专利名称：带有绝热体的碱性电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有包括二氧化锰的阴极的碱性电池。本发明尤其涉及一种带有包括锌的阳极、包括二氧化锰的阴极以及包括氢氧化钾电解液的碱性电池，其中该电池带有绝热体以提高其性能。
一次碱性电池的电池内容物一般含有包括锌阳极活性物质的阳极、碱性电解液、包括二氧化锰阴极活性物质的阴极以及电解液离子可透过的隔离器，所述隔离器通常包括含有纤维素纤维和聚乙烯醇纤维的无纺材料。阳极活性材料包括掺有氧化锌以及常规胶凝剂例如羧基甲基纤维素或丙烯酸共聚物的锌颗粒以及电解液。胶凝剂使得锌颗粒保持在适当的位置并彼此相互接触。已知作为阳极集流器的导电金属钉通常被插到阳极材料中，与形成电池负端的端帽相接触。碱性电解液一般是氢氧化钾水溶液，但是也可以使用氢氧化钠或氢氧化锂其它碱溶液。阴极材料一般是二氧化锰，可以包括少量的碳或石墨以提高导电性。常规的碱性电池具有包括电池级颗粒二氧化锰的固体阴极。此处使用的电池级二氧化锰是指通常纯度至少约为91％重量比的二氧化锰。电解的MnO2(EMD)因其高密度并且可以由电解方法方便地获得高纯度而成为用于碱性电池的二氧化锰的优选形式。EMD一般由硫酸锰和硫酸的浴直接电解制成。
常规的Zn/MnO2碱性电池阴极中二氧化锰组份一般占70-87％重量比。可以向二氧化锰中加入颗粒石墨和KOH水溶液(7-11当量)以形成阴极混合物。这种混合物形成湿润固体混合物，使用柱塞或其它这样的形成与电池外壳接触的压缩固体阴极物质的压缩设备可以将其完全压缩进电池外壳中。该阴极材料可以预制成盘状而形成为以叠放方式插入电池的环，然后再压缩。
由于市购的电池尺寸是固定的，因此希望通过提高电极活性材料的表面积以及通过在电池中装入更多的活性材料而能够提高容量，即电池的有效使用寿命。这种方法有实践上的局限性。如果活性材料在电池中装得过密，就会降低在放电过程中的电化学反应速度，因此降低使用寿命。可能会产生其它有害的效果例如极化，特别是在高耗用电流下(高功率应用)。极化限制了在电极活性材料和电解液中的离子移动性，这就降低了使用寿命。碱性电池的MnO2阴极活性材料和电池外壳之间的接触电阻也会降低使用寿命。这种接触电阻损耗一般会提高，尤其是在高功率应用过程中(在0.5-1瓦之间)电池放电时。
目前对更适合用于高功率应用的一次碱性电池有越来越多的商业需求。现代电子设备例如移动电话、数字摄像机和玩具、闪光装置、远程控制玩具、可携带摄像机和高强度灯就是这种高功率应用的例子。这种设备需要0.5-2安培之间并且更优选是0.5-1.5安培的高耗用电流速率，一般是脉冲耗用。相应地，它们需要在0.5-2瓦特的需用功率下操作。现代电子设备例如移动电话、数字摄像机和玩具、闪光装置、远程控制玩具、可携带摄像机和高强度灯就是这种高功率应用的例子。因此需要提供能可靠提高传统一次碱性电池特别是用于高功率应用的电池的有效使用寿命的方法，同时不会明显增加极化效应或有损电池性能的其它效应。
碱性电池的不锈钢外壳通常覆盖有包括关于电池和制造商的图片和印刷信息的标签。在电池领域的做法是，使得标签尽可能薄，以此给电池提供电化学活性物质的最大容量。常规的电池标签尽管是柔软的但是可热收缩的，一般由聚氯乙烯(PVC)或聚丙烯膜制成。但是也可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)。该标签一般是单层或双层，优选是单层。该标签通常的厚度是小于10密耳(250微米)，一般小于5密耳(125微米)。该标签典型的厚度是在3-10密耳(75-250微米)之间，更典型的厚度是在3-5密耳(75-125微米)之间。这种标签在例如美国专利4,608,323和5,443,668中已经披露。例如在US4,608,323提出，优选的封套(2层标签)的最大厚度总体来说约为80-85微米。它还指出这包括约40微米的外层、30微米的内层以及它们之间的用于油墨和透明粘合剂的约10-15微米。在这种厚度下，此标签提供了可忽略不计的绝热作用。
用于电池的条件指示器(电池上的测试仪)可以集成在部分标签之下，例如US5,612,151所述。因为这种指示器是薄的，并只覆盖非常小的一部分的外壳，因此它们对电池的绝热作用可以忽略不计。
图1是一碱性电池的截面图，其在壳体的外侧具有一绝热体。
图2是图1电池的截面示意图，显示了各层的半径。
申请人已经发现，当在电池外壳(罩)外围设置绝热体时，用于高功率应用的现代碱性电池的适用性被显著改善。利用绝热体会改善性能，即使阳极中的电解液负荷(锌体密度)变化或阳极或阴极活性物质的组成发生变化。但是本发明采用的绝热体特别适用于锌/MnO2碱性电池，其中阳极中的锌体密度理想的约在1.5-3.0g/cm3之间，优选在1.75-2.5g/cm3之间。阳极中的电解质水溶液的体积百分含量约为阳极的58-80％，优选在65.0-75.5％体积比。
还不能确定为什么当电池设有绝热体时会如此显著地提高用于高功率应用的碱性电池的性能。当电池放电时，特别是在高功率应用时，例如在0.5-2瓦特(0.5-2安培耗用电流)的需用功率下操作时，它会发热。该绝热体使得电池在更高的温度下操作。已经理论化的是，当电池被绝热时，离子移动和传输被极大地改善了。这降低了在电池中发生的极化的程度，并更好的利用了活性物质以及使得性能更好。极化是放电中的电势降低，与该降低相关的电阻升高通常被称为“极化电阻”。极化可以分为欧姆极化、动力学极化和浓度极化。
欧姆极化主要归结于通过隔离器和通过电极的电解液导电性。由于电解液导电性随温度提高，因此当电池内温度提高时，欧姆电阻降低。动力学极化反映了可以用在化学反应中的能量损耗。在高电池温度下，动力学极化变小。浓度极化来自反应物(水、羟基离子和质子)和产物(锌酸根离子)的浓度梯度。在高电池温度下，这些物质的传输性能(移动性和扩散性)就被增强，结果降低了浓度极化。
按照一个方面，可以以在其内表面上涂布有粘合剂的绝热层的形式来设置适合的绝热体。该绝热体可以绕在电池外壳上，从而使它粘附在电池外壳上，然后在绝热体的外表面上施加电池标签。或者，该电池标签可以预先施加在绝热体的外表面上或将电池标签集成到绝热体中。绝热体可以以绝热膜的形式用其他的方法施加到电池外壳上，例如通过流延或浸涂或通过挤出的方法。
或者，绝热体可以通过电子设备制造机(OEM)施加绝热体以排列电池隔舱。因此可以施加绝热体来排列电池隔舱的外表面或内表面(或者内表面和外表面)。该绝热体可以是一层或多层，包括绝热塑料或泡沫材料以及彼此之间有或没有空气隙的其他绝热材料。电池隔舱壁本身可以由绝热材料制成或可以制成为足够厚以具有绝热作用。因此绝热体可以是电池外壳(罩)和周围环境之间的任何绝热材料或绝热复合材料。绝热材料一词含义广泛，基本上包括绝热值理想地具有小于约10英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)](相当于小于约4.14×10-2卡/[(秒)(厘米)(°K)])的任何材料或复合材料。优选绝热材料导电率小于约1.0英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)](相当于小于约4.14×10-3卡/[(秒)(厘米)(°K)])。
或者，该绝热体的形式可以是绝热套，它可以在电池被插入到电池隔舱内之前由使用者在电池外壳上滑动。该绝热套可以永久粘附在电池外壳上，或者可以是从电池外壳上手动移动的装配的套。该绝热套理想的厚度约在1-12mm之间。
与没有所述绝热的同样电池相比，绝热材料至少降低了电池整体热传递系数U0的65％(U0是基于外壳的内表面的，并且是外壳的内表面和电池外部周围空气之间的总体热传递系数)。因此该绝热明显地提高了电池放电时的电池内部温度。
该绝热体优选厚度约在250微米(10密耳或0.25mm)和15mm(或更多)之间，优选约在500微米(20密耳或0.50mm)和15mm(或更多)之间。该绝热体理想的厚度约在1000微米(1mm)和15mm之间，优选约为2000微米(2mm)-15mm，更优选约为2000微米(2mm)-12mm。有利的是，绝热体厚度约为3000微米(3mm)-15mm，优选约为3000微米(3mm)-12mm。如果绝热体被加到C电池外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体的厚度是3.84mm(0.384cm)。如果绝热体被加到AA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是9.47mm(0.947cm)。如果绝热体被加到AAA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是11.37mm(1.14cm)。如果绝热体被加到AAAA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是12.6mm(1.26cm)。
绝热体可以选自宽范围的材料，特别是塑料、橡胶或陶瓷类的材料。这些材料中特别理想的材料是软木、砖、赛璐珞、聚酯箔，优选是尼龙或聚苯乙烯或聚氨酯发泡材料。例如尼龙或聚苯乙烯或聚氨酯发泡材料是优选的，因为它们是相对廉价的，具有低的导热系数，并易于通过常规的粘结方法施加。
已经发现带有绝热体的Zn/MnO2碱性电池性能更好，特别是在高功率应用，例如0.5-2安培之间并且更典型的是0.5-1.5安培的耗用电流或反过来说是在0.5-2瓦特的需用功率下操作。带有绝热体的碱性电池具有更好的性能，例如相对于没有绝热体的电池来说，不论电池尺寸如何，其使用寿命都更长，总能量输出都更多。已经认识到，大的传统碱性电池例如D电池在高速率或高功率放电时与小尺寸的电池例如AA电池相比较而言，具有较少的实际比容量(毫安-小时/每克)(活性材料的较少利用)。
按照本发明的一个方面，C电池包裹在绝热体中，从而它的整体直径成为D电池直径。在高功率应用，例如约1-2安培耗用电流连续耗用至0.8V的截止电压，或每天一小时的例如1安培的中度耗用的情况下，绝热体改善了C电池中活性物质的利用，其改善程度为带有绝热体的C电池具有可以与没有绝热体的D电池相比的使用寿命。
本发明的Zn/MnO2碱性电池基本没有水银，即不含有任何添加的水银。因此本发明的电池总的水银含量小于50份/每百万份总电池重量，优选小于20份/每百万份总电池重量，更优选小于10份/每百万份总电池重量。本发明的电池也优选不含有添加量的铅，因此基本是无铅的，即总铅含量低于阳极总金属含量的30ppm，理想的是低于15ppm。尽管该电池基本没有水银和铅，当该电池在高速率(0.5-2安培)放电时，电池使用绝热体在较高温度操作下也不会使得气体的产生提高到会影响电池整体性能的程度。而是在Zn/MnO2碱性电池周围使用绝热体提高了电池在高速率放电下的性能。
当碱性电池放电时，因为放电产生热量而使得电池温度升高。热量来源于电池内放热电化学反应。所产生的热量是非产高的。已经发现，当电池在升高的温度下操作时，电池的性能明显提高。通常，大多数热量在放电过程中消失在空气中。已经发现，如果给电池外壳外侧设置绝热体，由此降低电池的整体热传递系数并使得电池在较高温度下操作，就可以显著改善电池的性能。或者，绝热体可以通过电子设备制造机(OEM)施加绝热体以排列电池隔舱。因此可以施加绝热体来排列电池隔舱的外表面或内表面(或者内表面和外表面)。电池隔舱壁本身可以由绝热材料制成或可以制成为足够厚以具有绝热作用。如果使用绝热体来排列电池隔舱的表面，那么它的理想厚度约在1-12mm之间。或者，该绝热体的形式可以是绝热套，它可以在电池被插入到电池隔舱内之前由使用者在电池外壳上滑动。该绝热套可以永久粘附在电池外壳上，或者可以是从电池外壳上手动移开的装配的套。该绝热套理想的厚度约在1-12mm之间。绝热体可以选自具有绝热值的各种常规材料。这种材料可以包括纺织或无纺纤维，塑料例如聚苯乙烯、聚烯烃聚碳酸酯或尼龙，纤维材料例如软木或赛璐珞，发泡材料例如聚苯乙烯泡沫，陶瓷和弹性材料以及聚氨酯。
在以下实施例和表中显示的性能改善数据，是针对已经在电池外壳上预先施加了绝热体的电池。可以理解，如果相同的绝热材料以相同的厚度来施加以排列电池隔舱或者由使用者在将电池插入到电池隔舱之前将其作为绝热套施加在电池外壳上，那么可以预料会获得相同的性能改善结果。
绝热体可以是塑料或发泡材料以及其它常规的绝热材料。该绝热体可以涂布或挤出在电池外壳上，或以缠绕带的形式来施加。绝热体可以由一层或多层相同或不同材料构成，其间可以有或没有空气隙。电池外壳周围的绝热体可以在其表面具有不连续部分、断开或间隙。因此绝热体可以是电池外壳(罩)和周围环境之间的任何绝热材料或绝热复合材料。绝热材料一词含义广泛，基本上包括具有绝热值的任何材料，优选的材料其导热率小于约10英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)](相当于小于约4.14×10-2卡/[(秒)(厘米)(°K)])。优选的绝热材料其导电率小于约1.0英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)](相当于小于约4.14×10-3卡/[(秒)(厘米)(°K)])。
有代表性的一次锌/二氧化锰碱性AA电池710可以用特定的二氧化锰制造。该AA电池由其内外表面镀有镍的不锈钢制成的电池外壳(罩)720制备而成。该外壳的内表面可以涂布有导电材料例如碳。在此处实施例中使用的外壳具有碳涂层。采用常规的阴极和阳极混合物、电解质和隔离膜。本发明的绝热层775可以施加在外壳720上。该绝热层775优选覆盖电池外壳的大部分，例如大于外壳表面的50％，优选大于75％，更优选的是它覆盖整个外壳(纵向)表面。绝热层775可以由单层或多层构成，可以具有盘旋的表面，或者是其中有不连续部分或开口。
绝热体775理想的是在室温下具有的导热率约在0.01-10英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)]之间(相当于约4.14×10-5-4.14×10-2卡/[(秒)(厘米)(°K)])，对于塑料来说在室温下优选约在0.01-1.0英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)]之间(相当于约4.14×10-5-4.14×10-3卡/[(秒)(厘米)(°K)])。
绝热体775理想的厚度约在250微米(10密耳或0.25mm)-15mm(以及更多)之间，优选约在500微米(20密耳或0.5mm)-15mm(以及更多)之间。该绝热体理想的厚度约在1000微米(1mm)-15mm之间，优选约在2000微米(2mm)-15mm之间，更优选约在2000微米(2mm)-12mm之间。有利的是，绝热体厚度约在3000微米(3mm)-15mm之间，优选约为3000微米(2mm)-12mm。如果绝热体被加到C电池外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体的厚度是3.84mm(0.384cm)。如果绝热体被加到AA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是9.47mm(0.947cm)。如果绝热体被加到AAA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是11.37mm(1.14cm)。如果绝热体被加到AAAA电池的外表面上使得电池具有D电池外直径，那么绝热体厚度是12.6mm(1.26cm)。
绝热体可以选自宽范围的材料，特别是塑料、橡胶或陶瓷类的材料。绝热体理想的是形成为单层或多层塑料膜，它具有足够的柔软度从而可以缠绕在外壳上。这些材料中特别理想的材料是软木、砖、赛璐珞、聚酯箔，优选是尼龙或聚苯乙烯或聚氨酯发泡材料。例如尼龙、聚苯乙烯或聚氨酯发泡材料是优选的，因为它们是相对廉价的，具有低的导热系数，约在0.01-1.0英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)]之间(相当于4.14×10-5-4.14×10-3卡/[(秒)(厘米)(°K)])，并易于通过常规的粘结方法施加。
绝热体775可以是其内侧表面上涂布有粘合剂的绝热层的形式。该绝热体可以卷绕在电池外壳周围，从而使它粘附于电池外壳上，优选是外壳的整个外表面上，如图1所示。该绝热体可以是以其它方法施加在电池外壳上的绝热膜的形式，例如通过流延或浸涂的方法或通过挤出的方法。
然后传统电池标签770可以施加在绝热层775外表面上。该电池标签770可以在其内侧表面上有粘合剂涂层，并且该标签可以卷绕在绝热层上。或者该标签可以由热塑性材料如聚氯乙烯或聚丙烯形成并在绝热层之间热收缩。或者该电池标签可以在绝热体775施加在电池外壳之前而预先施加在绝热层的外表面上。传统的电池标签770是可热收缩的，尽管它是柔软的，并且是由聚氯乙烯(PVC)膜形成的。但是也可使用聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜或乙二醇改性的聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PETG)膜或聚丙烯。标签770一般是单层或双层的，优选是单层的。电池标签770通常的厚度是小于10密耳(250微米)，一般小于5密耳(125微米)，优选是在3-5密耳(75-125微米)之间。这种标签在例如美国专利US4,608,323和US5,443,668中已经披露。在这种厚度下该标签提供了可忽略不计的绝热作用。
应当认识到，标签770可以被集成在绝热材料775之中，或者该绝热材料可以用于代替标签。在后者的情况下，印刷的材料可以被直接施加在绝热材料775上，在权利要求书中使用的标签一词应当被视为意味着在绝热材料上含有的印刷材料。
阳极材料可以是含有无水银(零添加的水银)锌合金粉末的凝胶混合物。这种混合物典型地可以是含有KOH电解质水溶液、凝胶剂例如丙烯酸共聚物如来自B.F.Goodrich的CARBOPOL C940；以及表面活性剂，例如来自Rhone Poulenc的有机磷酸酯表面活性剂GAFAC RA600。这种混合物是作为示例之用的，并不是对本发明的限制。用于锌阳极的其它代表性的凝胶剂如US4,563,404所述。可以加入到锌糊料中的其它有机添加剂如EP0474382A1所述。隔离膜可以是包括聚乙烯醇和纤维素(人造丝)纤维材料在内的无纺材料的传统的离子可透过膜。电解质是含有约7-11当量KOH和2wt％ZnO的KOH水溶液，以下称为“KOH水溶液”。
电池中的阴极理想的是具有如下成分电解的二氧化锰(80-87wt％)、石墨(7-10wt％)以及7-10当量(“约30-40wt.KOH浓度的KOH水溶液”)；聚乙烯或聚丙烯酰胺粘合剂(0.1-0.5wt％)。这种阴极混合物是用于示例之用，并不是对本发明的限制。
阳极材料理想的是具有如下成分锌合金粉末62-69wt％(含有铟的99.9wt％的锌)，包括(38wt％的KOH和约2wt％的ZnO)的KOH水溶液；CARBOPOL C940(B.F.Goodrich)交联的丙烯酸共聚物凝胶剂(0.3-2wt％之间)以及接枝至淀粉骨架
的Waterlock A-221(Grain Processing公司)水解的聚丙烯腈的二聚酰胺(dionyl)苯酚磷酸酯表面活性剂(50ppm)。锌合金平均颗粒尺寸理想的约是30-350微米。阳极中的锌的体密度(阳极孔隙度)约在1.75-2.5克/每立方厘米阳极。电解质水溶液占阳极的体积百分比约是阳极的65.0-75.5％体积比。
在每种情况下的隔离器是常规的离子可渗透的隔离器，包括纤维素(人造丝)和聚乙烯醇纤维的无纺材料内层和玻璃纸外层。这种材料是示例之用，并不是对本发明的限制。所测试的电池以传统方式平衡，从而MnO2的容量(基于370毫安-小时/每克MnO2)除以锌合金的毫安-小时容量(基于822毫安-小时/每克合金)后约是1。
具代表性的碱性电池结构如图1所示。碱性电池710包括圆柱形不锈钢外壳720，具有封闭端714和开口端716。该电池填充有包括MnO2的阴极712以及包括锌和电解质的阳极715。阳极中的电解质包括常规的KOH、ZnO和凝胶剂的混合物。阴极712可以以一系列环状块712a的形式提供。阴极块712a被插到电池中，以使它们的外表面与外壳720的内表面750相接触，如图1所示。阳极和阴极可以被例如包括聚乙烯醇和纤维素纤维材料的常规离子可渗透隔离器790所分开。在电池610已经被填充之后，在开口端616内插入隔绝塞760。隔绝塞760可以是聚丙烯、滑石填充的聚丙烯、磺化的聚丙烯或尼龙。塞子760围绕着环形阶718铆接，如图1所示，从而使塞子堵在开口端716内。塞子760可以具有一个整体的硬币形变薄的部分785，它被设计成断裂而在电池内的气压超过预定值时气体可以从此处泄出。外壳720的外周边缘727卷折在隔绝塞760的顶部上。纸隔绝垫圈780被施加在外壳720的卷折外周边缘727上。隔绝垫圈780可以是聚乙烯涂布的纸垫圈。
端帽730被焊接至集流器740的头部。然后长条形的集流器740被插入(强制装配进)隔绝塞760的孔744中，从而使端帽630靠在隔绝垫圈780上。集流器740可以选自可用作集流器材料的宽范围的已知导电材料，例如黄铜、镀锌的黄铜、青铜、铜或镀铟的黄铜。用在测试电池中的集流器740是黄铜的。可以在集流器740插入孔744之前预先在集流器周围施加常规的沥青密封剂。本发明的绝热层775被缠绕、挤出、热收缩或插到外壳720上。隔绝层720在其内表面上可以设有粘合剂，从而使它可以黏附在外壳720上。含有印刷信息的膜标签770可以被施加在绝热层775周围。端帽730成为碱性电池710的负端，而外壳720封闭端处的尖端725成为正端。
如图1所示的电池710可以是AA电池。但是如图1所示的碱性电池不限于任何特定的尺寸。因此本发明可以用于AAAA、AAA、AA、C和D尺寸的圆柱状电池以及任何尺寸或形状的钮扣尺寸的碱性电池。碱性电池710不限于任何特定电池化学品或电池尺寸，但是要在电池外壳720周围施加绝热层775。因此电池710可以含有常规碱性电池化学品，包括那些含有零添加的水银的(小于50份水银/每百万份总电池重量，优选小于10份水银/每百万份总电池重量)以及它们的改进物。这种代表性的化学品在例如US5,401,590中披露，其全文在此引入作为参考。本发明的电池710优选不含有添加量的铅，因此基本没有铅，即总的铅含量小于阳极总金属含量的30ppm，理想的是小于15ppm。而且尽管本发明原则上涉及一次碱性电池，但是可以调整阳极和阴极化学品以使得电池可以成为该领域已知的二次(可充电)电池。
上述电池(图1)可以是AAAA、AAA、AA、C或D电池，制备和用于作为测试电池。C和D测试电池也如上制造，但是使用的阳极组分如以下实施例所示。C和D电池用于作为实施例中的测试电池。在每种情况下的阴极组成和电池成分与上述相同。在下面的实施例中可以使用如下具体的阴极组成MnO2-86.5％；石墨6.3wt％；KOH水溶液(38wt％KOH)6.9wt％以及聚乙烯粘合剂0.3wt％。以下实施例中电池的阳极组成、锌浓度和颗粒尺寸、凝胶剂以及电解质成分如上所述。被测试的C和D电池其体密度分别约为7.051和7.091g锌/cm3阳极。锌真实密度是7.14g/cm3。阳极中的电解质水溶液的体积百分比分别约为阳极体积的29.4％和29.6％。C电池阳极中的锌含量是12.04g，而D电池阳极中的锌含量是23.73g。C电池的阳极理论容量是9.90安培-小时，D电池的阳极理论容量是19.51安培-小时。电池以常规的方式平衡，从而使MnO2的毫安-小时容量(基于370毫安-小时/每克MnO2)除以锌合金的毫安-小时容量(基于822毫安-小时/每克合金)后约是1。
实例1表示如上所述制成的比较C电池的性能。该电池在电池外壳和标签之间不具有绝热层。实施例2是与实施例1同样的C电池，但是在电池标签和电池外壳之间插入有绝热层并且覆盖了(纵向)整个表面，如图1所示。该绝热体由聚氨酯发泡材料和多元醇二异氰酸酯构成，具有7.67mm的均匀厚度，以使C电池具有与D电池整体相同的直径，即32.31mm的整体直径。该材料可以在其内表面涂布有粘合剂，从而通过将其卷绕在外壳表面周围而将它施加并固定在壳体上。实施例3是比较D电池，具有与实施例1中C电池基本相同的阳极和阴极组成和电池组分。因此实施例3中的D电池不具有绝热层。
在每个实施例中的电池在高功率条件下放电，并比较其性能。新电池以1安培和2安培的连续放电高速度连续放电至0.8V的截止电压。新电池在1.5欧姆的恒定电阻下间歇放电，放电4分钟然后停止11分钟，这种循环连续进行8小时/天，至0.8V的截止电压。(这对应于高强度闪光测试)。新电池以1安培/天的恒定耗用电流的连续放电而放电至0.8V的截止电压。(这类似用于超级转臂箱和便携式彩色电视机)。
每种测试的电池的性能如下表1和2所示。
表1电池性能连续放电至0.8V的截止电压的数据
从表1中可以看出，缠绕有绝热体的C电池(实例2)在两种测试中与没有绝热体的同样电池相比都具有更好的性能(使用小时)。而且，将实例2中缠绕了绝热体的C电池与实例3中的D电池(没有绝热体)相比，可以明显的看出绝热的C电池在1.0A连续放电实际上好于没有绝热体的D电池。另外，由于绝热电池的益处，绝热的C电池的性能(使用时间)在1.0安培和2.0安培的连续放电时分别改善了61％和86％。这就得出了结论，绝热的碱性电池在连续放电中具有更好的性能。
表2电池性能间歇放电至0.8V的截止电压
注1.0安培间歇放电是电池在1.0安培放电1小时/天直到0.8V的截止电压。在1.5欧姆的间歇放电是放电4分钟然后休息11分钟(不放电)8小时/天直到0.8V的截止电压。
从表2中可以看出，缠绕有绝热体的C电池(实例2)在两种间歇放电中得到与没有绝热体的同样电池(实例1)类似的性能。将实例2中缠绕了绝热体的C电池与实例3中的D电池(没有绝热体)相比，可以明显的看出对于间歇放电来说，绝热的C电池的性能与D电池(没有绝热体)不相同，碱性电池的容量产出(capacity yield)没有改善。这些数据得到的结论是绝热碱性电池在连续放电中性能改善，但是对上述的间歇放电测试情况来说没有改善。
可以确定有或没有绝热层的不同尺寸的碱性电池的不锈钢外壳720的内表面750与外界环境温度之间的整体热传递系数U0。该整体热传递系数是基于外壳的内表面750。为了进行计算，可以设定外界环境温度是25℃，标签770是聚氯乙烯(带有粘合剂和油墨)，厚度为100微米(0.01cm)。标签770导热率约为4.14×10-4卡/[(秒)(厘米)(°K)]。外壳720是镀镍的不锈钢，厚度约为0.254mm(0.0254cm)，导热率是0.2卡/[(秒)(厘米)(°K)]。为了进行计算，优选的绝热体775其导热率约为0.05英国热量单位/[(小时)(英尺)(°F)](相当于2.07×10-4卡/[(秒)(厘米)(°K)]。
上述用于通过圆柱状管壁热传递的关系式如公式1所示，其中U0是基于外壳内表面的整体热传递系数，Q是热传递速率(卡/秒)，r0是外壳内表面的半径，T0是外壳内表面的温度，Ta是环境温度，L是电池的长度公式1 Q＝U0(2πr0L)(T0-Ta)其中整体热传递系数U0计算如下 参考实例2，其中C电池外壳设有绝热体以使得该电池具有D电池外直径。在这种情况下，绝热体的厚度是3.84mm(0.384cm)。不锈钢外壳在室温下具有导热率K01＝0.2卡/[秒·厘米·°K]。对该绝热体设定k12为2.07×10-4卡/[秒·厘米·°K]。(相当于许多塑料的导热率0.05英国热量单位/[小时·英尺·°F]特征)。
聚氯乙烯标签的导热率k23约为4.14×10-4卡/[秒·厘米·°K]。环境空气的热传递系数h3约为4.14×10-2卡/[秒·厘米·°K]。如图2所示，r0是至外壳内表面的半径。(对C电池来说，r0＝1.25cm)。如图2所示，r1是至外壳外表面的半径；r2是至绝热体外表面的半径；r3是至标签外表面的半径。C电池的r1/r0之比是1.275cm/1.25cm＝1.02。r2/r1之比是1.66cm/1.275cm＝1.30。绝热体的厚度是0.384cm。设定标签的厚度是100微米(0.01cm)。r3/r2之比是1.67cm/1.66cm＝1.01。
将上述值代入公式2中，整体热传递系数U0计算如下U0=1/1.25{1/[1.67×4.14×10-2]+Ln1.020.2+Ln1.302.07×10-4+Ln1.014.14×10-4}-1]]>U0＝0.80{14.4+0.0198/0.2+0.262/2.07×10-4+0.00995/4.14×10-4}-1U0＝0.80{14.4+0.099+1265.7+24.0}-1U0＝0.80/1304.2＝0.0006卡/[cm2·秒·°K]整体热传递公式与公式1一样，其中Q是热传递速率(卡/秒)；T0是外壳内表面的温度，Ta是环境温度，L是电池的长度Q＝U0(2πr0L)(T0-Ta)为了进行比较，可以计算没有绝热体的同样的C电池(见实例1)的整体热传递系数U0。在这种情况下，r2＝r1；r0＝1.25cm；r1/r0＝1.275/1.25＝1.02；r3/r2＝1.285/1.275＝1.01，其中r0是至外壳内表面的半径；r1＝r2是至外壳外表面的半径；r3是至标签外表面的半径。外壳导热率是k01，标签导热率是k23，环境空气在室温下的热传递系数是h3。U0=r0-1{1/r3h3+ln[r1/r0]k01+ln[r3/r2]k23}-1]]>U0=1/1.25{1/[1.27×4.14×10-2)]+Ln1.020.2+Ln1.014.14×10-4}-1]]>U0＝0.80{19.01+0.0198/0.2+0.00995/4.14×10-4}-1U0＝0.80{19.01+0.099+24.0}-1＝0.80/43.11＝0.019卡/[cm2·秒°K]U0＝0.019Cal/[cm2·秒·°K]因此，实例2的C电池的热传递系数具有整体热传递系数U0，它是0.000613/0.019＝0.032或约为没有卷绕有绝热体的同样C电池的3％。相反，因C电池卷绕有绝热体使得整体热传递系数U0降低了约97％。这使得电池外壳内表面的温度以及电池内部的温度明显升高，因此使得电池性能更好。
如果上述计算是根据2mm(0.2cm)厚绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.00107卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.00107/0.019或5.6％，其相当于整体热传递系数降低94.4％。如果上述计算是根据1mm(0.1cm)绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.0020卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.0020/0.019或10.5％，其相当于整体热传递系数降低89.5％。
如果上述计算是根据0.50mm(500微米或0.05cm)绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.00360卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.00360/0.019或18.95％，其相当于整体热传递系数降低81.05％。如果上述计算是根据0.25mm(250微米或0.025cm)绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.0061卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.0061/0.019或32.1％，其相当于整体热传递系数降低67.9％。因此，可以确定，通过给电池外壳提供绝热体并且当绝热体的厚度约为0.25-4mm，理想的是0.5-4mm的时候，整体热传递系数U0可以容易地降低至少65％，一般至少是75％，更典型的是至少90％。优选该绝热体的厚度约为1-4mm，最好约为2-4mm厚。如果上述计算是根据0.1mm(100微米或0.01cm)绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.0107卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.0107/0.019或56.3％，其相当于整体热传递系数降低43.7％。如果上述计算是根据0.02mm(20微米或0.002cm)绝热体厚度进行计算的，那么整体热传递系数U0计算为0.0177卡/[cm2·秒·°K]。即是没有绝热体的同样的电池的0.0177/0.019或93.2％，其相当于整体热传递系数降低6.8％。
实例1的C电池卷绕有各种厚度的绝热体。所使用的绝热体是3M公司的Scotch Brand 1/2英寸宽的聚氨酯双面带。该绝热体连续卷绕在电池外壳上至绝热体厚度(径向测量)为1mm、2.5mm和4mm。(在4mm绝热体厚度时，C电池具有约D电池的整体直径)。该绝热的电池具有约100微米厚的覆盖绝热体的常规聚氯乙烯标签。在实施例中用于进行比较的所有对照(未绝热的)电池具有卷绕在电池外壳周围的100微米的聚氯乙烯标签。绝热的电池在1.0安培连续放电至0.9V和0.8V的截止电压。
记录电池容量(安培-小时)，并与同样放电的未绝热C电池进行比较。(未绝热的C电池只有卷绕在电池外壳周围的约100微米厚的常规PVC标签)。用卷绕有同样绝热体厚度的新电池进行同样的试验，但是电池在0.5安培连续放电。记录电池容量(安培-小时)，并与同样放电的未绝热C电池进行比较。
具有各种绝热体厚度的AA电池容量(安培-小时)性能测试结果与未绝热的AA电池的容量相比较，结果如表3A所示。具有各种绝热体厚度的AA电池的电池能量输出(瓦特-小时)的性能测试结果与未绝热的AA电池的能量输出相比较，结果如表3A所示。(绝热体厚度是径向厚度(r2-r1)，如图2所示)。所有测试的电池均具有约100微米厚的覆盖电池外壳的常规聚氯乙烯标签。该标签不视为绝热体的一部分。
表3A绝热的C电池在0.5安培下连续放电
绝热的C电池在1.0安培下连续放电
表3B绝热的C电池在0.5安培下连续放电
绝热的C电池在1.0安培下连续放电
对容量产出数据比较表明，卷绕有聚氨酯带(Scotch Brand的聚氨酯双面带)绝热体[绝热体厚度(r2-r1)约为1.0-4mm]的AA碱性电池的结果是，对于电池在0.5安培耗用电流下放电至0.8V截止电压来说具有约2.6-6.8％的显著容量改善。对于同样的绝热电池放电至0.8V截止电压来说，能量输出的改善百分比约为6.8-12.7％。
该数据表明，卷绕有约为1.0-4mm的小厚度的聚氨酯带(Scotch Brand的聚氨酯双面带)绝热体的AA碱性电池的结果是，对于电池在1.0安培耗用电流下放电至0.8V截止电压来说，具有约6.4-14.7％的显著容量改善。对于同样的绝热电池放电至0.8V截止电压来说，能量输出的改善百分比约为6.6-16.7％。
然后将新的AA碱性电池(Duracell Ultra)插入1.5英寸厚(3.81cm)聚苯乙烯泡沫塑料块中，以使电池体紧密装配在块中，电池端部暴露在环境中。这些电池在0.1-2.0安培之间以连续恒定的耗用电流放电。然后对没有任何附加绝热体的新AA碱性电池(Duracell Ultra)进行放电。(所有的AA电池均有约100微米厚的印刷塑料标签卷绕在电池外壳周围)。绝热的和未绝热的AA碱性电池(Duracell Ultra)在0.1-2.0安培之间以恒定的耗用电流连续放电。当电池达到0.9V和0.8V的截止电压时记录每种情况下的容量产出(安培-小时)。每种绝热的和未绝热的电池的放电容量产生以及由于增加了绝热体而提高的百分比如表4所述。
表4
对容量(安培-小时)产生数据的比较表明，绝热的AA碱性电池在容量方面显示出显著的百分比改进，对于放电到0.8V的电池而言，在1.0和2.0安培之间的耗用电流下增加50％到80％。数据表明绝热的AA碱性电池在容量方面具有显著的百分比改进，对于放电到0.8V的电池而言，在0.3和1.0安培之间的耗用电流下改进了大约12％到50％。
虽然特定实施方案显示出所涂布绝热层的厚度是均匀的，但是应该理解可以有各种变化，例如绝热层沿着其长度可以具有变化的、非均匀的厚度或者在其表面中具有切口部分、孔、间隙或其它不连续部分，这些部分可以用其它材料填充或者保持为空的。虽然已经就特定实施方案对本发明进行了说明，但是应该认识到，在不脱离本发明内容的情况下可以有各种变化。因此，本发明并不局限在这些特定实施方案中，其范围由权利要求书和其等同方案所限定。
权利要求
1.一种电化学电池，包括一外壳、正极和负极端、一包括锌的阳极、一碱性电解质水溶液，所述电池还包括一在所述外壳周围的绝热材料。
2.如权利要求1所述的电池，其中该电池还包括一在外壳周围的标签。
3.如权利要求2所述的电池，其中该标签的厚度小于250微米(10密耳或250×10-6米)。
4.如权利要求2所述的电池，其中该标签的厚度约在75微米(3密耳或75×10-6米)和250微米(10密耳或250×10-6米)之间。
5.如权利要求2所述的电池，其中该绝热材料位于标签和外壳之间。
6.如权利要求1所述的电池，其中与没有所述绝热的同样的电池相比，绝热材料至少降低了6.5％的电池整体热传递系数U0(U0是基于外壳的内表面的，并且是外壳的内表面和电池外部环境空气之间的整体热传递系数)。
7.如权利要求1所述的电池，其中与没有所述绝热的同样的电池相比，绝热材料至少降低了40％的电池整体热传递系数U0(U0是基于外壳的内表面的，并且是外壳的内表面和电池外部环境空气之间的整体热传递系数)。
8.如权利要求1所述的电池，其中与没有所述绝热的同样的电池相比，绝热材料至少降低了65％的电池整体热传递系数U0(U0是基于外壳的内表面的，并且是外壳的内表面和电池外部环境空气之间的整体热传递系数)。
9.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料覆盖了所述外壳的表面。
10.如权利要求9所述的电池，其中该绝热材料粘附于所述外壳的表面上。
11.如权利要求9所述的电池，其中该绝热材料在其表面上有开口。
12.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料的厚度约在500微米(20密耳或0.50mm)和15mm之间。
13.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料的厚度约在1000微米(1mm)和15mm之间。
14.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料的厚度约在2000微米(2mm)和15mm之间。
15.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料的厚度约在3000微米(3mm)和15mm之间。
16.如权利要求1所述的电池，其中所述绝热材料的导热率约为0.01-10英国热量单位/[小时，英尺，°F](4.14×10-5-4.14×10-2卡/[秒·厘米·°K])。
17.如权利要求1所述的电池，其中所述绝热材料的导热率约为0.01-1英国热量单位[小时，英尺，°F](4.14×10-5-4.14×10-3卡/[秒·厘米·°K])。
18.如权利要求1所述的电池，其中该绝热材料包括选自尼龙、聚苯乙烯和聚氨酯组中的材料。
19.如权利要求1所述的电池，其中该电池包括含有二氧化锰的阴极。
20.如权利要求1所述的电池，其中该电解质水溶液包括氢氧化钾。
21.如权利要求1所述的电池，其中该电池中的总水银含量小于20份/每百万份总电池重量。
22.如权利要求1所述的电池，其中该电池中的总铅含量小于30份/阳极中每百万份总金属含量。
23.如权利要求1所述的电池，其中该阳极包括电池中的一部分所述碱性水溶液，而且该电解质水溶液在阳极中的体积百分比约为阳极体积的58-80％。
24.一种电化学电池，包括一外壳、一在所述外壳表面周围的标签、正极和负极端、一包括锌的阳极、一碱性电解质水溶液、一隔离器和一包括二氧化锰的阴极，所述电池还包括一在所述外壳和所述标签之间的绝热材料，其中与没有所述绝热的同样的电池相比，该绝热材料至少降低了6.5％的电池整体热传递系数U0(U0是基于外壳的内表面的，并且是外壳的内表面和电池外部环境空气之间的整体热传递系数)。
25.如权利要求24所述的电池，其中与没有所述绝热的同样的电池相比，该绝热材料至少降低了40％的电池整体热传递系数U0。
26.如权利要求24所述的电池，其中该标签的厚度小于250微米(10密耳或250×10-6米)。
27.如权利要求24所述的电池，其中该标签的厚度约在75微米(3密耳或75×10-6米)和250微米(10密耳或250×10-6米)。
28.如权利要求24所述的电池，其中所述绝热材料的厚度约在1mm和12mm之间。
29.如权利要求24所述的电池，其中所述绝热材料的厚度约在2mm和12mm之间。
30.电化学电池以及容纳所述电池的电池组隔舱外壳的组合，所述电化学电池包括一外壳、正极和负极端、一包括锌的阳极、一碱性电解质水溶液、一隔离器和一包括二氧化锰的阴极，其中所述电池组隔舱外壳包括内表面和外表面，以及所述电池和所述内表面与外表面中至少一个之间的绝热材料。
31.如权利要求30所述的电化学电池，其中所述绝热材料的厚度约在1mm和12mm之间。
32.如权利要求30所述的电池，其中该电池还包括一围绕所述电池外壳的标签。
33.如权利要求32所述的电池，其中该标签的厚度小于250微米(10密耳或250×10-6米)。
34.如权利要求30所述的组合，其中该绝热材料与所述电池组隔舱外壳的内表面的至少主要部分相接触。
35.如权利要求30所述的组合，其中该绝热材料与所述电池组隔舱外壳的外表面的至少主要部分相接触。
36.一种电化学电池，包括一外壳、正极和负极端、一包括锌的阳极、一碱性电解质水溶液、一隔离器和一包括二氧化锰的阴极，所述电池还包括一在所述外壳周围的绝热材料，所述绝热材料是可手动插入电池外壳周围的套的形式。
37.如权利要求36所述的电池，其中该绝热套可手动从电池外壳上除去。
38.如权利要求36所述的电池，其中该绝热套的厚度约在1mm和12mm之间。
全文摘要
通过给电池外壳施加绝热材料,可以改善包括锌阳极和二氧化锰阴极的碱性电池的性能,特别是用于高功率应用的。该绝热材料可以方便地施加在电池标签和外壳之间。该绝热材料显著地降低了电池的整体热传递系数U
文档编号H01M6/02GK1370332SQ00811721
公开日2002年9月18日 申请日期2000年8月16日 优先权日1999年8月18日
发明者泰－翁·李, 詹姆斯·M·西崇, 斯图尔特·M·戴维斯 申请人:吉莱特公司