專利名稱:具有包含按重量計小于4%碳顆粒的陰極的堿性電池的制作方法
技術領域:
本發明涉及堿性電池。
背景技術:
電池是通常使用的電能來源。電池包含通常稱作陽極的負極和通常稱作陰極的正 極。陽極含有能被氧化的活性材料;陰極含有或消耗能夠被還原的活性材料。陽極活性材 料能夠還原陰極活性材料。分隔體設置在陽極和陰極之間。這些組件設置在金屬殼內。當使用電池作為裝置中的電能來源時,陽極和陰極發生電接觸,使電子流過裝置, 發生相應的氧化和還原反應以提供電能。與陽極和陰極接觸的電解質包含流過位于電極之 間的分隔體的離子以在放電期間保持電池整體的電荷平衡。持續需要制造更適于高功率應用的電池。現代電子器件如蜂窩式電話、數字照相 機和玩具、閃光裝置、遙控玩具、可攜式攝像機和高強度燈是此類高功率應用的實例。此類 裝置需要介于約0. 5和2安培之間,通常介于約0. 5和1. 5安培之間的高電流耗用率。相 應地,它們需要在介于約0. 5和2瓦特之間的電量需求下進行操作。就電池而言,還期望具 有長的使用壽命(或在某些應用情況下,如數字照相機,能夠遞送大量的能量脈沖)。電池 具有預先確定的內部體積,即金屬殼的內部體積,這由具體電池類型的標準外部幾何形狀 決定。這個內部體積限制了可包含在陽極和陰極內的活性物質的量,從而限制了電池的性 能特征。發明概述總體上,本發明的特征在于電池包括陽極、陰極、和設置在陽極與陰極之間的分隔 體,所述陰極包含相對低含量的碳顆粒。在一個方面,本發明的特征在于一種堿性電池,所述堿性電池包括陽極、陰極、和 設置在陰極與陽極之間的分隔體,所述陰極包含陰極活性材料和碳顆粒,其中陰極中碳顆 粒的濃度按重量計小于約4%。在一些具體實施中,堿性電池可包括下列一個或多個特征。碳顆粒包括膨脹石墨。 陰極基本上不含天然石墨顆粒。例如,陰極可包含按重量計小于0.5%的天然石墨,并且一 般優選的是,陰極不包含天然石墨。陰極中碳顆粒的濃度按重量計小于或等于約3. 5%和 按重量計小于或等于3. 25%。陰極活性材料包括EMD。陰極活性材料的濃度為約89%至 約91%。陽極包含鋅作為活性物質。鋅的至少一部分為具有小于175微米的平均粒度的鋅 粒的形式。在電池組合件中測量時,陰極具有在約2. 5%至約5%范圍內的水分含量。陰極 具有約22%至約30%的孔隙率。分隔體具有小于0.30mm的潤濕厚度。所述分隔體具有約 35g/m2或更小的基重。在另一方面,本發明的特征在于一種堿性電池,該堿性電池包括陽極、陰極、和設 置在陽極與陰極之間的分隔體。陰極包含陰極活性材料和膨脹石墨顆粒,其中陰極中的碳 顆粒的濃度按重量計小于約3. 5%。這個方面可包括以上關于第一個方面所述的任何特征或所有特征。本發明的特征還在于制造堿性電池陰極的方法。在一個方面,本發明的特征在于包括將陰極活性材料與膨脹石墨混合的方法,其中所述膨脹石墨以按重量計小于4%的濃 度提供。在一些具體實施中,所述方法還包括控制陰極的水分含量,以使得在電池組合件 中測量時水分含量在約2. 5%至約5%的范圍內。所述方法還可包括控制陰極的孔隙率以 使其在約22%至約30%的范圍內。所述方法也可包括本文所述的任何其它方面。本發明的一個或多個實施方案的細節闡述于附圖和以下說明中。通過該說明書和 附圖并通過所述權利要求書,本發明的其它特征和優點將變得顯而易見。附圖概述
圖1是電池的示意圖。發明詳述參見圖1,電池10包括陰極12、陽極14、分隔體16和圓柱形外殼18。電池10也包 括集電器20、密封件22和負金屬封端24,所述負金屬封端用作電池的負端子。起到電池正 端子作用的正極點26位于電池上的負端子的相反端。電解質溶液分散在整個電池10中。 電池10可為堿性電池,例如,AA、AAA、AAAA, C或D電池。注意,以下所給的濃度是針對組裝步驟的陰極而言的。由于水分蒸發的結果,在組 裝階段陰極中活性物質和碳的含量比所有成分最初混合時要高。陰極12包含一種或多種陰極活性材料、碳顆粒和粘合劑。陰極也可包含其它添加 劑。陰極活性材料的實例包括二氧化錳、羥基氧化鎳、二硫化鐵、氧化銀或氧化銅。優選的陰極活性材料為二氧化錳,其具有按重量計至少約91%的純度。由于具有 高密度并且可方便地用電解方法以高純度獲得,所以電解二氧化錳(EMD)是電化學電池優 選的二氧化錳形式。化學二氧化錳(CMD)是一種化學合成的二氧化錳,也被用作電化學電 池和大功率電池中的陰極活性材料。EMD通常由硫酸錳和硫酸電解液直接電解來制造。EMD的制造方法及其性質可見 Batteries—書,主編 Karl V. Kordesch, Marcel Dekker, Inc. , New York,第一卷(1974 年),433至488頁。CMD通常用本領域被稱作“Sedema法”的方法來制備,這是一種化學 方法,公開在美國專利2,956,860 (Welsh)中,用于通過使用MnSO4和堿金屬氯酸鹽,優選 NaClO3的反應混合物來制造電池級的Μη02。二氧化錳的銷售商包括KerrMcGee Co. (Trona D)、Chem Metals Co.、Tosoh、Delta Manganese、Mitsui Chemicals、JMC 禾口 Xiangtan。碳顆粒包含在陰極以使電子分布在整個陰極中。碳顆粒為合成膨脹石墨。本發 明人已發現,通過利用膨脹石墨,陰極中的碳顆粒量可顯著地降低,例如,從可商購獲得 的電池中通常使用的按重量計5至9%降低至小于4%或甚至小于3. 5%。碳含量的這 種減小使陰極能夠包含更大量的活性物質,而不用增加電池的體積或減小空隙體積(其 必須保持在特定大小或更高以防止電池內因氣體的產生而使內部壓力升得過高)。因為 活性物質(如EMD)具有比石墨更高的密度,所以即使石墨含量只有相當小的減少,也可 使活性物質的濃度顯著增加,從而得到顯著增大的電池容量。例如,石墨減少1.75%將 能夠使EMD增加3.6%,同時保持內部電池體積和空隙體積恒定。合適的膨脹石墨顆粒 可購自例如日本的 ChuetsuGraphite Works, Ltd. (Chuetsu 等級 WH-20A 和 WH-20AF)或 TimcalAmerica (ffestlake, OH, KS-等級)。一些優選的電池包含按重量計約3%至約3. 5 %的膨脹石墨。在一些具體實施中,這能夠使EMD的含量按供貨時重量計達到約89 %至91 %。 (供貨時EMD包含1至1.5%的水分,因此這個范圍等于約88%至90%純EMD。)優選地, 陰極活性材料與膨脹石墨的比率大于25,更優選大于26,或甚至大于27。在一些具體實施 中,該比率介于25和33之間,例如介于27和30之間。這些比率通過分析確定,忽略任何 水分。一般優選的是陰極基本上不合天然石墨。雖然天然石墨顆粒為陰極成型設備提供 潤滑性,但這類石墨比膨脹石墨的導電性要小得多,因此要獲得同樣的陰極導電性必需使 用量更多。如果必要,陰極可包含低含量的天然石墨,然而這將不利于在保持特定陰極導電 性的同時獲得減小的石墨濃度。陰極可以壓制小丸的形式提供。對于最佳的處理,一般優選的是陰極具有在約 2. 5%至約5%,更優選約2. 8%至約4. 6%范圍內的水分含量。一般還優選的是陰極具有約 22%至約30%的孔隙率,以獲得陰極的可制造性、能量密度和完整性之間的良好平衡。可用于陰極中的粘合劑的實例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳樹脂,如PVDF或 PTFE。聚乙烯粘合劑的實例以商品名COATHYLENE HA-1681銷售(得自Hoechst或Dupont)。其它添加劑的實例描述于例如美國專利5,698,315,5, 919,598和5,997,775和美 國專利申請10/765, 569中。電解質溶液可分散在整個陰極12中,并且上下文提供的重量百分比是在加入電 解質溶液后測定的。電解質可為堿性氫氧化物如氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液。電解質也 可為鹽電解質的水溶液,如鋅氯化鋅、氯化銨、高氯酸鎂、溴化鎂、或它們的組合。陽極14可由陽極活性材料、膠凝劑和微量添加劑如放氣抑制劑形成。此外,上述 電解質溶液中的一部分分散在整個陽極中。陽極活性材料的實例包括鋅。優選地,為了平衡陰極中活性物質的增加,陽極活性 材料包括具有細小粒度,例如小于175微米的平均粒度的鋅。此類鋅在堿性電池中的使用 描述于美國專利6,521,378中,其完整公開內容以引用方式并入本文。膠凝劑的實例可包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸鹽、羧甲基纖維素、羧甲 基纖維素鹽(例如羧甲基纖維素鈉)、或它們的組合。陽極可包含放氣抑制劑,其可包括無機材料,如鉍、錫或銦。作為另外一種選擇,放 氣抑制劑可包括有機化合物,如磷酸酯、離子表面活性劑或非離子表面活性劑。分隔體16可為常規的堿性電池分隔體。優選地,分隔體材料為薄的。例如,對于 AA電池,分隔體可具有小于0. 30mm,優選小于0. 20mm,更優選小于0. IOmm的濕厚度和小于 0. IOmm,優選小于0. 07mm,更優選小于0. 06mm的干厚度。所述紙材的基重一般在約20至 80g/m2范圍內。在一些優選的具體實施中,所述紙材具有35g/m2或更小的基重。在其它實 施方案中,分隔體16和42可包括與非織造材料層相復合的玻璃紙層。分隔體也可包括附 加的非織造材料層。外殼18可為常用于一次堿性電池中的常規外殼,例如鍍鎳冷軋鋼。集電器20可 由合適的金屬例如黃銅制成。密封件22可由例如聚酰胺(尼龍)制成。在一些優選的具體實施中,電池表現出極好的使用壽命和電池容量。例如,由濃度 按重量計為3. 5%、4. 0%和4. 4%的膨脹石墨制成,保持電池成分(陽極+陰極+分隔體 +KOH電解質)體積恒定的電池具有以下的0. 25A 1小時每天至0. 9伏截止電壓性能9. 63小時/9. 55小時/9. 37小時。因此,由3. 5%石墨類物質制成,從而包含更多活性物質(EMD 和鋅)的電池提供多出2. 8%的使用時間。在另一個實驗中,使用相同的測試方法(0. 25A1 小時每天至0. 9伏截止電壓),包含3. 0%膨脹石墨的電池提供9. 99小時的使用時間(與 4. 4%膨脹石墨類相比+6.6% )0已對本發明的許多實施方案進行了描述。但是應當理解,在不背離本發明精神和 范圍的條件下可以進行各種修改。例如,雖然上面我們已討論過增加陰極活性材料的量,在許多情況下所期望的是 同時增加陽極活性材料的量。在這種情況下,通過使用更少的石墨而空出一些額外容積以 用于增加陽極活性材料。因此,其它實施方案也在以下權利要求的范圍之內。
權利要求
一種堿性電池,所述堿性電池包括陽極,包含陰極活性材料和碳顆粒的陰極,其中所述陰極中的碳顆粒的濃度按重量計小于約4%,和設置在所述陽極和所述陰極之間的分隔體。
2.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述碳顆粒包括膨脹石墨。
3.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極基本上不含天然石墨顆粒。
4.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極中的碳顆粒的濃度按重量計小于或等 于約3. 5%。
5.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極中的碳顆粒的濃度按重量計小于或等 于 3. 25%。
6.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極活性材料包括EMD。
7.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極活性材料的濃度為約89%至約91%。
8.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陽極包含鋅作為活性物質。
9.如權利要求8所述的堿性電池,其中至少一部分所述鋅為具有小于175微米的平均 粒度的鋅粒的形式。
10.如權利要求1所述的堿性電池,其中在電池組合件中,所述陰極具有在約2.5%至 約5%范圍內的水分含量。
11.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述陰極具有約22%至約30%的孔隙率。
12.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述分隔體具有小于0.30mm的潤濕厚度。
13.如權利要求1所述的堿性電池,其中所述分隔體具有約35g/m2或更小的基重。
14.一種用于制造堿性電池的陰極的方法,所述方法包括將陰極活性材料與膨脹石墨 混合,其中所述膨脹石墨以按重量計小于4%的濃度提供。
15.如權利要求14所述的方法,所述方法還包括控制陰極的水分含量,以使得在電池 組合件中測量時所述水分含量在約2. 5%至約5%的范圍內。全文摘要
本發明提供了包括包含膨脹石墨的陰極的堿性電池。在一些具體實施中,所述陰極包括按重量計小于約4%的石墨。
文檔編號H01M4/62GK101939866SQ200980104393
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月2日 優先權日2008年2月8日
發明者A·舍列金, D·L·安格林 申請人:吉列公司