具有改进的阳极组合物的锌电池及其用途
【专利摘要】记载了电化学电池，特别是钮扣式电池形式的电化学电池及其生产。所述电池包含主要含有锌或锌合金的电极。所述电池的特征在于其负极具有一定比例的氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐。此外，公开了脉冲模式下的操作电子装置的方法，其中所述装置由所述电化学电池供给电能，以及在脉冲模式下操作且包含此类电化学电池的电子装置。
【专利说明】具有改进的阳极组合物的锌电池及其用途
[0001]本发明涉及电化学电池，特别是钮扣式电池形式，其包含主要含有锌或锌合金的电极。此外，本发明涉及此类电池的制造方法，并涉及此类电池的用途。
[0002]具有由锌制成或由锌合金制成的电极(缩写:锌电极)的电化学电池可以以多用途方式使用。锌电极为锌/空气电池的一部分，钮扣式电池形式的锌/空气电池在助听器装置领域中是特别需要的。另外，具有锌阳极(Zinc anode)的电池的实例为锌氧化锰电池、锌氧化银电池和锌氧化汞电池。所述电池的所有特征在于高能含量和相对稳定的电压状态。
[0003]此外，由锌制成的电极还用于产气电池(gas generation cell)。产气电池的实例记载于DE 35 32 335 Al中。
[0004]本发明的目的为提供具有锌电极的电化学电池，其特征在于特别是在脉冲式放电情况下的特别稳定的电压分布(voltage profile)。
[0005]电池所采取(takes)的脉冲式放电在移动通讯中特别重要。例如，在GSM模式(全球移动通讯系统模式(Global System for Mobile Communications mode))下、UMTS-TDD模式(频分双工模式下的通用移动通信系统(Universal Mobile TelecommunicationsSystem in Frequency Division Duplex mode))下、LTE 模式(长期演进模式(Long TermEvolution mode))下、WiMAX模式(微波存取全球互通模式(Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access mode))下或DECT模式(数字增强无线通信模式(DigitalEnhanced Cordless Telecommunications mode))下操作的通讯装置在脉冲模式下操作，因而需要供给脉冲形式的电能。因此，另外的目的为提供优化而用于此类装置的电化学电池。
[0006]所述目的通过具有权利要求1所述特征的电化学电池以及通过具有权利要求6所述特征的方法来实现。根据本发明的电池的优选实施方案在从属权利要求2至5中限定。另外，根据权利要求7所述的方法和根据权利要求8所述的装置为本发明的一部分。根据权利要求7和8所述的方法和装置的优选实施方案在从属权利要求9中限定。将所有权利要求的词汇引入于本说明书的内容中以作参考。
[0007]出乎意料地发现，所述目的可通过将一定比例的氢氧化铝添加至此类电化学电池的锌电极来实现。根据本发明的电化学电池包括至少一种电极，所述电极主要含有锌或由锌合金，并具有一定比例的氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐。
[0008]众所周知，氢氧化铝在室温下为通常具有白色的固体物质，其一般难溶或不溶于水。氢氧化铝以若干种变形(modification)存在。根据本发明，可使用正氢氧化铝(aluminum orthohydroxide) Al (OH) 3的已知变形(Y氢氧化招、β氢氧化招和三斜晶系氢氧化招)，以及偏氢氧化招(aluminum metahydroxide)A10(OH)的已知变形，即斜方晶系α-氢氧化招氧化物(aluminum oxide hydroxide)和斜方晶系Y氢氧化招氧化物。
[0009]在碱的影响下，所有所述变形与铝酸盐反应，其中铝以作为配体的具有氢氧根离子的配合阴离子[Al (OH)4]-的形式存在。
[0010]可选地，代替氢氧化铝或除氢氧化铝以外，锌电极可包含一定比例的至少一种铝酸盐。特别地，出于该目的，可考虑碱金属铝酸盐(alkali aluminate)如铝酸钠或铝酸钾、碱土金属铝酸盐如铝酸钙以及铝酸锌作为铝酸盐。所述铝酸盐可单独或以其组合形式存在于根据本发明的电化学电池的负极(negative electrode)中。
[0011]优选所述电极包含除锌或锌合金以及氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐以外的一种或多种其他组分。
[0012]特别地，优选所述电极包括电极粘结剂。所述电极粘结剂可选自商购可得的产品。本领域技术人员已知电极粘结剂适用于具有锌电极的电化学电池。
[0013]在该情况下，在特别优选的配置中，使用基于羧甲基纤维素和/或基于羧甲基纤维素衍生物的粘结剂。也可使用基于聚丙烯酸的粘结剂作为替代品。
[0014]作为另外的添加组分，所述电极可包含导电性改进添加剂。例如，其可为碳-基导体剂(conductor means),例如炭黑、石墨或碳纳米管(CNT)。除碳类导体单元以外或代替碳基导体剂，还可使用备选的导体剂，例如粒状铜。
[0015]在适当情况下，所述电极包括缓蚀剂。在该情况下，缓蚀剂将被理解为添加剂，其抵消包含于电极中的锌的自腐蚀，而锌的自腐蚀反过来会导致不期望的氢形成。通常，为此目的，经常将金属汞用于锌电极。然而，在过去的几年里，由于环境保护的缘故，所述汞被取代的添加剂例如被铟或铋所替代。
[0016]特别优选地，所述电极以下述比例包含下述组分:
-所述锌和/或锌合金，其比例为90重量％至99.5重量％之间、优选95重量％至99.5重量％之间、特别为97.5重量％至99.5重量％之间，
-所述氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐，其比例为0.01重量％至10重量％之间、优选
0.01重量％至5重量％之间、特别优选0.25重量％至5重量％之间、特别为0.5重量％至2重量％之间，
-所述电极粘结剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.1重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间，
-所述导电性改进添加剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.25重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间，
-所述缓蚀剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.1重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间。
[0017]就这一点而言，可认为上述比例彼此适合，以使它们合计达总计100重量％。此外，要强调的是，所有重量指示(indication)是指电极的干重，即，视情况而定不考虑浸溃电极的电解液。
[0018]此外，要强调的是，特别是导电性改进添加剂和缓蚀剂是根据本发明的电池严格兼有的特征。
[0019]特别优选，根据本发明的电池包含碱性电解液。常用的碱性电解液为，例如氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。
[0020]鉴于上述关于基于氢氧化铝的化学影响的解释，很明显，在碱性电解液的存在下，包含在根据本发明的电池中的氢氧化铝至少部分被转化成一种或多种铝酸盐。因此，例如，在包含锌和氢氧化铝的电极中作为碱的苛性钾溶液的影响下，铝酸钾和铝酸锌可同时形成(develop)。[0021]主要含有锌或锌合金并包含一定比例的氢氧化铝和/或一定比例的至少一种铝酸盐的电极通常为根据本发明电池的负极。
[0022]在特别优选的实施方案中，根据本发明的电池包括空气阴极、氧化银阴极、氧化汞阴极或氧化锰阴极。相应地，根据本发明的电池优选为锌/空气电池、锌氧化银电池、氧化汞锌电池或锌氧化锰电池。本领域技术人员已知所有所述电池类型的结构，因而在该情况下无需详细解释。 [0023]根据本发明的电池还可包括例如DE 35 32 335 C2中所记载的氢阴极。因此，根据本发明的电池还可为产气电池，特别是析氢电池(hydrogen evolution cell)。
[0024]特别优选-但不必须地-根据本发明的电池为钮扣式电池。
[0025]为了生产所述电极，将锌粉或含锌粉末(来自锌合金)与氢氧化铝(可替代地:除了氢氧化铝以外或用铝酸盐代替氢氧化铝)混合。在适当情况下，可添加前述电极粘结剂和/或导电性改进添加剂和/或缓蚀剂。
[0026]所得混合物可随后压制成形为模制体(molded body)并置于外壳(housing)中作为电极。可替代地，也可将该混合物以粉末形式引入(流入)外壳。在锌/空气电池的生产中特别优选所述变体(variant)。
[0027]通常，在将所述电极嵌入前述外壳时将碱性电解液添加至负极。随后，可将外壳以液密(liquid-tight)的方式密封。
[0028]然而，还可将电解液添加至所述外壳外部的混合物，并将其以糊形式引入到所述外壳中。
[0029]已发现根据本发明的电池特别适用于为脉冲模式下操作的电子装置供给电能。特别是在脉冲式放电的情况下，它们示出非常稳定的电压分布。因此，脉冲模式下的电子装置的操作方法，其中所述装置由如上所述的电化学电池供给电能，以及脉冲模式下操作并包括此类电化学电池的电子装置也是本发明的一部分。
[0030]优选地，所述电子装置为在GSM模式(全球移动通讯系统模式)下、UMTS-TDD模式(频分双工模式下的通用移动通信系统)模式下、LTE模式(长期演进模式)下、WiMAX模式(微波存取全球互通模式)下或DECT模式(数字增强无线通信模式)下操作的通讯装置，特别是无线或移动电话装置。
[0031]本发明另外的特征和优势由以下示例性实施方案的描述得出。在各情况中，上述或权利要求中所述的个体特征在本发明的实施方案中可以其自身或以其组合形式实现。示例性实施方案仅用于解释及更好地理解本发明，并不应理解为以任何方式对其限定。
[0032]示例性实施方案
由锌粉、氢氧化铝和作为电极粘结剂的羧甲基纤维素来生产用于锌/空气电池、锌氧化银电池和析氢电池的电极。为此，前述电极组分以下述比例混合:
I锌/空气I锌/AgaO I锌-成
电极粘结剂 0.3重量％ 1.0重量％ 1.5重量％
Al (OH), 01~5~重量 ％ 1.0 重量 ％ 0.5 重量 ％
锌粉|99.2重量％ |98.0重量％ |98.0重量％
[0033]将锌氧化银电池用混合物压制成微缩电极(tabloid electrode)，并安装为常规钮扣式电池外壳中的负极。
[0034]将锌/空气电池和析氢电池用混合物以干燥形式流入钮扣式电池盖中。随后将所述盖与杯(cup)结合,其分别构成大气中的氧和氢的入口和出口。
[0035]在密封外壳之前，在各情况下将所生产的电极用30%氢氧化钾溶液浸溃。
[0036]以该方式生产锌/空气电池的试验揭示了，在脉冲电阻放电的情况下，与对照电池相比获得了显著改善的电压状态值。在脉冲电阻放电的情况中，根据本发明的锌/空气电池以及对照电池的电压分布示于图1a和Ib中，图1a示出对照电池的电压特性，图1b示出根据本发明电池的电压特性。
[0037]此外，根据本发明的电池显示显著改善的贮存寿命:在储存一个月以后，测量根据本发明的电池的容量
【权利要求】
1.电化学电池，其特别是钮扣式电池形式，其包含主要含有锌或锌合金的电极，其特征在于所述电极包含氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述至少一种铝酸盐包含铝酸钠、铝酸钾、铝酸钙和铝酸锌中的至少一个成员。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，除所述锌或锌合金以及所述氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐以外，所述负极包含下述组分的至少之一: -电极粘结剂、 -导电性改进添加剂、 -缓蚀剂。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述负极以下述比例包含下述组分(其中所述比例彼此适应，以使它们合计达总计100重量％): -所述锌和/或锌合金，其比例为90重量％至99.5重量％之间、优选95重量％至99.5重量％之间、特别为97.5重量％至99.5重量％之间， -所述氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐，其比例为0.1重量％至10重量％之间、优选0.25重量％至5重量％之间、特别为0.5重量％至2重量％之间， -所述电极粘结剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.1重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间， -所述导电性改进添加剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.25重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间， -所述缓蚀剂，其比例为O重量％至10重量％之间、优选0.1重量％至5重量％之间、特别为0.25重量％至2.5重量％之间。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池包含碱性电解液。
6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池包含空气阴极、氧化银阴极、氧化汞阴极或氢阴极。
7.电化学电池的制造方法，所述电化学电池、特别是根据权利要求1所述的电池包含主要含有锌或由锌合金的电极，其中为制造所述电极，将锌粉或含锌粉末与氢氧化铝和/或至少一种铝酸盐，以及在适当情况下，电极粘结剂、导电性改进添加剂和/或缓蚀剂混八口 ο
8.在脉冲模式下操作电子装置的方法，其中所述装置由根据权利要求1所述的电化学电池供给电能。
9.在脉冲模式下操作的电子装置，其特征在于，其包含根据权利要求1所述的电化学电池。
10.根据权利要求7和8所述的方法或装置，其中所述电子装置为在GSM模式(全球移动通讯系统模式)下、UMTS-TDD模式(频分双工模式中的通用移动通信系统)下、LTE模式(长期演进模式)下、WiMAX模式(微波存取全球互通模式)下或DECT模式(数字增强无线通信模式)下操作的通讯装置，特别是无线或移动电话装置。
【文档编号】H01M4/42GK103579717SQ201310301833
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2012年7月18日
【发明者】C.克斯伦科, B.克赖德勒, U.科尔斯, H.勒费尔曼, A.鲁普 申请人:瓦尔达微电池有限责任公司