório do ânodo (206). Um disco metálico de suporte substancialmente plano (105) é empregado para fechar a extremidade aberta do envoltório do ânodo, eliminando assim a necessidade pelo envoltório de cátodo convencional. O disco metálico de suporte (150) é travado em seu lugar, dentro da extremidade aberta do envoltório do ânodo (260), com o material de vedação isolante disposto entre os mesmos (330). O material de vedação fica em contigúidade a uma porção maior da superfície interna do envoltório do ânodo (260) do que a superfície externa do dito envoltório. Uma camada de material de cátodo (230) compreendendo um óxido de manganês, fica sob o disco metálico de suporte (150). O cátodo é travado em seu lugar, contra o disco metálico de suporte (150). A extremidade aberta do envoltório do ânodo (260) é franzida axial e radialmente sobre o disco metálico de suporte (150), com o material de vedação isolante (330) disposto entre os mesmos. O resultado é um lacre hermético, e a capacidade da célula é aumentada, pois o envoltório do cátodo pode ser eliminado.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA DE ZINCO/AR". Campo da Invenção

A invenção refere-se a uma célula de metal/ar, de preferência tendo um ânodo compreendendo zinco e um cátodo de ar. A invenção refe- re-se a células de tipo botão de zinco/ar tendo um invólucro único, especifi- camente o envoltório do ânodo. Antecedentes

As células despolarizadas de zinco/ar estão, tipicamente, sob a forma de células do tipo botão em miniatura, as quais são particularmente úteis como baterias para aparelhos auditivos eletrônicos, inclusive aparelhos auditivos programáveis. Essas células de tipo botão em miniatura tipicamen- te têm um formato cilíndrico semelhante a um disco, com diâmetro entre cer- ca de 4 e 20 mm, tipicamente entre cerca de 4 e 16 mm, e altura entre cerca de 2 e 9 mm, de preferência entre cerca de 2 e 6 mm.

A célula de tipo botão de zinco/ar em miniatura compreende, tipicamente, um compartimento de ânodo (envoltório do ânodo) e um com- partimento do cátodo (envoltório do cátodo). O compartimento do ânodo e o compartimento do cátodo estão no formato de envoltórios separados, cada qual com uma extremidade fechada, uma extremidade aberta e paredes late- rais integrais estendendo-se da extremidade fechada à extremidade aberta. O compartimento do ânodo é equipado com um anel de vedação isolante que circunda firmemente a parede lateral do compartimento do ânodo. O material de ânodo é inserido no compartimento do ânodo. O difusor de ar, o material de barreira para eletrólito e o conjunto de cátodo são inseridos no compartimento do cátodo adjacente aos orifícios para ar no compartimento do cátodo. A extremidade aberta do compartimento do cátodo é, então, tipi- camente empurrada sobre a extremidade aberta do compartimento do ânodo de modo que as paredes laterais do compartimento do cátodo se sobrepo- nha essencialmente a toda a parede lateral do compartimento do ânodo, com um lacre isolante entre as mesmas. Os compartimentos do ânodo e do cátodo são, então, engatados em uma segunda etapa, mediante a formação de um lacre pregueado na borda do compartimento do cátodo, sobre o lacre isolante e a parede lateral do compartimento do ânodo. Durante o procedi- mento de formação do lacre pregueado (ou em uma etapa separada), as forças radiais são aplicadas, também, às paredes do compartimento do cá- todo para garantir um lacre hermético entre os compartimentos do ânodo e do cátodo.

As células de tipo botão de zinco/ar representativas, mostrando a configuração convencional com compartimentos do ânodo e do cátodo se- parados, cada qual sob a forma de uma "lata" com uma extremidade fecha- da e uma extremidade aberta oposta são mostradas, por exemplo, nas pa- tentes U.S. n° 3.897.265, 5.279.905 e 6.830.847 B2. Conforme visto em ca- da uma dessas patentes representativas, o envoltório do ânodo e o envoltó- rio do cátodo têm, cada um, uma extremidade fechada com uma extremida- de aberta oposta e paredes laterais integrais entre as mesmas. Depois que o conteúdo da célula é inserido, a parede lateral do envoltório do cátodo é em- purrada sobre essencialmente toda a parede lateral do envoltório do ânodo, com o anel de vedação isolante disposto entre as mesmas. A borda periféri- ca da parede lateral do envoltório do cátodo é franzida sobre a borda perifé- rica da parede lateral do envoltório do ânodo, com o anel de vedação isolan- te disposto entre as mesmas. Essa configuração se destina a produzir uma célula durável com reduzidas chances de vazamento do eletrólito.

O compartimento do ânodo das células de tipo botão de zinco/ar pode ser preenchido com uma mistura que compreende zinco particulado. Tipicamente, a mistura de zinco contém mercúrio e um agente gelificante, e se torna gelificada quando o eletrólito é adicionado à mistura. O eletrólito é, convencionalmente, uma solução aquosa de hidróxido de potássio. A extre- midade fechada do compartimento do cátodo (quando o compartimento é mantido na posição vertical, com a extremidade fechada no topo) pode ter uma porção plana elevada próxima a seu centro. Essa porção elevada forma o terminal positivo e, tipicamente, contém uma pluralidade de orifícios para ar atravessando a mesma. Nesse desenho, a extremidade fechada do com- partimento do cátodo também tem, tipicamente, um degrau anular rebaixado que circunda o terminal positivo elevado. Alternativamente, a extremidade fechada do compartimento do cátodo pode ser completamente plana por todo seu diâmetro, ou seja, sem qualquer porção elevada em seu centro. Nesse desenho, a porção central dessa área plana na extremidade fechada do compartimento do cátodo forma, tipicamente, o terminal positivo da célu- la. Em qualquer caso, a extremidade fechada do compartimento do cátodo das células de zinco/ar de tipo botão é perfurada por um ou mais pequenos orifícios para ar, para permitir a entrada de ar na célula. Esse ar atravessa, então, uma camada de difusão de ar (ou difusor de ar) para chegar ao disco de cátodo.

O material difusor de ar é, normalmente, composto de uma ou mais lâminas de papel permeável a ar ou material celulósico poroso. Esse papel permeável ou material celulósico poroso permite que o ar que está entrando passe de maneira uniforme para o conjunto de cátodo e pode, também, servir como um mata-borrão para absorver pequenas quantidades de eletrólito que possam vazar para dentro do espaço da entrada de ar. O difusor de ar é, normalmente, posicionado de maneira uniforme dentro do espaço da entrada de ar (espaço cheio) entre a extremidade fechada do compartimento do cátodo e o conjunto de cátodo. O material difusor de ar preenche esse espaço da entrada de ar e cobre os orifícios para ar na ex- tremidade fechada do compartimento do cátodo. As células de zinco/ar com tamanho de botão disponíveis comercialmente, que são comumente usadas em dispositivos de aparelho auditivo, podem ter somente um orifício para ar, ou podem ter uma pluralidade de pequenos orifícios para ar, por exemplo, entre 2 e 6 orifícios para ar ou mesmo mais, dependendo do tamanho da célula.

O material catalítico tipicamente compreendendo uma mistura de dióxido de manganês particulado, carbono e aglutinante hidrofóbico, pode ser compactado em um formato de disco formando um disco de cátodo no interior do conjunto de cátodo. O conjunto de cátodo com disco de cátodo em seu interior pode, então, ser inserido no compartimento do cátodo sobre o difusor de ar, no lado do difusor de ar que está voltado em oposição aos orifícios para ar. Tipicamente, um conjunto de cátodo é formado mediante a laminação de uma camada de material de barreira para eletrólito (película hidrofóbica permeável a ar), de preferência Teflon (politetrafluoroetileno), em um lado do disco de cátodo catalítico e um material separador permeável ao eletrólito (permeável a íons) no lado oposto do disco de cátodo catalítico. O conjunto de cátodo, com o disco de cátodo no interior do mesmo é, então, tipicamente inserido no compartimento do cátodo, de modo que sua porção central cubra o difusor de ar e uma porção da camada de barreira do eletróli- to se apoie contra a superfície interna do degrau. O disco de cátodo na célu- la final entra em contato com as paredes do compartimento do cátodo em torno de seu perímetro.

O conjunto de cátodo pode ter um formato plano ou em domo. São preferenciais os conjuntos de cátodo planos, já que sua fabricação é mais fácil e mais econômica. Exemplos de células de tipo botão de zinco/ar com conjuntos de cátodo planos são mostrados nas patentes U.S. n° 5.279.905, U.S. n5 6.602.629 B1 e U.S. n° 6.830.847 B2.

Se a célula não for adequadamente lacrada, o eletrólito pode migrar ao redor do conjunto de cátodo catalítico e vazar do compartimento do cátodo através dos orifícios para ar. Além disso, o vazamento de eletrólito pode ocorrer entre a borda franzida do envoltório do cátodo e do isolante, se essa área não estiver firmemente lacrada. A espessura da parede de células de tipo botão de zinco/ar disponíveis comercialmente é, tipicamente, maior que cerca de 0,152 mm (6 mil), por exemplo entre cerca de 0,152 mm e 0,381 mm (6 mil e 15 mil). O potencial de ocorrência de vazamentos é maior quando o compartimento do ânodo e o compartimento do cátodo apresen- tam uma espessura de parede muito fina, por exemplo entre cerca de 0,0508 mm e 0,127 mm (2 mil e 5 mil). Essa baixa espessura da parede é desejável, já que resulta em maior volume interno da célula. Porém, há limites em rela- ção a quão delgadas podem ser tornadas as paredes laterais dos envoltórios do ânodo e do cátodo, sem sacrificar a integridade da célula.

Depois de a célula ser montada, uma aba removível é colocada sobre os orifícios para ar sobre a superfície do compartimento do cátodo. Antes do uso, a aba é removida para expor os orifícios para ar, permitindo que o ar entre na célula, ativando-a.

Deseja-se otimizar a capacidade da célula de células de tipo bo- tão de zinco/ar mediante o aumento do volume interno disponível no envoltó- rio do ânodo para inserção de material de ânodo em seu interior, para célu- las de qualquer tamanho.

Especificamente, deseja-se aumentar o volume interno disponí- vel no envoltório do ânodo para inserção de material de ânodo em seu inte- rior, para qualquer célula de tipo botão de zinco/ar com determinados diâme- tros e alturas gerais da célula.

Deseja-se que a construção geral da célula resulte em uma célu- 1,1 Ia durável com um lacre hermético que resista ao vazamento de eletrólito. Sumário da Invenção

A invenção refere-se a células de zinco/ar primárias não- recarregáveis, particularmente células de zinco/ar em miniatura sob a forma de células do tipo botão. O termo "célula de tipo botão", para uso na presen- te invenção, significa uma célula cilíndrica com razão entre altura e diâmetro menor que 1,0. Um envoltório do ânodo tendo uma extremidade fechada e uma extremidade aberta oposta com paredes laterais integrais dispostas entre as mesmas, é usado para abrigar o material de ânodo, o qual compre- ende uma pasta fluida de partículas de zinco, gelificante e eletrólito alcalino. Convencionalmente, essas células de tipo botão também compreendem en- voltórios do cátodo para abrigar o material de cátodo. Esses envoltórios de cátodo convencionais são similares, em termos de construção, ao envoltório do ânodo, ou seja, tem o formato de uma "lata", com uma extremidade fe- chada, uma extremidade aberta oposta e paredes laterais integrais dispostas entre as mesmas. Nas células de tipo botão de zinco/ar da técnica anterior, após o conteúdo da célula ter sido colocado dentro dos envoltórios de ânodo e de cátodo, as paredes laterais do envoltório do cátodo são empurradas e franzidas sobre a parede lateral do envoltório do ânodo, de modo que as paredes laterais do envoltório do cátodo se sobreponham às paredes laterais do envoltório do ânodo, com o material de vedação isolante disposto entre as mesmas. Ou seja, em células de tipo botão de zinco/ar convencionais, há um material de vedação isolante que está em contigüidade com a superfície externa das paredes laterais do envoltório do ânodo, de modo que fica dis- posto entre as paredes laterais do envoltório do ânodo e as paredes laterais sobrepostas do envoltório do cátodo.

Na presente invenção, o envoltório de cátodo convencional foi "eliminado" e substituído por um disco metálico de suporte substancialmente plano, o qual é inserido e travado em seu lugar na extremidade aberta do envoltório do ânodo. O disco metálico de suporte fecha a extremidade aberta do envoltório do ânodo com um material de vedação isolante posicionado entre a borda periférica do disco metálico de suporte e a superfície interna do envoltório do ânodo. Portanto, de fato o compartimento da célula é for- mado de um único envoltório, especificamente o envoltório do ânodo, sendo eliminado o envoltório de cátodo convencional. Como na presente invenção há, de fato, um único compartimento externo, haverá mais espaço disponível no interior do compartimento do ânodo para material de ânodo, para células de um determinado tamanho. Isso resulta em maior capacidade da célula para descarga.

De preferência, a superfície externa do disco metálico de suporte fica voltada para o ambiente externo e funciona diretamente como o terminal positivo da célula. Uma lâmina de material de cátodo, desejavelmente dis- posta como revestimento sobre uma tela de malha metálica, é travada em sua posição no interior da célula, abaixo do disco metálico de suporte, de modo a ficar voltada para os orifícios para ar existentes no corpo do disco metálico de suporte.

A célula de zinco/ar da invenção está, desejavelmente, sob a forma de uma célula de tipo botão em miniatura tendo um ânodo compreen- dendo zinco e eletrólito alcalino. O cátodo é, tipicamente, compreendido por material cataiítico compreendendo óxidos de manganês, tipicamente dióxido de manganês, o qual é usado para catalisar a reação eletroquímica entre o zinco e o ar entrante, resultando na geração de uma corrente elétrica. O ma- terial de cátodo pode ser formulado de modo que uma porção significativa seja reduzida, ou seja, participe diretamente da reação eletroquímica duran- te a descarga da célula, juntamente com o ar entrante. Esse tipo de célula pode ser denominado uma célula de tipo botão de zinco/ar auxiliada por ar. A célula de tipo botão de zinco/ar da invenção tem aplicação específica co- mo fonte de energia para dispositivos eletrônicos pequenos, como aparelhos auditivos. A célula pode, também, ser usada para alimentar outros dispositi- vos eletrônicos. A célula de tipo botão de zinco/ar em miniatura da invenção tem, tipicamente, um formato cilíndrico semelhante a disco, com diâmetro entre cerca de 4 e 20 mm, por exemplo entre cerca de 4 e 16 mm, de prefe- rência entre cerca de 4 e 12 mm. A célula de tipo botão de zinco/ar em mini- atura tem uma altura entre cerca de 2 e 9 mm, de preferência entre cerca de 2 e 6 mm.

Uma porção majoritária do material de vedação isolante fica po- sicionada de modo a estar disposta entre a borda periférica do disco metáli- co de suporte e a superfície interna do envoltório do ânodo, ou seja, de mo- do que o disco metálico de suporte fique eletricamente isolado em relação ao envoltório do ânodo. O material de vedação isolante "fica em contigüida- de a uma porção maior da superfície interna do envoltório do ânodo do que a superfície externa do dito envoltório". De preferência, não há qualquer por- ção desse material de vedação isolante que fique em contigüidade com qualquer porção da superfície externa do envoltório do ânodo. (Isso exclui, é claro, qualquer rótulo de película ou tinta de impressão que possa ser apli- cado separadamente à superfície externa do envoltório do ânodo, e que ser- ve principalmente como rótulo para a célula, em vez de material isolante.) Portanto, na célula de tipo botão de zinco/ar da presente invenção, pelo me- nos a maior parte da superfície externa do envoltório do ânodo fica exposta ao ambiente externo. Na célula da invenção, tipicamente toda, ou essenci- almente toda, a superfície externa do envoltório do ânodo fica exposta ao ambiente externo.

O material de vedação isolante está, desejavelmente, sob a for- ma de um disco isolante tendo uma configuração em anel circunferencial com um núcleo central oco. Uma porção do anel do disco isolante estende- se para cima (quando a célula é vista com a extremidade aberta do compar- timento do ânodo no topo) para formar a borda periférica do disco de veda- ção isolante. A borda periférica do disco de vedação isolante fica, por sua vez, entre a borda periférica do disco metálico de suporte e a superfície in- terna do envoltório do ânodo.

É formado um conjunto de tampa compreendendo o disco metá- lico de suporte, o disco de vedação isolante e um conjunto de cátodo forma- do pelo material de cátodo revestido sobre a tela de malha metálica. O mate- rial de ânodo pode ser usado para preencher o envoltório. O disco de veda- ção isolante pode ser inserido no envoltório do ânodo, de modo a se apoiar em uma saliência na superfície interna do dito envoltório, próximo à extremi- dade aberta do mesmo. O disco metálico de suporte pode estar sob a forma de uma placa de corpo substancialmente plana com uma borda periférica circundante. A placa de corpo do suporte metálico tem, de preferência, pelo menos um orifício para ar através da mesma. O cátodo pode ser inserido contra o lado inferior do disco metálico de suporte. A borda periférica do dis- co metálico de suporte pode, então, ser curvada para dentro, de modo a do- brar-se em uma borda em formato de U terminando em uma borda de ex- tremidade que comprime, aperta ou se enterra na borda do conjunto de cá- todo, encaixando assim o cátodo ao disco de suporte. O disco metálico de suporte, com o cátodo encaixado ao mesmo, é inserido na extremidade a- berta do envoltório, de modo que a borda periférica do disco metálico de su- porte se apóie no interior da disco isolante e fique em contigüidade com a borda periférica do disco de vedação isolante. Então, a borda periférica da extremidade aberta do envoltório do ânodo é franzida sobre a borda do disco metálico de suporte, com a dita borda periférica do disco de vedação isolan- te disposta entre as mesmas, travando assim o conjunto de tampa dentro do envoltório do ânodo. Forças radiais são aplicadas, também, durante o pro- cesso de franzir, o que serve para assegurar que o conjunto de tampa e seus componentes estejam travados em seus lugares, para fechar a extre- midade aberta do envoltório do ânodo e formar um lacre hermético no mes- mo. O lacre formado desse modo resiste ao vazamento de eletrólito, mesmo que a célula sofra abuso ou seja descarregada a taxas altas. Breve Descrição dos Desenhos

A invenção será melhor compreendida com referência aos dese- nhos, em que:

a figura 1 é uma vista em seção transversal isométrica de uma modalidade da célula de zinco/ar da invenção, antes do franzimento da bor- da do compartimento do ânodo sobre o conjunto de tampa.

a figura 1A é uma vista em elevação de uma seção transversal parcial da célula de zinco/ar da figura 1, com o conjunto de tampa de extre- midade da invenção inserido na mesma,

a figura 2 é uma vista explodida de uma modalidade preferencial 1,1 do conjunto de cátodo catalítico mostrado na figura 1,

a figura 3 é uma vista explodida dos componentes do conjunto de tampa de extremidade da invenção,

a figura 4 é uma vista pictórica da célula completa.

Descrição Detalhada

A invenção refere-se, principalmente, a células eletroquímicas despolarizadas a ar. Essas células têm um ânodo de metal, tipicamente compreendendo uma mistura de zinco e eletrólito alcalino, no interior de um compartimento do ânodo, e um material de cátodo isolado do ânodo. A célu- la é comumente denominada uma célula despolarizada de metal/ar ou de ar e, mais tipicamente, uma célula de zinco/ar.

A célula de zinco/ar da invenção está, desejavelmente, sob a forma de uma célula de tipo botão em miniatura. Esta tem aplicação especí- fica como fonte de energia para dispositivos eletrônicos pequenos, como aparelhos auditivos. No entanto, essas células também podem ser usadas para alimentar outros dispositivos eletrônicos. A célula de tipo botão pode ser definida como uma célula cilíndrica tendo uma razão entre altura e diâ- metro menor que 1,0. A célula de tipo botão de zinco/ar em miniatura da in- venção tem, tipicamente, um formato cilíndrico semelhante a disco, com di- âmetro entre cerca de 4 e 20 mm, por exemplo entre cerca de 4 e 16 mm, de preferência entre cerca de 4 e 12 mm. A célula de tipo botão de zinco/ar em miniatura tem uma altura entre cerca de 2 e 9 mm, de preferência entre cer- ca de 2 e 6 mm. Uma célula de tipo botão representativa pode ser uma célu- la de tamanho 312, especificamente com 7,92 mm (0,312 polegada) de diâ- metro geral χ 2,87 mm (0,113 polegada) de altura. A célula de tipo botão de zinco/ar em miniatura tem, tipicamente, uma tensão de carga em operação entre cerca de 1,2 Volt e 0,2 Volt. A célula tem, tipicamente, um perfil de ten- são de descarga substancialmente plano, entre cerca de 1,1 Volt e cerca de 0,9 Volt, sendo que a tensão pode, então, cair a zero de maneira razoavel- mente abrupta. A célula de zinco/ar em miniatura pode ser descarregada a uma taxa geralmente entre cerca de 0,2 e 25 miliampères.

A célula da invenção pode conter mercúrio adicionado, por e- xemplo cerca de 3%, em peso, do zinco presente no ânodo, ou pode ser es- sencialmente isenta de mercúrio (célula sem adição de mercúrio). Nessas células sem adição de mercúrio, não há mercúrio adicionado e o único mer- cúrio presente se encontra em quantidades-traço de ocorrência natural com o zinco. Conseqüentemente, a célula da invenção pode ter um teor total de mercúrio menor que cerca de 100, de preferência menor que 40 e, com mais preferência, menor que cerca de 20 partes por milhão (ppm) de partes, em peso, de zinco. (O termo "essencialmente isento de mercúrio", para uso na presente invenção, significa que a célula tem um teor de mercúrio menor que cerca de 100 partes por milhão de partes, em peso, do zinco.) A célula da presente invenção pode ter uma quantidade muito pequena de aditivo de chumbo no ânodo. Caso seja adicionado chumbo ao ânodo, o teor de chum- bo na célula pode, tipicamente, situar-se na faixa entre cerca de 100 e 1.000 ppm do zinco no ânodo. No entanto, a célula desejavelmente não contém quantidades adicionadas de chumbo e, portanto, pode ser essencialmente isenta de chumbo, ou seja, o teor total de chumbo é menor que 30 ppm, de- sejavelmente menor que 15 ppm do zinco presente no ânodo.

A célula de tipo botão de zinco/ar 100 da invenção é mostrada nas figuras 1 e 1A. A célula de zinco/ar 100 é caracterizada por ter somente um compartimento, especificamente o compartimento do ânodo (envoltório do ânodo) 260. O compartimento do ânodo 260 tem a configuração de uma "lata", com uma extremidade fechada 261, uma extremidade aberta oposta 268 e paredes laterais integrais 263 dispostas entre as mesmas. O compar- timento do cátodo (envoltório do cátodo) que é, convencionalmente, empur- rado sobre as paredes laterais do envoltório do ânodo nessas células de tipo botão foi eliminado. No lugar do envoltório do cátodo, há um conjunto de tampa 120 da invenção, compreendendo um disco metálico de suporte subs- tancialmente plano 150. O conjunto de tampa 120 compreende um disco de vedação isolante 330, um disco metálico de suporte 150 e um conjunto de cátodo 230, bem como um material difusor de ar 231 subjacente aos orifícios para ar 243 no disco metálico de suporte 150. Os componentes que com- preendem o conjunto de ânodo 120 da invenção são melhor mostrados nas figuras 1 e 3.

A célula de zinco/ar 100 compreende um compartimento do â- nodo (envoltório do ânodo) 260 e um conjunto de tampa de extrememidade 120 que é inserido na extremidade aberta 268 do compartimento do ânodo 260, fechando-a. O conjunto de tampa de extremidade 120 compreende um disco metálico de suporte 150, um disco de vedação isolante 330, um con- junto de cátodo 230 e um difusor de ar 231 disposto sobre o conjunto de cá- todo 230. A extremidade fechada 261 do compartimento do ânodo 260 com- preende uma superfície plana ou substancialmente plana 261a, a qual se estende ao longo de pelo menos uma porção majoritária do diâmetro do compartimento do ânodo. De preferência, a superfície plana 261a se esten- de a partir do centro 262 da extremidade fechada 261 para cobrir a maior parte da dita extremidade fechada 261. A superfície plana 261a termina em um braço curto estendendo-se para cima 261b, o qual termina em um desní- vel circunferencial estendendo-se para fora 261c, o que forma a borda da extremidade fechada 261. O desnível circunferencial 261c, por sua vez, ter- mina em uma parede lateral vertical integralmente formada 263, a qual forma o corpo do compartimento do ânodo 260. A parede lateral 263 termina em uma borda periférica paralela 266, a qual tem um desnível para fora, de mo- do a ter um diâmetro interno ligeiramente maior que o diâmetro interno da dita parede lateral 263. É formada, assim, uma pequena saliência circunfe- rencial integral 264, voltada para o interior da célula e situada entre a parede lateral 263 e a borda periférica 266. Além disso, pode haver uma reentrância ou sulco circunferencial 265 sobre a superfície externa da parede lateral 263, na junção da borda periférica 266 com a parede lateral 263. Conforme mos- trado na figura 1, a pequena saliência circunferencial 264 oferece um apoio ao disco de vedação isolante 330, quando este é inserido no compartimento do ânodo 260.

O conjunto de tampa 120 da invenção é inserido na extremidade aberta 268 do envoltório do ânodo 260, para lacrar a dita extremidade aber- ta. O conjunto de tampa de extremidade 120 compreende um disco metálico de suporte 150, um disco de vedação isolante 330 que isola o disco metálico de suporte 150 do compartimento do ânodo 260, um conjunto de cátodo 230 subjacente ao disco metálico de suporte 150, e um material difusor 231 sub- jacente aos orifícios para ar 243 presentes no disco metálico de suporte 150, e inserido no espaço para entrada de ar 288 entre o disco metálico de supor- te 150 e o conjunto de cátodo 230. O disco metálico de suporte 150 está em comunicação elétrica com o conjunto de cátodo 230. Portanto, a superfície exposta sobre o corpo 152 do disco metálico de suporte 150 serve como um terminal positivo da célula. Como pode ser visto nas figuras 1 e 1A, o dito terminal positivo 152 está eletricamente isolado do compartimento do ânodo 260, por meio do disco de vedação isolante 330 disposto entre os mesmos. Os componentes do conjunto de tampa de extremidade 120, especificamen- te o disco metálico de suporte 150, o conjunto de cátodo 230 e o disco de vedação isolante 330, se "encaixam" uns aos outros. O conjunto de tampa 120 como um todo se "encaixa" à borda periférica 266 do compartimento do ânodo 260. O conjunto de tampa 120 é mantido firmemente e permanente- mente em seu lugar, dentro do dito compartimento do ânodo, quando a bor- da periférica 266 do compartimento do ânodo 260 é franzida sobre a borda do disco metálico de suporte 150.

O disco isolante 330 é feito de um material durável eletricamente isolante, como polietileno de alta densidade, polipropileno ou náilon, que re- siste tanto ao fluxo a frio quando sob compressão, como ao ataque pelo ele- trólito alcalino. Em uma modalidade preferencial (figuras 1 e 1A) o disco de vedação isolante 330 está na configuração de um anel, de preferência em náilon, com um grande núcleo central aberto 337 (figura 3). O disco isolante 330 tem um corpo de anel 332 e uma borda periférica integral 333 que se estende verticalmente para cima a partir do dito corpo do anel 332 (figura 1). Há uma saia circunferencial integralmente formada 334 estendendo-se para baixo a partir do dito corpo do anel 332. A porção inferior 336 da borda peri- férica 333 tem suficiente largura para encaixar-se a, e apoiar-se contra, a superfície interna da saliência do compartimento do ânodo 264 (figuras 1 e 1A). Conforme mostrado, .a saia 334 do lacre isolante 3.30 inclina-se ligeira- mente para dentro, de modo a não interferir com o apoio do disco isolante 1,1 330 sobre a saliência da parede lateral do compartimento do ânodo 264. Também, o corpo do anel 332 tem uma prateleira circunferencial integral- mente formada 335, que estende-se para dentro a partir do dito corpo do anel 332 e em direção ao interior da célula, conforme mostrado nas figuras 1 e 1A. A prateleira 335 oferece um apoio à borda periférica 154 do disco me- tálico de suporte 150, quando o disco de suporte 150 é inserido na extremi- dade aberta 268 do compartimento do ânodo 260.

O disco metálico de suporte 150 é empregado na presente in- venção para fechar a extremidade aberta 268 do compartimento do ânodo 260, em vez do envoltório de cátodo convencional. Ao contrário do envoltório de cátodo convencional, o disco metálico de suporte 150 da invenção é es- sencialmente um disco plano sem paredes laterais que se estendam. Tam- bém ao contrário dos envoltórios de cátodo convencionais para células de tipo botão de zinco/ar, o disco metálico de suporte 150 da invenção fica em contigüidade à "superfície interna" do compartimento do ânodo 260, com o material de vedação isolante 330 disposto entre os mesmos. Em contraste, o compartimento de cátodo convencional para células de tipo botão de zin- co/ar tem paredes laterais que são empurradas sobre a superfície externa das paredes laterais do compartimento do ânodo, com o material de veda- ção isolante disposto entre as mesmas. O disco metálico de suporte 150 é formado por uma placa de corpo plana ou substancialmente plana 152, em formato de disco. Há pelo menos um orifício para ar 243 e, tipicamente, uma pluralidade de orifícios para ar, por exemplo entre cerca de 2 e 6 orifícios para ar 243 atravessando a placa de corpo 152. O tamanho do orifício para ar pode variar em tamanho, mas situa-se, tipicamente, entre cerca de 0,114 e 0,305 mm (0,0045 e 0,012 polegadas), e pode ser um pouco maior ou me- nor, dependendo do tamanho da célula. A borda periférica 154 do disco me- tálico de suporte 150 é curvada para dentro, para dobrar-se em uma borda em formato de U, subjacente à superfície inferior da placa de corpo do su- porte metálico 152. A borda de extremidade franzida 156 do disco metálico de suporte 150 se comprime contra, e portanto se "encaixa" a, pelo menos uma porção inferior 236a da borda periférica 236 no conjunto de cátodo 230. Conforme a borda franzida do suporte de metal 156 se comprime contra a borda periférica 236 do conjunto de cátodo 230, uma depressão circunferen- cial (reentrância) 236a pode ser formada sobre a borda externa 236 do con- junto de cátodo 230, conforme mostrado nas figuras 1 e 1A. A borda em formato de U 154 do disco de suporte 150 fica em contigüidade à superfície interna da borda periférica 333 do disco de vedação isolante 330. O disco de vedação isolante 330, por sua vez, se encaixa à borda periférica 266 do compartimento do ânodo 260.

Especificamente, o disco de vedação isolante 330 tem uma bor- da periférica 333 que termina com uma borda de fundo em desnível 336. Quando o disco de vedação isolante 330 é inserido no compartimento do ânodo 260, a borda periférica 333 do dito disco de vedação 330 se encaixa à sua borda de fundo 336, com a saliência da parede lateral 264 na superfície interna do compartimento do ânodo 260. Quando o conjunto de tampa 120 é inserido na extremidade aberta 268 do compartimento do ânodo 260, o en- caixe do dito conjunto de tampa de extremidade 120 com o compartimento do ânodo 260 e apertado e tornado permanente mediante franzimento da borda periférica 266 do compartimento do ânodo 260 sobre a borda do disco metálico de suporte 150. Durante o franzimento, forças axiais ao longo do eixo longitudinal 110 são aplicadas ao compartimento do ânodo 260, en- quanto se dobra, simultaneamente, a borda franzida 267 do compartimento do ânodo 260 sobre o disco metálico de suporte 150. As forças radiais são, também, aplicadas durante o processo de franzimento, de modo que a borda periférica do compartimento do ânodo 266 seja radialmente comprimida con- tra a borda do conjunto de tampa de extremidade 120, e os componentes do conjunto de tampa de extremidade também sejam radialmente comprimidos uns contra os outros. Essa compressão radial serve para otimizar o encaixe entre os componentes do conjunto de tampa de extremidade 120. A com- pressão radial serve, também, para otimizar o encaixe entre o conjunto de tampa de extremidade 120 como um todo e a superfície interna do compar- timento do ânodo 260. Isso produz um lacre permanente e muito firme,-que resiste ao vazamento de eletrólito durante o uso normal da célula, e mesmo quando esta é descarregada à taxas altas.

De preferência, o compartimento do ânodo 260 é formado por um material trirevestido composto por aço inoxidável com uma camada de cobre em sua superfície interna e uma camada de níquel em sua superfície externa. A camada de cobre é folheada ou revestida sobre a superfície interna do aço inoxidável de modo que, na célula montada, o material de ânodo em zinco 450 entre em contato com a camada de cobre. A placa de cobre é desejada porque proporciona uma rota altamente condutiva para elétrons passando do ânodo 450 para o terminal negativo, tipicamente a extremidade fechada 261 do compartimento do ânodo. A espessura total da parede do compartimento do ânodo 260 situa-se entre cerca de 0,0254 mm (0,001 polegadas) e 0,38 mm (0,015 polegadas), desejavelmente entre cerca de 0,0508 e 0,381 mm (2 e 15 mil), por exemplo entre cerca de 0,152 e 0,381 mm (6 e 15 mil). De pre- ferência, o compartimento do ânodo 260 tem uma espessura total da parede entre cerca de 0,0508 e 0,127 mm (2 e 5 mil). O disco metálico de suporte 150 é, de preferência, formado por aço rolado a frio niquelado. O disco metáli- co de suporte 150 é formado por uma placa de corpo substancialmente plana 152 tendo uma borda franzida 154 em formato de U, conforme descrito acima. O disco metálico de suporte 150 tem, desejavelmente, uma espessura de pa- rede uniforme, entre cerca de 0,102 e 0,203 mm (4 e 8 mil), de preferência entre cerca de 0,102 e 0,152 mm (4 e 6 mil). O compartimento do ânodo 260 (envoltório do ânodo) contém uma mistura de ânodo 450 compreendendo zinco particulado e eletrólito al- calino aquoso. O zinco particulado está, desejavelmente, em uma liga tendo entre cerca de 100 e 1.000 ppm de índio. As partículas de zinco podem, também, ser folheadas com índio adicional, de preferência entre cerca de 100 e 1.500 ppm de índio. Um conjunto de cátodo catalítico 230 contendo um material de composto catalítico 234 (figura 2) fica posicionado de modo a estar subjacente ao disco metálico de suporte 150 e próximo aos orifícios para ar 243. A borda do conjunto de cátodo 230 se encaixa à borda de ex- tremidade 156 do disco metálico de suporte 150. O compósito catalítico em formato de disco 234 compreende uma mistura de cátodo catalítico 233 apli- cada como revestimento sobre uma tela de malha 237. Durante a descarga da célula, o material catalítico 233 facilita a reação eletroquímica com o oxi- gênio do ambiente, que entra através dos orifícios para ar 243. O selante adesivo 510 (figura 1A), de preferência asfalto ou adesivo à base de polia- mida, pode ser aplicado entre a borda periférica 333 do disco de vedação isolante 330 e a borda periférica 266 do compartimento do ânodo 260. Esse selante adesivo, por exemplo asfalto ou selante à base de poliamida, pode também ser aplicado à junção de encaixe entre o disco metálico de suporte 150 e o conjunto de cátodo 230, especificamente entre a borda do conjunto de cátodo 236a e a borda de extremidade franzida do suporte de metal 156. De maneira similar, esse selante adesivo, de preferência asfalto ou adesivo à base de poliamida, pode ser aplicado entre a borda franzida 154 do disco metálico de suporte 150 e a superfície interna da borda periférica 333 do disco de vedação isolante 330 (figura 1 A).

Um conjunto de cátodo catalítico 230 (figuras 1 e 2) pode ser formado mediante a laminação de uma camada de material de película de barreira hidrofóbica para eletrólito 235, de preferência Teflon (politetrafluoro- etileno), em um lado do material de composto catalítico 234, e um material separador permeável a íons 238 no lado oposto. O separador 238 pode ser selecionado dentre materiais separadores convencionais permeáveis a íons, inclusive celofane, cloreto de polivinila, acrilonitrila e polipropileno micropo- roso. A película de barreira para eletrólito 235, de preferência em Teflon, tem a propriedade de ser permeável a ar e, ainda assim, evitar que a água e o eletrólito passem através da mesma. Em uma modalidade preferencial, uma lâmina de barreira para eletrólitos 232 separada (figura 2), de preferência de Teflon, pode ser aplicada sobre a lâmina de barreira para eletrólitos 235. Nesta modalidade, a camada adicional de barreira para eletrólitos 232 pode ser considerado como parte do conjunto de cátodo 230. O material de mata- borrão do difusor de ar convencional 231 consiste em papel permeável ou material celulósico poroso que é inserido no espaço da entrada de ar 288, entre o disco metálico de suporte 150 e o conjunto de cátodo 230. O material difusor de ar 231 fica em posição adjacente aos orifícios para ar 243 no dis- 1,1 co metálico de suporte 150.

O compósito de cátodo catalítico 234 compreende, desejavel- mente, uma mistura de cátodo catalítico 233 de óxidos de manganês particu- lados, tipicamente dióxido de manganês, carbono e aglutinante hidrofóbico, a qual é aplicada mediante métodos convencionais de revestimento a uma superfície de uma tela eletricamente condutiva 237. A tela 237 pode ser de fibras metálicas tecidas, por exemplo fibras de níquel ou de aço niquelado. O compósito de cátodo 234 é feito com o formato de um disco. Outros materi- ais catalíticos podem estar incluídos em mistura de cátodo 233, por exemplo metais como prata, platina, paládio e rutênio, ou outros óxidos de metais ou manganês (MnOx) e outros componentes conhecidos por catalisar a reação de redução do oxigênio. Durante a aplicação, a mistura catalítica 233 é subs- tancialmente absorvida na malha porosa da tela 237. O dióxido de manga- nês usado na mistura catalítica 233 pode ser dióxido de manganês conven- cional de grau para bateria, por exemplo dióxido de manganês eletrolítico (DME). O dióxido de manganês na mistura catalítica 233 pode ser formado a partir da decomposição térmica de nitrato manganoso Mn(N03)2 ou perman- ganato de potássio KMnO4 e, portanto, pode incluir outros óxidos de manga- nês, como Mn2O3 e Mn3O4. O carbono usado na preparação da mistura 233 pode estar sob diversas formas, inclusive grafite, negro de carvão e negro de acetileno. Um carbono preferencial é o negro de carvão, devido a sua alta área superficial. Um aglutinante hidrofóbico adequado pode ser o politetraflu- roetileno (Teflon). A mistura de cátodo catalítico 233 pode compreender en- tre cerca de 3% e 15%, em peso, de óxidos de manganês (por exemplo, MnO2), entre cerca de 10% e 50%, em peso, de carvão, tipicamente entre cerca de 10% e 40%, em peso, de negro de carvão, e o restante em agluti- nante. Durante a descarga da célula, a mistura catalítica 233 age principal- mente como um catalisador para facilitar a reação eletroquímica envolvendo o ar entrante. No entanto, quantidades adicionais de dióxido de manganês, bem como de eletrólito, podem ser adicionadas ao catalisador, e a célula pode ser convertida em uma célula de zinco/ar. auxiliada por ar. Nessa célu- la, que pode, também, estar sob a forma de uma célula de tipo botão, ao menos uma porção de dióxido de manganês se torna descarregada, ou seja, parte do manganês é reduzido durante a descarga eletroquímica, juntamente com o oxigênio entrante. As reações eletroquímicas básicas na célula de zinco/ar são conforme exposto a seguir:

No lado do cátodo, o oxigênio que entra é reduzido pela seguinte reação, consumindo elétrons:

1/2 O2 + H2O + 2e = 2[OH]" Equação 1 No lado do ânodo, as partículas de zinco são oxidadas, liberando elétrons: Zn - 2e = Zn+2 Equação 2 Zn+2 + 2[OH]' = ZnfOHlp Equação 3 O ZníOHj? é um precipitante. Conforme a célula se descarrega, especialmente com disponibilidade limitada de KOH e uma baixa quantidade de água no sistema, o Zn[OH]2 começa a se decompor em ZnO e H2O, con- forme exposto a seguir:

Zn[OHj2 = ZnO + H2O Equação 4

Portanto, a reação geral para a célula pode ser obtida mediante a adição das reações 1,2,3 e 4, para resultar em: Zn + 1/2 O2 = ZnO Equação 5

Simultaneamente, há uma emissão gradual de gases ocorrendo principalmente por meio da reação apresentada a seguir, a qual reduz o teor de água da célula e produz gás hidrogênio e ZnO adicional: Zn + H2O = ZnO + H2 Equação 6

O ZnO eventualmente se acumula na célula, para revestir e neu- tralizar as partículas de zinco, resultando em uma redução no uso de zinco até que a célula deixe de funcionar. Se a célula não estiver adequadamente lacrada, o eletrólito pode fluir ao longo de superfícies fracamente lacradas e, eventualmente, vazar da célula. O acúmulo de gás hidrogênio na célula tam- bém pode promover o vazamento de eletrólito. O conjunto de tampa de ex- tremidade 120 da invenção produz um lacre hermético muito firme, o qual reduz a chance de vazamento de eletrólito, a despeito de qualquer emissão de gases que ocorra na célula.

Em outro exemplo não-limitador específico, o tamanho da célula pode ser um tamanho padrão 312 de célula de zinco/ar tendo um diâmetro externo entre cerca de 7,68 e 7,73 mm (0,3025 e 0,3045 polegadas) e uma altura entre cerca de 3,30 e 3,52 mm (0,1300 e 0,1384 polegadas). O ânodo 450 pode conter uma quantidade de mercúrio adicionado correspondente a zero (o teor de mercúrio pode ser menor que 100 ppm, com base no zinco) e pode ter a seguinte composição representativa: 78,0%, em peso, de zinco (o zinco pode estar em liga com índio e chumbo, a um teor de 200 a 1.000 ppm cada), 22,0%, em peso, de eletrólito (35%, em peso, de KOH e 2%, em pe- so, de ZnO) e 0,3%, em peso, de agente gelificante (Waterlock J-550). É fornecida uma quantidade de material de ânodo 450 suficiente para preen- cher a maior parte do volume interno disponível do compartimento do ânodo 260, tipicamente entre cerca de 70% e 90%, para permitir a expansão do ânodo de zinco mediante a descarga da célula. O cátodo catalítico 233 pode ter a seguinte composição: 12,9%, em peso, de MnO2, 38,7%, em peso, de negro de carvão, 48,4%, em peso, de aglutinante Teflon, o que é revestido sobre uma tela de malha em aço niquelado 237. O material de cátodo 233 pode, tipicamente, corresponder a cerca de 0,015 g, e o total do compósito de cátodo 234 (cátodo 233 mais a tela de malha 237) pode corresponder a cerca de 0,16 g.

Na montagem, o material de ânodo 450 é inserido primeiro no compartimento do ânodo 260. Um conjunto de tampa de extremidade 120 compreendendo o disco de vedação isolante 330, o disco metálico de supor- te 150 e os componentes do conjunto de cátodo 230, conforme mostrado nas figuras 1 e 3, pode ser montado. O disco de vedação isolante 330 é in- serido na extremidade aberta 268 do compartimento do ânodo 260, de modo a ficar adequadamente apoiado contra a saliência interna 264 do comparti- mento do ânodo. O conjunto de cátodo 230 pode ser inserido contra o lado inferior do disco metálico de suporte 150. A borda periférica 154 do disco metálico de suporte pode, então, ser curvada para dentro, de modo a dobrar- se em uma borda em formato de U terminando em uma borda de extremida- de 156 que comprime, aperta ou se enterra na borda 236a do conjunto de cátodo, encaixando assim o cátodo ao disco de suporte (figuras 1 e 1A). En- caixados, o suporte de metal 150 e o conjunto de cátodo 230 são, então, inseridos sobre o disco de vedação isolante 330, de modo que a borda fran- zida 154 do disco metálico de suporte 150 se apoie adequadamente sobre a prateleira interna do lacre isolante 335. A borda periférica 266 do comparti- mento do ânodo 260 é, então, franzida sobre o disco metálico de suporte 150, conforme descrito acima, sendo aplicadas forças tanto axiais como ra- diais à borda periférica do compartimento do ânodo 266, simultaneamente curvando a borda periférica 266 sobre o disco metálico de suporte 150. A célula completa resultante, com o conjunto de tampa 150 travado em seu lugar dentro do conjunto de ânodo, é mostrada na figura 4.

Embora a invenção tenha sido descrita em relação a diversas modalidades específicas, deve-se considerar que outras modalidades são possíveis sem se afastar do conceito da invenção. Portanto, a presente in- venção não tem a intenção de limitar-se às modalidades específicas mas, em vez disso, seu escopo é refletido pelas reivindicações e equivalentes.

Claims

1. Célula de metal/ar despolarizada compreendendo um envoltó- rio do ânodo compreendendo uma extremidade aberta e uma extremidade fechada oposta com uma parede lateral integral entre as mesmas, um ele- mento de suporte de metal inserido na extremidade aberta do dito envoltório do ânodo para fechar a dita extremidade aberta, um material de ânodo com- preendendo partículas de zinco, e eletrólito alcalino aquoso no interior do dito envoltório do ânodo, em que o dito elemento de suporte de metal tem um corpo em formato de disco com borda periférica circundante, sendo que a dita célula compreende, ainda, um material de vedação isolante em que pelo menos uma porção do dito material de vedação isolante fica disposta entre o elemento de suporte de metal e o envoltório do ânodo para isolar eletricamente o dito elemento de suporte de metal do dito envoltório do âno- do, e um cátodo subjacente ao dito elemento de suporte de metal, quando a célula é vista em posição vertical com o dito elemento de suporte de metal no topo, em que o dito envoltório do ânodo tem uma superfície interna volta- da em direção ao interior da célula, e uma superfície externa voltada para o lado oposto do dito interior da célula, e em que o dito material de vedação isolante fica em contigüidade a uma porção maior da superfície interna do dito envoltório do ânodo do que a superfície externa do mesmo.

2. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o dito ele- mento de suporte de metal tem um corpo substancialmente plano em forma- to de disco, delimitado por uma borda periférica circundante e pelo menos um orifício para ar através do dito corpo substancialmente plano.

3. Célula, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que não há qualquer porção do dito material de vedação isolante que esteja em contigüidade a qualquer porção da superfície externa do dito en- voltório do ânodo.

4. Célula, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o dito elemento de suporte de metal funciona também como um ter- minal positivo para a dita célula.

5. Célula, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a dita célula tem um formato cilíndrico, com uma razão entre altura e diâmetro inferior a 1,0.

6. Célula, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a dita célula tem um formato cilíndrico com diâmetro entre 4 e 20 mm, e altura entre 2 e 9 mm.

7. Célula, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, emm que a dita célula compreende menos que 100 partes, em peso, de mercúrio por milhão de partes, em peso, de zinco.