專(zhuān)利名稱(chēng)：具有包含按重量計(jì)小于4％碳顆粒的陰極的堿性電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堿性電池。
背景技術(shù)：
電池是通常使用的電能來(lái)源。電池包含通常稱(chēng)作陽(yáng)極的負(fù)極和通常稱(chēng)作陰極的正 極。陽(yáng)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(yáng)極活性材 料能夠還原陰極活性材料。分隔體設(shè)置在陽(yáng)極和陰極之間。這些組件設(shè)置在金屬殼內(nèi)。當(dāng)使用電池作為裝置中的電能來(lái)源時(shí)，陽(yáng)極和陰極發(fā)生電接觸，使電子流過(guò)裝置， 發(fā)生相應(yīng)的氧化和還原反應(yīng)以提供電能。與陽(yáng)極和陰極接觸的電解質(zhì)包含流過(guò)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(xù)需要制造更適于高功率應(yīng)用的電池?，F(xiàn)代電子器件如蜂窩式電話(huà)、數(shù)字照相 機(jī)和玩具、閃光裝置、遙控玩具、可攜式攝像機(jī)和高強(qiáng)度燈是此類(lèi)高功率應(yīng)用的實(shí)例。此類(lèi) 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(yīng)地，它們需要在介于約0. 5和2瓦特之間的電量需求下進(jìn)行操作。就電池而言，還期望具 有長(zhǎng)的使用壽命(或在某些應(yīng)用情況下，如數(shù)字照相機(jī)，能夠遞送大量的能量脈沖)。電池 具有預(yù)先確定的內(nèi)部體積，即金屬殼的內(nèi)部體積，這由具體電池類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)外部幾何形狀 決定。這個(gè)內(nèi)部體積限制了可包含在陽(yáng)極和陰極內(nèi)的活性物質(zhì)的量，從而限制了電池的性 能特征。發(fā)明概述總體上，本發(fā)明的特征在于電池包括陽(yáng)極、陰極、和設(shè)置在陽(yáng)極與陰極之間的分隔 體，所述陰極包含相對(duì)低含量的碳顆粒。在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于一種堿性電池，所述堿性電池包括陽(yáng)極、陰極、和 設(shè)置在陰極與陽(yáng)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(jì)小于約4%。在一些具體實(shí)施中，堿性電池可包括下列一個(gè)或多個(gè)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(jì)小于0.5%的天然石墨，并且一 般優(yōu)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(jì)小于或等于約3. 5%和 按重量計(jì)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(yáng)極包含鋅作為活性物質(zhì)。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(cè)量時(shí)，陰極具有在約2. 5%至約5%范圍內(nèi)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(rùn)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(fā)明的特征在于一種堿性電池，該堿性電池包括陽(yáng)極、陰極、和設(shè) 置在陽(yáng)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(jì)小于約3. 5%。這個(gè)方面可包括以上關(guān)于第一個(gè)方面所述的任何特征或所有特征。本發(fā)明的特征還在于制造堿性電池陰極的方法。在一個(gè)方面，本發(fā)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(jì)小于4%的濃 度提供。在一些具體實(shí)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(cè)量時(shí)水分含量在約2. 5%至約5%的范圍內(nèi)。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(nèi)。所述方法也可包括本文所述的任何其它方面。本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)闡述于附圖和以下說(shuō)明中。通過(guò)該說(shuō)明書(shū)和 附圖并通過(guò)所述權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。附圖概述

圖1是電池的示意圖。發(fā)明詳述參見(jiàn)圖1，電池10包括陰極12、陽(yáng)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(fù)金屬封端24，所述負(fù)金屬封端用作電池的負(fù)端子。起到電池正 端子作用的正極點(diǎn)26位于電池上的負(fù)端子的相反端。電解質(zhì)溶液分散在整個(gè)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(duì)組裝步驟的陰極而言的。由于水分蒸發(fā)的結(jié)果，在組 裝階段陰極中活性物質(zhì)和碳的含量比所有成分最初混合時(shí)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(shí)例包括二氧化錳、羥基氧化鎳、二硫化鐵、氧化銀或氧化銅。優(yōu)選的陰極活性材料為二氧化錳，其具有按重量計(jì)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(xué)電池優(yōu) 選的二氧化錳形式?；瘜W(xué)二氧化錳(CMD)是一種化學(xué)合成的二氧化錳，也被用作電化學(xué)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(lái)制造。EMD的制造方法及其性質(zhì)可見(jiàn) Batteries—書(shū)，主編 Karl V. Kordesch, Marcel Dekker, Inc. , New York，第一卷(1974 年)，433至488頁(yè)。CMD通常用本領(lǐng)域被稱(chēng)作“Sedema法”的方法來(lái)制備，這是一種化學(xué) 方法，公開(kāi)在美國(guó)專(zhuān)利2，956，860 (Welsh)中，用于通過(guò)使用MnSO4和堿金屬氯酸鹽，優(yōu)選 NaClO3的反應(yīng)混合物來(lái)制造電池級(jí)的Μη02。二氧化錳的銷(xiāo)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(gè)陰極中。碳顆粒為合成膨脹石墨。本發(fā) 明人已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(gòu)獲得 的電池中通常使用的按重量計(jì)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(zhì)，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(nèi)因氣體的產(chǎn)生而使內(nèi)部壓力升得過(guò)高)。因?yàn)?活性物質(zhì)(如EMD)具有比石墨更高的密度，所以即使石墨含量只有相當(dāng)小的減少，也可 使活性物質(zhì)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(shí)保持內(nèi)部電池體積和空隙體積恒定。合適的膨脹石墨顆粒 可購(gòu)自例如日本的 ChuetsuGraphite Works, Ltd. (Chuetsu 等級(jí) WH-20A 和 WH-20AF)或 TimcalAmerica (ffestlake, OH, KS-等級(jí))。一些優(yōu)選的電池包含按重量計(jì)約3%至約3. 5 %的膨脹石墨。在一些具體實(shí)施中，這能夠使EMD的含量按供貨時(shí)重量計(jì)達(dá)到約89 %至91 %。 (供貨時(shí)EMD包含1至1.5%的水分，因此這個(gè)范圍等于約88%至90%純EMD。)優(yōu)選地， 陰極活性材料與膨脹石墨的比率大于25，更優(yōu)選大于26，或甚至大于27。在一些具體實(shí)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(guò)分析確定，忽略任何 水分。一般優(yōu)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(shè)備提供 潤(rùn)滑性，但這類(lèi)石墨比膨脹石墨的導(dǎo)電性要小得多，因此要獲得同樣的陰極導(dǎo)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(dǎo)電 性的同時(shí)獲得減小的石墨濃度。陰極可以壓制小丸的形式提供。對(duì)于最佳的處理，一般優(yōu)選的是陰極具有在約 2. 5%至約5%，更優(yōu)選約2. 8%至約4. 6%范圍內(nèi)的水分含量。一般還優(yōu)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?？捎糜陉帢O中的粘合劑的實(shí)例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳樹(shù)脂，如PVDF或 PTFE。聚乙烯粘合劑的實(shí)例以商品名COATHYLENE HA-1681銷(xiāo)售(得自Hoechst或Dupont)。其它添加劑的實(shí)例描述于例如美國(guó)專(zhuān)利5，698，315,5, 919，598和5，997，775和美 國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/765, 569中。電解質(zhì)溶液可分散在整個(gè)陰極12中，并且上下文提供的重量百分比是在加入電 解質(zhì)溶液后測(cè)定的。電解質(zhì)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(zhì)也 可為鹽電解質(zhì)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(yáng)極14可由陽(yáng)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(zhì)溶液中的一部分分散在整個(gè)陽(yáng)極中。陽(yáng)極活性材料的實(shí)例包括鋅。優(yōu)選地，為了平衡陰極中活性物質(zhì)的增加，陽(yáng)極活性 材料包括具有細(xì)小粒度，例如小于175微米的平均粒度的鋅。此類(lèi)鋅在堿性電池中的使用 描述于美國(guó)專(zhuān)利6，521，378中，其完整公開(kāi)內(nèi)容以引用方式并入本文。膠凝劑的實(shí)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(yáng)極可包含放氣抑制劑，其可包括無(wú)機(jī)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(jī)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(guī)的堿性電池分隔體。優(yōu)選地，分隔體材料為薄的。例如，對(duì)于 AA電池，分隔體可具有小于0. 30mm，優(yōu)選小于0. 20mm，更優(yōu)選小于0. IOmm的濕厚度和小于 0. IOmm,優(yōu)選小于0. 07mm,更優(yōu)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(nèi)。在一些優(yōu)選的具體實(shí)施中，所述紙材具有35g/m2或更小的基重。在其它實(shí) 施方案中，分隔體16和42可包括與非織造材料層相復(fù)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(guī)外殼，例如鍍鎳?yán)滠堜?。集電?0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(yōu)選的具體實(shí)施中，電池表現(xiàn)出極好的使用壽命和電池容量。例如，由濃度 按重量計(jì)為3. 5%、4. 0%和4. 4%的膨脹石墨制成，保持電池成分(陽(yáng)極+陰極+分隔體 +KOH電解質(zhì))體積恒定的電池具有以下的0. 25A 1小時(shí)每天至0. 9伏截止電壓性能9. 63小時(shí)/9. 55小時(shí)/9. 37小時(shí)。因此，由3. 5%石墨類(lèi)物質(zhì)制成，從而包含更多活性物質(zhì)(EMD 和鋅)的電池提供多出2. 8%的使用時(shí)間。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用相同的測(cè)試方法(0. 25A1 小時(shí)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(shí)的使用時(shí)間(與 4. 4%膨脹石墨類(lèi)相比+6.6% )0已對(duì)本發(fā)明的許多實(shí)施方案進(jìn)行了描述。但是應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā)明精神和 范圍的條件下可以進(jìn)行各種修改。例如，雖然上面我們已討論過(guò)增加陰極活性材料的量，在許多情況下所期望的是 同時(shí)增加陽(yáng)極活性材料的量。在這種情況下，通過(guò)使用更少的石墨而空出一些額外容積以 用于增加陽(yáng)極活性材料。因此，其它實(shí)施方案也在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種堿性電池，所述堿性電池包括陽(yáng)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(jì)小于約4％，和設(shè)置在所述陽(yáng)極和所述陰極之間的分隔體。
2.如權(quán)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(quán)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(quán)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(jì)小于或等 于約3. 5%。
5.如權(quán)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(jì)小于或等 于 3. 25%。
6.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的堿性電池，其中所述陽(yáng)極包含鋅作為活性物質(zhì)。
9.如權(quán)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(quán)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(nèi)的水分含量。
11.如權(quán)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(quán)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(rùn)濕厚度。
13.如權(quán)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(jì)小于4%的濃度提供。
15.如權(quán)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(cè)量時(shí)所述水分含量在約2. 5%至約5%的范圍內(nèi)。全文摘要
本發(fā)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(shí)施中，所述陰極包括按重量計(jì)小于約4％的石墨。
文檔編號(hào)H01M4/62GK101939866SQ200980104393
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月8日
發(fā)明者A·舍列金, D·L·安格林 申請(qǐng)人:吉列公司