專利名稱：帶有含硫陽(yáng)極的電化學(xué)電池的制作方法
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的堿性電池通常包括鋼制圓筒，其具有含有用作活性材料的二氧化錳并形成于鋼筒內(nèi)表面的陰極、含有用作活性材料的鋅粉并位于電池中心的陽(yáng)極、位于陽(yáng)極與陰極之間的隔板，以及同時(shí)與陽(yáng)極、陰極和隔板相接觸的堿性電解質(zhì)溶液。在陽(yáng)極的活性材料中通常插入了導(dǎo)電集電器，并采用密封組件使鋼筒的頂端封閉。
在設(shè)計(jì)堿性電池中的一個(gè)目的是在電池以較高放電速率放電時(shí)提高鋅的放電效率。在傳統(tǒng)的電池中，當(dāng)電池以較高速率放電時(shí)鋅的放電效率通常較低。例如，當(dāng)前市場(chǎng)上的堿性電池在電池以較高放電速率放電時(shí)只利用了電池中約20-30％的鋅。
電化學(xué)電池的生產(chǎn)商和使用者希望有一種性能更佳的電化學(xué)電池，因此對(duì)低成本的性能更佳的電化學(xué)電池的需求日益增加。實(shí)現(xiàn)電化學(xué)電池的更佳性能的一種方法是提高鋅的利用率。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種電化學(xué)電池，其包括堿性電解液和具有電化學(xué)活性材料及元素硫的陽(yáng)極。
本發(fā)明的另一方面是一種構(gòu)造電化學(xué)電池的方法，其包括提供陰極、堿性電解液和陽(yáng)極以及將元素硫添加到陽(yáng)極中的步驟。
通過(guò)參考下面的說(shuō)明、權(quán)利要求和附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)一步地理解和評(píng)價(jià)本發(fā)明的這些和其他特征、優(yōu)點(diǎn)及目的。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的可采用具有元素硫的陽(yáng)極的堿性電化學(xué)電池的剖開的透視圖；和圖2是在測(cè)定充滿了電的試驗(yàn)電池時(shí)對(duì)無(wú)硫的鋅陽(yáng)極與含有元素硫的鋅陽(yáng)極的放電曲線進(jìn)行比較的圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)介紹參考圖1，圖中顯示了圓柱形堿性電化學(xué)電池10的剖視圖。堿性電池10包括帶有封閉頂端和開口底端的圓柱形鋼筒12，鋼筒的方位如圖1所示。除了鋼筒12的兩端之外，圍繞鋼筒12的外表面設(shè)有金屬化的塑料薄膜標(biāo)簽14。在鋼筒12的封閉端設(shè)有最好由電鍍鋼形成的正極蓋板16。薄膜標(biāo)簽14形成在正極蓋板16的周向邊緣上。圍繞鋼筒12的內(nèi)表面形成有陰極20，其最好由二氧化錳、石墨、45％的氫氧化鉀溶液、水、含有約20％的聚四氟乙烯的TEFLON溶液和添加劑的混合物組成。圍繞陰極20的內(nèi)表面設(shè)有隔板22，其最好由可防止電池內(nèi)的任何固體粒子發(fā)生遷移的非織造織物形成。在鋼筒12內(nèi)、最好在隔板22的內(nèi)部設(shè)有堿性電解液24，其最好由氫氧化鉀(KOH)的水溶液形成。如下所述地最好由鋅合金粉末、膠凝劑、電解液和添加劑的混合物形成的陽(yáng)極18設(shè)于隔板22的內(nèi)部，并與可包括有銅釘?shù)募娖?6相接觸。因此，陰極20被設(shè)為電池的正電極，而陽(yáng)極18被設(shè)為電池的負(fù)電極。
集電器26與蓋板36在鋼筒12的開口端處接觸。在鋼筒12的開口端處形成有尼龍密封件30，以防止包含在鋼筒12中的活性材料發(fā)生泄漏。尼龍密封件30與膜片式彈簧墊圈28和最好由鋼制成的電池內(nèi)蓋板34接觸。在圖1中的膜片式彈簧墊圈之下為齒形墊圈29。最好由電鍍鋼形成的負(fù)極蓋板36設(shè)置成與集電器26接觸。負(fù)極蓋板36通過(guò)尼龍密封件30而與鋼筒12電絕緣。本發(fā)明的陰極20最好由作為電化學(xué)活性材料的電解二氧化錳(EMD)形成。另外，本發(fā)明的陰極20還可含有一種或多種陰極添加劑。
這里所使用的用語(yǔ)“電化學(xué)活性材料”是指鋅合金或純鋅。鋅合金主要包括鋅和至少一種已經(jīng)合金化于其中的其它金屬?！凹冧\”可含有非常少量的、一般少于100ppm的不可避免的雜質(zhì)，例如鉛。
本發(fā)明的陽(yáng)極18最好含有由鋅合金組成的電化學(xué)活性材料。該合金最好包括鉍(100ppm)、銦(200ppm)、鋁(100ppm)和剩余物鋅。其它適用于堿性電池的鋅合金在本領(lǐng)域中是眾所周知的，其典型例子如專利US5721072、US5425798和US5240793中所示。
根據(jù)本發(fā)明，電化學(xué)電池10的陽(yáng)極1 8含有作為陽(yáng)極混合物的一種組分的元素硫。元素硫的量可在電化學(xué)活性材料重量的約0.015％到約0.30％的范圍內(nèi)。有利的是，元素硫的量應(yīng)在電化學(xué)活性材料重量的約0.03％和0.15％之間，較理想地在電化學(xué)活性材料重量的約0.06％到約0.09％的范圍內(nèi)，最好為電化學(xué)活性材料重量的約0.075％。
陽(yáng)極中的電化學(xué)材料和硫的總量可在陽(yáng)極總重量的60％到75％的范圍內(nèi)，這由陽(yáng)極的配方而定。因此，陽(yáng)極中的電化學(xué)材料和硫的總量可為陽(yáng)極總重量的63％、65％、67％或70％。在優(yōu)選實(shí)施例中制備了一種陽(yáng)極混合物，其中陽(yáng)極中的電化學(xué)材料和硫的總量為陽(yáng)極重量的67％。陽(yáng)極的其余33％重量為電解液、粘合劑和其它添加劑的組合物。電解液最好是37％重量的KOH水溶液。
將含有重量為電化學(xué)活性材料重量的0.075％的元素硫的鋅陽(yáng)極的性能特征與“對(duì)照”鋅陽(yáng)極的性能特征進(jìn)行比較。用于對(duì)照陽(yáng)極和用于含有元素硫的試驗(yàn)陽(yáng)極的陽(yáng)極混合物如下表1
將鋅合金、硫、氫氧化銦和氫氧化鉀(0.1N)混合在一起，然后添加通過(guò)與其它組分混合在一起而形成的凝膠。因此，從表1中可看出，除了對(duì)照陽(yáng)極不含所添加的元素硫因而具有67％重量的鋅而試驗(yàn)樣品含有66.95％重量的鋅和0.05％重量的元素硫之外，對(duì)照陽(yáng)極與含有元素硫的陽(yáng)極在各個(gè)方面是相同的。
通過(guò)使充滿電的試驗(yàn)電池的陽(yáng)極放電來(lái)對(duì)試驗(yàn)陽(yáng)極和對(duì)照陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)定?！俺錆M電的試驗(yàn)電池”是用于確定電化學(xué)放電材料如鋅的放電效率的試驗(yàn)載體。采用充滿電的試驗(yàn)電池的目的是創(chuàng)造這樣一種物理環(huán)境，其中可測(cè)試一個(gè)電極的放電效率而不會(huì)干擾電池的其它部件。
這里所使用的充滿電的試驗(yàn)電池包括高度為8.3cm和直徑為7.6cm的桿形塑料容器。此容器形成了深度為5.7cm和直徑為2.5cm的位于中央的圓形空腔。充滿電的試驗(yàn)電池的構(gòu)造及放電包括下述步驟。首先，卷繞5.7cm寬的鎳篩條并隨后將其插入到靠在空腔的內(nèi)表面上。將如下述所知的作為正極鉛的鎳條固定在鎳篩上。其次，將桿形銅集電器的一端穿過(guò)容器的底部并固定在此底部上，使得集電器位于空腔的中央。將如下述所知的作為負(fù)極鉛的鎳條固定在銅集電器上的延伸通過(guò)容器底部的位置處。第三，將卷成直徑約為0.64cm和高度約為2.86cm的圓柱的尼龍網(wǎng)帶插入到由鎳篩形成的空腔中，使得集電器可沿所卷起來(lái)的網(wǎng)的中心延伸。大約0.89cm的間隔沿著由容器形成的空腔的整個(gè)高度將尼龍網(wǎng)與鎳篩隔開。第四，將通常為2克的陽(yáng)極混合物置于由尼龍網(wǎng)形成的空腔中。這樣就可容易地建立陽(yáng)極混合物中的鋅與集電器之間的電接觸。第五，將腐蝕性電解液注入鎳篩和尼龍網(wǎng)之間的空間內(nèi)。填充在陽(yáng)極混合物與鎳篩之間的空間內(nèi)的腐蝕性電解液基本上填滿了陽(yáng)極混合物、鎳篩和尼龍網(wǎng)中的所有空隙。水溶性電解液含有37％重量的KOH和一定量的ZnO，所述ZnO溶于37％的KOH溶液中，其量相當(dāng)于37％的KOH溶液的3％重量。
在充滿電的試驗(yàn)電池裝配好后，將正極鉛和負(fù)極鉛與合適的放電裝置相連，隨鋅的放電而記錄下試驗(yàn)電池的電壓。然后計(jì)算鋅的放電效率。
圖2顯示了在充滿電的試驗(yàn)電池中的放電速率為每克鋅250毫安(mA/g)時(shí)鋅陽(yáng)極的兩個(gè)樣品的放電曲線的比較，其中一個(gè)樣品含有元素硫而另一個(gè)樣品沒(méi)有。以毫安小時(shí)每克鋅(mAh/g)為單位的放電相對(duì)于以伏為單位的陽(yáng)極電位而繪出曲線。線40表示帶有未添加元素硫的鋅“對(duì)照”陽(yáng)極的試驗(yàn)電池的放電特性。線42表示帶有添加了元素硫的試驗(yàn)鋅陽(yáng)極的放電特性。在任何放電程度下，試驗(yàn)陽(yáng)極的電壓均高于對(duì)照陽(yáng)極的電壓。結(jié)果表明，含有元素硫的陽(yáng)極的放電性能與對(duì)照陽(yáng)極相比有顯著的提高，這可從數(shù)據(jù)中看出，此數(shù)據(jù)顯示試驗(yàn)陽(yáng)極的放電容量比對(duì)照鋅陽(yáng)極的放電容量高約30％。在放電后，在試驗(yàn)陽(yáng)極的鋅的表面上形成的放電產(chǎn)物主要包括氧化鋅。在含有元素硫的陽(yáng)極中的鋅的表面上未檢測(cè)到氫氧化鋅。
權(quán)利要求
1.一種包括水溶性電解液和陽(yáng)極的電化學(xué)電池，所述陽(yáng)極具有電化學(xué)活性材料和元素硫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述電化學(xué)活性材料包括鋅合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述水溶性電解液是堿性電解液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述水溶性電解液包括氫氧化鉀(KOH)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述陽(yáng)極含有重量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.015％到約0.30％的元素硫。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述陽(yáng)極含有重量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.03％到約0.15％的元素硫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述陽(yáng)極含有重量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.06％到約0.09％的元素硫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電化學(xué)電池，其特征在于，所述陽(yáng)極含有重量為所述陽(yáng)極中的鋅重量的約0.075％的硫。
9.一種制造電化學(xué)電池的方法，包括步驟提供陰極；提供堿性電解液；提供含有電化學(xué)活性材料和元素硫的陽(yáng)極；和使所述陽(yáng)極和所述陰極與所述電解液接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極中的所述元素硫的量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.015％到約0.30％。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極中的所述元素硫的量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.03％到約0.15％。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極中的所述元素硫的量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.06％到約0.09％。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述陽(yáng)極中的所述元素硫的量為所述電化學(xué)活性材料重量的約0.075％。
全文摘要
提供了一種電化學(xué)電池，其包括含有活性材料和元素硫的陽(yáng)極。還提供了一種制造電化學(xué)電池的方法，其包括提供陰極、電解液和陽(yáng)極，將元素硫添加到陽(yáng)極中，使陽(yáng)極和陰極與電解液接觸的步驟。陽(yáng)極活性材料為鋅。電解液為氫氧化鉀水溶液。
文檔編號(hào)H01M4/24GK1436377SQ01811331
公開日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2001年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者吳建軍 申請(qǐng)人:永備電池有限公司