專利名稱：用于二氧化錳陰極電化學(xué)電池的鈦添加劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池。
通常把例如堿性電池的電池用作能源。一般地，堿性電池具有陰極、陽極、隔板和堿性電解質(zhì)溶液。陰極通常由二氧化錳、碳顆粒、堿性電解質(zhì)溶液和粘合劑形成。陽極由包括堿性電解質(zhì)溶液和鋅顆粒的膠體形成。分散在整個電池中的電解質(zhì)溶液可以是氫氧化物溶液例如氫氧化鉀。
本發(fā)明涉及例如堿性電池的電池，具有包括二氧化錳和優(yōu)選硫酸氧鈦(TiOSO4)的鈦氧鹽的陰極。這些電池具有優(yōu)良的性能特性。例如，這些電池很好地應(yīng)用在包括間歇電耗如玩具(IEC Test@3.9歐姆，1小時/天)、閃光燈(IEC and ANSI Tests@3.9歐姆，4分鐘/小時，8小時/天)和磁帶錄音機(IEC Test@6.8歐姆，1小時/天)等方面。電池具有各種工業(yè)標準尺寸如AA、AAA、AAAA、C或D。一方面，本發(fā)明的特征在于包括二氧化錳和鈦氧鹽的陰極。
另一方面，本發(fā)明的特征在于包括陰極、陽極和位于陰極與陽極之間的隔板的電化學(xué)電池。該陰極包括二氧化錳和鈦氧鹽。
優(yōu)選實施方案包括一個或多個如下特征。鈦氧鹽是硫酸氧鈦(TiOSO4)。陰極包括基于陰極活性材料總重的0.1％-5％的鈦氧鹽。該陰極還包括導(dǎo)電顆粒。
從優(yōu)選實施例和權(quán)利要求的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將顯而易見。
附圖
是電池的橫截面圖。
優(yōu)選的電池是堿性電池，具有由二氧化錳，從碳、石墨和其混合物構(gòu)成的組中選擇的導(dǎo)電顆粒，鈦氧鹽如硫酸氧鈦(TiOSO4)，以及任選地一定數(shù)量的堿性電解質(zhì)和粘合劑形成的陰極。
參照附圖，所示出的電池10具有陰極12、陽極14、隔板16、與陰極12外徑接觸的外壁18、和絕緣層26。電池10還包括穿過密封件22并進入陽極14的陽極集電體20。陽極集電體20的上端連接到負極端蓋帽24，蓋帽24起電池10的負極外端子的作用。絕緣層26由非導(dǎo)電材料如熱收縮塑料形成。此外，電解質(zhì)溶液分散在整個電池10中。
陰極12是單個材料圓片。另一方面，陰極12能由相互層疊在頂面上的大量陰極圓片形成。在另一情況下，首先通過混合二氧化錳、導(dǎo)電顆粒、鈦氧鹽、以及任選的電解質(zhì)溶液和粘合劑來制備陰極圓片。對于使用多于一個圓片的實施例，能壓制該混合物形成圓片。使用標準工藝把圓片裝在電池10中。例如，在一個方法中，把芯棒放置在電池10的中心空腔中，然后使用沖床對圓片的最上部加壓。在使用該方法時，壁18的里面具有繞壁18圓周間隔開的一個或多個垂直脊。這些脊有助于保持電池10內(nèi)的陰極12就位。
在由單個圓片形成陰極12的實施例中，粉末能直接放置在電池10內(nèi)。使扣環(huán)就位，并且擠壓棒穿過扣環(huán)，使粉末致密并形成陰極12。
陰極12包括二氧化錳、石墨和/或碳顆粒、和鈦氧鹽。當電池陰極中包含鈦氧鹽時，適當?shù)拟佈觖}是通過改變放電過程和陰極產(chǎn)物來延長電池使用壽命的那些鹽。優(yōu)選的鈦氧鹽是從Aldrich Chemical市售的TiOSO4，產(chǎn)品號Product No.33398-0。其它適當?shù)拟佈觖}包括La2Ti4O4(SO4)7，δTi2O1.3(PO4)1.6，(TiO)2P2O7，Cd2TiNbO6F，PbBi2TiNbO8F，α-SrTiOF4，Na(1-x)ZnxTi2O6F1.8，TiOCl2，CaTi2O4(OH)2VTiO3(OH)，CeTi2(O,OH)6?；陉帢O中活性材料總重，優(yōu)選包含鈦鹽的數(shù)量為約0.1-5wt％。如果使用更多的鈦鹽，由于MnO2的稀釋，將降低低漏電性能，而同時如果使用太少的鈦鹽，對電池性能幾乎沒有影響。
能使用用于電池的任何傳統(tǒng)形式的二氧化錳如EMD或CMD。該二氧化錳的分銷商包括Kerr McGee，Co.，Broken Hill Proprietary，ChemMetals，Co.，Tosoh，Delta Manganese，Mitsui Chemicals，JMC，Sedema和Chuo Denki。
導(dǎo)電顆粒從碳粉末、石墨和其混合物構(gòu)成的組中選擇。適當?shù)膶?dǎo)電顆粒給陰極材料賦予導(dǎo)電性，而不有害地影響電池的其它性能。陰極優(yōu)選地含有基于陰極活性材料總重的約4-15％的導(dǎo)電顆粒。更高含量會不利地降低電池中的活性材料數(shù)量，而太低的含量沒有足夠的導(dǎo)電性。
在一些實施例中，陰極12還包括添加電解質(zhì)溶液和/或粘合劑。如下討論電解質(zhì)溶液。用于陰極12的粘合劑例子包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、波特蘭水泥和碳氟樹脂如PVDF和PTFE。
在一定實施例中，陰極12包括以商標名稱coathylene HA-1681(Hoechst)出售的聚乙烯粘合劑。當陰極12包括粘合劑時，粘合劑優(yōu)選占陰極12的少于約1wt％，更優(yōu)選約0.1wt％-約0.5wt％，最優(yōu)選約0.3wt％。
陰極12能包括其它添加劑。這些添加劑的例子在美國專利No.5342712中公開，在此引用供參考。
在一定實施例中，導(dǎo)電材料層設(shè)置在外殼壁18和陰極12之間。導(dǎo)電材料層可以沿壁18的內(nèi)表面、沿陰極12的外圓周或沿它們兩者布置。通常，該導(dǎo)電層由碳素物和任選粘合劑形成。該材料包括LB1000(Timcal)、Eccocoat257(W.R.Grace&Co.)，Electrodag109(AchesonIndustries，Inc.)，Electrodag112(Acheson)和EB005(Acheson)。涂覆導(dǎo)電層的方法在例如加拿大專利No.1263697中公開，在此引用供參考。
在壁18和陰極12之間使用導(dǎo)電層，尤其是Electrodag109或EB005，能降低在電池10內(nèi)形成陰極12時所需要的壓力。因此，在電池10內(nèi)形成陰極12時，能使陰極12的密度相對高，而不會導(dǎo)致圓片粉碎或斷裂。然而，如果陰極12的密度太高，沒有足夠數(shù)量的電解質(zhì)溶液分散在陰極12內(nèi)，降低電池10的效率。例如，對于通常的C型電池，陰極12的孔隙率為約18％-約28％，更優(yōu)選約22％-約27％，最優(yōu)選25％。這里，孔隙率指為電解質(zhì)提供的空間，表示成陰極總幾何體積的體積百分比。
陽極14由電池陽極中使用的任何標準鋅材料形成。通常，陽極14由鋅膏形成，鋅膏包括鋅金屬顆粒、堿性電解質(zhì)、膠凝劑和如金屬鍍覆、無機和有機的氣體抑制劑的少量添加劑。
陽極14中使用的膠凝劑包括聚丙烯酸、接枝的淀粉材料、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸鹽、羧甲基纖維素或羧甲基纖維素鈉或其組合。該聚丙烯酸的例子是Carbopol 940(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)，接枝淀粉材料的例子是Waterlock A221(Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸鹽的例子是Alcosorb Gl(Allied Colloids)。在一些實施例中，陽極14優(yōu)選包括約0.2wt％-約1wt％的總膠凝劑，更優(yōu)選約0.4wt％-約0.8wt％的總膠凝劑，最優(yōu)選約0.55wt％-約0.75wt％的總膠凝劑。這些重量百分比與電解質(zhì)溶液分散在陽極14中時相對應(yīng)。
氣體抑制劑可以是無機材料，如鉍、錫、鉛和銦。另一方面，氣體抑制劑也可以是有機化合物，如磷酸酯、離子表面活性劑或非離子表面活性劑。離子表面活性劑的例子在例如美國專利No.4777100中公開，在此引用供參考。
隔板16具有用于電池隔板的任何傳統(tǒng)設(shè)計。
分散在整個電池10中的電解質(zhì)溶液是在電池中使用的任何傳統(tǒng)電解質(zhì)溶液。通常，電解質(zhì)溶液是氫氧化物水溶液。該氫氧化物水溶液包括例如氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液。在一些實施例中，電解質(zhì)溶液是包括約30wt％-約45wt％氫氧化鉀的氫氧化鉀水溶液。該氫氧化物水溶液任選包含少量溶解的鋅氧化物，通常在約1-4wt％的范圍內(nèi)。
實施例I用傳統(tǒng)的陰極和陽極活性材料、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成傳統(tǒng)的一次Zn/MnO2堿性C電池。陽極材料呈膠體混合物形式，含有Zn合金粉末、KOH水溶液、膠凝劑(從B.F.Goodrich提供的丙烯酸共聚物)、超吸收劑(從Grain Processing Corp.提供的Waterlock A221)和表面活性劑(從Rhone Poulenc提供的有機磷酸酯RM510)。隔板是層疊在玻璃紙上的傳統(tǒng)電解質(zhì)滲透聚乙烯醇/人造絲無紡布。電解質(zhì)是含35wt％KOH和2wt％ZnO的KOH水溶液。
陰極活性材料具有如下組分電解二氧化錳(84.8wt％)、石墨(8.5wt％)、聚乙烯粘合劑(0.16wt％)和9N KOH溶液(6.54wt)。
除了含有1.5wt％TiOSO4，并且電解二氧化錳的數(shù)量相應(yīng)降低1.5wt％之外，與標準電池一樣構(gòu)成實驗C型電池。在標準和實驗電池中陰極總重相等。
在放電期間，實驗電池顯示比標準電池明顯的優(yōu)點。對于間歇ANSI和IEC實驗如玩具實驗(3.9歐姆，1小時/天)、閃光燈實驗(3.9歐姆，4分鐘/小時，8小時/天)和磁帶錄音機實驗(6.8歐姆，1小時/天)，觀察到了主要優(yōu)點(4.5-6.5％)。其它實施方案包含在權(quán)利要求書內(nèi)。
權(quán)利要求
1.電化學(xué)電池，包括含有二氧化錳和鈦氧鹽的陰極；陽極；和設(shè)置在陰極和陽極之間的隔板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述鈦氧鹽是硫酸氧鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中陰極包括基于陰極活性材料總重的約0.1-5.0wt％所述鈦氧鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中電化學(xué)電池是堿性電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中電化學(xué)電池是從C型電池和D型電池構(gòu)成的組中選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中陰極的孔隙率為約18％-約28％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中陽極包括鋅顆粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，還包括電解質(zhì)溶液。
9.一種陰極，包括二氧化錳；和鈦氧鹽。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的陰極，其中所述鈦氧鹽是硫酸氧鈦。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的陰極，其中陰極包括基于陰極活性材料總重的約0.1-5.0wt％所述鈦氧鹽。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的陰極，其中陰極的孔隙率為約18％-約28％。
全文摘要
公開了一種陰極(12),該陰極(12)包括二氧化錳和優(yōu)選硫酸氧鈦的鈦氧鹽。具有陰極(12)的電池(10)有好的性能特性。例如,電池(10)很好地應(yīng)用在包括如玩具的間歇電耗方面。而且在此公開的電化學(xué)電池包括陰極(12)、陽極(14)和設(shè)置在陰極和陽極之間的隔板(16)。陰極包括二氧化錳和鈦氧鹽。
文檔編號H01M4/06GK1326594SQ99813276
公開日2001年12月12日 申請日期1999年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月21日
發(fā)明者S·M·戴維斯, A·A·利夫, S·科爾森, H·斯特倫克 申請人:杜拉塞爾公司