一种改进设计的救生定位灯的制作方法

本发明涉及电池驱动灯光领域，具体涉及救生定位灯的改进设计。

背景技术

飞机和航海船舶的乘客和机组人员或船员必须配备由水激活电池(wab)供电的救生定位灯的救生衣。用于船舶上的水激活电池通常包括安全、可靠和经济的锂基动力电池。但是，由于存在爆炸的可能，锂基动力电池被禁止用于飞机的水激活电池。相反，已被开发的水激活电池包含连接到灯的干电极，使得浸入水中导致水进入水激活电池外壳中的孔隙，充满电极之间的间隙并溶解水激活电池中包含的盐以提供离子，从而在为灯供电的电极之间产生离子电流。

根据救生定位灯的航空航天标准as4492，水激活电池需要在浸入淡水10分钟内和在浸入海水5分钟内点亮具有特定光强度的灯，并且保持该光强度至少八个小时。这种水激活电池也被要求保质期长。不幸的是，湿度往往会引起与水浸激活相同的反应，而在世界的一些地方如牙买加、佛罗里达和香港都有炎热潮湿的环境。因此，水激活电池中使用的化学品需要满足相互矛盾的要求，既要在炎热潮湿的环境中保持稳定，又要易于通过浸入水中来激活。

这种类型的延迟作用电池已为人所知数十年，并且这种电池的各种实施方案及其制造和使用的方法以及它们的组成部件的制造方法已在美国专利中得到描述，特别是在美国专利号2,491,640、2,636,060、2,655,551、2,658,935、2,716,671、2,817,697、3,343,988、3,859,136、3,953,238、4,016,339、4,192,913、4,261,853、4,332,864、4,368,167、4,487,821、4,803,135和4,822,698中。

us2,491,640描述了一种此类伏打电池，其特别用于在海上操作紧急信号。该信号可以是灯光以指示有人因沉船事故或其它原因陷入困境。它也可以是漂浮在水面上发出可以在远处检测到的信号的电子设备。该电池适用于为信号供电并通过浸入水中而被激活，水可以是内陆湖泊或河流的淡水或海洋的盐水。

这种电池主要包括通常为镁合金的阳极和通常为银或铜卤化物的阴极，其中储存能量的释放通过将电池浸入海水中而启动，海水充当阳极和阴极之间的导电电解质。

与此类伏打电池相关的最早期专利大多使用基于氯化亚铜的阴极，而较近期的专利如us4,192,913和us4,261,853则描述了基于硫氰酸亚铜的阴极。

例如，khasin等人的us5,424,147描述了一种水激活延缓作用电池，其具有包含至少一个电池的外壳，所述电池包括至少一个阳极，所述阳极选自镁、铝、锌及其合金；阴极，所述阴极包括骨架，所述骨架包括导电金属并且其表面区域的一部分形成为开放空间，并且还包括包围所述骨架的活性阴极材料的热压刚性静态床，所述阴极材料由氯化亚铜、硫、碳和可水离子化的盐形成，并且所述阴极材料在压力下被压缩和熔融并加热自身和骨架，从而形成热熔融导电电化学活性相；至少一个空腔，其分隔阴极和所述至少一个阳极，以及至少一个孔，其用于将形成电解质的含水液体导入所述至少一个空腔。

文献中描述的其它阴极包括硫酸铜、氯化铅、碘化铜、氧化铅或过硫酸钾作为活性材料。但是，所有上述材料都存在以下一个或多个问题：

·储存时对湿度的敏感性导致阴极膨胀，直到阳极和阴极之间的空腔不再存在；

·造成电极短路以及电池放电，激活时快速溶解于水中导致早期失效；

·成本高；

·使用有毒物质。

众所周知有各种方法可保护阴极不受高湿度的影响。这些方法包括采用具有低水蒸气透过率(wvtr)的水溶性薄膜，以及堵塞所述孔的机械塞，其通过救生衣充气膨胀而被自动移除。不幸的是，这种水溶性薄膜在低或中等湿度下具有低的水蒸气透过率，但在高湿度下所述薄膜却具有较高的水蒸气透过率，并因此而失效。此外，在多年的持续储存后，所述薄膜的溶解时间会很长。自动移除的栓塞对于每个救生衣而言是昂贵且笨重的附件。

在保持完全符合国际航空航天标准的同时，感兴趣的方面在于高湿度环境中延长救生定位灯的产品寿命、缩短浸泡至灯亮的时间以及降低单位成本。

技术实现要素：

本发明的第一方面涉及提供一种水激活电池，其包括：

a)至少一个阳极，所述至少一个阳极选自镁、铝、锌及其合金；

b)阴极，所述阴极包括支撑至少一种碱式铜盐的骨架，所述碱式铜盐包括cu(oh)2与铜盐(n-1)cux的结合，其中(n-1)为碱式铜盐中cux与cu(oh)2之间的摩尔比，使得在盐水中与镁阳极的放电反应可写成

nmg+cu(oh)2·(n-1)cux＝mg(oh)2+(n-1)mgx+ncu，所述阴极还包括可溶性离子导电材料；

c)至少一个空腔，用于分隔所述阴极和所述至少一个阳极；和

d)壳体，所述壳体包围所述至少一个阳极、所述阴极和所述空腔；

e)位于所述壳体底部的下孔，用于注入水和用于排放在水浸反应后的比水重的固体产物，和

f)位于所述壳体顶部附近的上孔，用于排放在水浸反应后产生的氢气，

其中，所述上孔的位置低于所述空腔的顶部以提供用于捕获氢气的空隙，使得氢气在积聚一定量后才经由所述上孔从所述空腔排出，并且以大气泡排出。

通常，碱式铜盐选自包括碱式硫酸铜、碱式碳酸铜、碱式醋酸铜(铜绿)和碱式氯化铜的组别。

任选地，所述碱式铜盐被压缩并自身熔附和熔附至所述骨架上，以形成热熔导电电化学活性材料。

在一些实施方案中，所述阴极的部分表面形成为开放空间。

通常，所述阴极还包括电子导电材料。

通常，所述电子导电材料选自包括石墨、碳黑和碳纤维的组别。

通常，所述离子导电材料包括碱金属元素、碱土金属元素或过渡金属元素的盐。

通常，所述离子导电材料包括卤化物或硫酸盐。

通常，所述离子导电材料还包括非吸湿性的可溶性盐。

任选地，粘合剂材料包括氟聚合物、高岭土、石蜡或硫。

在一些实施方案中，所述阴极材料在压缩期间或之后通过加热自身熔附。

在一些实施方案中，所述阴极材料还包括硫酸铜。

任选地，所述阳极和所述阴极是平行平板。

作为替代方案，所述阳极是中空圆柱体，所述阴极是嵌入在所述阳极内的较小圆柱体，并且在所述阳极和所述阴极之间不发生接触。

作为替代方案，所述阴极是中空圆柱体，所述阳极是嵌入在所述阴极内的较小圆柱体，并且在所述阳极和所述阴极之间不发生接触。

附图说明

现在将参照以下说明性附图并结合一些优选实施方案来描述本发明，以便可以更全面地理解本发明。

现在具体参照附图详细说明，需要强调的是所显示的细节仅作为示例，仅出于对本发明的优选实施例进行说明性讨论的目的，并且用于提供确信是对本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述。就此而言，并非试图示出超出对本发明基本理解所需的更详细的本发明的结构细节，参照附图的描述使得本领域技术人员知晓本发明的几种形式可如何在实践中实施。

在附图中：

图1是根据本发明的电池的一个优选实施方案的透视示意图；

图2是阴极的透视示意图；

图3是具有壳体的现有技术电池的示意图，该壳体具有在底部的第一孔和在顶部的第二孔；该电池被浸入水中并且示出电池反应的重产物从底孔排出并且氢气小气泡从顶孔排出；

图4是具有壳体的本发明电池的示意图，所述壳体具有在底部的下孔和在顶部的上孔；所述电池被浸没在水中并且示出电池反应的重产物从下孔排出，并且由于上孔上方的空隙，氢气积聚在空隙中并且作为大气泡从上孔排出；

图5a是示出图3所示的现有技术电池和图4所示的本发明电池之间的激活时间差异的曲线图；和

图5b是示出图3所示的现有技术电池与之间的图4所示的本发明电池之间的有效放电寿命差异的曲线图。

具体实施方式

本发明涉及一种水激活延迟作用电池和一种用于制造这种电池的阴极的方法。

更具体而言，本发明涉及一种适于通过浸入水中而被激活的延迟作用电池。例如，这种电池可以用于在淹没的情况下为救生衣上的应急灯和警报器自动供电。

本发明的实施方案涉及这种救生定位灯及其电池。

存在此种电池和灯具必须通过的标准湿度测试，例如1995年12月颁布并于2004年11月18日重新确认的sae国际航空航天标准(as)4492救生定位灯、rtca/do-160c和rtca/do-160e。

在保持完全符合国际航空航天标准的同时，感兴趣的方面在于高湿度环境中延长救生定位灯的产品寿命、缩短浸泡至灯亮的时间以及降低单位成本。本发明的实施方案涉及此种救生定位灯及其电池。

参照图1，示出了具有单个电池的水激活延迟作用电池10。电池10包括两个间隔开的阳极12，每个阳极都具有薄板的形式。阳极12由选自包括镁、铝、锌及其合金的金属制成。特别优选镁合金。

每个阳极12与塑料电池壳体16的主要内表面14相邻地保持平行。两个阳极12并联连接至从壳体16外部可到达的负极端子18。

阴极板20位于阳极12之间，其通常具有大于阳极12的厚度，但具有与每个阳极12大致相同的面积。含有空气和任选的隔离层(未示出)的空腔22被包括在阴极板20与每个阳极12之间，以在电池10处于未激活状态时，使阴极20与阳极12电绝缘。电池具有通常为塑料的壳体16。在壳体16中设置有两个孔23、28，一个靠近壳体底部，另一个靠近壳体顶部。两个孔将空腔22连接至壳体16外部的环境。孔23在壳体16的底部具有入口23，并且用于形成电解质的含水液体(通常为水)的进入，并且还允许反应产物例如固体氢氧化物和氧化物从空腔22中排出。第二孔28是靠近壳体16的顶部的出口，其在电池10浸入水中时用于允许空气从壳体16逸出，使得水可以进入电池10以开始产生电力的工作。孔28还允许随后在电池10工作期间逐渐产生的氢气逸出。在一个优选实施例中，更高的孔25位于壳体16的相对表面上。在一些实施例中，设置多于一个的通气孔28。

电池10通常直接并且无开关地连接到灯50并且通常连接到救生衣(未示出)。在浸入水中时，电池10被激活并且灯被点亮。

在题为“水激活电池”共同未决申请ussn15/041,401(pct申请号pct/il2017/050026)中，申请人公开了包括碱式铜盐例如碱式硫酸铜或碱式碳酸铜的阴极板20。与khasin等人的us5,424,147中所描述的电池不同，碱式铜盐具有低水溶性，非常有用，根据本发明的电池10的电池孔23、28不需要用水溶性膜进行密封以在使用前保护电池10并延长其保存期限。不使用这种膜降低了激活时间，降低了产品的复杂性，从而也降低了制造成本。

阴极板20由许多材料制成，但尤其是碱式铜盐，如碱式硫酸铜、碱式碳酸铜、碱式醋酸铜(铜绿)cu(ch3coo)2·cuo·xh2o和碱式氯化铜cucl2·3cu(oh)2。

与khasin等人的us5,424,147中所描述的电池不同，由于碱式硫酸铜和所列出的其它碱式铜盐基本不溶于水，非常有用，所以根据本发明的电池10的电池孔23、28不需要被水溶性膜密封以在使用前保护电池10并延长其保存期限。

活性阴极材料可以进一步包括提供电子的碳以及硫、聚合物粘合剂，例如氟聚合物、石蜡和/或水可电离的盐。碳可适合作为石墨、碳纤维或碳黑提供，其中优选碳黑。

提供水可电离的盐用于在浸入淡水例如湖水时提供离子。

碱式硫酸铜与镁基阳极在水中的放电反应可以是：

cuso4+mg→cu+mgso4以及cu(oh)2+mg→cu+mg(oh)2

可以添加硫的原因是阴极中存在的硫将通过这些放电反应产生的任何铜转化为cus，这增加了电池的能含量。

还有一些mg与水产生氢气的寄生反应。

mg+2h2o→mg(oh)2+h2

现在参照图2，更详细地示出了阴极板20的一个实施方案。阴极板20包括骨架24，骨架24包括导电金属并且其表面区域的一部分形成为开放空间30。阴极板20的主体包括活性阴极材料的热压刚性静态床32，活性阴极材料包括碱式铜盐，例如或包围骨架24的碱式硫酸铜或碱式碳酸铜。

阴极板20在压力下被压缩和加热并且自身熔附和熔附至骨架24上，形成热熔导电电化学活性相。与许多烧结操作一样，通过添加合适的粘合剂材料可以改善由此产生的模型的强度；有利的是，可以加入氟化乙丙烯和/或高岭土以充当辅助粘合剂。骨架24电连接到从壳体16外部可到达的正极端子33。

碱式硫酸铜阴极20制备如下：

称量cuso4·3cu(oh)2·h2o4g(northernmichiganaquatics)、硫1.2g(aldrich)、碳黑1g(cabot)、氯化钠0.25g(aldrich)和fep粉末0.8g(dupont)，放入pascal搅拌器中混合2小时。将8g混合物转移到活塞和圆柱型模具的圆筒中，其中圆筒具有开口面积为72.5mm的模具凹部。首先，将4克混合物倒入模具中并平整，然后将阴极集电器(约20目的预拉伸铜延展金属片或钛条，购自dexmetcorp.)置于其上，再将额外的4克混合物加入到模具中并平整。

然后将标准模具和与其配合的活塞部分闭合。然后将闭合模具在具有加热板(phi)的5吨压机中加热至110℃，并将混合物压制4分钟。在冷却并从模具中取出压缩成型体后，观察到阴极坚固且均匀，厚度为5mm。

参照图3，包括上述阴极20的图1的电池被连接至灯。在将图3的电池浸入淡水后不久，从上部出口28排出稳定的微气泡流27(偶尔有大气泡39)并点亮灯50。碎屑25从下孔23排出。然而，电池花了几乎一小时才能被正确激活，这完全超出了在as4492规范所要求的时间。看起来，钠和氯离子被微气泡流27洗出电池，因此在指定时间内在电池10的空腔22中积累的离子浓度不足，如图5所示。参照图4，改进电池10'基本与图3的电池10相同(进行了必要的修改)，区别在于上孔28'处在壳体16的顶部下方几毫米处，在上孔28'上方的壳体内留下空隙26。当浸入水中时，微气泡向上流入空隙26，并且一旦充满氢气，则氢气泡29就通过孔28'排出。这次，灯50在指定时间内被充分点亮，并保持点亮，如图5所示。看起来，孔28'上方的空隙26所捕获的氢气以大氢气泡的形式被排出。不希望受到理论束缚，认为这些较大的氢气泡29意味着存在小得多的氢气表面—排放的氢气周围的流体界面，并且在表面层中或在气泡排出后，较少的离子被拖曳出壳体16，导致使阴极20与阳极11耦合的溶液基本上更快地变得离子富集。该灯50点亮并保持点亮的时间比as4492规范要求的时间要长许多小时。在本发明中，电池中所需的吸湿盐的量可以通过降低其从电池腔中逸出的速率而大大降低。或者，本发明可以使用不易吸湿的难溶性盐。如果没有本发明，这些盐在电池腔中的浓度不会达到足以正确激活灯泡的足够高的浓度。通过使用非吸湿盐，电池在潮湿环境中的保存期限增加。

参照图5a，示出对比图3的现有技术电池(没有在壳体的顶部增加气隙)与本发明的电池的激活时间(增加如图4所示的气隙)的图。如果没有增加气隙，电池需要花费很长的时间才能点亮灯，并且该时间不符合as4492标准的要求。

参照图5b，示出图3的现有技术的电池与图4所示的本发明电池之间由于浸入冷的淡水而引起的有效放电寿命的差异。

指定光输出的最小电压为0.8伏。清楚地表明，尽管实际上减小了阴极20的尺寸，但在提供气隙时电流持续时间更长。

应当认识到，具有较短的阴极20或切断阴极20的一个或两个顶角是形成用于允许积聚所捕获的氢的空腔22的另一种方式。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明不限于前述说明性实施方案的细节，并且本发明可以以其它具体形式实施而不背离其本质或基本属性。因此，本发明的实施方案在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是由前文的描述来指定，并且落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化形式也被包括在其中。