专利名称：空气再生电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气再生电化学电池。
背景技术：
电池普遍用作电能源。电池包括通常称作阳极的负极和通常称为阴极的正极。阳极包含可被氧化的活性材料，阴极包含可被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。为防止阳极材料与阴极材料直接发生反应，采用一分隔层将阳极和阴极进行电隔离。
在将电池用作设备中的电能源时，将阳极和阴极进行电连接，使电子流经设备并分别进行氧化和还原反应，从而提供电能。与阳极和阴极相接触的电解液中含有可穿过两电极之间的分隔层的离子，从而在放电时维持整个电池的电荷平衡。
空气再生电池也被称作空气辅助或空气恢复电池，是一种在低效电或没有效电时使用空气对阴极重新充电的电池。一种空气再生电池采用锌粉作为阳极，采用二氧化锰(MnO2)作为阴极，采用氢氧化钾的水溶液作为电解液。在阳极，锌被氧化成锌酸盐在阴极，MnO2被还原成氢氧化锰
在不使用电池时或放电速率很慢时，空气中的氧气进入电池中并与阴极发生反应。氢氧化锰被氧化而形成MnO2
在放电速率很快时，空气再生电池就象传统的碱性电池一样通过还原“新鲜的”(未还原的)MnO2来工作。在放电速率很低或在没有电流流动的休息期间，被“消耗的”(还原的)MnO2由空气中的氧气进行恢复或重新充电，从而回到新鲜状态。由于在重新充电时氧气必须接触MnO2，电池阴极必须一定不能被电解液浸润。如果阴极浸在湿的电解液中，在阴极内部的空气传输性质就会劣化，并阻碍MnO2的重新充电。
棱柱形电池通常可是长方体形。例如，棱柱形电池的两个平行的长方形表面可相当平整，从而适于用在移动电话中。更为广泛地，棱柱形电池的形状可是多面体，两个多边形表面位于两个平行的面上，其它面是平行四边形。例如，如果多边形表面是长方形，电池的形状就是长方体。如果多边形表面是圆形，电池的形状就是圆柱体。
发明内容
一方面，本发明的特征在于棱柱形的空气再生电池，其中阴极在低效电或没有放电时重新充电。电池通常能向阴极供给良好的空气分布并可连同薄型的导电或不导电壳体一起制造。电池可堆叠在一起提供高电压。
另一方面，本发明的特征在于空气再生电池包括中心纵轴和主表面垂直于中心纵轴的阴极。该电池还可包括具有至少一个空气进出口的阴极壳体，该空气进出口具有中心纵轴，其中阴极包括垂直于空气进出口纵轴的主表面。
又一方面，本发明的特征在于空气再生电池包括在具有侧面的阴极壳体，该阴极壳体可包括带有外表面的侧面；阴极放置在阴极壳体的里面；分隔层与阴极相邻；阳极壳体包括带有外表面的侧面；阳极放置在阳极壳体中；其中阴极壳体和阳极壳体按如下方式密封在一起两个壳体的侧面外表面基本平齐。该电池还可在阴极壳体中包括至少一个空气进出口。
再一方面，本发明的特征在于一种组装空气再生电池的方法，包括(a)将阳极材料放在带有侧面的阳极壳体之内，各个侧面有外表面；(b)将阴极放在带有侧面的阴极壳体内，各个侧面有外表面；(c)将分隔层放在阴极壳体之内；并且(d)将阴极壳体和阳极壳体按如下方式密封在一起两个壳体的侧面外表面基本平齐。该方法还可包括将一薄膜放在阴极壳体内，在阴极壳体内提供至少一个空气进出口，和/或在阳极壳体上提供一个阳极电流接点。还可采用机械卷边将阳极壳体和阴极壳体密封起来。
从对优选实施例和权利要求的描述中可见本发明的其它一些特征和优点。
图1是具有金属阴极壳体和金属阳极壳体的棱柱形空气再生电池的截面图；图2是具有金属阴极壳体和金属阳极壳体的棱柱形空气再生电池的简化分解图；图3是表示阴极含1％PTFE的敞开和封闭电池的电压(V)与电流(mA/g MnO2)关系图；图4是表示阴极含7％PTFE的敞开和封闭电池的电压(V)与电流(mA/g MnO2)关系图；图5是钮扣电池的透视图；图6是具有非金属阴极壳体和非金属阳极壳体的棱柱形空气再生电池的截面图；具体实施方式
参考图1和图2，棱柱形空气再生电池10包括金属阳极壳体20和金属阴极壳体50。阳极壳体20包括密封层30和阳极材料40。阴极壳体50包括空气扩散层60、薄膜70、阴极80、分隔层90和至少一个空气进出口100。阳极壳体20和阴极壳体50密封在一起，例如，在阴极壳体50内涂上密封胶110并将阴极壳体50机械卷边搭在密封层30上。
阳极壳体20可包括三叠层材料或双叠层材料，通常厚度为0.2到0.5mm。双叠层材料可以是内表面为铜的不锈钢。优选地，内表面包括成分为约70％铜和约30％锌的黄铜。三叠层材料可由壳体的外表面是镍层、壳体20的内表面是铜或黄铜(70％Cu/30％Zn)层的不锈钢组成。铜便宜且易于应用，例如，通过火焰沉积或热沉积，但铜可与阳极材料中的锌发生反应。黄铜更好地限制了阳极壳体20与阳极材料40之间的反应。黄铜层的厚度通常约为60微米，通常采用热压形成双叠层或三叠层材料。如果电池10没有被深度放电，阳极壳体20可在内表面上包括锡。锡不会与阳极材料40发生反应并且具有良好的初始气体特性。锡可是壳体内表面的连续层。锡层可是厚度在约1到12微米之间、优选地在2到7微米之间、更为优选地约为4微米的镀层。锡可预镀在金属带上或后续镀在阳极壳体20上。例如，可采用浸镀(例如，采用从Technics，Rhode Islad处获得的电镀溶液)。镀层可具有明亮的涂层或不光滑的涂层。镀层也可包括银或金化合物。
阳极壳体20的结构是棱柱形，侧面120基本垂直于阳极壳体20的底面。如下文所述，侧面120设置成与密封层30和阴极壳体50匹配。电池的尺寸决定于电池的应用或用途。虽然也可采用其它的尺寸，但通常阳极壳体20的宽度约为30mm，长度为40mm，高度为2.0mm。
密封层30可靠地安装在阳极壳体20外围，并如下文所述，使得阴极壳体50可以卷边搭在密封层30上。密封层30通常由0.5mm厚度的尼龙制成。
阳极材料40通常是包含锌、电解液和胶凝剂组成的混合物的凝胶体。含锌量在大约60到80重量百分比之间，优选地，为大约70重量百分比。电解液可是(9N)氢氧化钾水溶液。电解液可包含重量百分比在大约25到35之间、优选地为大约30的氢氧化钾水溶液。电解液也可包含大约百分之一和二的氧化锌。
如下文将要更多描述的，胶凝剂有助于阻止电解液从电池中渗漏，并有助于保持锌的颗粒。
含锌的材料可以是与铅、铟、铝或铋形成合金的锌粉末。例如，锌可与400到600ppm(例如500ppm)的铅、400到600ppm(例如500ppm)的铟或50到90ppm(70ppm)的铝形成合金。含锌的材料可以是吹制或纺制的锌(air blown or spun zinc)。例如，在1998年9月18号提交的U.S.S.N.09/156,915、1997年8月1号提交的U.S.S.N.08/905,254和1998年7月15号提交的U.S.S.N.09/115,867中描述了适用的锌颗粒，本文以参考文献的形式包含上述每一篇文献的全文。锌可以是粉末。锌颗粒可以是球形的或非球形的。例如，锌颗粒的形状可以是针形的(纵横比至少为2)。
含锌的材料主要包含尺寸在60目到325目之间的颗粒。例如，含锌的材料的颗粒尺寸分布如下在60目筛网上0-3wt％在100目筛网上40-60wt％在200目筛网上30-50wt％在325目筛网上0-3wt％在底盘上0-0.5wt％适用的锌材料包括从Union Miniere(Overpelt，Belgium)、Duracell(USA)、Noranda(USA)、Grillo(Germany)或Toho Zinc(Japan)处可获得的锌。
胶凝剂最好是吸附聚丙烯酸酯。正如在本文的参考文献美国专利No.4,541,871中所描述的，吸附聚丙烯酸酯的吸附力达在每克胶凝剂中包含小于大约30克的盐。在阳极混合物中，阳极凝胶体包括以锌的干重计小于1％的胶凝剂。优选地，胶凝剂的含量在重量比大约0.2％到0.8％之间，更优选地，重量比在大约0.3％到0.6％之间。吸附聚丙烯酸酯可是采用悬浮聚合制成的聚丙烯酸钠。适用的聚丙烯酸钠的平均颗粒尺寸在大约105微米到180微米之间，PH值约为7.5。例如在美国专利No.4,541,871、美国专利No4,590,227或美国专利No.4,517,438中描述了适用的胶凝剂。
在某实施例中，阳极凝胶体可包括非离子表面活性剂以及铟或铅化合物，如氢氧化铟或醋酸铅。阳极凝胶体中所包含的铟或铅化合物的含量在大约50到500ppm之间，优选地，在50到200ppm之间。表面活性剂可是非离子磷酸盐表面活性剂，如在锌表面包覆的非离子磷酸烷基酯或非离子磷酸芳酯(例如从Rohm&Has处可获得的RA600或RM510)。阳极凝胶体可包括包覆在锌材料的表面、在大约20到100ppm之间的表面活性剂。表面活性剂作为气体抑制剂。
现在考虑阴极壳体50，阴极壳体50可由包含镍内外层的冷轧钢组成，镍的厚度通常为3到5微米。钢的厚度通常是0.25到0.5mm。通常阴极壳体50外形为直壁棱柱形，其尺寸按这样的方式与阳极壳体20和密封层30相匹配，即阴极壳体50可如下文所述与阳极壳体20实现密封。例如，阴极壳体50的宽度为33mm、长度为43mm、高度为4mm。
阴极80的重新充电能力部分地受空气中的氧气进入阴极80的扩散速率和氧气与MnO2之间的化学反应速率所控制。开口100让空气到达阴极80，从而使MnO2阴极可被重新充电。增加阴极壳体50上开口100的数量可优化电池10的性能，但也会提高制造成本。开口100的直径通常是0.3mm，通常由激光打孔形成。为保证性能一致，开口100通常均匀分布在阴极壳体50上，离阴极壳体50周边的距离为0.25英寸，距离其它开口0.125英寸。
空气扩散层60通常与阴极壳体50的底部相邻。密封剂材料，例如沥青密封剂(如从BiWax Corp.处可获得的沥青B1128)被放置在阴极壳体50中，以确保固定空气扩散层60。在电池10放电时，来自阳极40的锌(Zn)被氧化成氧化锌(ZnO)，增加了阳极40的体积，并向阴极壳体50的底部推压阴极80。
通过使阴极80不致阻塞或堵塞壳体50中的空气进出开口100，空气扩散层60帮助维持阴极80与阴极壳体50之间的空气扩散间隙，从而让电池10能够重新充电。空气扩散层60通常是厚度为0.1到0.2mm的多孔或纤维材料，如渗滤材料(例如Whatman(Clifton，NJ)、Grades54、F490-08和F490-02)。
薄膜70通常与空气扩散层60相邻。薄膜70是如聚四氟乙烯(PTFE)之类的透气材料。薄膜70的厚度通常是大约0.1mm，可粘在或层压在阴极壳体50上。
阴极80通常与薄膜70相邻。如图2所示，阴极80通常是平面状的，具有主表面130、140和侧面150。在这里所采用的“主表面”指的是面积最大的表面。阴极80以这样的方式放置在阴极壳体50中，即主表面130、140垂直于电池10的中轴(A)。在这里所采用的“中轴”指的是与主表面相垂直的轴。阴极80的主表面130、140也垂直于空气进出开口100的中轴(B)。尽管阴极80的特定尺寸是电池10尺寸的函数，阴极80的厚度最好为0.4到0.7mm。例如，形状为长方体的电池可具有长方形的阴极，而形状为圆柱体的电池可具有圆形的阴极。
阴极80可包括含有MnO2、疏水粘结剂和碳颗粒等材料的混合物。阴极80最好在镀镍钢丝网80上形成。该丝网用作阴极80的集电器，通常焊在阴极壳体50上以获得良好的电接触。阴极80可包含60-93％、最好是80-93％的MnO2和2-25％的粘结剂，余下为碳颗粒。阴极80中的MnO2可包括电解合成MnO2(EMD)、化学合成MnO2(CMD)、EMD和CMD的混合或化学改性MnO2(p-CMD)。优选地，阴极80包含EMD。阴极80中的MnO2可从Kerr-McGee Chemical Corp.(Henderson，NV)处获得。
粘结剂可以是如聚四氟乙烯(PTFE)、其它的四氟乙烯或聚乙烯之类的聚合物，粘结剂的量足够大，以形成浸润防护(wet-proofing)(也就是说，限制电解液浸没阴极)，而不妨碍进行MnO2放电的电化学反应。
为了使气体扩散电极工作，必须优化电子导电率、离子导电率和气体扩散之间的平衡。这种平衡可在阴极中通过有效数量的粘结剂、MnO2和碳来实现。过份排斥电解液的阴极在防止电解液渗透上和对于气体传输性质很有益处，但可能有很差的离子传导性质和MnO2的放电效率。阴极80的重新充电能力受空气中的氧气进入阴极80的扩散速率和氧气和MnO2之间的化学反应速率所控制。
参考图3，说明了浸润防护的优点。在阴极混合物中只需1％PTFE，对于开放和封闭电池由1％PTFE制成的阴极放电效率差异不大。阴极浸在电解液中，而空气不能进入其中对MnO2重新充电。
参考图4，当阴极中的PTFE含量达7％时，在开放电池中的MnO2的放电效率比在封闭电池中的高出七倍以上。这一结果表明空气可进入电池并对MnO2重新充电。优选地，阴极包含2-25％的PTFE，更为优选地，含量在2-7％之间。
而且，在不完全排斥电解液的阴极80有良好离子导电率的同时，离子浓度梯度会导致浸润或浸没，并对气体扩散性质和MnO2的重新充电不利。添加含量在5-15％之间的碳可提供有效电子和离子导电率。碳颗粒的表面面积很大，其大小使得MnO2的重新充电能够进行。可采用包括但不限于Black Pearls 2000(Cabot，Billerica，MA)、VulcanXC-72(Cabot)、Monarch 1300、Shawingigan Black、Printex、KetjenBlack和PWA等各种类型的碳。
分隔层90与阴极80相邻，用于在阳极40和阴极80之间进行电隔离。分隔层90通常厚度为0.05到0.08mm，通常是包覆在阴极80表面上的聚乙烯丙烯酸酯(PVA)。分隔层90可采用含有去沫剂和防止生长有机物的去真菌剂的20％PVA水溶液原位包覆在阴极80上。例如在本文的参考文献在1999年3月29日提交的美国专利申请U.S.S.N.09/280,367中描述原位包覆的分隔层。可选地，尽管原位包覆通常能提供欧姆损失更小的、厚度更薄的分隔层，分隔层也可是微孔聚丙烯薄膜(Celgard5550，Celanese，(Summit，New Jersey))。
通过将各自内含包含物的阳极壳体20与阴极壳体50密封在一起来将电池10组装起来。沥青密封剂110(例如Asphalt B1128，BiWax Corp.)通常放置在阴极壳体50中以提供对电解液渗漏的附加保护。通常壳体20、50放置在一个尺寸合适的模具中，阴极壳体50被机械卷边搭在密封层30和阳极壳体20上，从而将电池密封起来。卷边也将密封层30紧压在阴极80和密封剂110上，进一步提供了对电解液渗漏的防护。
在本发明的另一实施例中，如图5所示，棱柱形电池200具有钮扣电池的外形。电池200电池由圆形的阴极壳体210和阳极壳体220组成，两个壳体在组装在一起时形成具有中心纵轴(C)的圆柱体形状的电池200。电池200的特定尺寸是电池的应用或用途的函数。电池200的截面结构与图1所示的电池10相同，并类似于电池10进行组装。电池200的阴极主表面垂直于纵轴C。
在本发明的另一实施例中，如图6所示，电池300由非金属或非导电材料(例如塑料)制成的壳体310、320组成。阳极壳体310和阴极壳体320各自具有侧面330、340。侧面330、340分别有外表面350、360。阳极壳体310和阴极壳体320按如下方式密封在一起，即侧面的外表面350、360是齐平的。电池300通过超声焊接进行密封。类似于电池10和200，组装好的电池300的外形是具有中心纵轴(D)的棱柱。
电池300的内部结构基本与电池10相同。阴极壳体320包括至少一个空气进出开口370，每一个空气进出开口具有与电池300中心纵轴(D)相平行的中心纵轴。阴极壳体320包括由密封剂385确保固定的空气扩散层380、薄膜390、垂直于中心纵轴D放置的阴极400和分隔层410。阳极壳体310包括阳极材料420和集电器430。
由于壳体310、320是不导电的，在壳体310、320中形成电流接点，以便电池在设备中工作。阳极壳体310通常包括接收铆钉440的小孔(未示出)。铆钉440与阳极集电器430电连接，例如通过焊接。为了使电池300性能一致，阳极集电器430的形状通常在阳极壳体310的内部空穴中均匀延伸，例如，在阳极壳体310中延伸的拉链式结构的导线或平板或丝网。
类似地，阴极壳体320也包括一个电流接点(未示出)。决定于应用，阴极电流接点可以是与阴极400的丝网电连接(例如通过焊接)的铆钉。可选地，可将导电片焊接在阴极400上并伸出电池300。
示例采用如下方法制备一种具有金属壳体的空气再生电池。将阴极切割成合适的尺寸(例如，大约42.2mm×29.5mm)。刮开一部分阴极，从而暴露一部分集电器(例如，大约2.8mm×19.6mm)。相对于阴极主表面将集电器弯折大约90度。
将沥青密封剂材料放置在阴极壳体的下端。将空气扩散层放置在阴极壳体内。将薄膜放置在空气扩散层上。将阴极放置在薄膜上。将集电器焊接在阴极壳体的一侧面上。将更多的密封剂材料放置在阴极的边缘上。将分隔层放置在阴极上。
将密封层安装在阳极壳体上。将阳极材料放置在阳极壳体内。将填充后的阳极壳体和阴极壳体组装在一起，将组合体一起卷边。组装好的电池尺寸大约为44mm×31mm×4.5mm。
权利要求
1.一种棱柱形空气再生电池，包括阴极、阳极和分隔层。
2.权利要求1所述的电池，其中所述电池具有中心纵轴，其中所述阴极包括与中心纵轴垂直的主表面。
3.权利要求1所述的电池，其中所述电池还包括带有至少一个空气进出口的阴极，该空气进出口具有中心纵轴，其中阴极包括与空气进出口中心纵轴垂直的主表面。
4.权利要求1所述的电池，其中阴极包括二氧化锰。
5.权利要求1所述的电池，其中阳极包括锌。
6.权利要求1所述的电池，其中电池的形状是矩形棱柱。
7.权利要求1所述的电池，其中电池的形状是圆柱体。
8.一种空气再生电池，包括具有侧面的阴极壳体，该侧面带有外表面；放置在阴极壳体中的阴极；与阴极相邻的分隔层；具有侧面的阳极壳体，该侧面带有外表面；和放置在阳极壳体中的阳极；其中阳极壳体和阴极壳体的侧面外表面基本平齐。
9.权利要求8所述的电池，还包括放置在阴极壳体中的空气扩散层。
10.权利要求8所述的电池，还包括放置在阴极壳体中的薄膜。
11.权利要求10所述的电池，还包括在薄膜和阴极壳体之间的空气室。
12.权利要求10所述的电池，其中薄膜选自由聚四氟乙烯和聚乙烯构成的组。
13.权利要求8所述的电池，还可在阴极壳体中包括至少一个空气进出开口。
14.权利要求8所述的电池，其中阳极包括锌。
15.权利要求8所述的电池，其中阴极包括二氧化锰。
16.权利要求8所述的电池，其中电池是棱柱形电池。
17.权利要求8所述的电池，其中阴极壳体不导电。
18.权利要求8所述的电池，其中阳极壳体不导电。
19.一种组装空气再生电池的方法，该方法包括(a)将阳极材料放置在具有侧面的阳极壳体中，该侧面带有外表面；(b)将阴极放置在具有侧面的阴极壳体中，该侧面带有外表面；(c)将分隔层插入到阴极壳体中；以及(d)密封阳极壳体和阴极壳体，使各壳体侧面的外表面基本平齐。
20.权利要求19所述的方法，还包括将薄膜放置在阴极壳体中。
21.权利要求19所述的方法，其中步骤(c)包括在阴极上原位涂覆薄膜。
22.权利要求19所述的方法，还包括在阴极壳体上提供至少一个空气进出开口。
23.权利要求19所述的方法，还包括在阳极壳体上提供一个阳极电流接点。
24.权利要求19所述的方法，其中步骤(d)包括超声密封。
25.权利要求19所述的方法，其中电池是棱柱形电池。
26.权利要求19所述的方法，其中阳极包括锌。
27.权利要求19所述的方法，其中阴极包括二氧化锰。
全文摘要
提供了一种棱柱形空气再生电池。该电池包括中心纵轴和主表面垂直于中心纵轴的阴极。该电池还可包括具有至少一个空气进出口的阴极，该空气进出口具有中心纵轴，其中阴极包括垂直于空气进出口的主表面。
文档编号H01M6/08GK1404638SQ01803931
公开日2003年3月19日 申请日期2001年1月17日 优先权日2000年1月19日
发明者亚历山大·卡浦兰, 维埃特·武 申请人:吉莱特公司