專利名稱：鎳鋅電池的熱密封隔膜的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及可充電的電池組(battery)，并且特別涉及可充電的鎳鋅電池組。更具體而言，本發明涉及用于可充電的鎳鋅電池組內的電極組件及其制造方法。
背景技術：
無繩便攜設備(例如，電動工具)的普及提高了對還能夠輸送高功率的高能量密度的可充電電池組的需要和要求。隨著功率及能量密度要求的提高，還增加了對高循環壽命的可充電電極的需要。堿性鋅電極因其高電壓、低當量和低成本而為人所知。與充電和放電過程相關的快速的電化學動力學使鋅電極既能夠輸送高功率也能夠輸送高能量密度。 鎳鋅電池組能夠滿足在例如適用于電動汽車(EV)、插電式混合動力汽車(PHEV)、消費電子產品及其它應用的電池組中對較高功率和較高能量密度的需要。尤其重要的是可充電電池組的壽命周期。鎳鋅電池組能夠由于例如從負(鋅)電極到正(鎳)電極的枝晶形成而受到電路短路的影響。之前解決該問題的方法包括例如用于降低短路傾向的電極的化學改性，但是這些方法通常不是用于高倍率放電和電池組容量的最佳化學方法。電極的涂層或圍邊(taping edge)難以成生產規模地實現并且通常效率不高。隔膜通常被用來阻止枝晶造成電極之間的短路，但是枝晶能夠遷移繞過隔膜除非它們被密封以包裹電極。密封隔膜以包裹個體電極有效地阻止了電極之間的枝晶生長(或其它粒子遷移)，這延長了電池組的壽命。在方形電池中，個體電極在電極疊層的組件之前被包裹。在卷繞式電極中，由于起皺、粘合和可歸因于隔膜材料的物理特性的其它困難以及許多層共同卷繞于卷芯中的事實，在卷繞之前包裹個體電極是有問題的。在卷繞之后熱密封隔膜是已知的，但是此類方法僅處理將兩個電極密封于卷繞式卷芯電極組件的一端。 這些方法沒有為內部電池的設計留有靈活性，這種靈活性在可充電鎳鋅電池的不斷改變的用途中通常是關鍵的。
發明內容
本發明一般地針對用于密封隔膜的選擇性方法以及使用此類方法制成的卷芯電極組件來描述。更特別地，本發明針對用于將隔膜選擇性地熱密封于具有卷芯組件的鎳鋅可充電電池的兩個電極中的一個電極上的方法來描述。選擇性密封能夠使用于卷芯組件的
一端或兩端上。因而，本發明的一方面是一種用于選擇性地密封布置于包括兩個電極的卷芯組件的第一電極的兩側之上并且延伸超過第一電極的邊緣的第一組隔膜層，而沒有密封布置于第二電極的兩側之上并且延伸超過第二電極中與第一電極的邊緣平行且緊鄰的邊緣的第二組隔膜層的方法，兩個邊緣均布置于卷芯組件的同一端之上，同時使卷芯組件的該同一端暴露于熱源。這種方法能夠以根據在此所描述的實施例的許多方式來實現。在一種實施例中，選擇性地密封第一組隔膜層包括i)配置第二電極的集電基板，使得當所述熱源被施加于卷芯組件的同一端時，第一組隔膜層能夠密封以包裹第一電極，但是第二組隔膜層被物理地阻隔使得無法密封和包裹第二電極；以及ii)將熱源施加于卷芯組件的同一端。在一種特定的實施例中，配置第二電極的集電基板包括將第二電極的集電基板基本上折疊于第一電極的集電基板之上，但是沒有觸及第一電極的集電基板， 從而形成基本上封閉的容積，其中第一組隔膜層以及來自第二組隔膜層的鄰接的隔膜層被布置于基本上封閉的容積之內。在另一種實施例中，選擇性地密封第一組隔膜層包括i)配置卷芯組件使得第一組隔膜層包括在施加熱源時能夠密封以包裹第一電極的層，但是第二組隔膜層包括在施加熱源時不能夠密封以包裹第二電極的層；以及ii)將熱源施加于卷芯組件的同一端。在一種實施例中，可應用于以上所描述的實施例的是，第一組隔膜層和第二組隔膜層各自具有不同的熔點。在另一種實施例中，可應用于以上實施例的是，第一組隔膜層是聚丙烯層以及第二組隔膜層是基于纖維素的層。在一種實施例中，基于纖維素的層是以聚乙烯醇(PVA)浸漬和/或涂覆的纖維素。在一種實施例中，熱源包括對流熱源、感應熱源、傳導熱源和輻射熱源中的至少一種。在另一種實施例中，熱源是傳導熱源。在另一種實施例中，傳導熱源是熱臺板(heated platen)。在一種實施例中，卷芯(其中第一電極借助于密封第一組隔膜來選擇性地包裹) 中被加熱的那端與熱臺板接觸大約1秒到大約30秒，其中臺板溫度為大約130°C -600°C。 在另一種實施例中，卷芯與熱臺板接觸大約3秒到大約10秒，其中臺板溫度為大約 300°C-60(TC。在又一種實施例中，卷芯與熱臺板接觸大約5秒到大約25秒，其中臺板溫度為大約 450°C -550°C。在某些實施例中，在與熱臺板接觸期間，卷芯以大約0. 5kg/cm2到大約^g/cm2的力與熱臺板接觸。在其它的實施例中，卷芯以大約lkg/cm2到大約3kg/cm2的力與熱臺板接觸。在其它的實施例中，卷芯以大約lkg/cm2到大約^g/cm2的力與熱臺板接觸。在其它的實施例中，卷芯以大約1. 5kg/cm2的力與熱臺板接觸。本發明的方法能夠以任何卷芯配置的電極組件來實施，并且特別有用于其中鋅電極的枝晶形成能夠使電極短路的鎳鋅電池。因而，本發明的另一方面是卷芯電極組件，包括i)布置于第一組隔膜層之間的第一電極；以及ii)布置于第二組隔膜層之間的第二電極；其中，在卷芯電極組件的同一端，第一電極和第二電極之一由其相應的那組隔膜層所包裹，并且另一個電極沒有由它那組隔膜層所包裹。在一種實施例中，第一電極是鋅電極并且第二電極是鎳電極。在另一種實施例中，第一組隔膜層包括聚丙烯層。在另一種實施例中，第二組隔膜層包括聚乙烯醇浸漬的纖維素。包括在此所描述的卷芯電極組件的電池組是本發明的另一方面。這些及其它特征和優點將在下面參照相關的附圖進一步討論。
圖1A、1B和IC是本發明的圓柱形鎳鋅動力電池(power cell)的主要部件的圖示。圖2A是示出在卷繞成卷芯之前的電極和隔膜層的組件的透視圖。圖2B是圖2A中的組件的截面圖。圖2C是本發明的卷芯組件的截面圖。圖2D是在集電基板按照特定的配置折疊之后并且在卷芯的一端被選擇性熱密封之后的卷芯組件的截面圖。圖2E是并入反向極性的電池組之內的圖2D的卷芯組件的截面圖。圖2F是在卷芯的相對端受到了選擇性熱密封之后的針對圖2D所描述的卷芯組件的截面圖。圖2G是針對圖2F所描述的卷芯的密封隔膜的截面圖。圖2H是并入反向極性電池組之內的圖2F的卷芯組件的截面圖。圖21是電極-隔膜疊層的截面圖。圖2J是卷芯組件的截面圖。圖I是在卷芯的一端被熱密封之后的圖2J的卷芯組件的截面圖。圖2L是并入正常極性的電池組之內的圖I的卷芯組件的截面圖。圖2M是在卷芯的相對端受到了選擇性熱密封之后的針對圖觀所描述的卷芯組件的截面圖。圖2N是并入正常極性的電池組之內的圖2M的卷芯組件的截面圖。圖3是示出使用在此所描述的熱密封方法制造的鎳鋅電池組與沒有采用熱密封方法的鎳鋅電池組的比較結果的圖表。
具體實施例方式A.定義在此所使用的某些術語并不常用于本技術領域中。其它術語在本技術領域中可以具有多種含義。因此，本文提供下列定義以幫助理解本文的描述。在權利要求中所闡明的發明并不一定要由這些定義所限定。“熱臺板”指的是例如熱臺(heated stage)、熱板或者能夠將工件放置于其上以使工件受熱的其它熱表面。“傳導熱源”指的是通過與工件直接接觸來將熱量傳遞給工件的設備，并且從而熱量由熱源直接傳導給被加熱的工件。傳導熱源的一個實例是熱臺板，其中工件與熱臺板接觸。“對流熱源”指的是經由氣體或液體通過從一個區域到另一個區域的涌流循環將熱量傳遞給工件的設備。對流熱源的一個實例是熱風器(heat gim)，該熱風器將熱空氣吹到工件上以加熱該工件。“感應熱源”指的是借助于在暴露于由電線圈(通常使用交流電通過其中)產生的磁場的工件內的感應電渦流將熱量傳遞給工件的設備。熱量在工件內借助于電阻(焦耳加熱)或者借助于材料內的磁滯損耗來生成。感應熱源的一個實例是磁感應焊機。例如，如果塑料以鐵磁陶瓷來摻雜(其中粒子的磁滯提供熱量)或者以金屬粒子來摻雜(其中在金
6屬粒子之內的電阻提供熱量)，則它們可以通過感應來焊接。“輻射熱源”指的是借助于輻射到工件的能量來將熱量傳遞給工件的設備，并且一旦到達工件，該能量就被傳遞給工件的分子，從而激發分子提高分子運動并且由于分子運動和/或摩擦而加熱工件。輻射熱源的實例是激光、微波發生器、紅外輻射發生器等。“包裹”意思是指一旦隔膜層被密封，它們就用作用于卷芯電極組件的電極的末端或邊緣的連續的包裝或覆蓋。“包裹”并不一定如同該詞的傳統意義那樣意指封裝整個電極。因而，“包裹”能夠意指，例如，一旦隔膜層被密封在一起，電極就處于隔膜材料的囊袋 (pouch)或隔膜材料的兩褶體(bifold)內。“包裹”也能夠意指例如將在(否則的話)暴露的電極之上的隔膜材料的兩個邊緣部分封閉或熱密封在一起。“密封”意指通過熔合或熔化隔膜層來將它們連結在一起，例如通過在隔膜層或隔膜層的成分的熔化溫度處、附近或以上將熱量施加于層從而使層熔合在一起。典型地，但也并不一定，密封在層的邊緣附近進行，其中這些層重疊或鄰近，但尚未附接。在一個實例中， 這些層是聚丙烯并且沿著基本上共同延伸的邊緣區域來加熱這些層，從而使它們熔化在一起以制成連續的層并從而被“密封”在一起。B.綜述實施例一般地針對用于密封隔膜的選擇性方法以及使用此類方法制成的卷芯電極組件來描述。更特別地，描述了用于選擇性地熱密封隔膜以便只將兩個電極之一包裹于卷芯組件的末端的方法。這些方法可以應用于卷芯的一端或兩端。在特定的實施例中，卷芯組件被使用于鎳鋅可充電電池。個體電極層組件被夾在一層或多層隔膜材料之間。夾層型電極組件被堆疊并且然后被卷繞成卷芯組件。隔膜和電極層材料被配置使得，一旦卷芯組件的一端受到熱密封，隔膜層就被密封，從而選擇性地只包裹夾層型電極組件中的一個。如上所述，選擇性地包裹單個電極組件避免使用額外的隔膜材料，例如，不必要用來包裹兩個電極組件的隔膜材料，并且從而節省了成本以及為內部電池設計留有更大的靈活性。在此所描述的熱密封的隔膜以及熱密封的方法生產了具有更長的循環壽命的電池。以下是關于鎳鋅電池組化學的簡要討論，因為它與本發明有關，之后是關于電池組設計的更詳細討論，集中于本發明的特定特征。鎳鋅電池組的電化學反應在堿性電化學電池中的氫氧化鎳的正電極的充電過程由以下反應所支配Ni (OH) 2+0H- — Ni00H+H20+e_ (1)堿性電解質作為Si電極中的離子載體。在可充電的Si電極中，起始活性材料是 ZnO粉末或者鋅和氧化鋅粉末的混合物。ZnO粉末溶解于KOH溶液中，如同在反應( 中的那樣，以形成鋅酸鹽(Zn(OH)42-),該鋅酸鹽在充電過程中被還原成鋅金屬，如同在反應(3) 中的那樣。在Si電極處的反應能夠寫成以下反應式
ZnO + 20H + H2O Zn(0H)f( 2 )以及
Zvl(OR)I + 2e —Zn + 40H( 3 )
因此，在負極處的凈電極是Zn0+H20+2e- — Zn+20H-+2e_ (4)然后，Ni/Zn電池組的總體反應能夠表示如下Zn+2Ni00H+H20 = Zn0+2Ni (OH)2 (5)在鋅電極的放電過程中，鋅金屬貢獻電子以形成鋅酸鹽。同時，鋅酸鹽在KOH溶液中的濃度會提高。在再充電時，反應(1)-(5)被重復。在鎳鋅電池組的壽命期間，這些充電-放電循環多次重復。本發明針對于鋅負電極的效率，例如，采用本發明的熱密封的隔膜的電池組電池允許了更多的充電-放電循環。C.實施例以下是關于鎳鋅電池組的更詳細的描述，包括關于電極和部件的描述，特別是與用于密封隔膜的選擇性方法以及含有選擇性密封的隔膜的卷芯組件有關的實施例。鎳鋅電池組和電池組部件圖IA和IB是根據一種實施例的圓柱形動力電池的主要部件的圖示，圖IA示出了電池的分解圖。交替的電極和電解質層被設置于圓柱形組件101(也稱為“卷芯”)之內。 圓柱形組件或卷芯101被定位于包殼113或其它容器之內。可以使該包殼內部鍍上例如錫以幫助導電。負集電盤103(例如，銅，可任選地鍍上例如錫)以及正集電盤105(例如，鎳， 例如以泡沫的形式)被附接于圓柱形組件101的相對端。負極和正集電盤起著內部端子的作用，負集電盤與負電極電連接并且正集電盤與正電極電連接。蓋子109和包殼113用作外部端子。在所示出的實施例中，負集電盤103包括用于將負集電盤103連接到蓋子109 的調整片(tab) 107。正集電盤105被焊接或者否則的話電連接到包殼113。在其它的實施例中，負集電盤與包殼連接并且正集電盤與調整片連接。負極和正集電盤103和105被示出為具有穿孔，該穿孔可以被使用以促進與卷芯接合和/或電解質從電池的一個部分流到另一個部分。在其它的實施例中，圓盤可以使用狹槽(徑向的或外周的)、凹槽或其它結構以促進接合和/或電解質分布。負集電盤通常為銅，可任選地涂覆錫，并且正集電盤通常為鎳或者在其組成中至少含有鎳。撓性墊圈111被擱在沿著包殼113的上部的圓周所設置的環繞凸緣 (circumferential bead) 115上，緊鄰蓋子109。墊圈111用來使蓋子109與包殼113電隔離。在某些實施例中，墊圈111擱置于其上的凸緣115被涂以聚合物涂層。墊圈可以是任何使蓋子與包殼電隔離的材料。優選地，該材料在高溫下沒有看得出的變形；一種此類材料是尼龍。在其它的實施例中，可以希望使用相對疏水的材料以降低促使堿性電解質滲漏并最終在接縫或其它可達到的出口點從電池中漏出的驅動力。較不可潤濕的材料的一個實例是聚丙烯。在包殼或其它容器以電解質注入之后，通常通過使用包殼在凸緣115之上的部分以及使包殼113的這個環形部分向內卷曲并位于墊圈111的頂部之上的卷邊工藝來密封容器以使電極和電解質與環境隔離。在某些實施例中，密封劑被用來防止泄漏。適合的密封劑的實例包括含浙青的密封劑、焦油以及可從美國俄亥俄州的辛辛那提的Cognis公司購得的 VERSAMID 。電池組包殼113是用作最終電池的外殼或外套的容器。在常規的電池中，包殼是負極端子，它通常是鍍鎳鋼。需要說明的是，在某些實施例中包殼可以是負極或正極端子。 在包殼為負極的實施例中，包殼材料可以是與常規的鎳鎘電池組所使用的組成類似的組成，例如，鋼，只要該材料被涂以與鋅電極的電位適合的另一種材料。例如，負極包括可以被涂以諸如銅之類的材料以防止腐蝕。在包殼為正極而蓋子是負極的實施例中，包殼可以是與常規的鎳鎘電池所使用的組成類似的組成，典型為鍍鎳鋼。在某些實施例中，正極包殼的內部可以被涂以用于輔助氫的再結合的材料。用于催化氫的再結合的任何材料都可以使用。此類材料的一個實例是氧化銀。在另一種實施例中，負集電盤是涂有抗析氫材料(例如，金屬、合金和聚合物中的至少一種)的金屬盤。負極盤能夠是例如涂有錫、銀、鉍、黃銅、鋅和鉛中的至少一種的鋼盤、黃銅盤或銅盤。在一個實例中，圓盤是涂有錫和/或銀的黃銅或銅。在一種實施例中， 圓盤的至少一部分被涂以聚合物，例如，Teflon (ffilmington Delaware的Ε. I. Dupont de Nemours and Company的聚四氟乙烯的商品名稱)。圖IC示出了卷芯鎳鋅電池的更具體的配置。該電池與圖IA和IB中的電池類似， 具有卷芯電極組件101、包殼113、蓋子109、撓性墊圈111等，但是在本例中，負集電盤103a 是有槽的，并且有用于形成到在卷芯101的頂部的卷繞式負集電極的電連接的垂直的(下行的(decending))調整片或導能器108。當該電池被組裝時，調整片108被壓向負集電極并且負集電盤103a的最頂端部分壓向蓋子109以完成在負集電極與蓋子109之間的電連接。在一種實施例中，調整片108被配置以免刺入或戳進負集電極(如圖所示，調整片108 具有被擱在負集電極之上的彎曲部分，例如在本圖中的像滑雪板的部分)。負集電盤103a 還具有用于將電解質引入卷芯內的中心孔。正集電盤能夠同樣被設置成圓盤103a，其中中心孔被用來促進電解質流動，例如其中電解質儲存器被維持于電池的下部，在卷芯的底部與包殼的底部之間。但是，在本實施例中，正集電盤10 被穿孔，如同在圖IA中針對圓盤 105所描述的，除了圓盤105a還包括用于構成與在卷芯101的底部的卷繞式正集電極的電接觸的凸起112。在一種實施例中，將卷繞式正集電極對著卷芯101的底部來折疊于其上， 并且凸起112穿透所折疊的正集電極以建立電接觸。在某些實施例中，電池被配置用于在電解質“缺少的”條件下操作。此外，在某些實施例中，本發明的鎳鋅電池使用缺少電解質的形式。此類電池具有與活性電極材料的量相比相對少量的電解質。它們能夠與富液型電池輕易地區分開，其中富液型電池在電池的內部區域內具有自由的液態電解質。缺液型電池(Starved format cell)在2005年4月 26日提交的，題目為“Nickel Zinc Battery Design(鎳鋅電池組設計)”的美國專利申請 No. 11/116，113(已公開為US 2006-0240317A1)中進行了討論，并且在此全文引用該申請 No. 11/116，113，以作參考以及其它全部用途。可以希望出于各種原因而在缺液條件下操作電池。缺液型電池一般被理解為其中在電池電極疊層之內的總空隙容積沒有由電解質完全占用的電池。在典型的實例中，缺液型電池在電解質注入之后的空隙容積可以是注入之前的總空隙容積的至少大約10%。在此所描述的電池組的電池能夠具有多種不同形狀和尺寸中的任一種。例如，本發明的圓柱形電池可以具有常規的AAA電池、AA電池、D電池、C電池等的直徑和長度。定制的電池設計在某些應用中是適合的。在一種特定的實施例中，電池的尺寸為直徑22mm 并且長度43mm的亞C電池尺寸。注意，本發明還可以應用于相對小的電池規格，以及用于各種非便攜式應用中的各種較大規格的電池。通常，例如電動工具或草坪工具的電池組包 (battery pack)的輪廓將規定電池組電池的尺寸和形狀。一種實施例是包括具有在此所描述的選擇性密封的隔膜的卷芯的鎳鋅電池。一種實施例是包括在此所描述的一個或多個鎳鋅電池組電池以及用于允許在電器件中充電和放電的適當的外套、觸點和導線的電池組包。注意，圖1A、1B和IC所示的實施例具有與常規的商品化電池(例如商品化的鎳-鎘電池)的極性相反的極性，因為蓋子是負極而包殼是正極。在常規的動力電池中，電池的極性是這樣的蓋子為正極而包殼或容器為負極。也就是，在內部，電池組件的正電極與蓋子電連接，而電池組件的負電極與容納電池組件的包殼電連接。在某些實施例中，包括圖1A、1B和IC所示出的實施例，電池的極性是與常規電池的極性相反的。因而，負電極與蓋子電連接，而正電極與外殼電連接。應當理解，在本發明的某些實施例中，極性保持為與常規的設計相同的——具有正極的蓋子。以下將描述本實施例的至少一個實例。以下是關于特定的“正常”和“反向”極性的電池以及透氣蓋、正電極、隔膜、電解質及負電極的特征的更詳細的描述。透氣蓋雖然電池一般被密封以與環境隔離，但是可以允許電池從電池組中排出在充電和放電時所生成的氣體。因而，例如參照圖1A，蓋子109 —般被示出為非透氣蓋，但是典型地是透氣蓋。典型的鎳鎘電池在大約200磅每平方英寸(psi)的壓力時排出氣體。在某些實施例中，鎳鋅電池被設計為在該壓力以及更高(例如，高達大約300psi)的壓力下操作，不需要排氣。這可以促進在電池內所生成的任意氧氣和氫氣再結合。在某些實施例中，電池被構造用于維持高達大約450psi和/或甚至高達大約600psi的內部壓力。在其它的實施例中，鎳鋅電池被設計為在相對較低的壓力下排出氣體。當設計鼓勵氫氣和/或氧氣的受控釋放，而不是電池內再結合時，這可以是合適的。透氣蓋和圓盤以及載體基板本身的結構的某些細節可參見以下專利申請在 2006年4月25日提交的PCT/US2006/015807以及在2004年8月17日提交的PCT/ US2004/(^6859(公開號為WO 2005/020353A3)；并且在此全文引用這兩個專利申請，以作參考以及其它全部用途。正電極氫氧化鎳電極已經被用作高功率和高能量的鎳-金屬氫化物電池組、鎳-鎘電池組和鎳鋅電池組中的正電極。鎳正電極一般包括電化學活性的氧化鎳或氫氧化鎳或羥基氧化鎳以及用于促進制造、電子傳輸、潤濕、機械性質等的一種或多種添加劑。例如，正電極的配方可以包括氫氧化鎳粒子、氧化鋅、氧化鈷(CoO)、鈷金屬、鎳金屬及觸變劑(例如，羧甲基纖維素(CMC))。注意，金屬鎳和鈷可以被提供作為化學純金屬或它們的合金。正電極可以由含有這些材料和粘合劑(例如，聚合的碳氟化合物，例如，Teflon )的漿料制成。在某些實施例中，氫氧化鎳電極包含氫氧化鎳(和/或羥基氧化鎳)、鈷/鈷化合物粉末、鎳粉末和粘合材料。鈷化合物被包含用于提高鎳電極的電導率。在一種實施例中， 鎳正電極包含氧化鈷、氫氧化鈷和/或羥基氧化鈷中的至少一種；可任選地涂覆于氫氧化鎳(或羥基氧化鎳)粒子之上。鎳泡沫基質可以被用來支撐電活性的氧化鎳(例如，Ni (OH)2)的電極材料。泡沫基板的厚度可以是15-60密耳(mil)。包含以電化學活性的材料及其它電極材料填充的鎳泡沫的正電極的厚度為大約16-M密耳，優選地為大約20密耳厚。在一種實施例中，密度為大約350g/m2且厚度為大約16-18密耳的鎳泡沫被使用。在某些實施例中，電池組包括非鎳正電極(例如，銀電極或空氣電極)。銀-鋅系統使用銀-氧化物作為正電極，而鋅-空氣系統使用含有用于氧還原產物的催化劑的氣體擴散型電極。隔膜典型地，隔膜將具有小孔。在某些實施例中，隔膜包含多個層。小孔和/或層疊結構可以為鋅枝晶提供曲折的路徑，并因此有效地阻止了枝晶的穿透及其所引起的短路。優選地，多孔隔膜具有大約1. 5-10的，更優選地為大約2-5的彎曲度。平均小孔直徑優選為不超過大約0. 2微米，并且更優選地為大約0. 02-0. 1微米。此外，小孔尺寸在隔膜內優選是相當均勻的。在一種特定的實施例中，隔膜具有大約35-55%的孔隙率，一種優選的材料具有45%的孔隙率以及0. 1微米的小孔尺寸。在某些實施例中，隔膜包括至少兩個層(并且優選為正好兩個層)——用于阻擋鋅的滲透的阻擋層以及用于以電解質使電池保持為濕潤，從而允許離子電流流過的潤濕層。這一般不是鎳鎘電池那種情形，其中鎳鎘電池在相鄰的電極層之間只使用單種隔膜材料。可以通過使正電極保持濕潤而使負電極保持為相對干燥來改良電池的性能。因而，在某些實施例中，阻擋層被定位為鄰近于負電極，而潤濕層被定位鄰近于正電極。這種布局通過使電解質與正電極保持密切接觸而提高了電池的性能。在其它的實施例中，潤濕層被布置為鄰接于負電極，而阻擋層被布置為鄰接于正電極。這種布局通過促進氧經由電解質傳輸到負電極而有助于氧在負電極的再結合。阻擋層典型為微孔膜。任何可離子導電的微孔膜都可以使用。通常，具有大約 30-80%的孔隙率以及大約0. 005-0. 3微米的平均小孔尺寸的聚烯烴將是適合的。在一種優選的實施例中，阻擋層是微孔聚丙烯。阻擋層典型為大約0. 5-4密耳厚的，更優選地為大約1. 5-4密耳厚。潤濕(或芯吸(wicking))層可以由任意適合的可潤濕隔膜材料制成。典型地，潤濕層具有相對高的孔隙率，例如，大約50-85%的孔隙率。實例包括聚酰胺材料，例如基于尼龍的聚酰胺材料，以及可潤濕的聚乙烯、聚丙烯和基于纖維素的材料。一種特定的材料是以聚乙烯醇浸漬和/或涂覆的纖維素。在某些實施例中，潤濕層為大約1-10密耳厚，更優選地為大約3-6密耳厚。可以用作潤濕材料的隔膜材料的實例包括NKK VL100 (日本東京NKK 公司)、Freudenberg FS2213E、Scimat650/45 (英國斯溫頓市 kiMAT 有限公司)及 Vilene FV4365。本技術領域已知的其它隔膜材料可以被使用。如上所述，基于尼龍的材料和微孔聚烯烴(例如，聚乙烯和聚丙烯)通常是很適合的。實施例是針對選擇性密封的隔膜的。事實上，任何隔膜材料都是可行的，只要它能夠通過施加在此所描述的熱源之一來密封即可。 在某些實施例中，使用了不同熔點的隔膜材料，在其它的實施例中，被密封的隔膜結合那些在卷芯的一端或兩端所暴露于其中的條件下沒有被密封的隔膜來使用。在電極/隔膜的設計中的另一個考慮因素是究竟是將隔膜設置為寬度與電極和集電片近似相同的簡單的薄片還是將一個或兩個電極埋入隔膜層內。在后一種實例中，隔膜用作用于電極片之一的“袋子”，從而有效地封裝電極層。在某些實施例中，將負電極包裹于隔膜層內將有助于防止枝晶形成。以下將在標題為“電極和隔膜組件-卷芯”的部分更詳細地描述具體熱密封的實施例。電解質在涉及鎳鋅電池的某些實施例中，電解質組成限制了在鋅電極內的枝晶形成以及其它形式的材料再分布。合適的電解質的實例在1993年7月1日頒予M. Eisenberg的美國專利No. 5，215，836進行了討論，并且在此全文引用該專利No. 5，215，836，以作參考。在某些情況下，電解質包括(1)堿金屬類或堿土金屬類氫氧化物，(2)可溶解的堿金屬類或堿土金屬類氟化物，以及C3)硼酸鹽、砷酸鹽和/或磷酸鹽(例如，硼酸鉀、偏硼酸鉀、硼酸鈉、 偏硼酸鈉和/或磷酸鈉或磷酸鉀)。在一個特定的實施例中，電解質包含大約4. 5-10當量 /升的氫氧化鉀、大約2-6當量/升的硼酸或偏硼酸鈉以及大約0. 01-1當量的氟化鉀。一種用于高倍率應用的特定的優選電解質包括大約8. 5當量/升的氫氧化物、大約4. 5當量的硼酸以及大約0. 2當量的氟化鉀。實施例并不僅限于在Eisenberg的專利中所給出的電解質組成。一般地，任何滿足為感興趣的應用所指定的標準的電解質組成都將是可用的。假定需要高功率的應用，則電解質應當具有很好的導電性。假定需要長的循環壽命，則電解質應當抑制枝晶形成。在本發明中，含有硼酸鹽和/或氟化物的KOH電解質連同適當的隔膜層一起的使用會減少枝晶的形成，從而獲得更強健和長壽的動力電池。在一種特定的實施例中，電解質組成包含超出量為大約3-5當量/升氫的氧化物 (例如，K0H、Na0H和/或LiOH)。這假定了負電極為基于氧化鋅的電極。對于鋅酸鈣負電極，替換的電解質配方可以是適合的。在一個實例中，用于鈣鋅酸鹽的適合的電解質具有以下組成重量百分比為大約15-25%的Κ0Η、重量百分比為大約0. 5-5.0%的LiOH。根據各種實施例，電解質可以包括液體和凝膠。凝膠電解質可以包括增稠劑，例如可從美國俄亥俄州克利夫蘭市的Noveon公司購得的CARB0P0L 。在一種優選的實施例中， 一小部分活性電解質材料為凝膠形式。在一種特定的實施例中，重量百分比為大約5-25% 的電解質被設置為凝膠，并且該凝膠成分包括重量百分比為大約1-2%的CARB0P0L 。在某些情況下，電解質可以含有相對高濃度的磷酸鹽離子，這在2006年2月1日由 J.Phillips 和 S. Mohanta 提交的，題目為“Electrolyte Composition for Nickel Zinc Batteries (鎳鋅電池組的電解質組成)”的美國專利7，550，230中進行了討論，并且在此全文引用該專利7，550，230，以作參考以及其它全部用途。負電極當應用于鎳鋅電池時，負電極包括可任選地結合一種或多種附加材料(例如，涂有表面活性劑的粒子、防腐劑、潤濕劑等)的鋅或鋅酸鹽離子的一個或多個電活性源，這將在下面描述。當電極被制作時，它的特征應當在于某些物理、化學和形態學的特征，例如，庫倫容量、活性鋅的化學組成、孔隙率、彎曲度等。在某些實施例中，電化學活性的鋅源可以包括以下成分中的一種或多種氧化鋅、 鋅酸鈣、鋅金屬及各種鋅合金。這些材料中的任一種都可以在制作期間提供和/或在正常的電池循環期間產生。作為一個特定的實例，可考慮鋅酸鈣，該材料可以從含有例如氧化鈣
12和氧化鋅的漿料或漿體中生產出。用于可充電的鋅堿性電化學電池的負電極活性材料可以包括鋅金屬(或鋅合金) 粒子。如果使用鋅合金，則該鋅合金在某些實施例中可以包含鉍和/或銦。在某些實施例中，它可以包含高達大約百萬分之二十的鉛。市場上可購得的滿足該組成要求的鋅合金源是由加拿大Noranda公司所提供的PGlO 1。在一種實施例中，鎳鋅電池的電化學活性的鋅金屬成分含有重量百分比小于大約0.05%的鉛。錫同樣可以用于鋅負電極。在某些實施例中，鋅金屬粒子可以被涂以錫和/或鉛。鋅粒子可以通過將鉛和錫鹽添加到含有鋅粒子、增稠劑和水的混合物中來涂覆。鋅金屬能夠在存在氧化鋅以及電極的其它成分的情況下涂覆。當鈷存在電解質中時，包含涂有鉛或錫的鋅粒子的鋅電極一般較不易于放氣。電池的循環壽命和貯藏壽命也得到了提高，因為鋅導電基質保持完整并且貯藏放電被減少。適用于本發明的負電極的示例性的活性材料組成在由 J. Phillips 等人于 2009 年 5 月 18 日提交的，題目為"Pasted Zinc Electrode for RechargeableNickel-Zinc Batteris” 的美國專利申請 No. 12/467, 993 中進行了進一步的描述，并且在此全文引用該申請No. 12/467，993，以作參考以及其它全部用途。鋅活性材料可以粉末、顆粒組成物、纖維等形式存在。優選地，在鋅電極漿料配方中的每種成分都具有相對小的粒子尺寸。這將降低粒子可以滲透或破壞正電極與負電極之間的隔膜的可能性。特別地考慮電化學活性的鋅成分(以及還有其它粒子狀的電極成分)，此類成分優選具有不大于大約40或50微米的粒子尺寸。在一種實施例中，粒子尺寸小于大約40微米，即平均直徑小于大約40微米。這種尺寸范圍包括涂有鉛的鋅或氧化鋅粒子。在某些實施例中，材料的特征可以是具有不多于大約的主要尺寸(例如，直徑或主軸)大于大約 50微米的粒子。此類組成能夠通過例如篩選或處理鋅粒子以除去較大的粒子來生成。注意，在此所列舉的粒子尺寸范圍可應用于氧化鋅和鋅合金，以及鋅金屬粉末。除了電化學活性的鋅成分之外，負電極可以包含用于促進或影響在電極之內的諸如以下這些過程的一種或多種附加材料離子傳輸、電子傳輸(例如，提高電導率)、潤濕、 孔隙率、結構完整性(例如，粘合)、放氣、活性材料溶解度，阻隔性質(例如，降低鋅離開電極的量)、腐蝕抑制等。可以為了粘合、散布和/或作為隔膜的替代物而將各種有機材料添加于負電極。 實例包括羥乙基纖維素(HEC)、羧甲基纖維素(CMC)、羧甲基纖維素的游離酸形式(HCMC)、 聚四氟乙烯(PTFE)，聚磺苯乙烯(PSS)、聚乙烯醇(PVA) dopcosperse分散劑(可從日本京都的San Nopco有限公司購得)等。在某些實施例中，聚合物材料(例如，PSS和PVA)可以按照漿料的形式(與涂層相對)來混合，以便將可對隔膜構成威脅的尖銳的或大的粒子埋入電極之內。當在此定義電極組成時，該組成一般應當理解為可應用于在制作時所生成的組成 (例如，漿料、漿體或干燥的制作配方的組成)，以及當電池在使用時(例如，在給便攜式工具供電時)可能在形成循環期間或之后或者在一個或多個充電-放電循環期間或之后產生的組成。在本發明的范圍之內的各種負電極組成在下列文獻中進行了描述PCT公開號 No.WO 02/39517(J. Phillips)、PCT
發明者B·L·邁克金尼, B·M·施羅特, J·吳, J·菲利普斯, S·薩拉蒙, T·F·塔塔爾 申請人:鮑爾熱尼系統公司