CN1806354A - 电池的阳极 - Google Patents

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Abstract

一种包含锌颗粒的阳极,其中至少约30%重量的锌颗粒为球形。

Description

电池的阳极
                  相关申请的交叉引用
本申请要求2003年6月17日提交的美国临时申请第60/479540号的优先权,该临时中请全部引入本文作为参考。
                         技术领域
本发明涉及电池。
                         背景技术
电池如碱性原电池常用作电源。一般地,电池包括负极(通常称为阳极)和正极(通常称为阴极)。阳极包含可被氧化的活性物质(例如锌颗粒);阴极包含可被还原的活性物质(例如二氧化锰)。阳极活性物质能够还原阴极活性物质。为了防止阳极材料与阴极材料的直接反应,阳极和阴极通过隔板而彼此电绝缘。
当电池用作诸如移动电话等装置的电源时,令阳极和阴极电接触,使得电子流过装置,并允许氧化和还原反应各自发生,以提供电力。与阳极和阴极接触的电解液包含流经电极之间的隔板的离子,以维持放电期间整个电池的电荷平衡。
                         发明内容
总体上,本发明涉及其阳极包含球形锌颗粒的电池。
一方面,本发明的特征在于包含锌颗粒的阳极。至少约50%重量的锌颗粒(例如,至少约60%,至少约70%,至少约80%,至少约90%,或者至少约95%重量的锌颗粒)为球形。在一些实施方案中,锌颗粒是锌与铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合的合金。
另一方面,本发明的特征在于具有外壳以及该外壳内的阴极和阳极的电池。阳极包含球形的锌颗粒。在一些实施方案中,该电池为碱性电池。在某些实施方案中,该电池为AA型电池,AAA型电池,C型电池,或者D型电池。
另一方面,本发明的特征在于制备锌颗粒的方法。该方法包括在氧小于约1%(例如氧小于约0.7%,小于约0.5%,小于约0.3%,小于约0.1%)的气氛中离心雾化熔融锌,制得锌颗粒。至少约30%重量的锌颗粒(例如至少约50%重量,至少约70%重量的锌颗粒)为球形。该方法还可以包括将锌颗粒加到阳极中。电池可通过将阳极和阴极装入电池外壳中来制备。
通过说明书和附图以及权利要求书,更容易看出本发明的其它特征和优点。
                         附图说明
图1是电池的实施方案之一的侧视图。
图2是离心雾化装置的示意图。
图3和3A分别是电池的另一实施方案的透视图。
图3B是图3和3A的电池的截面图。
                         具体实施方式
参照图1,电池10包括阴极12,阳极14,隔板16,及圆筒形外壳18。电池10还包括集电体20,密封件22,及充当电池负极端子的负极金属顶盖24。阴极12与外壳18接触,电池10的正极端子位于电池与负极端子相对的一端。碱性电解液分散于整个电池10中。电池10可以是例如AA、AAA、C或D型电池。
阳极14包含锌金属颗粒。阳极中至少约30%重量的锌颗粒(例如阳极中至少约40%,至少约50%,至少约60%,至少约70%,至少约80%,至少约90%,或者至少约95%重量的锌颗粒)为球形。本文中所使用的“球形”是指锌颗粒具有约1.0~2.0或者约1.0~1.5(例如约1.0~1.25)的纵横比。锌颗粒的纵横比可根据两种方法测定。根据第一种方法,锌颗粒的纵横比等于其伸长比(elongation ratio)的倒数(即1/(伸长比)),其中所述伸长比是所测量到的锌颗粒直径与其垂直直径的最小比例。根据第二种方法,锌颗粒的纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。该测量可以利用锌颗粒的二维图像来进行。
优选球形锌颗粒具有约100~约300μm的平均粒径(根据Sympatec低角度激光分析法测定)和约1.4~约1.8的σ。优选球形锌颗粒具有约50~250cm2/克,例如,约100~约150cm2/克的平均表面积(根据B.E.T.分析法测定)。
球形锌颗粒可以是锌与铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合的合金。
举例来说,阳极14可以是锌凝胶,其包含锌金属颗粒、一种或多种胶凝剂及少量的添加剂如产气抑制剂。另外,部分电解质溶液分散于整个阳极中。
胶凝剂的实例包括聚丙烯酸,聚丙烯腈,接枝的淀粉材料(例如淀粉接枝的聚丙烯酸、淀粉接枝的聚丙烯腈),聚丙烯酸的盐,聚丙烯酸酯,羧甲基纤维素,羧甲基纤维素钠,或者它们的组合。这种聚丙烯酸的实例是Carbopol 940和934(得自B.F.Goodrich)和Polygel 4P(得自3V),接枝的淀粉材料的实例是Waterlock A221(得自Grain Processing Corporation,Muscatine,IA)。聚丙烯酸盐的实例是Alcosorb G1(得自Ciba Specialties)。阳极可以包含例如约0.1~2%重量的胶凝剂。
产气抑制剂可以是无机材料如铋、锡、铅和铟。作为选择,产气抑制剂也可以是有机化合物,如磷酸酯、离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂的实例公开于例如US 4777100中,该专利文献引入本文作为参考。
阴极12包含二氧化锰、碳颗粒和粘结剂。电解质溶液也分散于整个阴极12中。所提供的重量百分数的高低是在电解质溶液已经分散之后测定的。
二氧化锰可以是电解合成的MnO2(EMD),也可以是化学合成的MnO2(CMD),也可以是EMD和CMD的混合物。二氧化锰的销售商包括KerrMcGee,Co.(Trona D);Chem Metals,Co.,Tosoh;Delta Manganese;MitsuiChemicals;及JMC。
碳颗粒可以是阴极中常用的任何碳颗粒。例如,碳颗粒可以是石墨颗粒。石墨可以是合成或非合成的石墨,也可以是合成与非合成的石墨的混合物。适宜的石墨颗粒可以得自例如Brazilian Nacional de Grafite(Itapecerica,MGBrazil(MP-0702X))或者日本的Chuetsu Graphite Works,Ltd.(Chuetsu gradesWH-20A和WH-20AF)。举例来说,阴极可以包含约3~7%,如约4~6.5%重量的碳颗粒。
粘结剂的实例包括聚乙烯粉末,聚丙烯酰胺,Portland水泥,及碳氟树脂如PVDF和PTFE。聚乙烯粘结剂的实例以商品名Coathylene HA-1681出售(得自Hoechst)。阴极可以包含例如约0.1%~1%重量的粘结剂。
阴极12可以包含其它添加剂。这些添加剂的实例参见US 5342712,该专利文献引入本文作为参考。阴极12可以包含例如约0.2~2%重量的TiO2
隔板16可以具有电池隔板的任何常规结构。在一些实施方案中,隔板16可用两层无纺、非膜材料形成,一层沿着另一层的表面布置。为了使隔板16的体积最小化同时又提供有效的电池,无纺、非膜材料的每一层可以具有每平方米约54克的基重(basis weight),约5.4mil的干燥时的厚度,及约10mil的湿润时的厚度。在这些实施方案中,优选隔板在无纺、非膜材料层之间不包括膜材料层或胶粘剂层。通常,这些层基本上不含填料如无机物颗粒。
在其它实施方案中,隔板16包括与无纺材料结合的玻璃纸层。隔板还包括另一层无纺材料。玻璃纸层可以邻近阴极12或阳极14。无纺材料包含例如约78~82%重量的PVA和约18~22%重量的人造丝及痕量的表面活性剂。这种无纺材料得自PDM,商品名为PA25。
在一些实施方案中,隔板16为其上层合了玻璃纸层(例如300P002,得自UCB)的无纺材料(例如PA25,得自PDM)。
分散于整个电池10中的电解液可以是电池中常用的任何电解液。该电解液可以是KOH或NaOH的水溶液。电解液可以包含例如约20~50%重量溶解于H2O中的碱金属类氢氧化物。电解液可以包含约0~4%重量的氧化锌。
外壳18可以是碱性原电池中常用的任何外壳。外壳通常包括内金属壁和外部的非导电材料如可热收缩的塑料。可任选地在内壁与阴极12之间布置导电材料层。该层可沿着壁的内表面布置,沿着阴极12的外周面布置,或者沿着二者布置。该导电材料层可以由例如碳材料构成。这种材料包括LB 1000(得自Timcal),Eccocoat 257(得自W.R.Grace&Co.),Electrodag 109(得自Acheson Industries,Inc.),Electrodag 112(得自Acheson),及EB0005(得自Acheson)。举例来说,施用导电层的方法参见加拿大专利第1263697号,该专利引入本文作为参考。
集电体20由合适的金属如黄铜制成。密封件22可以由例如尼龙制成。
参照图2,球形锌颗粒可通过离心雾化法制备。在图2中,离心雾化装置110包括炉子112和雾化室114。雾化室保持低氧气氛(例如约0.001~1.0%的氧,更优选小于约0.5%的氧)。雾化室114中的余下气体为惰性气体(如氩、氦、氮)。例如,该雾化室可以包含约0.01~0.50%的氧,余下的气体为氮气。
杯116放置在雾化室114内。杯116可由例如石墨制成,并且可以具有约5~50cm,例如,约10~20cm的直径。杯116可以具有约0.1~10cm,例如,约2~3cm的深度。马达122(例如7.5hp的马达)与轴133相连,轴133进一步与杯116相连。
槽118将炉子112与漏斗120相连,漏斗120位于雾化室114的上部。
尽管未示出,但是该离心雾化装置110还可以包括其它部件,如布置在马达122与杯116之间的皮带轮系统。
在操作中,马达122驱动杯116,使杯旋转。杯可以约500~50000rpm(例如,约6000~8500rpm)的转速旋转。
将锌和合金化组分加料于炉子112中,然后使锌和合金化组分熔化。熔融的合金可以包含约1~5000ppm(基于熔融金属质量)的合金化组分(例如铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合)。合金化组分可以是约100~500ppm的铋、铟和铅。合金化组分可以是约100~500ppm的铋和铟。
一旦炉子中收集到足够量的熔融合金,该熔融的合金就沿着槽118向下移动至漏斗120中。漏到120具有喷孔124。当熔融合金通过喷孔124时,其形成最终与杯116接触的液流126。可以按需要的熔体流速(即液流126的流速)制作喷孔124的尺寸。熔融金属的熔体流速为每小时约10~20000磅锌(例如每小时约4000~7000磅锌;每小时约2450磅锌;每小时约3100磅锌)。
当液流126接触杯116时,离心力使熔融的合金沿杯116横向展开,然后以熔滴的形式摆脱杯116,接着冷却和固化,形成锌颗粒128。部分所得的锌颗粒可以是球形的。一旦锌颗粒128形成,其可以通过传递装置130传递至筛分工序(例如,包括60目的筛子)。
实施例
可以根据下列方法制备包含球形锌颗粒的阳极浆料的实例(尽管锌颗粒的制备可以生产规模来进行,但是电解液凝胶的制备以及阳极浆料的制备均可以实验室和/或试验性规模来进行,并且需要按比例放大才能进行生产)。例如,可以将阳极浆料加到图1的电池中。
锌颗粒的制备
可以根据离心雾化法制备具有下列特征的锌颗粒,如上面的参照图2的说明:
      表1-锌颗粒的特征
  锌颗粒
  颗粒直径@d10   86.2μm
  颗粒直径@d50   154μm
  颗粒直径@d90   305μm
  BET表面积   128cm2/克
锌粉末可以通过离心雾化装置,利用分别为0.35%和7750rpm的较恒定的氧含量和转速来制备。可以采用约3100磅/小时或者约2450磅/小时的熔体流速。雾化杯可以具有大约6英寸的直径。
电解液凝胶的制备
可以制备含量如下的电解液凝胶:
表2-电解液凝胶的含量
  组分   百分比
  电解质   97.9%
  C940   1.60%
  Waterlock A221   0.50%
电解液凝胶可以制备如下:
1.将34.8%KOH和2.0%ZnO于水中的电解液放置在混合器中,并开启混合器。
2.将C940(得自Noveon,Inc.)和Waterlock A221(得自Grain ProcessingCorp.)胶凝剂逐步加到混合器中。
3.约3分钟后关闭混合器。
4.使所得凝胶水合至少8小时(优选24小时)。
阳极浆料的制备
可以制备组成如下的阳极浆料。
                           表3-阳极浆料的含量
  组分   含量
  电解液凝胶   39.9%
  球形锌(-60目)   60.0%
  乙酸铟(大约41%In)   0.0286%(196ppm,基于Zn质量)
  表面活性剂(RM510)(大约4.0%于H2O)   0.0750%(50ppm,基于Zn质量)
阳极浆料可根据下列方法制备:
1.将凝胶电解液加到容量为1.5升的双行星型混合器中。
2.加入乙酸铟和表面活性剂溶液。
3.提升至28″(Hg)真空(即约50mm绝对压力),开动搅拌器(20rpm),并混合6分钟。
4.关闭搅拌器并解除真空。
5.开动搅拌器并在15~30内加入锌粉末。
6.提升至28″(Hg)真空,开启搅拌器(20rpm),并混合24分钟。
球形锌颗粒还可以用于棱形电池的阳极。适宜的棱形电池参见US10/336475和US 10/336261,二者均是于2003年1月3日提交的,其内容引入本文作为参考。
参照图3至图3B,棱形电池310具有至少两个平行于电池纵轴的扁平的相对侧。电池310可以是平行六面体,并优选为矩形。电池310具有外壳312,其由一对相对的大的扁平壁313和315、一对相对的小的扁平壁314和316、密闭端318和向相对的敞开端320界定。该电池还包括具有负极端板322的端盖组件321。电池内含阳极324,阴极326,及隔板328。阳极324呈包含球形锌颗粒和含水电解液的锌浆料的形式。
其它实施方案也包括在下面的权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种包含锌颗粒的阳极,其中至少约50%重量的锌颗粒为球形,每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0~2.0,其中该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
2.根据权利要求1的阳极,其中至少约60%重量的锌颗粒为球形。
3.根据权利要求2的阳极,其中至少约70%重量的锌颗粒为球形。
4.根据权利要求3的阳极,其中至少约80%重量的锌颗粒为球形。
5.根据权利要求4的阳极,其中至少约90%重量的锌颗粒为球形。
6.根据权利要求5的阳极,其中至少约95%重量的锌颗粒为球形。
7.根据权利要求1的阳极,其中所述锌颗粒包括含有一种或多种选自下列组分的锌合金:铝,铋,钙,镓,铟,锂,镁,铅,及锡。
8.一种电池,其包括:
外壳;
电解液;
外壳内的阴极;及
外壳内的阳极,其中该阳极包含锌颗粒,且至少约50%重量的锌颗粒为球形,每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0~2.0,该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
9.根据权利要求8的电池,其中至少约60%重量的锌颗粒为球形。
10.根据权利要求9的电池,其中至少约80%重量的锌颗粒为球形。
11.根据权利要求10的电池,其中至少约95%重量的锌颗粒为球形。
12.根据权利要求8的电池,其中该锌颗粒包括含有一种或多种选自下列组分的锌合金:铝,铋,钙,镓,铟,锂,镁,铅,及锡。
13.根据权利要求8的电池,其中该阴极包含MnO2
14.根据权利要求8的电池,其中该外壳为棱形的。
15.根据权利要求8的电池,其中该电解液是碱性的。
16.根据权利要求15的电池,其中该电池包括AA型电池。
17.根据权利要求15的电池,其中该电池包括AAA型电池。
18.根据权利要求15的电池,其中该电池包括C或D型电池。
19.一种制备锌颗粒的方法,包括在氧小于约1%的气氛中离心雾化熔融的锌,得到锌颗粒,其中至少约30%重量的锌颗粒为球形,每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0~2.0,该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
20.根据权利要求19的方法,其中所述熔融锌在氧小于约0.7%的气氛中进行离心雾化。
21.根据权利要求20的方法,其中所述熔融锌在氧小于约0.5%的气氛中进行离心雾化。
22.根据权利要求21的方法,其中所述熔融锌在氧小于约0.3%的气氛中进行离心雾化。
23.根据权利要求22的方法,其中所述熔融锌在氧小于约0.1%的气氛中进行离心雾化。
24.根据权利要求19的方法,还包括将锌颗粒加到阳极中。
25.一种制备电池的方法,该方法包括:
(a)在氧小于约1%的气氛中离心雾化熔融的锌,该离心雾化得到锌颗粒,其中至少约30%重量的锌颗粒为球形,每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0~2.0,且该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比;
(b)将锌颗粒加到阳极中;及
(c)将该阳极和阴极装到电池外壳中。
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