專利名稱：具有聚合物電解質(zhì)的堿性電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨的電解質(zhì)的堿性電池。
常規(guī)堿性電化學(xué)電池具有包含鋅的正極和包含二氧化錳的負(fù)極。電池通常由圓柱形外套形成。外套起始由擴大的開口端和相對的密閉的端形成。在供給電池內(nèi)容物之后，將具有絕緣塞的端蓋插入開口端中。電池通過將外套邊緣在絕緣塞的邊緣上卷邊并將外套在絕緣塞周圍徑向壓制形成緊密密封而封閉。密閉端的一部分電池外套形成正端。電池外套也可是紐扣電池的形成或具有例如，長方形或棱柱形狀的平整外殼。
堿性電化學(xué)原電池通常包括鋅正極活性材料，堿性電解質(zhì)，二氧化錳負(fù)極活性材料，和通常為纖維素或纖維素和聚乙烯醇纖維的電解質(zhì)可滲透隔膜。本文所用的術(shù)語正極活性材料或負(fù)極活性材料應(yīng)該是指分別在正極或負(fù)極內(nèi)的在電池放電時進行有效的電化學(xué)反應(yīng)的材料。正極活性材料可包括例如，與常規(guī)膠凝劑，如羧基甲基纖維素鈉或丙烯酸共聚物的鈉鹽，和電解質(zhì)混合的鋅顆粒。膠凝劑用于懸浮鋅顆粒和保持它們的相互接觸。通常，被插入正極活性材料中的導(dǎo)電金屬釘用作電連接至負(fù)端端蓋上的正極集電極。
電解質(zhì)可以是堿金屬氫氧化物例如，氫氧化鉀，氫氧化鈉或氫氧化鋰的水溶液。更通常采用包含氫氧化鉀水溶液的電解質(zhì)。負(fù)極通常包括顆粒二氧化錳作為與導(dǎo)電添加劑，通常石墨材料混合的電化學(xué)活性材料，以增加導(dǎo)電率。視需要，少量的聚合物粘結(jié)劑，例如聚乙烯粘結(jié)劑和其它添加劑，如含鈦的化合物可被加入負(fù)極。
用于負(fù)極的二氧化錳優(yōu)選為通過硫酸錳和硫酸浴的直接電解而制成的電解質(zhì)二氧化錳(EMD)。EMD是理想的，因為它具有高密度和高純度。EMD的導(dǎo)電率相當(dāng)?shù)汀?dǎo)電材料加入負(fù)極混合物中以提高各個二氧化錳顆粒之間的導(dǎo)電率。這些導(dǎo)電添加劑還提高二氧化錳顆粒和還用作負(fù)極集電極的電池外殼之間的導(dǎo)電率。合適的導(dǎo)電添加劑可包括，例如，導(dǎo)電碳粉末，如炭黑，包括乙炔黑，薄片狀結(jié)晶天然石墨，薄片狀結(jié)晶合成石墨，包括膨脹或剝落石墨。石墨如薄片狀天然或膨脹石墨的電阻率通?？梢允羌s3×10-3ohm-cm至4×10-3ohm-cm。
堿性原電池最好具有高放電容量(即，長使用壽命)和能夠給在運行電壓約0.8至1.5伏特下操作的閃光燈，收音機，便攜式音頻播放器和其它電子設(shè)備供電。堿性電池最好適用于較高功率場合，如約500至1000mAmp。但還需要特殊用途的堿性電池以向在較低耗用率，例如，約1至500mAmp下操作的電子設(shè)備如LED計算器，收音機，和一些電子游戲供電。因為商業(yè)電池尺寸已被固定，已知的是，電池的有效使用壽命可通過將較大量的電極活性材料填充到電池中而增加。但這些方案在實踐中存在局限，例如，如果電極活性材料在電池中填充得太密實，離子導(dǎo)電率可下降，進而降低使用壽命。還可發(fā)生其它有害的作用如電池極化。極化限制了離子在電解質(zhì)和電極內(nèi)的移動性，進而降低電池性能和使用壽命。盡管包括在負(fù)極中的活性材料的量通常可通過降低非電化學(xué)活性材料如聚合物粘結(jié)劑或?qū)щ娞砑觿┑牧慷黾?，但必須保持足夠量的?dǎo)電添加劑以確保負(fù)極中的合適水平的體積導(dǎo)電率。因此，總活性負(fù)極材料實際上受限于提高合適導(dǎo)電率水平所需的導(dǎo)電添加劑的量。
盡管這些堿性電池在商業(yè)上廣泛使用，但通常包含氫氧化鉀水溶液的含水電解質(zhì)要求緊密地密封該電池以防含水電解質(zhì)從中泄漏。堿性電池在放電或儲存過程中通常產(chǎn)生放氣，這可使電池的內(nèi)壓力升至較高壓力，可達到相對高的水平，例如，約600至1500psia。在這些內(nèi)氣體壓力下，在電池外套的開口端上的外套邊緣必須被緊密地在特殊端蓋密封組件周圍卷邊，這樣密封該電池和防止含水電解質(zhì)從中泄漏。通常采用絕緣圓盤或塞(絕緣扣眼)和徑向可壓縮的端蓋，或在端蓋和絕緣圓盤之間的另一支撐圓盤的端蓋組件被設(shè)計成能夠經(jīng)受提供緊密密封所需的高徑向卷邊力。盡管提供緊密密封以防含水電解質(zhì)泄漏，但這些端蓋組件消耗顯著量的電池內(nèi)容積，這樣減少可用于正極和負(fù)極活性材料的體積量。
最好將這些電池中的常規(guī)堿性含水電解質(zhì)替換為與常規(guī)含水氫氧化鉀電解質(zhì)相比不可流動的或至少更粘稠和不太可流動的和需要較少游離水的聚合物電解質(zhì)體系。甚至更為理想的是，聚合物電解質(zhì)體系包含很少(如果有的話)的游離水。這些電解質(zhì)的顯著優(yōu)點在于它明顯降低了對電池的密封要求。這些聚合物電解質(zhì)因此明顯降低了端蓋組件的厚度。它可消除為了提供緊密密封以防含水電解質(zhì)泄漏而對通常采用其它元件，如徑向可壓縮的支撐圓盤的常規(guī)端蓋組件的需求。這樣，可增加正極和負(fù)極活性材料可用的電池內(nèi)容積的量。
最好向消費者提供具有棱柱形狀系數(shù)的堿性電池以在新薄消費者產(chǎn)品，如蜂窩電話，PDAs，等內(nèi)更好地配合。聚電解質(zhì)可向棱柱形狀系數(shù)堿性電池提供許多優(yōu)點。棱柱電池與罐圓柱形電池相比可包含明顯較少的氣體壓力而不會膨脹。因此，棱柱電池需要一個通氣孔，而如果電解質(zhì)不是液體和不能流動，明顯更容易制造出防泄漏的通氣孔。制造薄的自支撐聚電解質(zhì)膜的能力和聚電解質(zhì)的粘合劑性質(zhì)還使得可通過層壓工藝進行高速，連續(xù)，低成本的電池組裝。
本發(fā)明的一個基本方面是優(yōu)選包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨的聚電解質(zhì)作為用于堿性電池的電解質(zhì)的用途。聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)可構(gòu)成用于堿性電池的正極和負(fù)極和可有可無的電池隔板的一部分。堿性電池最好具有包含鋅的正極和包含二氧化錳的負(fù)極。聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)是一種水凝膠(含水凝膠)，它包含顯著重量分?jǐn)?shù)(30-75wt.％)的鍵接在水凝膠內(nèi)的水。如果聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)聚合物被交聯(lián)，水凝膠特性更明顯。無需將氫氧化鉀(KOH)或其它堿加入包含聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的電解質(zhì)中。視需要，含水KOH可加入電解質(zhì)中使得電解質(zhì)中的溶解KOH是約0至2摩爾KOH，每摩爾聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。電解質(zhì)因此包含約0至2摩爾KOH，最好約0.5至2.0摩爾KOH，通常約1.6摩爾KOH，每摩爾聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。
本發(fā)明的一個基本方面涉及一種采用聚電解質(zhì)如聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)和包含鋅的正極的堿性電池。該堿性電池最好包括包含顆粒二氧化錳的負(fù)極。二氧化錳優(yōu)選為電解質(zhì)二氧化錳。本文所用的術(shù)語堿性電池應(yīng)該是指包括其中包含羥基基團或羥基離子(OH-)的電解質(zhì)的電化學(xué)電池。
在本發(fā)明的一個方面，堿性電池正極通過將顆粒鋅用交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)膠凝形成其中顆粒鋅被聚合物電解質(zhì)懸浮的膠凝正極而形成。膠凝正極可通過將鋅粉倒入例如，圓柱形或圓盤形狀的腔中，并隨后加入乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)單體，引發(fā)劑和交聯(lián)劑而形成。將溫度升至進行聚合反應(yīng)和交聯(lián)所需的程度，因此形成膠凝聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)聚合物凝膠。在這些實施方案中，鋅最好占膠凝聚合物電解質(zhì)的顯著部分。優(yōu)選，顆粒鋅懸浮或分散在主要部分(超過25％)的總聚合物凝膠體積內(nèi)。例如，如果膠凝聚合物電解質(zhì)是圓柱形柱或圓盤的形式，顆粒鋅可主要靠近一端或在這些柱或圓盤的底部懸浮且剩余體積的柱或圓盤是透明聚合物電解質(zhì)，即，沒有鋅。負(fù)極可相對正極聚合物電解質(zhì)聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)的透明部分并排放置。在這些實施方案中，透明部分的聚合物電解質(zhì)凝膠還用作電解質(zhì)可滲透隔板。因此，在本發(fā)明的該方面，隔板是正極的整體部分。
另外，正極可由具有任何所需總體形狀的鋅片材而形成且包含具有類似形狀的聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)的透明聚合物膠凝電解質(zhì)可放置使得其一面向著鋅片材放置。在這種情況下，聚合物電解質(zhì)(PVBTMAOH)自身優(yōu)選為透明的，即，不包含任何鋅。負(fù)極可隨后相對聚合物電解質(zhì)的相對面并排放置使得聚合物電解質(zhì)在正極和負(fù)極之間。在這些實施方案中，膠凝聚合物電解質(zhì)用作正極和負(fù)極之間的電解質(zhì)可滲透隔板。隔板優(yōu)選由交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)形成。
負(fù)極最好由包含顆粒MnO2，導(dǎo)電碳，優(yōu)選顆粒石墨或石墨材料，和線性聚合物聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的物理混合物形成。線性PVBTMAOH可溶于水中以形成粘稠溶液，不同于水可膨脹以形成橡膠狀聚合物，但不是水可溶的交聯(lián)PVBTMAOH。線性PVBTMAOH因此在形成緊密混合的負(fù)極混合物時是優(yōu)選的。線性PVBTMAOH自身可通過形成乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(VBTMAOH)單體，水和偶氮游離基團引發(fā)劑的混合物并隨后將混合物升至所需溫度以進行聚合反應(yīng)而形成。
在本發(fā)明中，如果正極包含顆粒鋅，那么正極的本體密度最好是約2.5至3.5克鋅/立方厘米正極體積?？傉龢O體積被定義為包括其中顆粒鋅分散在膠凝聚合物電解質(zhì)(PVBTMAOH)內(nèi)的部分以及任何透明部分，即，沒有鋅的部分。包含顆粒MnO2，石墨和線性聚合物聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)的混合物的負(fù)極的厚度最好是約0.5至5.0mm。提供足夠用于正極和負(fù)極的表面積使得電流密度(耗用電流除以正極/負(fù)極界面面積)最好是約1至10毫安/cm2。在約0.5至1.5伏特的電壓需求下，本發(fā)明的堿性電池最適用于約1至500mAmp，更通常約1至100mAmp的耗用電流。
包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的本發(fā)明的堿性電池優(yōu)選包含零加入量的汞(低于50份汞/1百萬份總電池重量，優(yōu)選低于10份汞/1百萬份總電池重量)。
附圖的簡要描述

圖1是試驗電池的一個實施方案的部件分解圖，其中作為正極的與本發(fā)明聚合物電解質(zhì)接觸。
圖2是試驗電池的一個實施方案的部件分解圖，其中作為正極的顆粒鋅分散在本發(fā)明聚合物電解質(zhì)的一部分柱內(nèi)。
試驗電池10的一個實施方案在圖1所示元件的部件分解圖中說明。圖1所示的電池10包括優(yōu)選包含耐久性塑料的電絕緣塊15。優(yōu)選塊15可由包括聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，尼龍和聚碳酸酯在內(nèi)的各種各樣的塑料形成。如圖1所示，正極20由中心位于絕緣塊15的內(nèi)表面17上的鋅片材20a形成。鋅片材20a可以是任何形狀，但優(yōu)選是如圖1所示的圓形圓盤構(gòu)型。鋅片材20a最好具有厚度約0.1至0.5mm。用作正極集電極的導(dǎo)電金屬條25優(yōu)選通過將端23點焊至鋅片材20a的邊緣或下面而被固定到鋅片材20a上。集電極25的相對端終止在整體形成的翼片22上，后者構(gòu)成電池的負(fù)端。鋅片材20a可通過將粘合劑薄涂覆到其上施用鋅片材20a的那部分絕緣塊表面17上而保持位于絕緣塊15上。
固定塊30具有腔32，它在塊的中心完全從中穿過。固定塊30可由各種電絕緣材料形成。優(yōu)選塊30由耐堿性塑料材料，優(yōu)選塑料材料如聚乙烯，聚丙烯，或尼龍形成。腔32最好具有大致匹配鋅片材20的形狀和直徑。適宜地，腔32是直徑稍小于鋅片材20a直徑的圓柱形形狀。因此，如果電解質(zhì)固定塊30被壓到絕緣塊15上，鋅片材20a會滲透到電解質(zhì)腔32的外端33。最好腔32可隨后填充以單體混合物，優(yōu)選包含乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)。單體混合物包含引發(fā)劑和交聯(lián)劑。隨著溫度升至所需溫度，單體聚合和變得交聯(lián)以形成膠凝聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)電解質(zhì)35。如圖1所示，交聯(lián)聚合物PVBTMAOH完全占據(jù)腔32，這樣它與滲透到腔32外端33中的鋅片材20a接觸。在示于圖1的實施方案中，腔32中的透明聚合物電解質(zhì)35聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)用作電解質(zhì)以及用作正極和負(fù)極40之間的隔板。聚合物電解質(zhì)(隔板)35的厚度最好是約0.1至5.0mm，優(yōu)選約0.1至1.0mm。膠凝聚合物電解質(zhì)35是不可流動的，因此即使在電解質(zhì)的儲存或放電時電池的內(nèi)壓力在電池內(nèi)的氣體集聚過程中增加，可減少電池從電池中泄漏的可能性。本發(fā)明膠凝聚合物電解質(zhì)(PVBTMAOH)35的使用有利地消除了對易于從電池中泄漏的常規(guī)含水堿性電解質(zhì)，通常氫氧化鉀水溶液的需求。
替代用于正極20的鋅片材，顆粒鋅20b可用于試驗電池10，最好如圖2所示。正極20可最好具有厚板或圓盤的形狀。顆粒鋅可以是純鋅或鋅合金(至少99.9wt.％鋅和合金金屬)。例如，鋅可以是與200ppm銦合金化的至少99.9％鋅粉。應(yīng)該理解，本文所用的術(shù)語鋅應(yīng)該包括這些鋅合金粉末，因為合金粉末幾乎完全由鋅構(gòu)成和如鋅進行電化學(xué)放電。鋅顆粒最好具有平均顆粒尺寸約1至350微米。除非另有規(guī)定，本文所用的平均應(yīng)該被理解為算術(shù)平均。顆粒鋅可以是平均顆粒尺寸低于約60微米，最好約1至60微米的鋅細(xì)小物的形式，可增加在正極內(nèi)的導(dǎo)電率和因此增加電池性能。另外，顆粒鋅可以是鋅纖維形式或包括鋅纖維。這些鋅纖維應(yīng)該是指長度/直徑比率大于4，通常大于8的鋅的長條。鋅纖維的長度/直徑比率可例如明顯大于100或更多。這些鋅纖維可最好具有低于約0.2mm的平均直徑。優(yōu)選鋅纖維的平均直徑是約0.1至0.02mm。鋅細(xì)小物可增加在正極20內(nèi)的導(dǎo)電率和因此提高電池性能。鋅細(xì)小物可單獨用作正極活性材料或與其它顆粒鋅混合使用。
在示于圖2所示的實施方案中，絕緣塊15和正極/電解質(zhì)固定塊30垂直排列，其中塊30在上面。固定塊30因此被放在絕緣塊15上，其中正極集電極條25在兩者之間。顆粒鋅20b隨后通過開口端34被倒入腔32中，這樣它在對著絕緣塊15的表面17的腔32底部形成一層。最好，腔32隨后被填充以包含乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(VBTMAOH)單體，偶氮游離基團引發(fā)劑，和交聯(lián)劑的混合物。單體混合物35隨后被倒入腔32中直至它充滿該腔。這樣得到單體混合物柱，其一部分具有懸浮其中的顆粒鋅懸浮即，在端33和界面36之間的柱底部。剩余的腔32(開口端34和界面36之間)被透明單體溶液所占據(jù)，即，沒有任何鋅分散其中。單體混合物可隨后通過將混合物的溫度升至所需聚合反應(yīng)溫度而聚合和交聯(lián)以在腔32的相對端33和34之間形成連續(xù)凝膠。這樣得到正極，其中包含分散在柱或圓盤成型腔32的底部和被束縛在端33和界面36之間聚合和交聯(lián)PVBTMAOH電解質(zhì)的凝膠中的顆粒鋅。在分散鋅之上的正極部分，即，腔32的界面36和端34之間的部分被沒有任何鋅的透明交聯(lián)PVBTMAOH電解質(zhì)聚合物所占據(jù)。該透明部分的PVBTMAOH(界面36和端34之間)還用作顆粒鋅20b和負(fù)極40之間的電解質(zhì)可滲透隔板。透明部分的PVBTMAOH電解質(zhì)(界面36和34之間)的體積應(yīng)該被最小化(要求保持正極和負(fù)極材料的分離)，因為它不含電化學(xué)活性材料。該體積也可包含常規(guī)電池隔膜。總正極20體積在本文中被定義為包括其中顆粒鋅分散在膠凝聚合物電解質(zhì)(PVBTMAOH)內(nèi)的部分(端33和界面36之間)以及任何透明部分，即，沒有鋅的部分(界面36和端34之間)。
如圖2所示，從正極集電極25的端23伸出一個導(dǎo)電翼片24。導(dǎo)電翼片24可以是集電極25的一個整體部分。翼片24定位使得它與鋅顆粒20b電接觸。這樣集電極25與顆粒鋅電接觸和在相對端22上形成電池負(fù)端。
具有包含顆粒鋅20b的正極20的電池10(圖2)優(yōu)選包含零加入量的汞(低于50份汞/1百萬份總電池重量，優(yōu)選低于10份汞/1百萬份總電池重量)和其變型物。該實施方案中的電池10(圖2)還優(yōu)選不含加入量的鉛和因此可以是基本上無鉛的，即，總鉛含量低于正極20的總金屬含量的30ppm，最好低于15ppm。
負(fù)極厚板(圓盤40)優(yōu)選為包含電池級二氧化錳材料(EMD)，導(dǎo)電添加劑，和線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的壓實物理混合物。線性PVBTMAOH用于粘接二氧化錳顆粒以及在電池放電過程中用作堿性電解質(zhì)。它們MnO2顆粒的平均顆粒尺寸可容易地通過研磨而控制。電池級MnO2(EMD)通常被研磨至平均顆粒尺寸約1至100微米，最好約10至50微米，通常約35微米。導(dǎo)電添加劑最好是導(dǎo)電碳，優(yōu)選石墨或石墨材料，以增加在負(fù)極內(nèi)的導(dǎo)電率。這些負(fù)極圓盤40可無論正極20是否包含鋅片材或顆粒鋅而使用。由導(dǎo)電金屬條45，例如黃銅形成的負(fù)極集電極與負(fù)極圓盤40接觸放置。
在任一實施方案(圖1或圖2)中，在已經(jīng)形成正極20和負(fù)極40之后，金屬夾板50(圖1和2)隨后被放在負(fù)極圓盤40上使得負(fù)極圓盤40被壓制成與在電解質(zhì)腔32內(nèi)的暴露的透明聚合物電解質(zhì)35接觸。這樣形成完整的試驗電池10(圖1或圖2)，其中凸出翼片22形成電池的負(fù)端和凸出負(fù)極翼片48形成電池的正端。圖1和2的試驗電池因此是基本上相同的，只是鋅條20a用作正極活性材料以與如圖1所示的膠凝聚合物電解質(zhì)35接觸和鋅粉20b用作如圖2所示分散在聚合物電解質(zhì)35內(nèi)的正極活性材料。
負(fù)極40組合物包含MnO2(EMD)且石墨可與變化量的聚合物PVBTMAOH共混，優(yōu)選線性PVBTMAOH與優(yōu)選約4和10％重量的石墨或石墨材料一起共混。線性聚合物PVBTMAOH有利地占總負(fù)極的約1至10wt.％。線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)優(yōu)選存在于負(fù)極的水溶液中，而且在任何情況下，負(fù)極可被認(rèn)為是一種含水混合物。線性聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)和水的這些水溶液最好占總負(fù)極的約10至30％重量，優(yōu)選總負(fù)極的約15至30wt.％。石墨或石墨材料最好占負(fù)極的約4至10wt.％，最好占負(fù)極的約4.6至8.9wt.％。因此，負(fù)極中的MnO2最好占負(fù)極的約60至86％重量，最好占負(fù)極的約70至86wt.％。
本文所用的術(shù)語″石墨″或″石墨材料″應(yīng)該包括天然和合成結(jié)晶石墨，膨脹石墨，石墨碳，和石墨碳纖維。石墨碳的特征在于有序三維石墨結(jié)晶結(jié)構(gòu)，由相互平行堆積的六角形排列的碳原子層組成，例如通過X-射線衍射測定。正如出版在雜志碳(Vol.20，p.445)中的碳表征和命名法國際委員會(ICCTC，1982)所定義，石墨碳包括由石墨同素異形形式的元素碳組成的各種物質(zhì)，不考慮結(jié)構(gòu)缺陷。本文所用的術(shù)語石墨碳應(yīng)該按照該方式構(gòu)成。
術(shù)語″膨脹石墨″是本領(lǐng)域認(rèn)可的一種術(shù)語，例如，一般如U.S.專利5,482,798所提及的石墨的形式。膨脹石墨優(yōu)選為平均顆粒尺寸最好在約0.5微米和50微米之間，通常在約10微米和50微米之間的顆粒形式。另外，本文所用的膨脹石墨可由被加工成具有單軸膨脹晶體晶格的天然和/或合成非膨脹石墨顆粒形成。單軸膨脹的程度可足夠大，使得膨脹石墨顆粒可完全剝落(即，從薄片上分離)。
術(shù)語碳纖維應(yīng)該表示具有大于4，通常大于8的長度/直徑比率的伸長碳束。碳纖維的可更高，例如，大于100或更多。
在基本應(yīng)用中，本發(fā)明電池具有總體立方體(長方形平行六面體)形狀。在這些實施方案中，電池的外表面具有包括兩對相對的長方形邊和一對相對的長方形端的體表面。這些立方體形狀表示為圖1和2中所示的試驗電池10。
用于設(shè)計電池的優(yōu)選的參數(shù)如下在其中顆粒鋅懸浮在本發(fā)明膠凝交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)聚合物內(nèi)的實施方案中，正極的體密度最好是約3.0至3.5克鋅/立方厘米正極體積。用于確定該本體密度參數(shù)的正極包括在腔35(圖2)內(nèi)的，即，腔端33和34之間的所有部分的聚合物電解質(zhì)。正極的鋅填充部分，即，端33和界面36之間的厚度最好是約1至5mm，優(yōu)選約2至5mm。正極的透明部分，即端34和界面36之間的部分(沒有分散其中的任何鋅)還用作正極/負(fù)極隔板。端34和界面36之間的正極透明部分的厚度最好是約0.1至5mm，優(yōu)選約0.1至1mm。
包含顆粒MnO2，石墨和線性聚合物聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的混合物的負(fù)極40(圖2)的厚度最好是約2至10mm。在正極/負(fù)極界面上提供足夠的表面積使得電流密度(預(yù)期的耗用電流除以正極/負(fù)極界面面積)最好是約1至10mA/cm2。正極/負(fù)極界面面積被定義為在相向的正極和負(fù)極表面之間的共同面積。迄今得到的放電數(shù)據(jù)表明，如上所述在正極和負(fù)極至采用聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)電解質(zhì)的本發(fā)明的堿性電池最適用于在約0.5至1.5伏特的電壓要求下要求耗用電流約1至50mA/cm2，更通常約1至10mA/cm2的場合。這些是預(yù)期的優(yōu)選應(yīng)用范圍且無意于排出在較高耗用率，例如，約50mA/cm2至200mA/cm2或甚至較高的比率下的應(yīng)用。
試驗電池10在以下基礎(chǔ)上平衡鋅的毫安-小時容量(基于820毫安-小時/克鋅)除以MnO2的毫安-小時容量(基于308毫安-小時/克MnO2)稍微超過約1.0。
以下實施例1說明試驗電池10的制備，其中采用包含分散在膠凝交聯(lián)聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)中的顆粒鋅的正極20和包含與線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)混合的顆粒MnO2的負(fù)極40。在實施例1中，采用替代方法以形成在正極20中的交聯(lián)聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)和在負(fù)極40中的線性聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)。該替代方法包括聚合乙烯基芐基三甲基-氯化銨(PVBTMACL)單體以形成聚乙烯基芐基三甲基-氯化銨(PVBTMACL)并隨后使用陰離子交換膜將PVBTMACL進行離子交換以將氯替換為羥基基團。離子交換得到所需的在正極中的交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)或用于負(fù)極的線性聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)。
實施例1如圖2所示的試驗電池10使用包含0.5克顆粒鋅20b的正極20制備。具有膠凝聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的鋅正極20制備如下。固定塊30施用到絕緣塊15上，其中塊15在底部和塊30在上部，如圖2所示。將顆粒鋅20b倒入腔32中，這樣鋅20b在腔32的底部(在端33處)形成層。腔32隨后被填充以包含VBTMACL(乙烯基芐基三甲基氯化銨)單體，水，引發(fā)劑，和交聯(lián)劑的單體溶液。單體溶液在腔的底部(端33)包圍顆粒鋅層。腔32的剩余部分，即，在鋅層之上的部分被填充以透明單體溶液。
在特定試驗電池10(圖2)中，腔32具有直徑約1.6cm。將顆粒鋅20b以大致等于約1/4g鋅/平方厘米腔32直徑的量倒入腔32中。因此，顆粒鋅20b的總重是0.5g。腔32具有長度約7mm，即腔外端33和內(nèi)端34之間的長度。鋅粉在腔32的底部(在端33處)形成層，該層具有厚度約1mm，優(yōu)選約1至4mm，即，從端33至界面36的距離。在單體溶液在腔32內(nèi)的聚合反應(yīng)和交聯(lián)之后，所得膠凝PVBTMACL聚合物捕獲和保持鋅顆粒20b分散其中。一部分透明膠凝PVBTMACL聚合物(即，沒有鋅的那部分聚合物)位于鋅層之上約0.1至3mm，優(yōu)選約2至3mm處，即，從界面36至腔32的內(nèi)端34處。腔32具有直徑5/8英寸(1.59cm)。腔32的橫截面面積是約2cm2。
單體溶液的組成和用于進行聚合反應(yīng)的步驟如下單體溶液包含54wt.％VBTMACL和45wt.％水，以及基于VBTMACL 1mol％的所加N，N′-二亞甲基丙烯酰胺(BMAAm)交聯(lián)劑。還加入由2，2′-偶氮二(2-甲基丙瞇)二鹽酸鹽的4wt.％水溶液組成的偶氮游離基團引發(fā)劑(0.4ml/10g單體溶液)。
在將腔32填充單體溶液以覆蓋腔底部的粉狀鋅20b層之后，將Plexiglas蓋放在腔32的開口端34上以使氧離開。鋅粉可以是鋅合金(包含約200ppm銦的99.9wt.％鋅)。
將在腔32內(nèi)具有以上單體混合物的鄰接的塊15和30放在爐中并在約50攝氏度下在氮氣氛下加熱約1小時。單體聚合和交聯(lián)成粘性的不可流動材料，形成在聚合聚乙烯基芐基三甲基氯化銨(PVBTMACL)柱的底部包含顆粒鋅20b層的膠凝鋅正極20。
包含鋅粉20b和交聯(lián)聚合物PVBTMACL的正極20(圖2)隨后進行離子交換以使聚合物內(nèi)的氯離子被替換為羥基離子。這是必需的，因為堿性電池中的正極反應(yīng)需要存在羥基離子，如，。離子交換通過將來自Pall-RAI公司的陰離子(負(fù)離子)交換膜(Pall-RAIPAM201)放在由聚丙烯構(gòu)成的圓柱形腔32的開口端上而實現(xiàn)，這樣將聚合/交聯(lián)PVBTMACL覆蓋在腔32內(nèi)。將具有開口端和密閉的端的第二圓柱形腔填充以含水7N氫氧化鉀溶液。將其中具有含水氫氧化鉀的第二圓柱形腔的開口端放在陰離子交換膜的暴露側(cè)并將腔夾緊在一起，其中離子交換膜位于兩者之間。膜和PVBTMACL聚合物凝膠的Donnan排斥性能阻礙鉀離子擴散至凝膠，同時使Cl-和OH-自由擴散穿過該膜。離子交換膜的Donnan排斥性能在″膠體和表面化學(xué)的原理″，Paul C.Hiemenz，MarcelDekker，Inc.New York 1977，p.145-149中討論。PVBTMACL聚合物內(nèi)的氯離子(Cl-)逐漸被來自第二圓柱形腔內(nèi)的氫氧化鉀溶液的羥基離子(OH-)所交換。離子交換過程在環(huán)境條件下進行和需要約一個月才能完成，即，將聚合/交聯(lián)的PVBTMACL聚合物轉(zhuǎn)化成交聯(lián)的PVBTMAOH聚合物。OH-/Cl-離子交換的持續(xù)時間明顯影響鋅正極的放電性能。正極電流密度和正極容量/單元表面積，都隨著離子交換時間的增加而增加，直至在約一個月交換之后達到穩(wěn)定最大值。
離子交換期可可通過直接將交聯(lián)PVBTMACL浸漬在7N KOH中但不使用離子交換膜而減至約4天。在這種情況下，使正極電流和容量最大化所需的離子交換時間是5天。據(jù)信當(dāng)交聯(lián)聚電解質(zhì)組合物與7N KOH平衡且同一平衡通過離子交換工藝而實現(xiàn)時，達到最大電流和容量值。在聚電解質(zhì)平衡之后，聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)凝膠包含約0.5至2摩爾過量的KOH，通常1.6摩爾過量的KOH，每摩爾聚電解質(zhì)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。這些值表示過量的氫氧化物，即，除與在聚合物中的陽離子銨基團締合的OH-之外與K+離子締合的OH-。凝膠中的KOH的該濃度滿足Donnan平衡等式。因此，聚電解質(zhì)PVBTMAOH凝膠可有利地包含最高約2摩爾附加的KOH，每摩爾聚電解質(zhì)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。總之，聚電解質(zhì)凝膠可包含0至2摩爾附加的KOH，每摩爾聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元，最好約0.5至2摩爾附加的KOH，每摩爾聚電解質(zhì)(PVBTMAOH)單體單元。包含附加KOH的聚電解質(zhì)凝膠通過將過量KOH加入PVBTMACL所暴露的溶液以形成PVBTMAOH而得到。
熟知的是，氧化物膜(主要是上沉積在鋅顆粒的氧化鋅)形式的鈍化作用阻礙正極放電。這種鈍化是在放電過程中阻礙電化學(xué)動力學(xué)和最終影響電池容量的主要機理。加入至聚電解質(zhì)凝膠中的含水KOH增加電解質(zhì)導(dǎo)電率和往往溶解氧化鋅沉積物，這樣延遲正極鈍化。
包含聚合/交聯(lián)本發(fā)明聚合物電解質(zhì)和懸浮其中的顆粒鋅的所得正極20是一種具有橡膠狀材料感覺的不可流動的粘性材料。在正極界面36和腔32的內(nèi)端34之間存在聚合/交聯(lián)聚合物電解質(zhì)(即沒有任何鋅的部分)的透明部分。該部分用作電解質(zhì)和正極/負(fù)極隔板。
在腔32內(nèi)包含顆粒鋅以及交聯(lián)PVBTMAOH聚合物電解質(zhì)的總正極混合物(在端33和34之間，如圖2所示)具有以下組成。具有交聯(lián)PVBTMAOH的整個總正極具有橡膠狀一致性。
具有聚合物電解質(zhì)的正極組合物
注1.鋅的實際密度是7.14g/cm3。膠凝PVBTMAOH的密度是約1.0g/cm3。鋅的平均顆粒尺寸在約30和350微米之間。鋅顆粒是包含至少99.9wt.％鋅和低于200ppm的銦的合金。鋅顆粒具有約300微米的平均顆粒直徑。
2.聚合物電解質(zhì)是交聯(lián)PVBMAOH負(fù)極圓盤40(圖2)制造如下單獨制備線性聚合物聚乙烯基-芐基三甲基氯化銨(PVBTMACL)并隨后進行離子交換，這樣聚合物內(nèi)的氯離子被替換為羥基離子以形成線性聚合物聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)。線性PVBTMACL通過首先形成包含VBTMACL單體，水，和引發(fā)劑(不加入交聯(lián)劑)的單體溶液而制成。單體溶液包含55wt.％VBTMACL和45wt.％水。加入由2，2′-偶氮二-(2甲基丙瞇)二鹽酸鹽的4wt.％水溶液組成的偶氮游離基團引發(fā)劑(0.4毫升/10g單體溶液)。單體溶液在約50攝氏度下加熱約1小時以形成粘稠，可流動，線性聚合物溶液(PVBTMACL)。包含線性PVBTMACL的聚合物溶液隨后進行離子交換，這樣聚合物內(nèi)的氯離子被替換為羥基離子。這通過將線性PVBTMACL溶液倒入具有開口端和密閉的端的圓柱形腔中而實現(xiàn)。將來自Pall-RAI Corp.的陰離子(負(fù)離子)交換膜(Pall-RAI PAM20)放在圓柱形腔的開口端上，這樣覆蓋PVBTMACL溶液。將具有開口端和密閉的端的第二圓柱形腔填充以含水氫氧化鉀溶液。將其中具有含水氫氧化鉀的第二圓柱形腔的開口端放在陰離子交換膜的暴露面上，即，這樣離子交換膜在PVBTMACL溶液和含水氫氧化鉀溶液之間。PVBTMACL聚合物內(nèi)的氯離子逐漸與來自第二圓柱形腔內(nèi)的氫氧化鉀溶液的羥基離子交換。離子交換過程在環(huán)境條件下進行和需要約一個月才能完成，即，將線性PVBTMACL聚合物轉(zhuǎn)化成線性PVBTMAOH聚合物。
負(fù)極40(圖2)隨后通過將線性PVBTMAOH與顆粒MnO2(EMD)和石墨混合而制成。最終負(fù)極混合物具有面包捏塑體稠度?；旌衔镫S后被壓實并成型為負(fù)極圓盤40。沒有發(fā)現(xiàn)需要加入粘結(jié)劑，因為PVBTMAOH用作電解質(zhì)和粘結(jié)劑。
最終負(fù)極組成如下
注1.MnO2相當(dāng)于來自Kerr McGee Company的Trona D電池級EMD。MnO2(EMD)具有實際密度4.45g/cm3和平均顆粒尺寸約1至100微米。
2.石墨是來自Timcal集團的膨脹石墨和來自Nacional deGraphite，Brazil的天然石墨NdG-15的50-50wt.％混合物。天然和膨脹石墨具有實際密度約2.25g/cm3。
3.聚合物電解質(zhì)是具有粘稠可流動聚合物稠度的直鏈聚合物(不交聯(lián))。直鏈聚合物是水可溶的，這樣它可較好地與它們MnO2混合，不同于水可膨脹但水不可溶且保持橡膠狀稠度的交聯(lián)聚合物。將包含顆粒MnO2和石墨的負(fù)極混合物通過用作粘結(jié)劑以及電解質(zhì)的粘稠可流動PVBTMAOH聚合物固定在一起。
具有以上組成的負(fù)極具有面包捏塑體稠度，而聚合的直鏈PVBTMAOH電解質(zhì)聚合物自身具有可流動粘稠材料的稠度。
電池10(圖2)用與負(fù)極40中的MnO2的量平衡，使得鋅的毫安-小時容量(基于820毫安-小時/克鋅)除以MnO2的毫安-小時容量(基于308毫安-小時/克MnO2)稍超過約1.0。負(fù)極圓盤40的厚度是約3.5mm。正極/負(fù)極界面面積(腔32的橫截面面積)是約2cm2。
電池10(圖2)在恒定耗用電流約4mAmp下放電，得到電流密度約2mAmp/cm2至截止電壓約0.95伏特。所獲得的實際的容量是568mAmp-hrs。MnO2所獲得的實際的特定容量是320mAmp-hrs/g(104％的理論1電子MnO2容量)。
在制備正極和負(fù)極的上述方法(實施例1)中，乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTMACL)首先聚合形成聚乙烯基芐基三甲基氯化銨(PVBTMACL)，隨后使用陰離子離子交換膜經(jīng)受離子交換以將聚合物中的氯離子替換為羥基離子，以形成聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)。盡管是一種有效的制備方法，這些離子交換過程較慢。已經(jīng)確定，例如描述于詳細(xì)描述的優(yōu)選方法是較快的和可通過首先將單體乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTMACL)制成乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)并隨后將VBTMAOH單體聚合成PVBTMAOH而用于得到相同的最終產(chǎn)品(PVTMAOH)。該優(yōu)選方法的第二優(yōu)點是它控制可加入凝膠中的KOH的量。通過該優(yōu)選方法產(chǎn)生的聚電解質(zhì)的KOH含量可通過在起始VBTMAOH合成過程中或在聚合反應(yīng)之后加入合適過量的KOH而達任何所需水平。
該優(yōu)選方法在本申請的詳細(xì)描述部分(前述實施例1)中給出。它是一種與用于實施例1的方法相比明顯較快的生產(chǎn)PVBTMAOH的方法，因此是優(yōu)選的。該優(yōu)選方法的其它細(xì)節(jié)在以下實施例中給出。其中用于第一步驟(包括VBTMACL單體離子-交換成VBTMAOH單體)的基本方法本身類似于U.S.專利5,760,088所述。聚合VBTMAOH以得到線性聚合物PVBTMAOH或交聯(lián)聚合物PVBTMAOH的下一步驟類似于U.S.專利4,140,659所述的方法。
乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)式在以下結(jié)構(gòu)式I中給出。乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTMACL)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式在結(jié)構(gòu)式II中給出。聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式在結(jié)構(gòu)式III中給出。
乙烯基芐基三甲基氯化銨(VBTMACL) 乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)
聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH) 制備聚合物電解質(zhì)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的優(yōu)選方法，其中首先將VBTMACL單體轉(zhuǎn)化成VBTMAOH單體并隨后將VBTMAOH單體聚合成PVBTMAOH聚合物。
實施例A由VBTMACL單體制備離子-交換單體VBTMAOH將100g(0.472摩爾)乙烯基芐基三甲基氯化銨(Aldrich ChemicalCompany)在攪拌下溶解在5.00g無水變性乙醇和20.00g去離子水中。
另外，將156.04g氫氧化鉀粒料(Fisher)溶解在400g無水變性乙醇中。所得溶液隨后濾過配有多孔圓盤(孔隙率10至20μm)的Buchner漏斗。收集濾液并使用另外的無水變性乙醇在量瓶中達到最多1升的體積。氫氧化鉀溶液的摩爾濃度通過用含水氫氯酸使用酚酞指示劑滴定而被測定為2.260M。
將208.9毫升2.260M氫氧化鉀溶液(0.472摩爾氫氧化鉀)在攪拌下在環(huán)境溫度下隨后慢慢加入乙烯基芐基三甲基氯化銨溶液中，結(jié)果氯化鉀沉淀和形成乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)。在環(huán)境溫度下繼續(xù)攪拌另外3小時，隨后在冰浴中冷卻另外1小時。氯化鉀隨后使用配有多孔圓盤(孔隙率10至20μm)的Buchner漏斗從溶液中過濾掉。
將在Buchner漏斗中收集的固體材料隨后兩次用15g冷乙醇洗滌并隨后在55攝氏度下干燥至恒重32.65g。這等于0.438摩爾氯化鉀和得到氯化物單體的轉(zhuǎn)化度＝0.438/0.472×100％＝92.8％(假設(shè)所收集的固體僅由氯化鉀組成)。
單獨收集濾液。加入100g去離子水并將溶液在55-60攝氏度下在減壓下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)以去除乙醇。在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)之后，溶液重量用另外的電離水調(diào)節(jié)至200g，得到離子-交換單體的50wt.％水溶液(基于乙烯基芐基三甲基氯化銨的原始重量)。
離子-交換單體，即，乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)可隨后如，使用過硫酸鹽引發(fā)劑(例如描述于實施例B的過硫酸鉀)，偶氮引發(fā)劑(如，來自Wako的VA-057)或通過UV(例如描述于實施例5)而聚合。
實施例B通過實施例A中的離子交換而制成的乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)單體的線性聚合反應(yīng)將約30g離子交換單體溶液，即如實施例A制成的乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)轉(zhuǎn)移至配有橡膠隔膜的玻璃小瓶。溶液隨后通過將氬氣鼓入溶液中15分鐘而用氬氣清洗。隨后加入0.5wt.％。固體過硫酸鉀(基于總?cè)芤褐亓?，在超聲浴中超聲處理5分鐘，并隨后用氬氣清洗另外15分鐘。將包含該溶液的上蓋的小瓶隨后放在55攝氏度下加熱的爐中并在此保持5hrs以聚合該單體。這樣形成聚乙烯基芐基三甲基-氫氧化銨(PVBTMAOH)的高度粘稠的粘性線性聚合物(不交聯(lián))。
視需要，含水KOH可在聚合反應(yīng)之前加入單體VBTMAOH溶液中或加入聚合物PVBTMAOH溶液中?？杉尤牒甂OH，如7N KOH使得單體VBTMAOH溶液或聚合物PVBTMAOH溶液包含約0至2摩爾KOH，優(yōu)選，約0.5至2.0摩爾KOH/單體單元。
實施例C使用例如由實施例B制成的線性聚合物(不交聯(lián))聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)制備負(fù)極材料將MnO2(Kerr-McGee EMD)和石墨(NDG-15)按照比率9∶1重量合并并在研缽和杵中混合和研磨。
另外，將線性聚合物PVBTMAOH(如實施例B制備)用另外的去離子水稀釋得到10wt.％水溶液(基于乙烯基芐基-三甲基氯化銨的原始重量)。
將MnO2/石墨混合物和10wt.％PVBTMAOH聚合物溶液按照比率9∶1重量合并并在研缽和杵中混合和研磨。將約1.75g該材料隨后在10,000lbs下在模頭(1.77cm直徑)中壓向Ni網(wǎng)孔。Ni翼片隨后被點焊至負(fù)極粒料的背部。將它隨后使用鋅箔正極組裝成電池，其中正極和負(fù)極用該聚合物的粘稠溶液(25wt.％)隔離。該電池可隨后放電。
實施例D正極20(圖2)的形成，其中顆粒鋅懸浮在聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)柱的底部將0.50g鋅粉加入具有直徑約1.6cm的腔32(圖2)中。隨后將0.78g離子-交換單體VBTMAOH溶液(例如描述于實施例A)，0.016g N，N′-亞甲基二丙烯酰胺(交聯(lián)劑)和0.004g過硫酸鉀轉(zhuǎn)移至配有橡膠隔膜的玻璃小瓶。溶液隨后使用超聲浴超聲處理5mins并隨后用氬氣清洗15分鐘。視需要，可在該階段將如來自7N KOH溶液的含水KOH加入離子交換VBTMAOH單體溶液。含水KOH可加入的量使得離子交換溶液包含約0至2摩爾的所加KOH，優(yōu)選約0.5和2摩爾KOH，每摩爾離子交換單體VBTMAOH。
溶液隨后在氬沖洗的爐中在55攝氏度下熱處理1hr以形成交聯(lián)PVBTMAOH聚合物，其中如圖2所顯示和表述，鋅粉20b層懸浮在其底部。
實施例E由離子-交換VBTMAOH單體形成獨立交聯(lián)聚合物膜隔板。獨立隔板可用作金屬鋅片材和負(fù)極之間的隔板(圖1)將5.00g離子-交換單體溶液(例如描述于實施例A)，0.10g N，N′-亞甲基二丙烯酰胺(交聯(lián)劑)和0.025g過硫酸鉀轉(zhuǎn)移至配有橡膠隔膜的玻璃小瓶。溶液隨后使用超聲浴超聲處理5mins并隨后用氬氣清洗15分鐘。
將溶液鋪展在PTFE片材上，上表面用另一PTFE片材覆蓋并隨后在氬沖洗的爐中在60攝氏度下熱處理1hr以形成具有厚度約100微米的交聯(lián)膜隔板。
溶液也可在配有800μm厚腔的聚烯烴模具中固化丙按照類似方式加熱。隨后拆卸模具，得到交聯(lián)PVBTMAOH材料的獨立膜隔板(圖1)。膜隔板可用于替代如圖1所示在正極20和負(fù)極40之間的膠凝聚合物35。
實施例F用VBTMAOH單體涂覆鋅片材并用紫外光固化該單體以得到在鋅片材上的固化PVBTMAOH聚合物。固化PVBTMAOH涂層用作正極和負(fù)極之間的隔板在鋅片材20(圖1)和負(fù)極40(圖1)之間的另一隔板可通過將鋅片材用乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)單體涂覆并隨后將單體進行紫外光固化而形成。
在此給出的實施例提供快速處理的優(yōu)點。
將20.00g乙烯基芐基三甲基氯化銨溶解在1.00g無水變性乙醇和4.00g去離子水中。將6.24g KOH粒料單獨溶解在34.00g無水變性乙醇中。將兩種溶液隨后合并和在環(huán)境溫度下攪拌3小時，冷卻另1小時并隨后過濾。固體用兩批5.00g冷乙醇洗滌并收集包含乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(VBTMAOH)單體的濾液。將5.00g VBRMAOH單體濾液與5.00g去離子水和0.0679g Irgacure 2959光引發(fā)劑(Ciba Speciality化學(xué)品)合并。將該溶液隨后鋪展到鋅箔上并在傳輸或上在速度20ft/min下經(jīng)過一個UV-固化單元(熔融W體系)。將涂覆鋅箔經(jīng)過固化單元4時間以固化該材料。
在鋅箔上的UV固化PVBTMAOH涂層可用作正極20和負(fù)極40之間的隔板，這樣替代圖1所示的膠凝聚合物35。
本發(fā)明的正極和負(fù)極尤其可用于平整的總體電池形狀，即，電池外殼的主要部分包含至少一個基本上平整的表面。電池的厚度可與電池長度相比可較小。尤其是，本發(fā)明的概念意味著延伸至基本上扁平的電池，其中電池外殼的主要部分包含一個平整的多角形表面。本發(fā)明因此可延伸至具有多面體形狀的電池。本發(fā)明還可延伸至電池外殼的主要部分具有一個平行四邊形的平整表面的電池或延伸至其中總體形狀是棱柱的電池。本發(fā)明還可應(yīng)用于其中正極和負(fù)極層成螺旋構(gòu)型且兩者之間存在隔板層的電池。
因此，本發(fā)明無意于局限于本文所述的特定實施方案，而最好由權(quán)利要求書及其等同物所限定。
權(quán)利要求
1.一種包括正極和負(fù)極，和電解質(zhì)的堿性電池，所述電解質(zhì)包括一種包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的含水混合物。
2.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述電解質(zhì)進一步包含氫氧化鉀。
3.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述正極包含鋅和所述負(fù)極包含二氧化錳。
4.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述電解質(zhì)包含約0至2摩爾氫氧化鉀，每摩爾聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。
5.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述電解質(zhì)包含約0.5至2摩爾氫氧化鉀，每摩爾聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)單體單元。
6.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述電池進一步包含含有交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的隔板。
7.權(quán)利要求1的堿性電池，其中正極包含分散在包含交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的含水凝膠內(nèi)的顆粒鋅。
8.權(quán)利要求1的堿性電池，其中負(fù)極包括一種混合物，其中包含二氧化錳，石墨，和包含線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)和水的含水混合物。
9.權(quán)利要求8的堿性電池，其中二氧化錳占負(fù)極的約60至86％重量。
10.權(quán)利要求8的堿性電池，其中線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)占負(fù)極的約1至10％重量。
11.權(quán)利要求8的堿性電池，其中石墨占負(fù)極的約4至10％重量。
12.權(quán)利要求1的堿性電池，其中正極是厚板形狀，包括一對相對的平整平行面以確定兩個相對端，其中所述厚板在所述相對端之間具有連續(xù)外周表面，所述外周表面確定厚板外周邊緣和厚度。
13.權(quán)利要求1的堿性電池，其中負(fù)極是具有一對相對的平行平面以確定兩個相對端的厚板形狀，和所述厚板在所述相對端之間具有連續(xù)外周表面以確定厚板外周邊緣和厚度。
14.權(quán)利要求12的堿性電池，其中正極的一端具有分散在交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)內(nèi)的鋅顆粒且相對端是透明的和包含沒有鋅的交聯(lián)聚乙烯基芐基-三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)。
15.權(quán)利要求14的堿性電池，其中電池組裝使得正極的透明端與負(fù)極端并排，正極的所述透明端用作電解質(zhì)可滲透隔板。
16.權(quán)利要求14的堿性電池，其中正極的所述透明端具有厚度約0.1至3mm。
17.權(quán)利要求14的堿性電池，其中正極的包含鋅顆粒的所述一端具有厚度約2至5mm。
18.權(quán)利要求1的堿性電池，其中所述電池具有長方形平行六面體形狀。
19.權(quán)利要求3的堿性電池，其中鋅是約3.0至3.5克/立方厘米總正極體積。
20.一種堿性電池，包括包含鋅的正極和包含二氧化錳的負(fù)極，和在所述正極和負(fù)極之間的隔板，所述隔板包括一種包含交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的含水混合物。
21.權(quán)利要求20的堿性電池，其中所述隔板包含交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)。
22.權(quán)利要求20的電池，其中負(fù)極包括一種包含二氧化錳，石墨，和線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)的含水混合物。
23.權(quán)利要求20的電池，其中二氧化錳占負(fù)極的約60至86％重量。
24.權(quán)利要求22的電池，其中線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)占負(fù)極的約1至10％重量。
25.權(quán)利要求22的電池，其中石墨占負(fù)極的約4至10％重量。
26.權(quán)利要求20的電池，其中所述聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨(PVBTMAOH)在電池放電過程中用作電解質(zhì)。
27.權(quán)利要求20的電池，其中正極是厚板形狀，包括一對相對的平整平行面以確定兩個相對端，和其中所述厚板在所述相對端之間具有連續(xù)外周表面，所述外周表面確定厚板外周邊緣和厚度。
28.權(quán)利要求20的電池，其中負(fù)極是具有一對相對的平行平面以確定兩個相對端的厚板形狀，和所述厚板在所述相對端之間具有連續(xù)外周表面以確定厚板外周邊緣和厚度。
29.權(quán)利要求28的電池，其中電池組裝使得正極被并排在負(fù)極的一端且兩者之間存在所述隔板。
30.權(quán)利要求20的電池，其中所述正極包含具有厚度約0.1至0.5mm的鋅片材。
31.權(quán)利要求20的電池，其中所述電池具有長方形平行六面體形狀。
32.權(quán)利要求20的電池，其中電池在對應(yīng)于電流密度約1至50毫安/cm2的速率下放電，其中電流密度基于正極和負(fù)極之間的界面面積。
全文摘要
一種堿性電池，具有包含鋅的正極，包含二氧化錳的負(fù)極和包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨的電解質(zhì)。正極可包含分散在包含交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨聚合物的含水凝膠內(nèi)的顆粒鋅。視需要，含水KOH可加入凝膠中。正極和負(fù)極最好是厚板形狀，分別具有一對相對的平行平面以確定兩個相對端。分散在交聯(lián)聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨聚合物中的鋅顆粒可在正極厚板的一端被濃縮且相對端沒有鋅。優(yōu)選還包含聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨的正極的透明端用作正極和負(fù)極之間的隔板。負(fù)極厚板包含顆粒二氧化錳，石墨，和線性聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨聚合物的混合物。聚乙烯基芐基三甲基氫氧化銨聚合物用于粘接二氧化錳顆粒以及在電池放電過程中用作電解質(zhì)。
文檔編號H01M4/42GK1672285SQ03818372
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者C·R·帕倫特, J·M·博爾頓, R·?？怂_ 申請人:吉萊特公司