電化學電池的制作方法

專利名稱：電化學電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及在陽極中結合鋅的電化學電池。本發明特別涉及鋅粉末在陽極中是電化學活性物質的堿性電化學電池。
背景技術：
具有棱柱形或者圓柱形的電化學電池適合于在各式各樣的裝置中被消費者所使用，例如手電筒、收音機和照相機。用于這些裝置的該圓柱形電池一般采用收容兩電極、隔板、大量電解質的管狀金屬容器和包括集電器的蓋板組件。典型的電極材料包括在陰極中作為電化學活性物質的二氧化錳和在陽極中作為電化學活性物質的鋅。氫氧化鉀水溶液是一種通用的電解液。通常由一條或多條紙形成的隔板置于電極之間。電解液迅速地被隔板和陽極吸收。
市場上可買到的圓柱形堿性電池使用包含鋅粉末的陽極。該陽極包含凝膠體、鋅粉末和含水電解質。該凝膠體由粉末凝膠劑與液體接觸而形成，例如電池的含水基底電解液迅速地被凝膠劑所吸收從而形成凝膠體。該鋅顆粒與凝膠體混合并且均勻地分散在全部凝膠體中，使得顆粒—顆粒的接觸在整個陽極上形成導電基質。令人遺憾的是，該凝膠體對電池的成本和壽命性能至少在四個方面產生消極的影響。第一，該凝膠體占據可以用于保持額外鋅粉末的空間，該額外鋅粉末可以增加陽極的電化學容量。第二，被凝膠體占據的空間在放電過程中致力于保持積聚在陽極內部的反應產物，由此延緩或避免了以″陽極關閉″著稱的不利現象。當陽極的反應產物在陽極表面上形成半滲透層時陽極關閉。該層增加了電池的極化由此減少了電池給裝置供應電源的時間。第三，該凝膠劑導致陽極在高速裝配機上難以加工。尤其是，該凝膠體在用于將陽極從陽極制造區域轉移到電池裝配區的導管的內部趨向于形成結塊。該結塊中斷陽極配置加工，其最終增加電池制造成本。第四，該凝膠劑減緩或者阻止了通過陽極的氫氣傳輸，由此抑制了電池的從電池中安全排放氫的能力。如果陽極中產生的氣體不能從陽極和隨后的電池中排除，電池內壓可能增加并且激活電池的安全孔，其實際上終止電池的有效壽命。
對于下述公開的三個專利中，電池制造者探索從堿性電池陽極除去凝膠體的方法。美國專利6,150,052公開了一種利用許多堆疊鋅盤代替顆粒鋅粉末的堿性電池方案。該圓盤之間的空間在電池放電過程中提供用于反應產物積聚的空間，由此延緩或避免導致電池極化增加和導致電池過早失效的反應產物薄膜的生成。同時與那些利用顆粒鋅粉末的類似電池相比較而言，鋅盤的利用是避免陽極極化增加的一個有效方法，該圓盤必須是鋅碎片沖壓、在將它們插入到電池隔板線形空腔中之前進行定位和堆疊。這些額外的步驟增加了電池的制造成本，并且由此對于那些在高速裝配機上每年生產數百萬電池的電池制造者來說，所述″堆疊盤″的電池結構不是經濟適宜的選擇。通過延緩或避免反應產物薄膜在陽極上形成以改善電池運行時間的另一個電池方案實例在美國專利6,627,349中公開。在該專利的一個實施例中利用具有脊狀突起和通過該脊狀突起支撐的許多肋的開槽鋅管。在另一個實施例中，陽極電化學活性物質是具有重疊層的鋅的成卷帶材。令人遺憾的是，US 6,627,349中示出的實施例需要在鋅管中切割槽或切割和卷繞鋅帶的處理步驟。相對于那些利用顆粒鋅粉末的電池這些步驟增加了電池的制造成本。美國專利6,673,494公開了利用發泡鋅網陽極代替包含鋅粉末和凝膠劑的陽極的堿性電池。該說明書教導，由于凝膠劑防礙離子遷移，因此它是不可取的。更具體地說，該說明書建議除去或減少凝膠劑的量使得簡化電池設計并且降低成本。該發明者教導采用折疊的、層狀的或卷繞的發泡鋅網來代替鋅粉末和凝膠劑的混合物。雖然鋅網的使用被說成是比使用由鋅粉末、凝膠劑和電解液的混合物形成的傳統陽極具有更多的優勢，但是該鋅網不能在大部分電池制造者普遍使用的以每分鐘超過300個電池的速度組裝堿性電池的機器中傳遞和配制。從使用鋅粉末的陽極到使用發泡鋅網的陽極的轉變需要電池制造者在新陽極配料設備的設計、制造和安裝上投入大量的金錢。因此，對于已經建立圓柱形堿性電池的生產者來說發泡鋅網的使用不是經濟適宜地。
因此，這就產生對于包含具有鋅粉末作為電化學活性物質的無凝膠陽極的堿性電池的需求。

發明內容
本發明提供一種具有無凝膠陽極的電化學電池，該陽極能夠在處理鋅粉末的高速組裝設備中進行配制。
在一實施例中，本發明的電化學電池包含下列元件。在其中設置有第一電極的容器。第一電極接觸容器和限定空腔。隔板襯墊所述空腔。無凝膠第二電極設置襯墊了隔板的空腔中。第二電極包含具有預組裝振實密度大于1.6g/cc且小于2.9g/cc的鋅粉末。
在另一個實施例中，本發明是使用下列步驟制造電化學電池的過程。在一步驟中，提供其中具有第一電極和隔板的容器。該隔板接觸第一電極和在其中限定空腔。在另一步驟中，提供包含具有預組裝振實密度大于1.6g/cc且小于2.9g/cc的鋅粉末的無凝膠第二電極。在另一步驟中將第二電極設置在空腔中。在又一步驟中將密封件固定到所述容器。


圖1a是鋅顆粒的掃描電子顯微鏡(SEM)的顯微圖；圖1b是鋅附聚物的SEM顯微圖；圖1c是鋅碎片的SEM顯微圖；圖2是傳統堿性電池的橫剖面視圖；圖3是本發明的電池的橫剖面視圖；圖4是用于制造本發明電池中使用的附聚物的壓縮過程的流程圖；圖5是展示運行測試中運行數據的條形圖；圖6是展示另一運行測試中的運行數據的條形圖；和圖7是展示振實密度相對鋅粉末中碎片百分比的圖表。
具體實施例方式
在此使用下列限定的術語。
術語″顆粒鋅″是指表現出寬范圍不規則形狀和尺寸排列的鋅顆粒的集合。幾乎每一顆粒看起來具有獨特的形狀和/或尺寸。圖1中示出的是顆粒鋅的SEM顯微圖。
當術語“附聚物”用作名詞時，其指具有松散的或者緊密連接在一起的顆粒的集合。顆粒可以通過存在的粘結劑連接在一起，或者如果不存在粘結劑，則每個顆粒物理地固定到附聚物中至少一個其它顆粒。附聚物可以人工地壓碎由此使顆粒互相分離。彼此鄰近而不是通過粘結劑或物理連接結合的顆粒不被認為是形成附聚物。圖1b中示出的是鋅附聚物的SEM顯微圖。
術語″附聚顆粒″是指形成附聚物的兩個或多個顆粒。
術語″非附聚顆粒″是指彼此間沒有物理相關聯的兩個或更多顆粒。
術語″鋅粉末″是指形成自由流動粉末的鋅顆粒的集合。如果能夠像干砂從例如玻璃燒杯的容器中，通過使容器從垂直位置傾斜到水平位置而流出，則鋅粉末則被認為是自由流動的。該粉末必須從容器中易于流出，而不使用任何外力，例如敲打容器或攪動粉末以使得粉末從容器中流出。該顆粒可以是附聚顆粒或非附聚顆粒。此外，該顆粒可以是碎片、圓球、棒條體、不規則形狀和如上定義的顆粒鋅，或其混合物。
術語“鋅粉末的預組裝振實密度(preassembly tap density)”是指將鋅粉末與用于制造陽極的任何其它組合物混合之前的鋅粉末的振實密度。術語″預組裝振實密度″可用于以類似的方式來描述其它材料的振實密度，例如混合任何其它組合物之前的鋅附聚物。
現在參考附圖，特別是圖2，其展示了傳統電化學電池的截面圖。從電池外部開始，電池元件是容器10、與容器10內表面鄰接設置的第一電極50、與第一電極50的內表面56接觸的隔板20、設置在通過隔板20限定的空腔內部的第二電極60和固定到容器10的閉合件70。容器10具有開口端12、閉合端14和在其間的側壁16。該閉合端14、側壁16和閉合件70限定了其中容納電池電極的體積。
第二電極60包含當吸收電池電解液時膨脹的凝膠劑。適合在傳統電池中使用的凝膠劑是交聯聚丙烯酸酯，例如從美國俄亥俄州克利夫蘭的Noveon獲得的Carbopol 940。適合在堿性電解液中使用的其它凝膠劑的實例是羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉。鋅粉末可以是純鋅或包含適量的選自銦、鉛、鉍、鋰、鈣和鋁中的一種或多種金屬的合金。鋅顆粒懸浮在凝膠體介質中。
閉合件70被固定到容器的開口端，由此密封電池內部的電化學活性成分。閉合件包含密封件72和集電器76。在其它實施例中，密封主體可以是環狀墊圈。該密封件包含排氣孔，如果電池內壓過高時其使得密封件破裂。密封件可以由尼龍6，6或例如金屬的另一種材料制造，只要集電器與對于第一電極作為集電器的容器電絕緣即可。集電器76是由銅制造的伸長的釘子狀元件。該集電器通過密封件中的中心定位孔插入。
電池電解液是氫氧化鉀水溶液。該電解液可以通過在第一電極限定的空腔中設置大量流體電解液而結合到電池中。用來將電解液結合到電池中的方法不是至關重要的，只要電解液與第一電極50、第二電極60和隔板20接觸即可。
圖3示出本發明的電池。除了現在將詳細描述的第二電極100之外，圖3中示出的所有電池元件等同于圖2中的相應元件。圖3中示出的第二電極100不同于圖2中示出的第二電極60，因為第二電極100不含有凝膠劑。不同于現有技術中的電池，第二電極100是無凝膠的且包含預組裝振實密度大于1.6g/cc且小于2.9g/cc的鋅粉末。圖3中示出的鋅粉末包含鋅附聚物62和鋅碎片64。鋅附聚物62在圖3中表示為一系列緊密團顆粒，其表示在圖1b中示出的附聚物。圖3示出的鋅碎片64表示圖1c中示出的碎片。可以使用不包含附聚物和/或碎片的其它鋅粉末，只要粉末的振實密度大于1.6g/cc且小于2.9g/cc即可。正如這里使用的，術語“無凝膠”是指第二電極不包含這樣的組合物，該組合物吸收電解液且隨后膨脹到其原始體積至少5倍，由此在吸收狀態下相比其干燥、預吸收狀態占據更大體積。通過選擇具有預組裝振實密度在期望范圍內的鋅粉末，優選在1.7g/cc和2.5g/cc之間，更優選地在1.8g/cc和2.2g/cc之間，最優選地在2.0g/cc左右，該鋅粉末占據由襯有隔板的空腔限定的體積，且同時，在電池完全放電期間，鋅顆粒能夠形成和保持遍及鋅粉末的導電基質。此外，鋅顆粒能夠保持與集電器76的電接觸。在電池中能夠保持遍及陽極的電接觸是特別重要的，該電池在陽極中含有小于50ppm的汞且公知的在電池產業中作為零汞電池。
對于電池產業來說，用于生產顆粒鋅粉末的大部分商業化處理，例如空氣霧化處理或離心霧化處理，不能制造具有預組裝振實密度在3.0g/cc以下的鋅粉末。獲得具有振實密度接近2.0g/cc的鋅粉末的一個方法是混合具有預組裝振實密度小于2.0g/cc的第一鋅粉末和具有振實密度大于2.0g/cc的第二鋅粉末。在優選實施例中，第一鋅粉末包含鋅碎片。適合用于本發明電池中的鋅碎片在US 6,022,639中描述。圖1c中示出的是鋅碎片的SEM顯微圖。具有預組裝振實密度在1.1和1.7之間的碎片是特別優選的。第一鋅粉末和第二鋅粉末的混合物可以在此稱為鋅粉末組合物。在優選實施例中，第二鋅粉末包含鋅附聚物。優選地，在第二鋅粉末中所有的顆粒都是附聚顆粒，該附聚物具有小于2.9g/cc的預組裝振實密度。
用于形成具有預組裝振實密度小于2.9g/cc的鋅附聚物的一種工藝在圖4中公開。參考圖4，通過在碾壓器(roll compactor)30中的相對軋輥之間的縫隙(未示出)中饋送大量鋅顆粒48，可以完成顆粒的壓實從而形成附聚物。碾壓器30包含粉末儲倉32、水平擰緊的第一螺旋輸送機34、垂直擰緊的第二螺旋輸送機36、第一輥38和第二輥40。第一輥38以順時針方向旋轉，如箭頭A表示的，同時第二輥40以逆時針方向旋轉，如箭頭B表示的。輥38和40可以由硬化鋼制造。輥38和40之間的縫隙(未示出)是其中一個變量的，其可以被調節從而形成具有期望孔隙度的附聚物。改進輥38和40的表面以增加輥和鋅顆粒48之間的摩擦系數。在優選實施例中，兩個輥的表面都涂有陶瓷層以提高輥和鋅顆粒之間的摩擦系數。可替換地，可以對輥的表面進行噴砂以提高其抓住鋅顆粒的能力并迫使它們通過輥之間的縫隙。位于碾壓器30下方的是包含篩子46的成粒器42。當儲倉32中的鋅顆粒48被饋送到且通過輥38與40之間的縫隙時，粉末形成薄的附聚條52，其對于在圓柱形LR6堿性電化學電池的電極中使用來說過長，其測量大致50mm高和14mm的直徑。將條52與脫粒滾筒脫粒桿組件44碰撞，其將該片分段成較小的剛性附聚物54。過濾篩子46中的開口允許分段的剛性附聚物的一部分通過該篩子并且聚集在收集盤55中。如果期望，通過附加的粒化和篩分機器來處理該聚集的附聚物，直到獲得剛性的、無粘結劑的、在期望尺寸范圍內的附聚物。優選地，該剛醒的、無粘結劑的附聚物通過40目的篩。如果期望，可以除去通過325目篩的附聚物。
還可以采用傳統的鋅粉末制造工藝來制造第二鋅粉末。也被稱為顆粒鋅的商業化的具有預組裝振實密度大于3.0g/cc的鋅粉末可從Big River Zinc Corp.(Sauget，Illinois USA)、NorandaInc(Toronto，Ontario Canada)、Grillo-Werke(Duisburg，Germany)或N.V.UMICORE，S.A.(Brussels，Belgium)購買。具有大約3.2g/cc振實密度的優選第二鋅粉末可從UMICORE在BIA 115標示下獲得。具有振實密度大于3.5g/cc的商業化的鋅粉末適于用作第二鋅粉末。除具有期望的振實密度之外，該鋅粉末具有小于130微米的D50顆粒尺寸、大于400cm2/g的BET比表面積和至少14％的KOH吸收值。如下確定該D50顆粒尺寸、表面面積、預組裝振實密度和KOH吸收值。
第二鋅粉末的顆粒尺寸的特征在于具有小于130微米的D50平均值，更優選地是在100和130微米之間，且最優選地是在110和120微米之間。通過使用用于顆粒金屬粉末篩分析的標準試驗方法美國材料試驗協會(ASTM)標準B214-92中描述的篩分析程序和用于報告顏料顆粒尺寸特征的標準操作規程的ASTM D1366-86(于1991再次批準)中描述的報告程序來測定D50中值。將ASTM標準B214-92和D1366-86(于1991再次批準)結合在此作為參考。作為用于本申請的，如ASTM D-1366-86中示出的通過累積重量百分比與上部尺寸限制數據作圖來測定鋅粉末的D50中值，然后得到相應于百分之50累計重量值的直徑(也就是，D50)。
第二鋅粉末的BET比表面積至少是400cm2/g。更優選地，表面面積至少是450cm2/g。在150℃下將鋅樣品除氣一小時之后，在具有多點校準的Micromeritics模型TriStar 3000BET比表面積分析儀上進行測量。
使用下列方法測量第二鋅粉末的預組裝振實密度。將五十克鋅粉末散落在50cc量筒中。將容納鋅粉末的該量筒固定在振實密度分析儀上，例如由美國，佛羅里達州，Boynton Beach的Quanta Chrome公司制造型號的AT-2“AutoTap”振實密度分析儀。設置振實密度分析儀振動五百二十次。使得振實密度分析儀運轉由此通過在垂直方向上迅速移動量筒五百二十次由此振實量筒。讀出量筒中鋅粉末的最終體積。通過第二鋅粉末的重量除以振實之后第二鋅粉末占據的體積來測定第二鋅粉末的振實密度。
使用下列工藝測定第二鋅粉末的KOH吸收值。首先，提供5cc針筒和一塊已經浸泡了32wt％KOH的隔板，并且適當地調整大小使得隔板能夠易于插入到針筒的大開口端中。將該隔板向著針筒相對端被推入通過該針筒，由此阻塞通過較小開口被插入到管中的鋅顆粒。其次，稱量針筒和包含吸收電解液的隔板的重量。第三，將以重量計32％的兩毫升含水KOH溶液注入到針筒的大開口端，同時阻塞電解液通過針筒相對端的較小開口的流動。第四，仔細稱重第二鋅粉末的已知量，例如五克，并且注入到針筒的開口端中。容器的形狀、溶液的體積和鋅的體積必須相配合，以保證所有鋅顆粒充分地浸漬在含水KOH溶液表面以下。第五，將附加的以重量計32％的1.5cc KOH溶液注入到容器中以保證鋅被溶液充分覆蓋。第六，通過在垂直位置取向針筒，使得KOH溶液能夠通過針筒一端處小開口端滴注120分鐘，并除去阻塞電解液通過小開口流動的物體。為了保證鋅顆粒之間沒有未吸收溶液的液滴，在紙巾上輕輕地敲打容器若干次，直到在紙巾上不會發現另外的KOH溶液。第七，隨后測定具有其上吸附溶液的鋅、針筒和隔板的總重量。通過從包含其上具有吸附電解液的鋅的針筒和潮濕隔板的總重量中減去干燥鋅顆粒、潮濕隔板和針筒的重量來測定在鋅表面吸附的電解質溶液的量。通過鋅上吸附KOH的重量除以將鋅粉末置于溶液之前的重量來測定KOH吸收值。
除上述物理性質之外，優選的第二鋅粉末是在其中結合有鉍和/或銦和/或鋁的合金。鉍的優選量是75和125ppm之間。銦的優選量是175和225ppm之間。鋁的優選量是75和125ppm之間。
本發明的電池能夠通過多種鋅粉末來制造，只要用于電池的鋅粉末的預組裝振實密度在1.6g/cc和2.9g/cc之間。通過限制預組裝振實密度小于2.9g/cc，能夠不使用凝膠劑來制造電池陽極，鋅是足夠多孔的從而確保鋅充分填充通過電池隔板限定的空間，由此形成和保持與基本上所有鋅顆粒和陽極集電器的持續電接觸，同時提供足量的鋅給電池提供燃料。同時，限定預組裝振實密度大于1.6g/cc保證了電池至少具有避免電池電化學失衡的鋅的最低量，其中在陽極已經完全放電之后電池在陰極中包含未放電的電化學活性物質。如果鋅的預組裝振實密度太低使得陰極的電化學容量顯著高于陽極的電化學容量，則陰極過量的電化學容量能夠參與不期望的化學反應，這將導致生成內部氣體，且如果電池安全孔被激活則導致電解液滲漏。
為了說明本發明電池的使用優勢，相對于市場上可買到的電池，制造了若干批次的LR6電池并且在使用試驗中放電，其意圖模擬電池在數字照相機的使用過程中的放電狀態。使用下列步驟組裝電池。提供鍍鎳鋼制造的管狀容器。在此可稱為罐的容器具有開口端、閉口端和其間的側壁。在容器中插入三個相同管狀的環來形成在此還稱為陰極的第一電極。該環設計具有外徑，其提供了與罐的內表面的過盈配合。該環是堆疊端接的以形成中心限定空腔的管狀電極。第一電極的組分示于表1中。
表1


通過將這些成分混合在一起以制造粉末，隨后將其壓緊形成環，來形成該環。
在將該環插入之后，將隔板紙的條進行卷繞以形成管，隨后密封其一端并且隨后將其插入到第一電極限定的空腔中。隔板管的閉口端位于罐的閉口端的附近，并且隔板管的開口端位于罐的開口端的附近。隔板接觸第一電極內徑由此襯墊由第一電極限定的空腔。在2003年5月22日公開的WO 03/043103中描述了適合用于本發明電池的隔板。上述組裝的容器、第一電極和隔板在此稱為陰極部件。
使用上述陰極部件隨后制造若干批次的實驗電池。在表2和圖5中稱為批次A的對比電池含有包含凝膠劑的傳統陽極，并且所有鋅粉末是顆粒鋅。陽極的化學式示于表2中。每種成分的量以克為單位列出。
表2

*包括3個重量百分比的ZnO和0.3的重量百分比的硅酸鈉在批次A中的電池通過以下方式制造(1)將包含1.15g 36.5重量百分比的KOH水溶液的第一部分電解液提供到襯墊了隔板的空腔中；(2)將6.6g凝膠陽極混合物提供到包含第一部分電解液的襯墊了隔板的空腔中；(3)在凝膠混合物上提供包含0.04g 36.0重量百分比的KOH水溶液的第二部分電解液和(4)將密封部件固定到容器的開口端由此形成密封電化學電池。除了用于批次A中的顆粒鋅被等效重量的鋅附聚物所取代以外，在批次B中的電池等同于批次A中的電池，包括凝膠劑的存在。在此描述的用于實驗電池的這些附聚物以及所有該附聚物由具有大約30微米D50的顆粒鋅制成，并且附聚物直徑限定在100和300微米之間。與批次A和B相反，在批C中的電池通過僅僅使用代替顆粒鋅的鋅附聚物的無凝膠陽極來制造。在批C中的電池通過以下方式來制造(1)在襯墊了隔板的空腔中提供包含1.15g 36.5重量百分比的KOH水溶液的第一部分電解液；(2)隨后在陰極子組件的襯墊了隔板的空腔中插入4.5g無凝膠鋅附聚物；和(3)在無凝膠鋅附聚物上提供包含2.15g 36.0重量百分比的KOH水溶液的第二部分電解液，該無凝膠鋅附聚物先前提供在包含1.15g電解液的襯墊了隔板的筐中。如果期望，可以改變該裝配工藝以使得所有鋅粉末提供在襯墊了隔板的空腔中，且隨后在包含干燥鋅粉末的空腔上和其中提供所有電解液。另一個合適的工藝包括提供所有電解液到襯墊了隔板的空腔中，且隨后提供所有的鋅粉末到包含電解液的空腔中。另外地，可以將鋅粉末和所有電解液混合在一起且隨后施加到陰極子組件中。
在將每一批次A、B和C的若干電池組裝之后，隨后將每批的5個電池在1,700毫瓦下放電0.5秒，隨后在1000毫瓦下放電7秒和在500毫瓦下放電22.5秒。每小時立即重復完整的30秒放電周期九次或更多，而不允許電池在每個周期之間擱置。在第10次30秒放電周期之后，允許電池擱置55分鐘。每小時重復這種測試直到電池的閉路電壓壓降到小于1.1伏特。在此限定作為第一數字照相機(DSC)測試的該測試，其意圖是表示在一些數字照相機上的放電方式。測試數據示于圖5中。在圖5中批次A中5個電池完成的周期的平均數定義為100％。如圖5所示，批次B中電池完成的周期的平均數高于批次A中電池完成的周期平均數86％，在批次B中具有振實密度2.55g/cc的鋅附聚物取代了顆粒鋅。同樣如圖5所示的批次C中5個電池的平均性能，其完成了比批次A中電池的平均值多118％的周期。該數據清楚地顯示了，從陽極中去除凝膠劑和采用具有振實密度2.55g/cc的鋅附聚物代替具有振實密度3.55g/cc的顆粒鋅在電池結構中產生這樣的效果，即在數字照相機測試中能夠提供多118％更多的使用時間。
圖6中示出的是從5個批次D、E、F、G和H的試驗數據。這些電池在下列試驗狀態的第二DSC測試中放電，該試驗方式是在一些數字照相機中是電池性能的表示。每個電池在1,500毫瓦下放電兩秒，隨后650毫瓦下28秒以完成30秒的周期。重復周期9次或更多，而在每個周期之間不允許電池擱置。在第十次放電周期之后，擱置電池55分鐘。每小時中將電池放電直到電池閉路電壓降到1.05伏特。在批次D中的電池等同于批次C中的電池，批次C利用無凝膠陽極和僅僅包括具有振實密度2.55g/cc的鋅附聚物的電池鋅粉末。批次D的5個電池在上述第二DSC放電試驗中放電。在批次D中五個電池完成周期的平均數在圖6中定義為100％。隨后使批次E、F、G和H中電池的平均性能歸一化到批次D中電池的性能。在批次E中的電池相同于在批次D中的電池，除了在電池組裝工藝中在將鋅粉末施加到陰極部件之前，采用等效重量的鋅碎片來代替五個重量百分比的鋅附聚物，該鋅碎片從美國俄亥俄，哥倫比亞的Transmet公司購買。鋅附聚物和鋅碎片的總重量在此被稱為鋅粉末組合物的總重量。鋅碎片的振實密度大約是1.15g/cc。碎片的典型尺寸如下所述550微米寬×550微米長×20微米厚。相對于批次D中的電池，采用鋅碎片代替附聚物將電池的壽命增加了百分之19。通過將附聚物與碎片混合，該鋅粉末的振實密度從2.6g/cc降到2.5g/cc。圖7中示出的是記錄基于重量采用相等部分的鋅碎片代替作為鋅附聚物一部分的鋅粉末，導致的預組裝振實密度下降的圖表。圖7說明了采用鋅碎片來代替百分之二十五的鋅附聚物導致了鋅粉末振實密度從大約2.6g/cc減小到大約1.9g/cc。而且通過增加鋅碎片的百分比超過百分之二十五，能夠獲得鋅粉末振實密度的減少。除了采用相等重量的鋅碎片代替十重量百分比的鋅附聚物之外，在批次F中的電池等同于批次D中的電池。當在第二DSC測試中放電時，批次F的五個電池相對于批次D中的電池提供了平均多45％的壽命。壽命性能的增加尤其值得注目，因為在批次D中的電池在壽命性能中相對于批次A中表示的傳統電池呈現出118％的增加，該傳統電池包含僅僅利用具有3.55g/cc振實密度的顆粒鋅的凝膠陽極。通過分別采用鋅碎片來代替15重量百分比和20重量百分比的鋅附聚物來制造批次G和H中的電池。批次G和批次H中的五個電池的平均壽命性能比批次D中的電池大約大29％。相對于批次F中電池，批次G或H中的電池的壽命降低被認為是由于采用大于10％重量的鋅碎片代替鋅附聚物導致的非優化的鋅表面面積與電解液的比率。
概括地說，在圖5和6中的數據清楚地說明，從陽極中除去凝膠和使用具有2.6g/cc或更小預組裝振實密度的鋅粉末，使得在數字照相機中模擬使用測試中的電池性能大大增加。此外，通過使用鋅碎片來代替按重量計10％的鋅附聚物以降低鋅粉末預組裝振實密度到大約2.35g/cc，導致相對于那些使用凝膠陽極和顆粒鋅的傳統電池來說在壽命性能中有顯著增長。
上述描述被認為僅僅是優選實施例的描述。本領域技術人員和那些制造或使用本發明的人員可以想到對本發明進行改進。因此，可以理解的是圖中示出的和上述的實施例僅僅用于舉例的目的并且并沒有打算限定本發明的范圍。保護范圍通過權利要求和通過法律允許解釋的范圍內進行限定。
權利要求
1.一種電化學電池，包括a)容器；b)設置在所述容器中的第一電極，所述第一電極接觸所述容器并且在其中限定空腔；c)襯墊所述空腔的隔板；和d)設置在襯墊了所述隔板的空腔中的無凝膠第二電極，所述第二電極包括具有大于1.6g/cc且小于2.9g/cc的預組裝振實密度的鋅粉末。
2.如權利要求1中所述的電化學電池，其中所述鋅粉末的預組裝振實密度大于1.7g/cc且小于2.5g/cc。
3.如權利要求2中所述的電化學電池，其中所述鋅粉末的預組裝振實密度大于1.8g/cc且小于2.2g/cc。
4.如權利要求1中所述的電化學電池，其中所述鋅粉末包括至少第一鋅粉末和第二鋅粉末的混合物，由此形成鋅粉末組合物，所述第一鋅粉末具有小于2.0g/cc的預組裝振實密度，所述第二鋅粉末具有大于2.0g/cc的預組裝振實密度。
5.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第二鋅粉末具有大于3.0g/cc的振實密度。
6.如權利要求5中所述的電化學電池，其中所述第二鋅粉末具有大于3.2g/cc的振實密度。
7.如權利要求6中所述的電化學電池，其中所述第二鋅粉末具有大于3.5g/cc的振實密度。
8.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末具有小于1.7g/cc的振實密度。
9.如權利要求8中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末具有大于1.1g/cc的振實密度。
10.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述鋅粉末包括鋅的附聚物。
11.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述鋅粉末包括鋅碎片。
12.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末包括鋅碎片，所述第二鋅粉末包括鋅附聚物。
13.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末主要包括鋅碎片，所述第二鋅粉末主要包括鋅附聚物。
14.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末是所述鋅粉末組合物總重量的至少5個重量百分比。
15.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末的部分是所述鋅粉末組合物總重量的至少10個重量百分比。
16.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末的部分是所述鋅粉末組合物總重量的至少15個重量百分比。
17.如權利要求4中所述的電化學電池，其中所述第一鋅粉末的部分是所述鋅粉末組合物總重量的至少20個重量百分比。
18.一種制造電化學電池的方法，包括a.提供包括第一電極和隔板的容器，所述隔板接觸所述第一電極并且在其中限定空腔；b.提供包含具有大于1.6g/cc且小于2.4g/cc預組裝振實密度的鋅粉末的無凝膠第二電極；c.將所述第二電極設置到所述空腔中；和d.將密封件固定到所述容器。
19.如權利要求18的方法，其中所述鋅粉末包括至少具有小于2.0g/cc預組裝振實密度的第一鋅粉末和具有大于2.0g/cc預組裝振實密度的第二鋅粉末的混合物，由此形成鋅粉末組合物。
20.如權利要求19中所述的方法，其中所述第二鋅粉末具有大于3.0g/cc的振實密度。
21.如權利要求20中所述的方法，其中所述第二鋅粉末具有大于3.2g/cc的振實密度。
22.如權利要求21中所述的方法，其中所述第二鋅粉末具有大于3.5g/cc的振實密度。
23.如權利要求19中所述的方法，其中所述第一鋅粉末具有小于1.7g/cc的振實密度。
24.如權利要求19中所述的方法，其中所述第一鋅粉末的部分具有大于1.1g/cc的振實密度。
25.如權利要求18中所述的方法，還包括在將密封件固定到所述容器之前將電解液設置到所述空腔中的步驟。
26.如權利要求25中所述的方法，其中在將電解液設置到所述空腔中之前將所述鋅粉末設置到所述空腔中。
27.如權利要求25中所述的方法，其中在將所述鋅粉末設置到所述空腔之前將所述電解液的一部分設置到所述空腔中。
28.如權利要求25中所述的方法，其中所述鋅粉末和所述電解液同時被設置到所述空腔中。
29.如權利要求28中所述的方法，其中所述鋅粉末和電解液彼此混合，隨后設置到所述空腔中。
30.如權利要求18中所述的方法，其中所述鋅粉末的預組裝振實密度大于1.8g/cc且小于2.2g/cc。
全文摘要
公開一種包括無凝膠陽極的圓柱堿性電化學電池。該陽極包括具有預組裝振實密度在1.6g/cc到2.9g/cc之間的自由流動的鋅粉末。在一實施例中，通過鋅附聚物與鋅碎片一起混合可以獲得具有期望振實密度的鋅粉末。
文檔編號H01M4/64GK1918728SQ200580004615
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月8日 優先權日2004年2月13日
發明者N·崔, P·R·際 申請人:永備電池有限公司