專利名稱：用于堿性電化學(xué)電池的鋅基電極的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及堿性電化學(xué)電池，尤其涉及具有凝膠化負(fù)極的堿性電化學(xué)電池，所述凝膠化負(fù)極中含有鋅粉。
堿性電化學(xué)電池(即，蓄電池)一般包括設(shè)置在容器中并由隔板分開的正極(通常稱作陰極)和負(fù)極(通常稱作陽極)。陽極、陰極和隔板同時與堿性電解液接觸，此電解液通常包括氫氧化鉀(KOH)。在某些電池中，陰極包括作為電化學(xué)活性材料的二氧化錳(MnO2)，還包括石墨和其它添加劑。陽極通常包括作為電化學(xué)活性材料的鋅粉。鋅粉通常懸浮在凝膠劑中以提供凝膠型陽極。
常規(guī)的鋅基電池通常采用非汞齊化(unamalgamate)的粗鋅粉，這些鋅粉通常具有高達(dá)700微米的粒徑。某些常規(guī)的鋅電極采用平均粒徑約為160微米的鋅粉。一般認(rèn)為，為了提高在高速率放電下的使用性能，采用的鋅顆粒的尺寸越小越好。電池生產(chǎn)者通常采用一般包括粒徑小于25微米的鋅末的鋅粉。在應(yīng)用到電池中前，通常將鋅粉通過篩分方法過濾，以得到所需的平均鋅粒徑。但在過濾后的鋅粉中一般仍存在著一定量的鋅末。在某些電池中，電池生產(chǎn)者有意地增加鋅末的含量，例如在已公開的日本專利申請JP昭57(1982)-182972和PCT國際申請WO99/07030中所公開的那樣。
鋅粉一般根據(jù)特定的平均粒徑進(jìn)行分類，此尺寸也可以由篩過此鋅粉的標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸表示。通過使鋅顆粒穿過特定尺寸的網(wǎng)篩中的開孔，可以將具有所需的平均粒徑的鋅粉與其它尺寸的顆粒分開，同時防止其它顆粒穿過分選顆粒大小的網(wǎng)篩中的開孔。應(yīng)理解，鋅顆粒的尺寸一般受到篩分過程中所用網(wǎng)篩的限制。但是，在應(yīng)用于電池的常規(guī)鋅粉中，鋅末(小于25微米的顆粒)通常留在鋅粉中，因此，電池生產(chǎn)者還在電池中采用了鋅末。
進(jìn)行堿性電化學(xué)電池設(shè)計方面的目標(biāo)是提高陽極放電性能，特別是在高速放電下的性能。在細(xì)鋅顆?？梢蕴岣吒咚俜烹娺^程中在電池中可取得的使用性能的同時，過量的鋅末可能引起其它問題，例如引起大量的陽極冒氣，由此導(dǎo)致不希望的電池狀況。因此，希望提供一種在高速放電下具有增加的使用性能的改善的負(fù)極，同時使電池中的冒氣量最小化。
本發(fā)明還提供一種堿性電化學(xué)電池，此電池包括正極、堿性電解質(zhì)以及負(fù)極，此負(fù)極包括具有基本上大于25微米的平均粒徑的鋅粉，優(yōu)選地，鋅粉還具有150微米或更小的平均粒徑。按照鋅的總重量，鋅粉包含低于1wt％的鋅末，鋅末的粒徑小于25微米。根據(jù)優(yōu)選實施例，鋅粉基本上不含鋅末。
本發(fā)明還包括一種用于制造電化學(xué)電池的負(fù)極的方法，包括步驟提供鋅粉，從鋅粉中除去鋅末以使鋅粉中所含粒徑低于25微米的鋅末的量低于1wt％，然后形成具有細(xì)鋅粉的負(fù)極。
在另一個實施例中，本發(fā)明包括一種制造電化學(xué)電池的方法，包括以下步驟。提供具有開口端的容器。在容器中設(shè)置陰極。在容器中插入隔板并接觸第一電極。形成含有鋅粉的陽極，按照鋅的總重量，鋅粉含有低于1wt％的鋅末。鋅末具有低于25微米的粒徑。在容器中設(shè)置陽極，這樣陽極通過隔板與陰極物理地隔開。在容器中設(shè)置電解質(zhì)并接觸陰極和陽極，然后密封容器的開口端。
參考下面的說明、權(quán)利要求和附圖，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會進(jìn)一步理解和明白本發(fā)明的這些和其他特點和優(yōu)點。
圖4是將對具有不同粒徑的不同鋅粉進(jìn)行測試的過程中得到的測定氣體放出進(jìn)行比較的圖表。
優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明本發(fā)明的陽極優(yōu)選采用平均粒徑大于25微米并小于150微米的鋅粉，其包含低于總鋅量的1wt％的鋅末。在此限定的鋅末是粒徑低于25微米的鋅顆粒。更優(yōu)選地，鋅粉基本上沒有鋅末。本發(fā)明的其他實施方式采用平均粒徑在低于150微米和大于45微米或大于65微米或大于85微米的鋅粉。根據(jù)一個實施方式，鋅粉的平均粒徑在100微米至120微米之間，優(yōu)選等于大約110微米。
這里，鋅粉的平均粒徑稱作D50中間值。D50中間值利用下述方法測定美國材料試驗學(xué)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)B214-92、名稱為Standard TestMethod for Sieve Analysis of Granular Metal Powder；在 ASTMD1366-86(1991重新批準(zhǔn))中描述的報告方法，題為Standardpractice for Repor ting Particle Size Characteristics ofPigments。在此結(jié)合ASTM標(biāo)準(zhǔn)B214-92和D1366-86(1991重新批準(zhǔn))引作參考。正如在此文本中所采用的，通過繪出相對于上級尺寸限制數(shù)據(jù)的累積重量百分比來確定鋅粉D50中間值，如ASTM D-1366-86中所示，然后找出相應(yīng)于50％累積重量值的直徑(即，D50)。
在現(xiàn)有技術(shù)所知的篩分過程中，通過控制鋅粉形成過程并從所需要的鋅粉中分出(即，濾出)粗鋅粉，得到了平均粒徑。另外，在篩分過程中基本上分出了鋅末，這樣鋅末量低于總鋅量的1wt％。應(yīng)理解，通過將在陽極中采用的鋅末的量限制到低于總鋅量的1wt％，有力地控制了陽極冒氣量，從而防止了過多冒氣的發(fā)生。因此，本發(fā)明采用平均粒徑約110微米的鋅粉，同時限制了鋅末的量，從而使電池中的冒氣量達(dá)到最小。
通過減少鋅粉中鋅末的量而使冒氣量達(dá)到最小的一個優(yōu)點在于，可以從陽極配方中除去通常由電池生產(chǎn)者用以減少冒氣的表面活性劑。在美國專利US5378559中公開了通常的表面活性劑的例子。消除了對陽極中所采用表面活性劑的需要，因而制造本發(fā)明的電化學(xué)電池?zé)o需表面活性劑，將更多的體積留給了電化學(xué)活性材料。雖然優(yōu)選不再采用表面活性劑，但是本發(fā)明的一些實施例可以采用表面活性劑以進(jìn)一步減少陽極冒氣量。
參考

圖1，示出了柱形堿性電化學(xué)電池10的截面圖，在此電池10中采用根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的電極中的鋅粉。堿性電池10一般包括柱形鋼殼12，此鋼殼具有封閉的底端面和開口的頂端面。圍繞鋼殼12的外表面、除了鋼殼12的端面之外，形成金屬化的塑料膜標(biāo)簽14。在鋼殼12的封閉端是優(yōu)選由鍍金屬的鋼形成的正極蓋。在正極蓋16的周邊緣形成膜標(biāo)簽14。電化學(xué)電池10包括正極、在此稱作陰極20或第一電極，其圍繞鋼殼12的內(nèi)表面形成。陰極20優(yōu)選由二氧化錳、石墨、氫氧化鉀水溶液、及添加劑的混合物形成。隔板22圍繞陰極20的內(nèi)表面設(shè)置，此隔板22優(yōu)選由無紡織物形成，防止在電池中任何固體顆粒的遷移。在陰極20中，優(yōu)選在隔板22的內(nèi)部設(shè)置堿性電解質(zhì)24，此電解質(zhì)24優(yōu)選由氫氧化鉀溶液形成。
電化學(xué)電池10還包括負(fù)極，在此稱作陽極18或第二電極。在由隔板22與電解質(zhì)24形成的陽極室中設(shè)置陽極18并與集流體26接觸，集流體26包括黃銅釘。陽極18是凝膠型陽極，由懸浮在凝膠劑和堿性電解質(zhì)中的鋅粉25形成。根據(jù)本發(fā)明，鋅粉25優(yōu)選具有相對小的粒徑，還有很少的、甚至沒有鋅末提供。陽極18由大約67wt％的鋅粉、0.5wt％凝膠劑/銦鹽、32.5wt％的水性電解質(zhì)的構(gòu)成，水性電解質(zhì)具有40％KOH/3％ZnO。
尼龍密封墊30用于緊密地密封鋼殼12的開口端，以防止鋼殼12中所容納的活性材料泄漏。尼龍密封墊30接觸金屬墊圈28和內(nèi)電池蓋34，內(nèi)電池蓋34優(yōu)選由鋼形成。設(shè)置優(yōu)選由鍍金屬的鋼形成的負(fù)極蓋36，以通過焊接或壓力接觸與集流體26接觸。負(fù)極蓋36通過尼龍密封墊30與鋼殼12電絕緣。
通過提供其中插入了陰極20的鋼殼12(在此也稱作開口端容器)來組裝圖1的電化學(xué)電池10。陰極圍繞鋼殼12的內(nèi)表面形成。隔板22插入到容器中由陰極限定的中空區(qū)域。形成含有鋅粉的陽極18，此鋅粉中包含按照鋅的總重低于1wt％的鋅末。鋅末的粒徑小于25微米。陽極18設(shè)置在鋼殼12中，并使陽極18通過隔板11與陰極20物理地隔開。然后，通過將集流體組件壓向鋼殼12的開口端而緊密密封鋼殼。集流體組件包括尼龍密封墊30、集流體26、金屬墊圈28、內(nèi)蓋34和負(fù)極蓋36。
參照圖2，在此描述在堿性電化學(xué)電池中制造用于組裝的負(fù)極的方法40。方法40包括初始步驟42提供超高等級(SHG)的鋅，其通常地采用鋅錠的形式。應(yīng)理解，超高等級鋅優(yōu)選是即便含有雜質(zhì)也是含有低量雜質(zhì)的高等級品質(zhì)的鋅。根據(jù)一個實施例，在步驟44中，鋅與鉍、銦和鋁均勻地混合以形成鋅合金，在此稱作BIA鋅。鉍、銦和鋁的各含量一般在50ppm至250ppm之間。在美國專利US5312476中公開了可適用合金的例子。步驟44可以包括在足夠的溫度下熔化鋅錠，均勻地將熔化的鋅與鉍、銦和鋁混合，通過噴嘴將熔融混合物吹向冷環(huán)境，得到BIA鋅粉。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)熟知形成鋅粉的方法，可商用于電化學(xué)電池的鋅粉可以產(chǎn)自Big River Zinc(美國)、UnionMiniere(比利時)、Grillo(德國)、Noranda(加拿大)以及TohoZinc(日本)。應(yīng)理解，可以采用其它形式的鋅粉，無論此鋅粉是單獨(dú)采用，還是與其它添加劑一起采用。一經(jīng)冷卻，鋅粉通常由不同尺寸的鋅顆粒構(gòu)成，例如，這些鋅顆粒的尺寸通?？梢栽诩s2微米至700微米的范圍內(nèi)。應(yīng)理解，可以最佳地控制形成鋅粉的步驟44，以獲得所需要的平均鋅粒徑。
到了步驟46，篩分鋅粉，以分開并除去粒徑例如大于500微米的粗鋅粉。采用尺寸35的美國篩子(具有500微米的開孔尺寸)，就可以實現(xiàn)粗粉末篩分。在步驟48中，進(jìn)一步篩分鋅粉，以分開并除去粒徑小于25微米的鋅末。采用500的美國篩子尺寸(具有25微米的開孔尺寸)，就可以實現(xiàn)由篩分除去鋅末?？梢灾貜?fù)地進(jìn)行篩分，直至剩余鋅末的量低于總鋅粉的1wt％?？梢圆捎闷渌\末去除技術(shù)，例如浮選隔離(floatation separation)，以獲得低于1wt％的鋅末。然后在步驟50中，在凝膠劑中懸浮篩分后的鋅粉。據(jù)本領(lǐng)域所知的可適用的凝膠劑，例如為出自B.F.Goodrich的Carbopol C940。然后在步驟52中，將陽極混合物注入到電化學(xué)電池陽極室中。此后在步驟54中，根據(jù)已知的電池裝配技術(shù)完成電化學(xué)電池的組裝。
參照圖3，示出了對占總鋅量的0-2wt％的不同百分比的鋅末進(jìn)行測試時表示測得的氣體放出的對照數(shù)據(jù)。以下述方式進(jìn)行測試，將高達(dá)5g的平均粒徑D50為110微米的鋅粉與45％的KOH溶液在倒置的試管中混合，并在71℃的爐內(nèi)加熱試管。對于含有鋅末的量分別為鋅總量的0、0.14、0.28、0.50、1.0、1.5、2.0wt％的鋅粉樣品，測量以微升/克/天為單位的放出氣體的量。在1.5wt％鋅末的情況下所測得的放出氣體的量遠(yuǎn)低于在2wt％鋅末情況下所放出氣體的量。另外，對于鋅末含量低于1wt％的鋅粉，所測得的放出氣體進(jìn)一步大大減少。最優(yōu)選地，基本上沒有鋅末的鋅粉得到了最少量的測得的放出氣體。
參見圖4，示出在另一試驗中測得的對于不同的鋅粒徑所放出氣體的量。當(dāng)整個鋅粉具有低于25微米的粒徑時，產(chǎn)生了最大量的放出氣體。當(dāng)鋅粉粒徑增加到25微米以上時，氣體放出量減少。因此，通常在電池中更大的鋅粉粒徑導(dǎo)致更少量的冒氣。但是，減小的鋅粉粒徑通常會提高在高速率放電時的電池放電性能。
本發(fā)明有利地采用了小于或等于150微米、更優(yōu)選等于大約110微米的平均鋅粒徑，同時將粒徑低于25微米的鋅末的量減少至低于總鋅量的1wt％。
可以預(yù)料，在各種類型的堿性電化學(xué)電池中可將其它陰極、隔板、電池殼、集流體以及密封組件與含有根據(jù)本發(fā)明的鋅粉末的陽極一起使用。因此，本發(fā)明的鋅粉末可以用于堿性電化學(xué)電池中的各種鋅基凝膠型陽極。
權(quán)利要求
1.一種用于堿性電化學(xué)電池的負(fù)電極，所述負(fù)極包括平均粒徑大于25微米的鋅粉，其中所述鋅粉具有低于1wt％的粒徑小于25微米的鋅末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉具有150微米或更小的平均粒徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極，其中所述鋅粉具有45微米或更大的平均粒徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極，其中所述鋅粉具有65微米或更大的平均粒徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極，其中所述鋅粉具有85微米或更大的平均粒徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉具有在100微米和120微米之間的平均粒徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電極，其中所述鋅粉具有大約110微米的平均粒徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述負(fù)極基本上不含表面活性劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉懸浮在凝膠劑中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述負(fù)極還包括堿性電解質(zhì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述負(fù)極基本上不含粒徑小于25微米的鋅末。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉具有低于0.5wt％的鋅末。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉具有低于0.28wt％的鋅末。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極，其中所述鋅粉具有低于0.14wt％的鋅末。
15.一種堿性電化學(xué)電池，包括第一電極；堿性電解質(zhì)；以及第二電極，所述第二電極包括平均粒徑基本上大于25微米的鋅粉，其中所述鋅粉含有低于1wt％的粒徑小于25微米的鋅末。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉具有150微米或更小的平均粒徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電極，其中所述鋅粉具有45微米或更大的平均粒徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電極，其中所述鋅粉具有65微米或更大的平均粒徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電極，其中所述鋅粉具有85微米或更大的平均粒徑。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電極，其中所述鋅粉具有在100微米和120微米之間的平均粒徑。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉具有大約110微米的平均粒徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述負(fù)極基本上不含表面活性劑。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉懸浮在凝膠劑中。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述負(fù)極還包括堿性電解質(zhì)。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述負(fù)極基本上不含粒徑小于25微米的鋅末。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉具有低于0.5wt％的鋅末。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉具有低于0.28wt％的鋅末。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉具有低于0.14wt％的鋅末。
29.一種形成用于電化學(xué)電池的負(fù)極的方法，所述方法包括下列步驟提供鋅粉；從所述鋅粉中基本上除去鋅末，使得鋅粉中含有低于1wt％的粒徑小于25微米的鋅末；以及用所鋅粉形成負(fù)極。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括將鋅粉與凝膠劑混合以形成凝膠型負(fù)極的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括在容器中放置負(fù)極的步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括從鋅粉中除去粗鋅粒的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括將堿性電解質(zhì)加入負(fù)極中的步驟。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述鋅粉具有150微米或更小的平均粒徑。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的電極，其中所述鋅粉具有45微米或更大的平均粒徑。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的電極，其中所述鋅粉具有65微米或更大的平均粒徑。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的電極，其中所述鋅粉具有85微米或更大的平均粒徑。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的電極，其中所述鋅粉具有在100微米和120微米之間的平均粒徑。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述鋅粉具有大約110微米的平均粒徑。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述基本上除去鋅末的步驟包括基本上除去所有所述的鋅末。
41.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中從所述鋅粉中基本上除去鋅末的所述步驟提供了鋅末含量低于0.5wt％的鋅粉。
42.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中從所述鋅粉中基本上除去鋅末的所述步驟提供了鋅末含量低于0.28wt％的鋅粉。
43.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中從所述鋅粉中基本上除去鋅末的所述步驟提供了鋅末含量低于0.14wt％的鋅粉。
44.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中基本上除去鋅末的所述步驟包括采用具有篩目尺寸為500的網(wǎng)篩篩分鋅粉的步驟。
45.一種制造電化學(xué)電池的方法，所述方法包括下列步驟提供具有開口端的容器；在所述容器中設(shè)置第一電極；在所述容器中插入隔板并與所述第一電極接觸；用鋅粉形成第二電極，按照鋅的總重量，此鋅粉中含有低于1wt％的鋅末，所述鋅末具有低于25微米的粒徑；在所述容器中設(shè)置所述第二電極，此第二電極通過所述隔板與所述第一電極物理地隔開；在所述容器中設(shè)置電解質(zhì)，所述電解質(zhì)與所述第一和第二電極接觸；以及密封所述容器的開口端。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有大于25微米并小于150微米的平均粒徑。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有大于45微米并小于150微米的平均粒徑。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有大于65微米并小于150微米的平均粒徑。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有大于85微米并小于150微米的平均粒徑。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有在100微米和120微米之間的平均粒徑。
51.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有低于0.5wt％的粒徑小于25微米的鋅末。
52.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉具有低于0.28wt％的粒徑小于25微米的鋅末。
53.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述鋅粉所具有低于0.14wt％的粒徑小于25微米的鋅末。
54.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述電解質(zhì)是堿性電解質(zhì)。
55.根據(jù)權(quán)利要求45所述的制造電化學(xué)電池的方法，其中所述第二電極不含表面活性劑。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于堿性電化學(xué)電池的鋅基負(fù)極，即陽極。所述負(fù)極包括懸浮在凝膠劑中的鋅粉。該鋅粉具有基本上大于25微米的平均粒徑，并優(yōu)選具有150微米或更小的平均粒徑。鋅粉所含粒徑小于25微米的鋅末的量低于1wt％。電池實現(xiàn)了在高速放電時提高電池放電性能，同時使冒氣量最小。
文檔編號H01M4/42GK1441973SQ01812707
公開日2003年9月10日 申請日期2001年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月11日
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