专利名称：高性能碱性电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池。
电池如碱性电池通常用作能源。碱性电池通常有一个阴极、一个阳极、一个分离器和一种电解溶液。该阴极通常由一种活性材料(例如二氧化锰)、碳粒子和一种粘合剂构成。阳极可以由包括活性材料(例如锌粒子)的凝胶体制成。分离器通常布置在阴极和阳极之间。分散于全部电池的电解溶液可以是一种氢氧化物溶液。希望电池能够以高速提供高能输出。通常通过增加与电解溶液接触的阴极活性材料(如二氧化锰)的表面积来设计这样一种电池。与电解溶液接触的阴极活性材料的表面积可以通过增加阴极活性材料的孔隙率来增加。可以通过增加阴极中活性材料地量来增大阴极的孔隙率。结果，在设计用来以高速提供一种高能输出的电池中，阴极活性材料的质量与阴极容积之比较低。
本发明涉及的电池具有一个二氧化锰与阴极容积之比较高的阴极，能够在间歇承受高能负荷时以高速提供高能输出。这些电池不受它们的尺寸的限制(如AA，AAA，AAAA，C或者D)，但是电池的高速性能和二氧化锰与阴极容积之比通常根据电池的尺寸来变化。一方面，本发明涉及一种电池，尤其是一种AA电池，该电池包括一个阴极、一个阳极和一个布置在该阳极和该阴极之间的分离器。该阴极在每立方厘米阴极容积中至少含有2.8克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池放电到1.1V至少要用1.6小时。
这里所用的“脉冲试验”指以一种以在1瓦(3秒脉冲)和0.1瓦(7秒脉冲)之间交替的速度，电池从开路电压放电到特定终止电压的一种试验。
另一方面，本发明涉及一种电池，尤其是一种AA电池，该电池包括一个阴极，一个阳极和一个布置在该阳极和该阴极之间的分离器。该阴极在每立方厘米阴极容积中至少含有2.8克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池放电到0.9V至少要用2.85小时。
另一方面，本发明涉及一种电池，尤其是一种AAA电池，该电池包括一个阴极，一个阳极和一个布置在该阳极和该阴极之间的分离器。该阴极在每立方厘米阴极容积中至少含有2.85克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池放电到1.1V至少要用0.5小时。
另一方面，本发明涉及一种电池，尤其是一种AAA电池，该电池包括一个阴极，一个阳极和一个布置在该阳极和该阴极之间的分离器。该阴极在每立方厘米阴极容积中至少含有2.85克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池放电到0.9V至少要用0.8小时。
这些电池具有较大的阴极内径，较大的内部容积，较低的锌与电解溶液之比，和/或较低的孔隙率。
该图是电池的剖视图。
最佳的电池是阴极的二氧化锰与阴极容积之比较高的碱性电池，根据脉冲试验，该电池从开路电压放电到特定的终止电压需要用较长的时间。这些电池不受它们的尺寸的限制(如AA，AAA，AAAA，C或者D)，但是这些参数值通常根据电池尺寸来变化。
最佳AA电池的阴极在每立方厘米阴极容积中含有至少2.8克二氧化锰，更优选在每立方厘米阴极容积中含有至少2.85克二氧化锰，最优选在每立方厘米阴极容积中含有至少2.9克二氧化锰。
根据脉冲试验，最佳AA电池从1.6V(即其开路电压)放电到1.1V至少要用1.6小时，更优选从1.6V放电到1.1V至少要用1.65小时，最优选从1.6V放电到1.1V至少要用1.7小时。
根据脉冲试验，最佳的AA电池从1.6V放电到0.9V至少要用2.85小时，更优选从1.6V放电到0.9V至少要用2.95小时，最优选从1.6V放电到0.9V至少要用3.0小时。
一个最佳AA电池的实例具有A阴极，该阴极在每立方厘米阴极容积中含有2.95克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池从1.6V放电到1.1V要用1.73小时，根据脉冲试验该电池从1.6V放电到0.9V要用3.08小时。
最佳AAA电池的阴极在每立方厘米阴极容积中含有至少2.75克二氧化锰，更优选在每立方厘米阴极容积中含有至少2.85克二氧化锰，最优选在每立方厘米阴极容积中含有至少2.9克二氧化锰。
根据脉冲试验，最佳AAA电池从1.6V放电到1.1V至少要用0.5小时，更优选从1.6V放电到1.1V至少要用0.55小时，最优选从1.6V放电到1.1V至少要用0.6小时。
根据脉冲试验，最佳AAA电池从1.6V放电到0.9V至少要用0.80小时，更优选从1.6V放电到0.9V至少要用0.85小时，最优选从1.6V放电到0.9V至少要用0.9小时。
一个最佳AAA电池的实例具有一个阴极，该阴极在每立方厘米阴极容积中含有2.9克二氧化锰。根据脉冲试验，该电池从1.6V放电到1.1V要用0.59小时，根据脉冲试验该电池从1.6V放电到0.9V要用0.93小时。
参照附图
，电池10具有一个阴极12一个阳极14，一个分离器16，一个与阴极12的外径与绝缘层26接触的外壁18。电池10还包括一个阳极收集器20，该阳极收集器通过密封元件22并进入阳极14。阳极收集器20上端与用作电池10负外端的负端盖24连接。层26可以由一种不导电的材料如热收缩塑料制成。此外，电解溶液分散于整个电池10。
最好电池具有较大的内部容积，能够通过采用一定的密封设计来获得。这种电池公开于在此引入作为参考的美国专利US5750283以及1998年3月24日提交的申请号为09/047264的共同转让的美国专利申请中。
最佳阴极12具有较大的内径。在该最佳AA电池中，阴极12的内径至少为8.9毫米，更优选为至少8.92毫米，最优选为至少8.94毫米。在该最佳AAA电池中，阴极12的内径至少为6.44毫米，更优选为至少6.46毫米，最优选为至少6.46毫米。
阴极12含有二氧化锰和电解溶液。二氧化锰分配器包括KerrMcGee，Tosoh，Mitsui Chemicals和JMC
阴极12内所含二氧化锰的量通常根据电池10的尺寸变化。在该最佳AA电池中，阴极12含有9.6-9.7克二氧化锰，更优选含有9.62-9.66克二氧化锰，最优选含有9.64克二氧化锰。在该最佳AAA电池中，阴极12含有4.15-4.25克二氧化锰，更优选含有4.18-4.22克二氧化锰，最优选含有4.2克二氧化锰。
该最佳阴极12还包括附加材料，例如导电粒子(如碳粒子，例如石墨粒子)，粘合剂和或其它添加剂。这里所用的“阴极容积”指由二氧化锰的外边界和阴极12含有的这些材料限定的容积。
在该最佳阴极12中，碳粒子的重量为阴极12的5％--7％，更优选为阴极12的重量的5.5-6.5％，最优选为阴极12的重量的6-6.3％。这些重量百分比对应于电解溶液不分散于在阴极12内时。
阴极12内所含碳粒子的量通常根据电池10的尺寸变化。在该最佳AA电池中，阴极12含有0.6-0.85克碳粒子，更优选含有0.65-0.8克碳粒子，最优选含有0.7-0.75克碳粒子。在该最佳AAA电池中，阴极12含有0.25-0.42克碳粒子，更优选含有0.27-0.4克碳粒子，最优选含有0.3-0.37克碳粒子。
阴极12中可能含有的碳粒子可以是天然的或者合成的，可以是膨胀的或者是非膨胀的。在该最佳阴极12内，碳粒子可以是天然的非膨胀的碳粒子，可以从Brazilian Nacional de Grafite(Itapecirica，MG Brazil)获得。
碳粒子的尺寸只受阴极12的尺寸限制。在该最佳阴极12中，碳粒子的平均粒度(如使用HELIOS分析仪测量的)小于20微米，更优选为2-12微米，最优选为5-9微米。
阴极12可以包括一种或者一种以上的粘合剂。粘合剂的例子包括聚乙烯粉(例如可以从Hoescht得到的coathylene)，聚丙烯酰胺、波特兰水泥和氟碳树脂，如PVDF和PTFE。
阴极12优选含有重量少于1％的粘合剂，更优选含有重量为0.1-0.5％的粘合剂，最优选含有重量为0.3％的粘合剂。这些重量百分比对应于电解溶液不分散于阴极12时。
最佳阴极12包括附加添加剂。这些添加剂的实例公开于在此引入作为参考的美国专利US5342712中。在一些实施例中，阴极12可以含有重量少于2％的TiO2，更优选为含有少于重量为1％的TiO2。
阴极12可以由一个或者一个以上的小球(pellet)构成。阴极小球可以通过首先使二氧化锰和任意材料(例如碳粒子和粘合剂)混合而形成。这些小球使用标准工艺安装在电池10内。例如，在一种工艺中，芯棒放置在电池10中央腔内，接着加压最顶部的小球。当使用该工艺时，壁18内部可以有一个或者一个以上的垂直隆脊，这些隆脊沿壁18周向间隔开。这些隆脊有助于将阴极12定位于电池10内。
在由一个小球构成阴极12的实施例中，粉末可以直接放置在电池10内。定位环可以被定位，挤出杆穿过该环，使粉末密度增加，形成阴极12。
一层导电材料优选设置在阴极12和壁18之间。该层可以沿壁18内表面设置，也可以沿阴极12或者二者的外周设置。导电层通常由锡、钴、银和/或一种含碳材料构成。这些材料包括LB1000(Timcal)，Eccocoat257(W.R.Grace and Co.)Electrodag109(AchesonIndustries，Inc.)，Electrodag 112(Acheson)and EB0005(Acheson)。使用导电层的方法公开于例如在此引入作为参考的加拿大专利1263697中。
当阴极12通过压制过程设置在电池10内时，在壁18和阴极12之间提供导电层能够减少在电池10内放置小球的压力。因此，阴极12的孔隙率(即阴极12内没有被固体材料如二氧化锰、碳粒子或者粘合剂占据的容积)可能较高，不会引起小球变形或者形成裂纹。阴极12的孔隙率通常为22％-26％，23％-25％，或23.5-24.5％。
阳极14可以由电池阳极通常使用的任何标准锌材料制成。阳极14优选由一种包括锌基粒子、凝胶剂和少量的充气(gassing)添加剂如充气抑制剂的凝胶体构成。此外，一部分电解溶液分散于阳极14内。
阳极14可以包括精细尺寸的锌基粒子，例如在此引入作为参考的共同转让和共同未决的、序列号为08/905254、名称为“锌电极粒子成形”的美国专利，序列号为09/115867、名称为“锌基电极粒子成形”的美国专利，和序列号为09/156915、名称为“多种模式分布的锌基粒子电极”的美国专利中。
每立方厘米阳极容积阳极14优选含有1.8-2.0克的锌，每立方厘米的阳极容积更优选含有1.85-1.95克的锌，每立方厘米的阳极容积最优选含有1.88-1.92克的锌。阳极容积指阳极14中锌凝胶体所占的容积。在阳极14内锌的量通常根据电池10的尺寸变化。在该最佳AA电池中，阳极14含有4.1-4.4克锌，更优选含有4.2-4.35克锌，最优选含有4.25-4.3克的锌。在该最佳AAA电池中，阳极14含有1.6-1.85克锌，更优选含有含有1.65-1.8克锌，最优选含有1.7-1.75克锌。
阳极14优选包括重量为63％到至少为73％的锌，更优选包括重量至少为65％-71％的锌，最优选含有重量为67％-69％的锌。这些重量百分数对应于电解溶液分散于阳极14内。
在阳极14中可以使用的凝胶剂包括聚丙烯酸、改型淀粉材料、聚丙烯酸盐、丙烯酸脂、羧甲基纤维素或者上述的物质的组合物。聚丙烯酸的实例包括聚羰乙烯(Carbopol)940(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)，改型淀粉材料的一个实例是Waterlock A221(Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的一个实例是CL15(Allied Colloids)。最佳阳极14包括重量为0.2-1％的胶凝剂，更优选为包括重量为0.4-0.7％的胶凝剂，最优选为包括重量为0.5-0.6％的胶凝剂。这些重量百分比对应于电解溶液分散于阳极14内时。
分散于整个电池10的电解溶液可以是电池内使用的任何标准电解溶液。电解溶液通常是含水氢氧化物溶液。这种含水氢氧化物溶液包括例如氢氧化钾溶液和氢氧化纳溶液。在该最佳电池10内，电解溶液是一种含有重量为33-38％的氢氧化钾的含水氢氧化钾溶液。
电池10内含有的电解溶液的量通常取决于电池10的尺寸。最佳AA电池包括3.2-4.0克电解溶液，更优选含有3.4-3.8克电解溶液，最优选含有3.6-3.7克电解溶液。
最佳AA电池在每立方厘米的电解溶液中含有0.80-1.0克锌，更优选在每立方厘米的电解溶液中含有0.85-0.95克锌，最优选在每立方厘米的电解溶液中含有0.88-0.9克锌。
最佳AA电池在每立方厘米的电解溶液中含有2.2-4.0克二氧化锰，更优选在每立方厘米的电解溶液中含有2.3-2.9克二氧化锰，最优选在每立方厘米的电解溶液中含有2.5-2.7克二氧化锰。
最佳的AAA电池包括1.70-1.80克电解溶液，更优选含有1.71-1.78克电解溶液，最优选含有1.73-1.76克电解溶液。
最佳AAA电池在每立方厘米的电解溶液中含有0.94-1.04克锌，更优选在每立方厘米的电解溶液中含有0.96-1.02克锌，最优选在每立方厘米的电解溶液中含有0.98-1.0克锌。
最佳AAA电池在每立方厘米的电解溶液中含有3.2-4.2克二氧化锰，更优选在每立方厘米的电解溶液中含有3.4-4.0克二氧化锰，最优选在每立方厘米的电解溶液中含有3.6-3.8克二氧化锰。
分离器16可以由电池分离器使用的任何标准材料制成。例如，分离器16可以由两层无纺材料组成，两层之间设置有一层膜层。这些无纺材料可以由聚乙烯醇(PVA)和人造丝制成，任选含有少量表面活性剂。这种材料可以从PDM得到，商标名为PA36。膜层可以由玻璃纸制成。
实例1
AA电池用下述元件制备。该阴极包括约9.64克二氧化锰(Kerr-McGee，Co)，约0.702克的非合成非膨胀石墨，该石墨的平均粒度为约15-20微米(Brazilian Nacional de Grafite)，和重量约0.3％的coathylene HA-1681。阳极包括约4.2克锌粒子，相对于锌约50ppm的表面活性剂(RM510，Phone Poulenc)，及重量约0.5％的总胶凝剂(Carbopol 940和A221)。阴极的孔隙率约为24％，阳极的孔隙率约为每立方厘米阳极1.89克锌。分离器是两片结构，具有一个外片和一个内片。分离器的外片包括三层玻璃纸、聚丙烯酸和一种无纺材料。该无纺材料包括重量约80％的PVA纤维和重量约20％的人造丝纤维。干时外片厚约3.5mils，湿时厚约9mils。基础重量约为每平方米55克。分离器内片包括一层含有约80％PVA和约20％人造丝纤维的无纺材料。该内片干时厚约2.5mils，湿时厚约8mils。
该内片的基础重量约为每平方米25克。电池还包括约3.70克的含水氢氧化钾(重约35.5％的氢氧化钾)溶液。EB005(Acheson)的薄涂层设置在电池外壁和阴极外周边之间。
该AA电池存放在约20.1℃-22.1℃的温度下五天。该AA电池接着根据下述工艺存放。对每一个电池进行泄漏检查，或者材料损坏检查和标识，以便在整个测试程序中能够保持电池的标识。在保持盘内在电池在侧面取向，以便电池不会彼此物理接触。保持盘用于隔热和隔离电解液。该盘在周围环境下放置一天，之后将盘放入一个预热室。该盘被间隔开，以便在预热室壁和盘上、下或者邻近的每一个盘之间至少具有约5厘米(2英寸)间距。接下去进行24小时的测试次序，该测试次序表示在表1中，并重复14天。
从室中取出盘，能够可视检查每一个电池的泄漏或者材料损坏。
表1
接着对AA电池进行下面的测试。每一个测试在约20.1℃-22.1℃的温度下进行。
一种AA电池在每分钟10秒的恒流条件下每天从约1.6V的开路电压放电1小时(“cc光电测试”)。该AA电池在286个脉冲之后达到1V，在390个脉冲之后达到0.9V。
一种AA电池在1瓦下从约1.6V的开路电压连续放电(“1瓦连续测试”)。该AA电池在约0.8小时之后达到1V，在约1.09小时之后达到0.8V。
一种AA电池以在1瓦(3秒脉冲)和0.1瓦(7秒脉冲)之间交替的速度从约1.6伏的开路电压连续放电(“脉冲测试”)。在约1.73小时之后，该AA电池达到1.1V，在约3.08小时之后，该AA电池达到0.9V。
一种AA电池在0.5瓦下从约1.6伏的开路电压每小时放电15分钟(“半瓦rm测试”)。在约3.27小时之后，该AA电池达到1.0伏。
实例2
制备一种AAA电池。该阴极12包括约4.179克二氧化锰(Kerr-McGee，Co)，约0.309克非合成非膨胀石墨，该石墨的平均粒度为约15-20微米(Brazilian Nacional de Grafite)，和重约0.3％的coathylene HA-1681。阳极14包括约1.7262克锌粒子，相对于锌约50ppm的表面活性剂(RM510，Phone Poulenc)，及重约0.5％的总胶凝剂(Carbopol 940和A221)。阴极的孔隙率约为24％，阳极的孔隙率约为每立方厘米阳极14含约2.121克锌。分离器是两片结构，具有一个外片和一个内片。分离器的外片包括三层玻璃纸、聚丙烯酸和一种无纺材料。该无纺材料包括重量约80％的PVA纤维和重量约20％的人造丝纤维。干时外片约3.5mils厚，湿时约9mils厚。基础重量约为每平方米55克。分离器内片包括一层含有约80％PVA和约20％人造丝纤维的无纺材料。该内片干时约厚2.5mils，湿时约厚8mils。内片的基础重量约为每平方米约25克。电池还包括约1.75克的含水氢氧化钾(重约35.5％)溶液。EB005(Acheson)的薄涂层设置在电池外壁和阴极外周边之间。
该AAA电池如实例1所述的那样存放。每一个AAA电池从约1.6伏的开路电压放电，在实例1所述的温度范围内进行测试。
一种AAA电池在半瓦下从约1.6伏的开路电压连续放电(“半瓦连续测试”)。在约0.87小时之后，该AAA电池达到1伏，该AAA电池在约1.05小时之后达到0.8伏。采用该脉冲测试，该AAA电池达到1.1V要用约0.59小时，该AAA电池达到0.9V要用约0.93小时。
采用半瓦rm测试，一种AAA电池用约1.0小时达到1伏。一种AAA电池在0.25瓦从约1.6伏的开路电压每天放电1小时。该AAA电池在约3.95小时之后达到0.8伏。
其它实施例包括在权利要求书中。
权利要求
1.一种电池，包括
一个每立方厘米阴极容积至少含有2.8克二氧化锰的阴极；
一个阳极；及
一个设置在该阴极和该阳极之间的分离器，其中根据脉冲测试该电池至少用1.6小时放电到1.1伏。
2.如权利要求1的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.9克二氧化锰。
3.如权利要求1的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.95克二氧化锰。
4.如权利要求1的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用1.65小时放电到1.1伏。
5.如权利要求1的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用1.7小时放电到1.1伏。
6.如权利要求1的电池，其中该电池是一种AA电池。
7.一种电池，包括
一个每立方厘米阴极容积至少含有2.8克的二氧化锰的阴极；
一个阳极；及
一个设置在该阴极和该阳极之间的分离器，其中根据脉冲测试该电池至少用2.85小时放电到0.9伏。
8.如权利要求7的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.9克二氧化锰。
9.如权利要求7的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.95克二氧化锰。
10.如权利要求7的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用2.95小时放电到0.9伏。
11.如权利要求7的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用3.0小时放电到0.9伏。
12.如权利要求7的电池，其中该电池是一种AA电池。
13.一种电池，包括
一个每立方厘米阴极容积内至少含有2.75克二氧化锰的阴极；
一个阳极；及
一个设置在该阴极和该阳极之间的分离器，其中根据脉冲测试该电池至少用0.5小时放电到1.1伏。
14.如权利要求1的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.85克二氧化锰。
15.如权利要求1的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.9克二氧化锰。
16.如权利要求1的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用0.55小时放电到1.1伏。
17.如权利要求1的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用0.6小时放电到1.1伏。
18.如权利要求1的电池，其中该电池是一种AAA电池。
19.一种电池，包括
一个每立方厘米阴极容积内至少含有2.75克二氧化锰的阴极；
一个阳极；及
一个设置在该阴极和该阳极之间的分离器，其中根据脉冲测试该电池至少用0.80小时放电到0.9伏。
20.如权利要求7的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.8克二氧化锰。
21.如权利要求7的电池，其中阴极在每立方厘米阴极容积内含有至少2.85克二氧化锰。
22.如权利要求7的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用0.85小时放电到0.9伏。
23.如权利要求7的电池，其中根据脉冲测试该电池至少用0.90小时放电到0.9伏。
24.如权利要求7的电池，其中该电池是一种AAA电池。
全文摘要
公开了一种电池，例如一种碱性电池，能够以高速提供高能输出，并且其二氧化锰与阴极容积之比较高。在电池间歇承受高能负荷时，该电池能够以高速提供高能输出。
文档编号H01M6/08GK1399803SQ0080424
公开日2003年2月26日 申请日期2000年2月23日 优先权日1999年2月26日
发明者皮特·哈里斯, 戴维·阿达姆森, 道格拉斯·伍德诺斯, 巴巴拉·布里斯, 马丁·豪沃德 申请人:吉莱特公司