专利名称：扩展锌网阳极的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学电池，尤其涉及这种电池中的锌阳极。
背景技术：
在今天便携式电子和电能工具的世界中，与以往相比，电池对我们的日常生活更加重要。随着便携式消费电子市场的增长，对廉价、耐用、高效电池的需求越来越强。电池制造商继续寻求新的方法来从其产品中提取更多功率、持续更长的时间和更高效用。除了寻求更强效更耐用的电池，制造商还意识到需要更环保并需要消除或减少其产品的有害添加物的使用，诸如水银(Hg)。
今天在市场上交易的许多电池是碱性电池。典型的碱性电池包括阴极、阳极、碱性电解质和容器。一般来说，阴极通常由二氧化锰(MnO2)构成，而阳极通常由锌或者锌和其它化合物的混合物构成。电解质通常主要包括氢氧化钾(KOH)，但常包含其它添加物。这些成分通常密封于容器中。有几种形状的容器，但最常用的两种是尺寸不同的圆柱形状，诸如已知的“AA”、“C”和“D”电池，以及更小的平纽扣电池，它们常用于诸如照相机和助听器的装置中。
通常与所有电池类似，碱性电池通过已知为氧化还原反应的化学反应产生电能。在锌碱电池中，这种反应消耗锌阳极材料并将其转换成氧化锌/氢氧化锌。随着氧化还原反应的进行，氧化锌/氢氧化锌沉积并积聚于锌阳极颗粒之间和周围的电解质区域内。在其积聚时，通过在电解质溶液和锌阳极之间形成障碍，它阻断了反应位点路径。这些沉积物的积聚显著降低了电池的电容量，特别是在高的能量消耗时。
通过在锌阳极的表面上逐步积聚氧化锌引起了被称为钝化的锌的反应性降低。当锌阳极的表面积较小时，问题有所增加。随着较小的表面积和较高的放电率，表面电流密度较高。这使得阳极变得高度极化并导致锌的钝化，直到电流密度降低。在低温时极化和钝化的问题特别有重要，因为低温时电解质中氧化锌的溶解度降低。氧化锌的更低溶解度引起氧化锌的更快的积聚，快速地阻断反应位点路径。但是，通过给出更大的锌表面积就可以减轻该问题。锌表面积的增加降低了表面电流密度并有助于延迟钝化的开始。因此，在所有其它因素相同的情况下，锌阳极表面积越大，碱性电池的整体性能越好。
在高放电速率的情况下，钝化问题尤其值得关注。例如，在使用氢氧化钾电解质的电池中，高放电速率驱动电解质浓度到极限值，在阳极腔中形成较低的氢氧化钾浓度而在阴极孔内及其周围形成很高的浓度。当氧化锌溶解度在阴极孔内以及在阴极/隔离物/阳极腔界面内增加时，氧化锌溶解度在阳极腔的主要电化学有效区域中急剧下降。随着产生电解质物质的相互扩散以维持平衡，高氢氧化钾浓度和高氧化锌溶解度的电解质向氢氧化钾和氧化锌含量较低的电解质区域扩散。这导致氧化锌的局部沉淀靠近隔离物但在阳极腔内。氧化锌压实区导致最终以支持高速耗尽所必须的速率抑制电解质扩散。
当前技术通常使用锌粉以实现最大的表面积并延迟钝化的开始。该锌粉提供非常大的表面积。但是，使用锌粉有很多缺点。首先，如果单独使用锌粉，其容易流动，对电击灵敏，导致颗粒与颗粒的接触间歇地被干扰。粉末状锌的阳极需要密切的颗粒与颗粒接触以及密切的集电器接触。为了避免颗粒运动，通常将悬浮剂或胶凝剂添加到电池的电解质溶液中。悬浮剂抑制锌粉的移动性并帮助在电池容器内保持颗粒接触。由于还与粒子移动干扰，如果不需要悬浮剂，这将更加有效。通过减少所需的悬浮剂或胶凝剂的量，简化了电池结构并降低了成本。使用锌粉的另一个缺点是其相对成本。世界上正遭受电池等级的锌粉短缺，这驱动锌粉的相对成本上升。因此，与非粉末的锌，诸如锌网、锌带或其它固体锌产品相比，锌粉更加昂贵。
将锌粉用作碱性电池的阳极的再一个问题是由于浪费造成的成本增加和性能损失。在具有锌粉阳极的碱性电池以高放电率被完全放电并被“进行检查(autopsied)”时，可观察到仅约50％的锌粉已被消耗。通过由于氧化锌/氢氧化锌沉积引起的颗粒之间的电接触的破坏抑制了锌粉的平衡的反应。这使得大量的锌粉留在电池中而没有被用于产生电能。由于可用表面的减少，这降低了电池失效开始前的时间量。所浪费的锌在两方面使得碱性电池的成本上升。首先，需要更大量的锌粉来实现相同量的电池输出。其次，这些多余锌浪费的容积可用于额外的电解质。增加电解质的量将允许制造商提升电池的性能。
在高放电率时锌粉负电极比低放电率时更低效。当前，为了改善效率，某些锌阳极与汞混合。汞大大地改善颗粒之间的接触，抑制低颗粒间接触的开始。由于汞是对环境有害的，汞的使用是不期望的。但是，由于它能改善颗粒之间的接触，从电池结构中除去汞而不引起电池质量问题是困难的。因此，需要锌粉的一个可选方案，它在高放电率时更有效而不使用汞。该可选方案需要保持粉末状锌的高表面积但避免与粉末状锌有关的问题。
工业上以开发了一个针对锌粉使用同时仍比固体锌形成更多表面积的可选方案是将穿孔锌用作阳极。尽管电池等级锌粉的世界范围的缺乏，但该材料是易于获得的。但是，使用穿孔锌也有其自身的问题。首先，通过在锌的固体片上冲孔来制造穿孔锌。这形成两个问题。首先，浪费了从锌上冲孔掉的材料。其次，在形成精细孔眼方面存在制造困难。虽然这些问题是明显的，但使得不期望使用穿孔锌的最大问题是打孔不能显著增加电极的表面积。虽然产生某些新的表面积，但也损失了与从锌上打孔掉的材料有关的表面积。因此，与粉末状锌相比，穿孔锌的表面积相对较少。
针对锌方面的另一个可选方案是使用扩展锌网。扩展锌网的使用是期望的，因为其提供较大的表面积并且是当前比锌粉更容易获得和更廉价的。但是，以前揭示的使用锌网的方法具有它们自身的问题。例如，美国专利No.4175168中揭示的将扩展锌网用作阳极的方法。将扩展锌网折叠以形成阳极。锌分隔物用于在电池内分离锌网阳极的折叠层。美国专利No.4226920揭示了另一种扩展锌网阳极。该阳极通过卷绕锌网以形成线圈来构成。分隔物再次用于提供线圈的相邻层之间的基本均匀的间隔。这两种阳极结构中电极层之间的间隔是必要的，以允许适当的电解质在层之间流动并保持合适的电池性能。但是，使用分隔物来隔开阳极的层是不期望的，因为它需要使用附加的材料并增加额外的制造成本。需要不要求使用分隔物来保持电池性能的锌阳极结构。
碱性电池用于助听器、闪光灯、电动手工用具以及电子玩具和游戏中。许多新的电子设备需要在高放电率时高效的电池。因此，需要一种电池，它能提供更多电能容量，在高放电率下更有效，避免使用悬浮凝胶或分隔物的生产花费，最小化诸如汞的破坏环境化合物的使用，以及使用比电池等级锌粉更廉价和更可得的材料。简言之，期望开发由扩展锌网构成的碱性电池阳极，其降低或消除了现有技术阳极的缺点。
发明内容
本发明通过提供性能改善并不使用锌粉的锌阳极给出了针对上述问题的解决方案。更特别地，本发明规定扩展锌网的使用以便在高放电率时增加电池性能并改善阳极结构的效率从而减少氧化还原反应中未反应的锌的量。本发明还提供了结合了改善了的锌阳极结构的电化学电池。
本发明通过使用扩展锌网以三种基本结构中的一种构建扩大表面积的阳极来改善电池性能。本发明的“卷成”的锌阳极包括卷绕成线圈的单片锌网。本发明的“分层”锌阳极包括两片或更多片锌网，它们形成分层从而每层都与相邻的层电接触。本发明的“折叠”锌阳极包括单片锌网，它在其自身上折叠以形成与相邻层电接触的两个或更多层。
在所有三种情况中，都避免了如现有技术所教导的在网眼层之间分隔物的使用，以降低材料和制造成本。代替在锌网层之间保持均匀间隔，本发明采用其中扩展锌网层直接物理接触的阳极配置。这些层的直接接触在阳极的锌网层之间形成电接触点。这些电接触与网眼共同形成连续的网格网络，它允许锌的更好的连接性以提升高放电率时的性能。
本发明还包括采用所揭示的三种锌网阳极中的每一种的电化学电池。这些电化学电池通常由罩壳、一个所述阳极、阴极、阳极和阴极之间的绝缘隔离物以及电解质溶液构成。参考以下的说明书和权利要求书将能更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点。
附图概述
图1示出根据本发明一个实施例的一扩展锌网片的放大图；图2示出本发明的某些实施例中使用的部分卷成的锌网阳极的透视图；图3示出根据本发明采用卷成的锌网阳极的“AA”电池的一个实施例的剖视图；图4示出根据本发明采用卷成的锌网阳极的“AA”电池的另一个实施例的剖视图；图5示出根据本发明采用分层的锌网阳极的“纽扣”电池的一个实施例的剖视图；图6示出根据本发明采用分层的锌网阳极的“纽扣”电池的另一个实施例的剖视图；图7示出本发明的某些实施例中使用的分层的锌网阳极；以及图8示出本发明的一个实施例中使用的折叠的锌网阳极的侧视图，其中两个层部分展开。
具体实施例方式
本发明规定各种配置的电池中作为阳极的扩展锌网的使用。如图1所示，锌网可以由大量物理尺度测量来表征。首先，可以通过构成网眼的锌线的宽度描述锌网。第二，可以通过网眼的线的规格(gauge)描述锌网。在一片锌网中，这些锌线在许多顶点处交叉。锌的交叉线限定大量平行四边形，它们形成锌网片中的开口。这些开口的尺寸也可以用来表征扩展锌网的片。可以通过线顶之间的距离来描述这些开口。如图1所示，这些距离可以通过LWD和SWD来表示，它们分别用于设计的长路径和设计的短路径。
图2示出本发明的阳极的一个实施例。如图2所示，将锌网卷起，从而卷的每一层与相邻层电接触以形成阳极50。以这种方式将电极卷起形成连续的圆柱网格。维持这些连续网格，不管生产紧卷成阳极或松卷成阳极。该配置允许锌的更好的连接性并允许使用粉状锌电池所不能使用的更高的电解质与锌之比，而不损失颗粒之间的接触。通过延迟氧化锌压实(compaction)的开始这提升了高放电率时的电池性能。此外，这种结构减轻了对分隔物的需要，该分隔物用于保持电极层之间的均匀间隔。分隔物的消除去除了材料和制造成本。
图3是使用阳极50的圆柱电池60的剖视图。电池60的外部由圆柱形钢罩壳70限定，该钢罩壳是工业标准大小并且是“AA”电池的形状。罩壳70的一端处是凸起的圆柱90，它与安装有电池60的装置的端子相接触。在制造过程期间，罩壳70的相对端是初始打开的。纸帽100安装于罩壳70内部包含圆柱90的端处。阳极50安装于罩壳70的中央并延伸罩壳70的长度的大部分，如图3所示。纸帽100相邻于阳极50的一端并使阳极50与罩壳70隔开。隔离纸110绕阳极50的纵轴延伸。阴极120(在这种情况中是粉状材料)位于罩壳70和隔离纸110之间。
电解质溶液130填充罩壳70的剩余体积。典型地，电解质溶液130是氢氧化钾溶液。但是，本技术领域内的熟练技术人员可以理解，具有许多可使用的不同碱性电解质溶液，诸如氢氧化钠。锌网的使用允许电解质溶液130自由地流遍阳极50并提供直接锌与电解质接触的大表面积。在与网眼的网格网络接触中，该大表面积有助于消除使用锌粉时形成的有害传导路径的问题。在常规电池中，随着锌粉的消耗，未反应的粉末颗粒与电解质之间的距离增加，削弱传导路径。通过急剧地减小该问题，减少了浪费的、未反应的锌的百分比。这允许使用较少的锌来产生相同的电能量。在阳极中使用较少的锌允许更多的空间用于在罩壳70中使用更多的电解质溶液130。
一旦将阳极50、阴极120、隔离物纸110和电解质溶液130置于罩壳70中，纸帽140和塑料绝缘体150就被安装在罩壳70的开口端中。纸帽140和塑料绝缘体150都在其中央具有小洞以允许将集电器160插入电池60中。集电器160的一端是杆，它滑过纸帽140和塑料绝缘体150中的洞并延伸通过阳极50的纵轴。集电器160的另一端是圆形的并密封罩壳70的开口端。纸帽140和塑料绝缘体150防止集电器160接触阴极120并与集电器160结合形成紧密封以防止电解质溶液130从电池60漏出。
本技术领域内熟练的技术人员可以理解，可以使用纸隔离物110以外的其它隔离装置将电池分成阳极侧和阴极侧，诸如隔离膜。所使用的任何这种绝缘隔离物必须防止阳极和阴极之间的电直流。任何阳极和阴极之间的电直流都会使得电池内部短路。此外，任何绝缘隔离物还必须允许电解质溶液130扩散通过。可以将呈现出这些绝缘和扩散性质的任何合适的材料用作隔离物。
图4示出圆柱电池65，它是使用短集电器165的电池60的修改。与集电器160类似，集电器165的一端是圆形的并密封罩壳70的开口端。集电器165的另一端是杆，它滑过纸帽140和塑料绝缘体150中的洞并延伸通过阳极50的纵轴。但是，集电器165的杆比之前实施例中集电器160的杆更短。电解质溶液130填充剩余容积以形成电解质储器135，它是由阳极50的卷成网眼的最里层限定的。
通过缩短集电器165，与图3的实施例相比，图4的实施例可以改善效率和性能特性。这种效率提升的原因是两方面的。首先，剩余容积中电解质储器135的形成允许在电池65中使用更大量的电解质溶液而不增加电池65自身的容积。如下所述，电解质量的增加有助于提升电池的性能。其次，电解质储器135允许更好的电解质转移，从而改善电池性能。
图5示出本发明的另一个实施例。如图5所示，该实施例是平的“纽扣”电池型电池，它被配置成与许多当前的电子装置兼容。该电池使用图7所示的分层锌网阳极170。通过扩展锌网的分层片形成阳极170，从而每个片与相邻的片电接触。在这种配置中，一片锌网直接置于另一片锌网上并与其电接触。随后，第三片置于层叠物的上部并与下面的片电接触。随后，继续该分层过程，其中每个后续片与之前的片电接触。以这种方式使锌网成层形成了连续的锌网格。连续网格的形成允许锌的更好的连接性，增加了高放电率时的电池性能。与上述圆柱电池相同，网眼层直接接触，减轻了对保持电极层之间均匀间隔的分隔物的需要。
回到图5，阳极170包含于一端打开的杯状钢帽180中。钢帽180的外壁限定放置阳极170的室，。除了容纳阳极170，一旦电池完成，钢帽180的外部还用作纽扣电池的负电极。一旦阳极170处于钢帽180中，钢帽180的其余容积由电解质溶液190填充。允许电解质溶液190自由地流过阳极170及其周围。
将环形塑料绝缘体200模塑成具有u形凸缘210。u形凸缘210装配在钢帽180的开口端的周围。塑料绝缘体200被模塑成缓和地装配于钢帽180的外部周围并通过u形凸缘210被缓和地保持于合适位置。一旦塑料绝缘体200就位，层压的隔离膜220置于越过钢帽180中的开口。隔离膜220的外部周围置于塑料绝缘体200的u形凸缘210上。随后，一层阴极材料230夹在隔离膜220和另一个层压盖240之间。如图4所示，隔离膜220物理地将阳极170和阴极材料230隔开，并允许电解质溶液在两者之间通过。
层压盖240、阴极材料230和隔离膜220通过另一个粗略的杯状钢帽250保持就位。钢帽250的直径大于钢帽180。钢帽250的内径约相当于塑料绝缘体200的外径。此外，使钢帽250成形为缓和地装配于塑料绝缘体200周围。钢帽250的平底侧形成为具有许多洞(图中未示出)。在电池完成时，钢帽250用作纽扣电池的正电极。
图6示出纽扣电池260，它是图5所示的上述纽扣电池的修改。与之前的实施例不同，纽扣电池260采用集电器270，它在纽扣电池260中从钢帽180突出。集电器270通过包括阳极170的锌网片延伸向隔离膜220。虽然可以改变集电器270的直径，但在所示实施例中采用1/16英寸直径的集电器。集电器270用于向纽扣电池260提供附加的电击(shock)稳定性并确保阳极170的锌网层保持固定并保持连续电接触以避免电池损坏。
如图5和6所示，前述纽扣电池采用类似于图7所示的本发明实施例的由锌网的圆片层构成的阳极。但是，本技术领域内的熟练技术人员可以理解，本发明的其它实施例可以使用其它形状的锌网分层片。例如，锌网的正方形片(未示出)可用于从制造过程中消除浪费。
图8示出本发明的阳极的再一个实施例。如图8所示，将单片锌网折叠，从而形成与其自身的电接触以形成阳极260。每次将其折叠时，单片锌网形成一附加层，它与相邻层电接触。在折叠锌网时，形成连续互相连接的锌网格。该配置允许锌的更好的连接性，从而增加高耗尽率时电池的性能。与前述本发明的阳极实施例相同，该结构减轻了对保持电极层之间均匀间隔的分隔物的需要。与阳极170的“分层”结构相同，阳极260可用于基本类似于图5所示的上述平纽扣电池中。
本发明的前述实施例都使用扩展锌网。具有.006英寸线宽、.006英寸规格、.10英寸LWD和.050英寸SWD的网眼被发现在高耗尽率时提供最大电池电量。但是，在以下范围内的尺寸的锌网电极的使用也是可接受的.003英寸到.010英寸的线宽、.003英寸到.010英寸的规格、.05到.15英寸的LWD以及.025到.075英寸的SWD。
本发明与现有技术相比具有许多优点。本发明的增加的表面积提供电解质溶液和锌阳极之间的许多反应位点。此外，锌网阳极结构的互连性提供了许多传导路径。与采用需要密切的颗粒与颗粒接触以及密切的颗粒与集电器接触的粉状锌的电池不同，在根据本发明的锌网阳极中，一旦提供密切的集电器接触，就通过前述连续的网格网络保持从集电器到阳极、隔离物和阴极界面的密切接触，允许使用粉状锌不可能的新阳极技术结构。这些特点帮助减轻锌钝化的问题。通过减轻锌钝化的问题，这些特点提升了高放电率时的效率。提升的效率导致耗尽的电池中浪费的锌较少以及用较少锌产生更多电能的能力。需要较少的锌允许空间用于增加电解质溶液，这也有助于提升电池性能。
本发明的进一步的优点在于降低成本。使用锌网避免了使用当前所需的昂贵的电池等级锌粉。本发明通过消除使用悬浮剂的需要来进一步削减成本。通过消除以前锌网结构中所需的使用分隔物的需要还降低了制造开支。最后，当前的结构使得诸如汞的破坏环境的化学物质的使用和必要性最小化，这些化学物质是采用锌粉阳极的电池中通常使用以提升高放电率时的性能。
虽然以参考其实例性实施例详细描述了本发明，但这仅仅是作为本发明的非限制性实例而提供的，因为许多其它形式都是可以的。可以预计，各种其它修改和变化将是本技术领域内的普通技术人员显而易见的，且这些修改和变化旨在包含于由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内。
权利要求
1.一种包含具有上表面和下表面的扩展锌网片的阳极，该片被卷起使得上表面和下表面电接触。
2.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的线宽。
3.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的规格。
4.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.05英寸到约.15英寸内的LWD并具有范围在.025英寸到约.075英寸内的SWD。
5.如权利要求1所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有约.006英寸的线宽、约.006英寸的规格、.10英寸的LWD和.050英寸的SWD。
6.一种包含具有上表面和下表面的一扩展锌网片的阳极，该片在自身上折叠一次或多次，从而至少一个表面与自身电接触。
7.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的线宽。
8.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的规格。
9.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.05英寸到约.15英寸内的LWD并具有范围在.025英寸到约.075英寸内的SWD。
10.如权利要求6所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有约.006英寸的线宽、约.006英寸的规格、.10英寸的LWD和.050英寸的SWD。
11.一种包含分别具有上表面和下表面的第一扩展锌网片和第二扩展锌网片的阳极，该第二片层叠在该第一片上，从而第一片的上表面与第二片的下表面电接触。
12.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，第三扩展锌网片层叠在第二片上，从而第二片的上表面与第三片的下表面电接触。
13.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，多扩展锌网片层叠在第二片上，从而每片都与其下的那片电接触。
14.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的线宽。
15.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.003英寸到约.010英寸内的规格。
16.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有范围在约.05英寸到约.15英寸内的LWD并具有范围在.025英寸到约.075英寸内的SWD。
17.如权利要求11所述的阳极，其特征在于，该扩展锌网片具有约.006英寸的线宽、约.006英寸的规格、.10英寸的LWD和.050英寸的SWD。
18.一种电化学电池，其特征在于，包括形成封闭的电池室的圆柱型罩壳；在所述电池室内的如权利要求1所述的阳极；在所述电池室内且排列于阳极和罩壳之间的阴极；在所述电池室内且在阳极和阴极之间的绝缘隔离物装置；以及在所述电池室内且能扩散通过绝缘隔离物的电解质溶液。
19.一种电化学电池，其特征在于，包括形成密封的电池室的罩壳；将所述电池室分成阳极侧和阴极侧的绝缘隔离物装置；在所述电池室的阳极侧内的如权利要求6所述的阳极；在所述电池室的阴极侧内的阴极；以及在所述电池室内且能扩散通过绝缘隔离物的电解质溶液。
20.一种电化学电池，其特征在于，包括形成密封电池室的纽扣形罩壳；将所述电池室分成阳极侧和阴极侧的绝缘隔离物装置；在所述电池室的阳极侧内的如权利要求11所述的阳极；在所述电池室的阴极侧内的阴极；以及在所述电池室内且能扩散通过绝缘隔离物的电解质溶液。
全文摘要
一种阳极包括一片或多片扩展锌网。扩展锌网的厚度和网眼大小可以改变。可以将单片锌网卷起，形成与自身连续的电接触。或者，可以将单片锌网折叠成层，每层都与其相邻的层电接触。第三种可选方案是使用两片或更多片的锌网阳极，其与罩壳、阴极、电解质溶液以及阴极和阳极之间的隔离物组合以制成电化学电池。
文档编号H01M10/28GK1639888SQ02828754
公开日2005年7月13日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年2月15日
发明者J·T·维斯特, A·H·吉勒斯, J·海德里克, J·笛尔, J·斯米尔色, R·比茨 申请人:埃尔崔斯它锌产品公司L.P.