专利名称：具有包含按重量计小于4％碳颗粒的阴极的碱性电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及碱性电池。
背景技术：
电池是通常使用的电能来源。电池包含通常称作阳极的负极和通常称作阴极的正 极。阳极含有能被氧化的活性材料；阴极含有或消耗能够被还原的活性材料。阳极活性材 料能够还原阴极活性材料。分隔体设置在阳极和阴极之间。这些组件设置在金属壳内。当使用电池作为装置中的电能来源时，阳极和阴极发生电接触，使电子流过装置， 发生相应的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极接触的电解质包含流过位于电极之 间的分隔体的离子以在放电期间保持电池整体的电荷平衡。持续需要制造更适于高功率应用的电池。现代电子器件如蜂窝式电话、数字照相 机和玩具、闪光装置、遥控玩具、可携式摄像机和高强度灯是此类高功率应用的实例。此类 装置需要介于约0. 5和2安培之间，通常介于约0. 5和1. 5安培之间的高电流耗用率。相 应地，它们需要在介于约0. 5和2瓦特之间的电量需求下进行操作。就电池而言，还期望具 有长的使用寿命(或在某些应用情况下，如数字照相机，能够递送大量的能量脉冲)。电池 具有预先确定的内部体积，即金属壳的内部体积，这由具体电池类型的标准外部几何形状 决定。这个内部体积限制了可包含在阳极和阴极内的活性物质的量，从而限制了电池的性 能特征。发明概述总体上，本发明的特征在于电池包括阳极、阴极、和设置在阳极与阴极之间的分隔 体，所述阴极包含相对低含量的碳颗粒。在一个方面，本发明的特征在于一种碱性电池，所述碱性电池包括阳极、阴极、和 设置在阴极与阳极之间的分隔体，所述阴极包含阴极活性材料和碳颗粒，其中阴极中碳颗 粒的浓度按重量计小于约4%。在一些具体实施中，碱性电池可包括下列一个或多个特征。碳颗粒包括膨胀石墨。 阴极基本上不含天然石墨颗粒。例如，阴极可包含按重量计小于0.5%的天然石墨，并且一 般优选的是，阴极不包含天然石墨。阴极中碳颗粒的浓度按重量计小于或等于约3. 5%和 按重量计小于或等于3. 25%。阴极活性材料包括EMD。阴极活性材料的浓度为约89%至 约91%。阳极包含锌作为活性物质。锌的至少一部分为具有小于175微米的平均粒度的锌 粒的形式。在电池组合件中测量时，阴极具有在约2. 5%至约5%范围内的水分含量。阴极 具有约22%至约30%的孔隙率。分隔体具有小于0.30mm的润湿厚度。所述分隔体具有约 35g/m2或更小的基重。在另一方面，本发明的特征在于一种碱性电池，该碱性电池包括阳极、阴极、和设 置在阳极与阴极之间的分隔体。阴极包含阴极活性材料和膨胀石墨颗粒，其中阴极中的碳 颗粒的浓度按重量计小于约3. 5%。这个方面可包括以上关于第一个方面所述的任何特征或所有特征。本发明的特征还在于制造碱性电池阴极的方法。在一个方面，本发明的特征在于包括将阴极活性材料与膨胀石墨混合的方法，其中所述膨胀石墨以按重量计小于4%的浓 度提供。在一些具体实施中，所述方法还包括控制阴极的水分含量，以使得在电池组合件 中测量时水分含量在约2. 5%至约5%的范围内。所述方法还可包括控制阴极的孔隙率以 使其在约22%至约30%的范围内。所述方法也可包括本文所述的任何其它方面。本发明的一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过该说明书和 附图并通过所述权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。附图概述
图1是电池的示意图。发明详述参见图1，电池10包括阴极12、阳极14、分隔体16和圆柱形外壳18。电池10也包 括集电器20、密封件22和负金属封端24，所述负金属封端用作电池的负端子。起到电池正 端子作用的正极点26位于电池上的负端子的相反端。电解质溶液分散在整个电池10中。 电池10可为碱性电池，例如，AA、AAA、AAAA, C或D电池。注意，以下所给的浓度是针对组装步骤的阴极而言的。由于水分蒸发的结果，在组 装阶段阴极中活性物质和碳的含量比所有成分最初混合时要高。阴极12包含一种或多种阴极活性材料、碳颗粒和粘合剂。阴极也可包含其它添加 剂。阴极活性材料的实例包括二氧化锰、羟基氧化镍、二硫化铁、氧化银或氧化铜。优选的阴极活性材料为二氧化锰，其具有按重量计至少约91%的纯度。由于具有 高密度并且可方便地用电解方法以高纯度获得，所以电解二氧化锰(EMD)是电化学电池优 选的二氧化锰形式。化学二氧化锰(CMD)是一种化学合成的二氧化锰，也被用作电化学电 池和大功率电池中的阴极活性材料。EMD通常由硫酸锰和硫酸电解液直接电解来制造。EMD的制造方法及其性质可见 Batteries—书，主编 Karl V. Kordesch, Marcel Dekker, Inc. , New York，第一卷(1974 年)，433至488页。CMD通常用本领域被称作“Sedema法”的方法来制备，这是一种化学 方法，公开在美国专利2，956，860 (Welsh)中，用于通过使用MnSO4和碱金属氯酸盐，优选 NaClO3的反应混合物来制造电池级的Μη02。二氧化锰的销售商包括KerrMcGee Co. (Trona D)、Chem Metals Co.、Tosoh、Delta Manganese、Mitsui Chemicals、JMC 禾口 Xiangtan。碳颗粒包含在阴极以使电子分布在整个阴极中。碳颗粒为合成膨胀石墨。本发 明人已发现，通过利用膨胀石墨，阴极中的碳颗粒量可显著地降低，例如，从可商购获得 的电池中通常使用的按重量计5至9%降低至小于4%或甚至小于3. 5%。碳含量的这 种减小使阴极能够包含更大量的活性物质，而不用增加电池的体积或减小空隙体积(其 必须保持在特定大小或更高以防止电池内因气体的产生而使内部压力升得过高)。因为 活性物质(如EMD)具有比石墨更高的密度，所以即使石墨含量只有相当小的减少，也可 使活性物质的浓度显著增加，从而得到显著增大的电池容量。例如，石墨减少1.75%将 能够使EMD增加3.6%，同时保持内部电池体积和空隙体积恒定。合适的膨胀石墨颗粒 可购自例如日本的 ChuetsuGraphite Works, Ltd. (Chuetsu 等级 WH-20A 和 WH-20AF)或 TimcalAmerica (ffestlake, OH, KS-等级)。一些优选的电池包含按重量计约3%至约3. 5 %的膨胀石墨。在一些具体实施中，这能够使EMD的含量按供货时重量计达到约89 %至91 %。 (供货时EMD包含1至1.5%的水分，因此这个范围等于约88%至90%纯EMD。)优选地， 阴极活性材料与膨胀石墨的比率大于25，更优选大于26，或甚至大于27。在一些具体实施 中，该比率介于25和33之间，例如介于27和30之间。这些比率通过分析确定，忽略任何 水分。一般优选的是阴极基本上不合天然石墨。虽然天然石墨颗粒为阴极成型设备提供 润滑性，但这类石墨比膨胀石墨的导电性要小得多，因此要获得同样的阴极导电性必需使 用量更多。如果必要，阴极可包含低含量的天然石墨，然而这将不利于在保持特定阴极导电 性的同时获得减小的石墨浓度。阴极可以压制小丸的形式提供。对于最佳的处理，一般优选的是阴极具有在约 2. 5%至约5%，更优选约2. 8%至约4. 6%范围内的水分含量。一般还优选的是阴极具有约 22%至约30%的孔隙率，以获得阴极的可制造性、能量密度和完整性之间的良好平衡。可用于阴极中的粘合剂的实例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟碳树脂，如PVDF或 PTFE。聚乙烯粘合剂的实例以商品名COATHYLENE HA-1681销售(得自Hoechst或Dupont)。其它添加剂的实例描述于例如美国专利5，698，315,5, 919，598和5，997，775和美 国专利申请10/765, 569中。电解质溶液可分散在整个阴极12中，并且上下文提供的重量百分比是在加入电 解质溶液后测定的。电解质可为碱性氢氧化物如氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。电解质也 可为盐电解质的水溶液，如锌氯化锌、氯化铵、高氯酸镁、溴化镁、或它们的组合。阳极14可由阳极活性材料、胶凝剂和微量添加剂如放气抑制剂形成。此外，上述 电解质溶液中的一部分分散在整个阳极中。阳极活性材料的实例包括锌。优选地，为了平衡阴极中活性物质的增加，阳极活性 材料包括具有细小粒度，例如小于175微米的平均粒度的锌。此类锌在碱性电池中的使用 描述于美国专利6，521，378中，其完整公开内容以引用方式并入本文。胶凝剂的实例可包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素、羧甲 基纤维素盐(例如羧甲基纤维素钠)、或它们的组合。阳极可包含放气抑制剂，其可包括无机材料，如铋、锡或铟。作为另外一种选择，放 气抑制剂可包括有机化合物，如磷酸酯、离子表面活性剂或非离子表面活性剂。分隔体16可为常规的碱性电池分隔体。优选地，分隔体材料为薄的。例如，对于 AA电池，分隔体可具有小于0. 30mm，优选小于0. 20mm，更优选小于0. IOmm的湿厚度和小于 0. IOmm,优选小于0. 07mm,更优选小于0. 06mm的干厚度。所述纸材的基重一般在约20至 80g/m2范围内。在一些优选的具体实施中，所述纸材具有35g/m2或更小的基重。在其它实 施方案中，分隔体16和42可包括与非织造材料层相复合的玻璃纸层。分隔体也可包括附 加的非织造材料层。外壳18可为常用于一次碱性电池中的常规外壳，例如镀镍冷轧钢。集电器20可 由合适的金属例如黄铜制成。密封件22可由例如聚酰胺(尼龙)制成。在一些优选的具体实施中，电池表现出极好的使用寿命和电池容量。例如，由浓度 按重量计为3. 5%、4. 0%和4. 4%的膨胀石墨制成，保持电池成分(阳极+阴极+分隔体 +KOH电解质)体积恒定的电池具有以下的0. 25A 1小时每天至0. 9伏截止电压性能9. 63小时/9. 55小时/9. 37小时。因此，由3. 5%石墨类物质制成，从而包含更多活性物质(EMD 和锌)的电池提供多出2. 8%的使用时间。在另一个实验中，使用相同的测试方法(0. 25A1 小时每天至0. 9伏截止电压)，包含3. 0%膨胀石墨的电池提供9. 99小时的使用时间(与 4. 4%膨胀石墨类相比+6.6% )0已对本发明的许多实施方案进行了描述。但是应当理解，在不背离本发明精神和 范围的条件下可以进行各种修改。例如，虽然上面我们已讨论过增加阴极活性材料的量，在许多情况下所期望的是 同时增加阳极活性材料的量。在这种情况下，通过使用更少的石墨而空出一些额外容积以 用于增加阳极活性材料。因此，其它实施方案也在以下权利要求的范围之内。
权利要求
一种碱性电池，所述碱性电池包括阳极，包含阴极活性材料和碳颗粒的阴极，其中所述阴极中的碳颗粒的浓度按重量计小于约4％，和设置在所述阳极和所述阴极之间的分隔体。
2.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述碳颗粒包括膨胀石墨。
3.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极基本上不含天然石墨颗粒。
4.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极中的碳颗粒的浓度按重量计小于或等 于约3. 5%。
5.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极中的碳颗粒的浓度按重量计小于或等 于 3. 25%。
6.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极活性材料包括EMD。
7.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极活性材料的浓度为约89%至约91%。
8.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阳极包含锌作为活性物质。
9.如权利要求8所述的碱性电池，其中至少一部分所述锌为具有小于175微米的平均 粒度的锌粒的形式。
10.如权利要求1所述的碱性电池，其中在电池组合件中，所述阴极具有在约2.5%至 约5%范围内的水分含量。
11.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述阴极具有约22%至约30%的孔隙率。
12.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述分隔体具有小于0.30mm的润湿厚度。
13.如权利要求1所述的碱性电池，其中所述分隔体具有约35g/m2或更小的基重。
14.一种用于制造碱性电池的阴极的方法，所述方法包括将阴极活性材料与膨胀石墨 混合，其中所述膨胀石墨以按重量计小于4%的浓度提供。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括控制阴极的水分含量，以使得在电池 组合件中测量时所述水分含量在约2. 5%至约5%的范围内。全文摘要
本发明提供了包括包含膨胀石墨的阴极的碱性电池。在一些具体实施中，所述阴极包括按重量计小于约4％的石墨。
文档编号H01M4/62GK101939866SQ200980104393
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月2日 优先权日2008年2月8日
发明者A·舍列金, D·L·安格林 申请人:吉列公司