专利名称：电池的阳极的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池。
背景技术：
电池如碱性原电池常用作电源。一般地，电池包括负极(通常称为阳极)和正极(通常称为阴极)。阳极包含可被氧化的活性物质(例如锌颗粒)；阴极包含可被还原的活性物质(例如二氧化锰)。阳极活性物质能够还原阴极活性物质。为了防止阳极材料与阴极材料的直接反应，阳极和阴极通过隔板而彼此电绝缘。
当电池用作诸如移动电话等装置的电源时，令阳极和阴极电接触，使得电子流过装置，并允许氧化和还原反应各自发生，以提供电力。与阳极和阴极接触的电解液包含流经电极之间的隔板的离子，以维持放电期间整个电池的电荷平衡。
发明内容
总体上，本发明涉及其阳极包含球形锌颗粒的电池。
一方面，本发明的特征在于包含锌颗粒的阳极。至少约50％重量的锌颗粒(例如，至少约60％，至少约70％，至少约80％，至少约90％，或者至少约95％重量的锌颗粒)为球形。在一些实施方案中，锌颗粒是锌与铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合的合金。
另一方面，本发明的特征在于具有外壳以及该外壳内的阴极和阳极的电池。阳极包含球形的锌颗粒。在一些实施方案中，该电池为碱性电池。在某些实施方案中，该电池为AA型电池，AAA型电池，C型电池，或者D型电池。
另一方面，本发明的特征在于制备锌颗粒的方法。该方法包括在氧小于约1％(例如氧小于约0.7％，小于约0.5％，小于约0.3％，小于约0.1％)的气氛中离心雾化熔融锌，制得锌颗粒。至少约30％重量的锌颗粒(例如至少约50％重量，至少约70％重量的锌颗粒)为球形。该方法还可以包括将锌颗粒加到阳极中。电池可通过将阳极和阴极装入电池外壳中来制备。
通过说明书和附图以及权利要求书，更容易看出本发明的其它特征和优点。
图1是电池的实施方案之一的侧视图。
图2是离心雾化装置的示意图。
图3和3A分别是电池的另一实施方案的透视图。
图3B是图3和3A的电池的截面图。
具体实施例方式
参照图1，电池10包括阴极12，阳极14，隔板16，及圆筒形外壳18。电池10还包括集电体20，密封件22，及充当电池负极端子的负极金属顶盖24。阴极12与外壳18接触，电池10的正极端子位于电池与负极端子相对的一端。碱性电解液分散于整个电池10中。电池10可以是例如AA、AAA、C或D型电池。
阳极14包含锌金属颗粒。阳极中至少约30％重量的锌颗粒(例如阳极中至少约40％，至少约50％，至少约60％，至少约70％，至少约80％，至少约90％，或者至少约95％重量的锌颗粒)为球形。本文中所使用的“球形”是指锌颗粒具有约1.0～2.0或者约1.0～1.5(例如约1.0～1.25)的纵横比。锌颗粒的纵横比可根据两种方法测定。根据第一种方法，锌颗粒的纵横比等于其伸长比(elongation ratio)的倒数(即1/(伸长比))，其中所述伸长比是所测量到的锌颗粒直径与其垂直直径的最小比例。根据第二种方法，锌颗粒的纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。该测量可以利用锌颗粒的二维图像来进行。
优选球形锌颗粒具有约100～约300μm的平均粒径(根据Sympatec低角度激光分析法测定)和约1.4～约1.8的σ。优选球形锌颗粒具有约50～250cm2/克，例如，约100～约150cm2/克的平均表面积(根据B.E.T.分析法测定)。
球形锌颗粒可以是锌与铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合的合金。
举例来说，阳极14可以是锌凝胶，其包含锌金属颗粒、一种或多种胶凝剂及少量的添加剂如产气抑制剂。另外，部分电解质溶液分散于整个阳极中。
胶凝剂的实例包括聚丙烯酸，聚丙烯腈，接枝的淀粉材料(例如淀粉接枝的聚丙烯酸、淀粉接枝的聚丙烯腈)，聚丙烯酸的盐，聚丙烯酸酯，羧甲基纤维素，羧甲基纤维素钠，或者它们的组合。这种聚丙烯酸的实例是Carbopol 940和934(得自B.F.Goodrich)和Polygel 4P(得自3V)，接枝的淀粉材料的实例是Waterlock A221(得自Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的实例是Alcosorb G1(得自Ciba Specialties)。阳极可以包含例如约0.1～2％重量的胶凝剂。
产气抑制剂可以是无机材料如铋、锡、铅和铟。作为选择，产气抑制剂也可以是有机化合物，如磷酸酯、离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂的实例公开于例如US 4777100中，该专利文献引入本文作为参考。
阴极12包含二氧化锰、碳颗粒和粘结剂。电解质溶液也分散于整个阴极12中。所提供的重量百分数的高低是在电解质溶液已经分散之后测定的。
二氧化锰可以是电解合成的MnO2(EMD)，也可以是化学合成的MnO2(CMD)，也可以是EMD和CMD的混合物。二氧化锰的销售商包括KerrMcGee，Co.(Trona D)；Chem Metals，Co.，Tosoh；Delta Manganese；MitsuiChemicals；及JMC。
碳颗粒可以是阴极中常用的任何碳颗粒。例如，碳颗粒可以是石墨颗粒。石墨可以是合成或非合成的石墨，也可以是合成与非合成的石墨的混合物。适宜的石墨颗粒可以得自例如Brazilian Nacional de Grafite(Itapecerica，MGBrazil(MP-0702X))或者日本的Chuetsu Graphite Works，Ltd.(Chuetsu gradesWH-20A和WH-20AF)。举例来说，阴极可以包含约3～7％，如约4～6.5％重量的碳颗粒。
粘结剂的实例包括聚乙烯粉末，聚丙烯酰胺，Portland水泥，及碳氟树脂如PVDF和PTFE。聚乙烯粘结剂的实例以商品名Coathylene HA-1681出售(得自Hoechst)。阴极可以包含例如约0.1％～1％重量的粘结剂。
阴极12可以包含其它添加剂。这些添加剂的实例参见US 5342712，该专利文献引入本文作为参考。阴极12可以包含例如约0.2～2％重量的TiO2。
隔板16可以具有电池隔板的任何常规结构。在一些实施方案中，隔板16可用两层无纺、非膜材料形成，一层沿着另一层的表面布置。为了使隔板16的体积最小化同时又提供有效的电池，无纺、非膜材料的每一层可以具有每平方米约54克的基重(basis weight)，约5.4mil的干燥时的厚度，及约10mil的湿润时的厚度。在这些实施方案中，优选隔板在无纺、非膜材料层之间不包括膜材料层或胶粘剂层。通常，这些层基本上不含填料如无机物颗粒。
在其它实施方案中，隔板16包括与无纺材料结合的玻璃纸层。隔板还包括另一层无纺材料。玻璃纸层可以邻近阴极12或阳极14。无纺材料包含例如约78～82％重量的PVA和约18～22％重量的人造丝及痕量的表面活性剂。这种无纺材料得自PDM，商品名为PA25。
在一些实施方案中，隔板16为其上层合了玻璃纸层(例如300P002，得自UCB)的无纺材料(例如PA25，得自PDM)。
分散于整个电池10中的电解液可以是电池中常用的任何电解液。该电解液可以是KOH或NaOH的水溶液。电解液可以包含例如约20～50％重量溶解于H2O中的碱金属类氢氧化物。电解液可以包含约0～4％重量的氧化锌。
外壳18可以是碱性原电池中常用的任何外壳。外壳通常包括内金属壁和外部的非导电材料如可热收缩的塑料。可任选地在内壁与阴极12之间布置导电材料层。该层可沿着壁的内表面布置，沿着阴极12的外周面布置，或者沿着二者布置。该导电材料层可以由例如碳材料构成。这种材料包括LB 1000(得自Timcal)，Eccocoat 257(得自W.R.Grace&Co.)，Electrodag 109(得自Acheson Industries，Inc.)，Electrodag 112(得自Acheson)，及EB0005(得自Acheson)。举例来说，施用导电层的方法参见加拿大专利第1263697号，该专利引入本文作为参考。
集电体20由合适的金属如黄铜制成。密封件22可以由例如尼龙制成。
参照图2，球形锌颗粒可通过离心雾化法制备。在图2中，离心雾化装置110包括炉子112和雾化室114。雾化室保持低氧气氛(例如约0.001～1.0％的氧，更优选小于约0.5％的氧)。雾化室114中的余下气体为惰性气体(如氩、氦、氮)。例如，该雾化室可以包含约0.01～0.50％的氧，余下的气体为氮气。
杯116放置在雾化室114内。杯116可由例如石墨制成，并且可以具有约5～50cm，例如，约10～20cm的直径。杯116可以具有约0.1～10cm，例如，约2～3cm的深度。马达122(例如7.5hp的马达)与轴133相连，轴133进一步与杯116相连。
槽118将炉子112与漏斗120相连，漏斗120位于雾化室114的上部。
尽管未示出，但是该离心雾化装置110还可以包括其它部件，如布置在马达122与杯116之间的皮带轮系统。
在操作中，马达122驱动杯116，使杯旋转。杯可以约500～50000rpm(例如，约6000～8500rpm)的转速旋转。
将锌和合金化组分加料于炉子112中，然后使锌和合金化组分熔化。熔融的合金可以包含约1～5000ppm(基于熔融金属质量)的合金化组分(例如铝、铋、钙、镓、铟、锂、镁、铅、锡或其组合)。合金化组分可以是约100～500ppm的铋、铟和铅。合金化组分可以是约100～500ppm的铋和铟。
一旦炉子中收集到足够量的熔融合金，该熔融的合金就沿着槽118向下移动至漏斗120中。漏到120具有喷孔124。当熔融合金通过喷孔124时，其形成最终与杯116接触的液流126。可以按需要的熔体流速(即液流126的流速)制作喷孔124的尺寸。熔融金属的熔体流速为每小时约10～20000磅锌(例如每小时约4000～7000磅锌；每小时约2450磅锌；每小时约3100磅锌)。
当液流126接触杯116时，离心力使熔融的合金沿杯116横向展开，然后以熔滴的形式摆脱杯116，接着冷却和固化，形成锌颗粒128。部分所得的锌颗粒可以是球形的。一旦锌颗粒128形成，其可以通过传递装置130传递至筛分工序(例如，包括60目的筛子)。
实施例可以根据下列方法制备包含球形锌颗粒的阳极浆料的实例(尽管锌颗粒的制备可以生产规模来进行，但是电解液凝胶的制备以及阳极浆料的制备均可以实验室和/或试验性规模来进行，并且需要按比例放大才能进行生产)。例如，可以将阳极浆料加到图1的电池中。
锌颗粒的制备可以根据离心雾化法制备具有下列特征的锌颗粒，如上面的参照图2的说明表1-锌颗粒的特征
锌粉末可以通过离心雾化装置，利用分别为0.35％和7750rpm的较恒定的氧含量和转速来制备。可以采用约3100磅/小时或者约2450磅/小时的熔体流速。雾化杯可以具有大约6英寸的直径。
电解液凝胶的制备可以制备含量如下的电解液凝胶表2-电解液凝胶的含量
电解液凝胶可以制备如下1.将34.8％KOH和2.0％ZnO于水中的电解液放置在混合器中，并开启混合器。
2.将C940(得自Noveon，Inc.)和Waterlock A221(得自Grain ProcessingCorp.)胶凝剂逐步加到混合器中。
3.约3分钟后关闭混合器。
4.使所得凝胶水合至少8小时(优选24小时)。
阳极浆料的制备可以制备组成如下的阳极浆料。
表3-阳极浆料的含量
阳极浆料可根据下列方法制备1.将凝胶电解液加到容量为1.5升的双行星型混合器中。
2.加入乙酸铟和表面活性剂溶液。
3.提升至28″(Hg)真空(即约50mm绝对压力)，开动搅拌器(20rpm)，并混合6分钟。
4.关闭搅拌器并解除真空。
5.开动搅拌器并在15～30内加入锌粉末。
6.提升至28″(Hg)真空，开启搅拌器(20rpm)，并混合24分钟。
球形锌颗粒还可以用于棱形电池的阳极。适宜的棱形电池参见US10/336475和US 10/336261，二者均是于2003年1月3日提交的，其内容引入本文作为参考。
参照图3至图3B，棱形电池310具有至少两个平行于电池纵轴的扁平的相对侧。电池310可以是平行六面体，并优选为矩形。电池310具有外壳312，其由一对相对的大的扁平壁313和315、一对相对的小的扁平壁314和316、密闭端318和向相对的敞开端320界定。该电池还包括具有负极端板322的端盖组件321。电池内含阳极324，阴极326，及隔板328。阳极324呈包含球形锌颗粒和含水电解液的锌浆料的形式。
其它实施方案也包括在下面的权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种包含锌颗粒的阳极，其中至少约50％重量的锌颗粒为球形，每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0～2.0，其中该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
2.根据权利要求1的阳极，其中至少约60％重量的锌颗粒为球形。
3.根据权利要求2的阳极，其中至少约70％重量的锌颗粒为球形。
4.根据权利要求3的阳极，其中至少约80％重量的锌颗粒为球形。
5.根据权利要求4的阳极，其中至少约90％重量的锌颗粒为球形。
6.根据权利要求5的阳极，其中至少约95％重量的锌颗粒为球形。
7.根据权利要求1的阳极，其中所述锌颗粒包括含有一种或多种选自下列组分的锌合金铝，铋，钙，镓，铟，锂，镁，铅，及锡。
8.一种电池，其包括外壳；电解液；外壳内的阴极；及外壳内的阳极，其中该阳极包含锌颗粒，且至少约50％重量的锌颗粒为球形，每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0～2.0，该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
9.根据权利要求8的电池，其中至少约60％重量的锌颗粒为球形。
10.根据权利要求9的电池，其中至少约80％重量的锌颗粒为球形。
11.根据权利要求10的电池，其中至少约95％重量的锌颗粒为球形。
12.根据权利要求8的电池，其中该锌颗粒包括含有一种或多种选自下列组分的锌合金铝，铋，钙，镓，铟，锂，镁，铅，及锡。
13.根据权利要求8的电池，其中该阴极包含MnO2。
14.根据权利要求8的电池，其中该外壳为棱形的。
15.根据权利要求8的电池，其中该电解液是碱性的。
16.根据权利要求15的电池，其中该电池包括AA型电池。
17.根据权利要求15的电池，其中该电池包括AAA型电池。
18.根据权利要求15的电池，其中该电池包括C或D型电池。
19.一种制备锌颗粒的方法，包括在氧小于约1％的气氛中离心雾化熔融的锌，得到锌颗粒，其中至少约30％重量的锌颗粒为球形，每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0～2.0，该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比。
20.根据权利要求19的方法，其中所述熔融锌在氧小于约0.7％的气氛中进行离心雾化。
21.根据权利要求20的方法，其中所述熔融锌在氧小于约0.5％的气氛中进行离心雾化。
22.根据权利要求21的方法，其中所述熔融锌在氧小于约0.3％的气氛中进行离心雾化。
23.根据权利要求22的方法，其中所述熔融锌在氧小于约0.1％的气氛中进行离心雾化。
24.根据权利要求19的方法，还包括将锌颗粒加到阳极中。
25.一种制备电池的方法，该方法包括(a)在氧小于约1％的气氛中离心雾化熔融的锌，该离心雾化得到锌颗粒，其中至少约30％重量的锌颗粒为球形，每个球形锌颗粒的纵横比为约1.0～2.0，且该纵横比等于锌颗粒的最长轴与该最长轴的平均中垂线的比；(b)将锌颗粒加到阳极中；及(c)将该阳极和阴极装到电池外壳中。
全文摘要
一种包含锌颗粒的阳极，其中至少约30％重量的锌颗粒为球形。
文档编号H01M4/24GK1806354SQ200480016898
公开日2006年7月19日 申请日期2004年6月16日 优先权日2003年6月17日
发明者詹姆斯·科斯坦佐, 林立凡 申请人:吉列公司