电池的制作方法

专利名称：电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池、以及相关的组件及方法。
背景技术：
电池或电化学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。阳极包含可被氧化的活性材料；阴极包含或消耗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。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。本专利申请涉及电池排列和生产电池排列的方法，所述电池排列最小化电池失 效。例如，阳极材料颗粒的迁移可导致阳极颗粒之间的导电性减弱。此外，阳极材料迁移而 直接接触阴极材料可导致电池的内部短接。迁移可起因于电池在使用之前或使用期间所经 受的震击力。例如，商店货架上的电池可能会跌落到硬质表面上。因此，本文所公开的各种 排列最小化阳极材料的迁移和/或最小化阳极材料和阴极材料之间的接触。发明概述本发明公开了一种碱性电池，所述碱性电池包括外壳、在外壳内的阴极、阳极、位 于阳极和阴极之间的分隔体、以及接触阳极和阴极的碱性电解质。阴极限定阳极腔体，并且 阳极沉积在阳极腔体内。阴极具有邻近阳极腔体的顶部表面。该电池包括沉积在阴极的顶 部表面上的保护层。在一些实施方案中，阳极可包括锌，并且阴极可包括二氧化锰。在一些实施方案中，分隔体可包括卷绕成套管的分隔体材料片，所述套管具有纵 向壁，所述纵向壁限定对应于阳极腔体的尺寸的横截面形状。分隔体可在套管的至少一个 纵向末端包括多个凹口，所述凹口限定多个片段。所述多个片段可相对于套管的纵向壁径 向地向内设置以限定横向壁。例如，外壳可包括电池封闭件，所述电池封闭件具有设置在阳 极腔体上方的凸形内表面，并且横向壁可具有凸面形状并且可邻接凸形内表面。在一些实 施方案中，套管可具有按套管的表面积计至少25%重叠的纸材。例如，套管可包括按套管的 表面积计至少80 %重叠的纸材，并且所述多个片段径向向外延伸以限定保护层。在一些实施方案中，保护层可包括垫圈形分隔体材料片。在一些实施方案中，保护 层可包括聚乙烯醇层、乙烯-醋酸乙烯酯聚合物层、或乙酸乙烯酯/乙烯共聚物层。例如， 保护层可为硼酸交联聚乙烯醇层。在一些实施方案中，电池可在阴极或阳极的顶部表面、或 者阴极和阳极的顶部表面上包括交联聚乙烯醇层，该层可补充保护层。在一些实施方案中， 保护层可为电绝缘的。例如，保护层可包括耐氢氧化钾的聚合材料(例如，基于聚酰胺的密 封剂和/或基于浙青的密封剂)。在一些实施方案中，电池还可包括沉积在腔体内的阳极上的凝胶。凝胶材料可包 括一定量的电解质和一定量的也存在于阳极内的胶凝剂。在一些实施方案中，该电池的结构可使其成为如下的电池小于2%的电池在跌落试验前开路电压(“OCV”)测量和跌落试验后OCV测量之间经历大于0.01伏的电压降。该电池的结构也可使其成为如下的电池至少98%的电池在跌落试验之后保留电池容量 的至少95%。跌落试验包括以下步骤从1米的高度使电池跌落六次到混凝土表面上，包括 使每个电池跌落使得电池的每个末端触地两次，并且使得其沿电池外壳的侧面触地两次； 并且在六次跌落之后且在用跌落试验后OCV测量测试电池或确定电池的剩余容量之前，将 电池在室温下贮藏至少24小时。在一些方面，本发明公开了一种碱性电池，所述碱性电池包括外壳、在外壳内的阴 极、阳极、位于阳极和阴极之间的分隔体、以及接触阳极和阴极的碱性电解质。阴极限定阳 极腔体，并且阳极沉积在阳极腔体内。电池包括沉积在阳极腔体内的阳极上的凝胶。凝胶 包括电解质和胶凝剂。在一些方面，本发明描述了一种碱性电池，所述碱性电池包括外壳、在外壳内的阴 极、阳极、位于阳极和阴极之间的分隔体、以及接触阳极和阴极的碱性电解质。阴极限定阳 极腔体，并且阳极沉积在阳极腔体内。外壳包括电池封闭件，所述封闭件具有设置在阳极腔 体上方的内表面。分隔体包括卷绕成套管的分隔体材料片，所述套管具有纵向壁，所述纵向 壁限定对应于阳极腔体的尺寸的横截面形状。分隔体在套管的一个纵向末端包括多个凹 口。所述凹口限定多个片段。所述多个片段相对于纵向壁径向地向内设置以限定邻接内表 面的横向壁。在一些方面，本发明描述了一种碱性电池，所述碱性电池包括外壳、在外壳内的阴 极、阳极、位于阳极和阴极之间的分隔体、以及接触阳极和阴极的碱性电解质。阴极限定阳 极腔体，并且阳极沉积在阳极腔体内。电池在阴极或阳极的顶部表面、或者阴极和阳极的顶 部表面上包括聚乙烯醇层。在一些实施方案中，该层聚乙烯醇可与例如硼酸交联。本发明描述了一种制造碱性电池的方法，所述方法包括将第一量的电解质加入 到电池外壳内部中，电池外壳包括限定阳极腔体的阴极和腔体内的分隔体；将阳极材料加 入到阳极腔体中使得分隔体位于阳极材料和阴极之间；并且将凝胶沉积在阳极腔体中的阳 极材料上，凝胶包括第二量的电解质。在一些实施方案中，在将阳极材料加入到阳极腔体中之前，允许第一量的电解质 完全吸收到阴极和分隔体中。在一些实施方案中，阳极材料可包括胶凝剂材料(例如，与阳 极材料中的相同的胶凝剂材料)。在一些实施方案中，该方法还可包括将阴极的顶部表面涂 覆上交联聚乙烯醇层。一个或多个实施方案的细节阐述于附图和以下说明中。通过这些说明和附图并通 过权利要求，其它特征、目标和优点将显而易见。附图概述

图1描绘了电池的一个实施方案的具体实施的剖面图。图2A和2B描绘了具有和不具有凝胶塞的电池在跌落试验之后的测试结果。图3为制造具有凝胶塞的电池的方法的一个实施方案的流程图。图4描绘了垫圈形保护层的一个实施方案。图5描绘了电池外壳，所述外壳包括阴极、分隔体和硼酸交联聚乙烯醇层。图5A描绘了阴极的顶部表面上的交联聚乙烯醇层的放大图。图6描绘了分隔体材料片，所述材料片在顶部中具有多个凹口以限定多个片段。
图7A和7B描绘了分隔体的实施方案，所述分隔体具有径向向外延伸的顶部片段。图8A和8B描绘了分隔体的实施方案，所述分隔体具有径向向内延伸的顶部片段。各种附图 中的类似的参考符号指示类似的元件。发明详述参见图1，电池或电化学电池10具有外壳18，所述外壳18包含阴极12、阳极14、 和位于阴极12和阳极14之间的分隔体16。外壳18为具有内表面和外表面的圆柱形外壳。 与外壳18的内表面接触的阴极12包括阴极活性材料，并且阳极14包括阳极活性材料。如 图所示，阴极12包括多个堆叠的中空圆柱形粒料，所述中空圆柱形粒料形成用于阳极14的 腔体。电解质也分散在整个电池10中。外壳18包括圆柱形部分15、负端子9、和正端子 11。负端子9包括密封件22、金属顶盖24、和集流体20。正端子11位于电池10的与负端 子9相对的末端。阳极14包括阳极活性材料颗粒。例如，活性阳极材料可为锌粒。这些阳极活性材 料颗粒被沉积到由阴极12限定的阳极腔体中。然而，在电池寿命期间这些颗粒可迁移因而 导致性能问题。例如，阳极颗粒可转移出阳极腔体而接触阴极12的顶部，这可导致电池失 效。此外，阳极颗粒在阳极腔体内部的运动还可导致颗粒间的接触减弱，并且因此减弱颗粒 间的导电性，这可缩短电池寿命或可导致电池输出电压周期性减小。此外，阳极材料的运动 还可使分隔体16受到应力作用。因此，本文公开了许多部件，所述部件最小化阳极颗粒的 迁移和/或最小化阳极材料和阴极材料之间的接触。本文所述部件中的每个均可单独使用 或与其它部件组合使用。在一些实施方案中，阳极14可呈阳极颗粒和电解质的浆料形式。例如，阳极颗粒 可为锌粒。锌粒的实例包括Durkot等人的美国专利6，284，410和Durkot等人的美国专利 6，521，378中所述的那些。在某些实施方案中，阳极14可包括球形锌粒。球形锌粒描述于 例如2004年12月23日公布的标题为“Anode for Battery”的Costanzo等人的美国专利 申请公布US 2004/0258995 Al中。锌粒可为锌合金(如，包含几百份每一百万份的铟和 铋)。阳极可包括例如按重量计约40%至约90% (例如，约67%至约80% )的锌粒。在某 些实施方案中，阳极可包括按重量计68%的锌粒和15%的锌细粒。在一些实施方案中，阳极14可包括胶凝剂。胶凝剂的实例包括聚丙烯酸、接枝淀 粉材料、聚丙烯酸的盐、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素或它们的组合。聚丙烯酸的实例包括 Carbopol 940和934 (购自Noveon Inc.)以及Polygel 4P (购自3V)。接枝淀粉材料的实 M^J Waterlock A221 (J)^g Grain Processing Corporation, Muscatine, ΙΑ)。胃胃；！；希· 盐的实例为Alcosorb Gl(购自Ciba Specialties)。阳极可包括例如按重量计约0. 1 %至 约的胶凝剂。如图1所示，电池10包括设置在阳极14上方的凝胶塞30。凝胶塞30不包括活 性阳极材料，而是最小化阳极14的部分(例如，锌细粒或锌粒)的迁移。凝胶塞30可包 括分散在整个电池中的电解质、和胶凝剂。在一些实施方案中，凝胶塞30也可包括超吸收 齐U。凝胶塞30可比阳极14具有更高百分比的胶凝剂。例如，凝胶塞30可包括介于1和5 重量％之间的胶凝剂(例如，2重量％的胶凝剂)。该胶凝剂可为与阳极14中所用胶凝剂 相同的胶凝剂，或可为不同的胶凝剂。在一些实施方案中，凝胶塞30可包括0. 1重量％的 Waterlock A221 和 1. 9 重量％的 Carbopol 940。
凝胶塞30可具有高粘度，所述高粘度限制阳极在阳极腔体内部的运动并且最小 化阳极颗粒溢出到阴极康索尔的顶部上。凝胶塞30的加入可导致改善的跌落试验结果。 例如，跌落 试验可包括在环境条件下使电池从一米的高度跌落以允许其自由降落到硬质刚 性的混凝土表面上，以模拟由消费者造成的电池的无规跌落。跌落试验可包括使电池跌落 六次使得电池的每个末端撞击硬质刚性的混凝土表面两次，并且沿电池外壳的圆柱形壁的 侧面撞击两次。跌落试验可包括在使电池跌落之后将电池在环境条件下贮藏至少24小时。 在将电池贮藏了至少24小时之后，可进行OCV测量以检测由于在跌落试验期间电池的跌落 所引起的电池失效或电池输出电压的减小。凝胶塞30也可改善当电池经受震击状况时颗粒间的导电性。例如，图2A和2B描 绘了负载电压不稳定性(“LVI”)测试的实例。LVI测试包括使电池在电池的放电期间经 受震击胶粘力并且测量电池的输出。图2A描绘了具有凝胶塞的电池的LVI测试结果的一 个实例，而图2B描绘了不具有凝胶塞但在其它方面却与图2A中所测试电池相同的电池的 LVI测试结果的一个实例。每个电池均包括锌阳极，所述阳极的68%加载了 15%的细粒。 如通过比较图2A和2B可知，凝胶塞30的存在改善了电池的LVI测试性能，因为具有凝胶 塞的电池在放电期间不经历因LVI测试的震击胶粘力所造成的输出电压变化。这提示凝胶 塞30的存在可导致电池减小阳极颗粒的移位，所述移位可导致颗粒间的导电性减弱。在一些实施方案中，阳极14可具有小于阴极高度的阳极高度，从而为凝胶塞30提 供附加空间。例如，锌浆料可在腔体内填充所至的高度为阴极12的高度的93%，因而凝胶 塞可填充剩余的。可通过许多制造技术将凝胶塞30加入到电池10中。一种制造技术公开于图3的 流程图中。该过程涉及首先将阴极12放置在电池外壳18内，并且将分隔体放置在由阴极 限定的腔体内。该方法可包括将第一量的电解质加入到外壳中。然后可加入阳极浆料以填 充腔体。然后加入呈凝胶形式的附加量的电解质，所述凝胶形成凝胶塞30。在一些实施方 案中，在第一量的电解质被完全吸收到阴极和分隔体中之前不加入阳极浆料。例如，电解质 可通过毛细管力吸收到阴极和/或分隔体中。如图1所示，电池10也包括设置在阴极12的顶侧上的保护层32。在一些实施方 案中，该保护层32可为垫圈形分隔体材料片，所述材料片具有的内径和外径大约等于阴极 12的内径和外径。图4描绘了呈垫圈形状的分隔体材料的保护层32的一个实例的透视图。 例如，保护层32可由如下材料形成聚丙烯(例如，非织造聚丙烯或微孔聚丙烯)、聚乙烯、 聚四氟乙烯、聚酰胺(例如，尼龙)、聚砜、聚氯乙烯、或它们的组合。在一些实施方案中，保 护层32可包括与非织造材料层组合的玻璃纸层。非织造材料可包括例如聚乙烯醇和/或 人造丝。一般来讲，垫圈可为适于用作阳极和阴极之间的分隔体的任何材料，诸如由纸浆、 PVA纤维制成的纸样材料、和/或包含聚合材料诸如PVA、乙烯-乙烯醇共聚物、玻璃纸、以 及它们的组合的任何分隔体。在一些实施方案中，保护层可为电绝缘的。例如，保护层可包 括耐氢氧化钾的聚合材料(例如，基于聚酰胺的密封剂和/或基于浙青的密封剂)。在一些实施方案中，电池可包括交联聚乙烯醇层(例如，硼酸交联聚乙烯醇)。交 联聚乙烯醇可涂覆到阴极、阳极的顶侧、凝胶塞顶部、或它们的组合上，并且可最小化阳极 颗粒的迁移和/或最小化阳极材料和阴极材料之间的直接接触。PVA层可防止任何Zn颗粒 和阴极之间的电接触。交联聚乙烯醇可通过如下方式制备在室温下将硼酸溶解在蒸馏水中，并且将聚乙烯醇(“PVA”)粉末加入到该溶液中以产生悬浮液。然后可将该悬浮液加热至80摄氏度，并且在该温度下保持约一小时。在悬浮液变清之后，可冷却所得硼酸交联 聚乙烯醇，然后可将其用于电池的生产。硼酸对PVA的比率可介于1 15和1 25之间 (例如，约1 20)。通常，对于每克硼酸，使用约340克去离子水。例如，可将250克去离 子水与0. 7365克Fisher硼酸和14. 56克Dupont Elvanol 71-30PVA混合以产生硼酸交联 聚乙烯醇。虽然该硼酸交联聚乙烯醇层可具有离子导电性，但其可提供阳极颗粒之间的屏 障，所述颗粒从由阴极限定的腔体和阴极的顶部表面转移。在一些实施方案中，该交联聚乙烯醇层可用作保护层32，所述保护层设置在如图 1所示的电池中的阴极12的顶侧上。在一些实施方案中，除了垫圈形分隔体材料片保护层 32以外还可使用交联聚乙烯醇层，并且将其在阴极12和垫圈形分隔体材料片保护层32之 间设置在阴极顶侧上。在一些实施方案中，可将交联聚乙烯醇层涂覆到由阴极限定的腔体 内的阳极浆料的上表面上而不存在凝胶塞30。在一些实施方案中，该交联聚乙烯醇层可设 置在凝胶塞和阳极浆料之间，或沉积在凝胶塞的顶侧上。阳极腔体上的交联聚乙烯醇层可 最小化阳极颗粒在腔体内的附加迁移。例如，如图5和5A所示，可将交联聚乙烯醇(例如硼酸交联聚乙烯醇)的离子导 电层37施加到阴极12的顶侧上。图5描绘了在将阳极材料包括到阳极腔体19中之前或 将顶盖和/或密封件加入到外壳18中之前的电池外壳18，所述外壳18包括阴极12、分隔 体16、和邻近阳极腔体19设置在阴极顶侧上的保护层37。如图所示，交联PVA涂层可覆盖 外壳18的内表面的一部分和/或面向阳极腔体19的阴极顶部的极小一部分。例如，用硼 酸改性的PVA的离子导电涂层可通过阀门和电池的高速旋转施加到阴极顶部上，因而阴极 可产生均勻涂层。例如，可将具有0. 10重量％硼酸的3.5重量％ WPVA溶液(其对应于按 干燥量计的3重量％的干燥硼酸(硼酸粉末PVA粉末))施加到AA尺寸的电池的阴极和 外壳上，所述电池通过18规格的尖端针(0. 033in)以775rpm的速度旋转。例如，18规格的 尖端针可从EFD Inc. Λ Nordson Company (位于East Providence,Rhode Island)商购获 得。可切掉针尖以使针在成大约60度的角度时可相对平坦地放置在阴极顶部上。旋转方 向可背离针的方向。可改进珠缘以涂覆外壳18的内表面和/或阴极的顶部内表面的更多 或更少部分。相对于不包括任何PVA涂层的在其它方面均相同的电池来讲，在这些条件下 制成的AA尺寸的电池(用硼酸交联PVA层涂覆阴极顶侧)显示出了改善的跌落试验结果。 跌落试验可包括在环境条件下使电池从一米的高度跌落以允许其自由降落到硬质刚性的 混凝土表面上以模拟由消费者造成的电池的无规跌落。跌落试验可包括使电池跌落六次， 其中从所述三个相互垂直的方向中的每个方向跌落两次(例如，使得电池的每个末端撞击 混凝土表面两次，并且在圆柱形外壳的侧面上撞击两次)。跌落试验包括在使电池跌落之后 将电池在环境条件下贮藏至少24小时。跌落试验的失效被定义为大于0. 01伏的开路电压 损失(比较测试前和测试后的值)，当每个电池如上所述地跌落6次时，无任何PVA涂层的 组具有1100分之52的失效率，而在阴极上包括交联PVA涂层的组仅具有160分之1的失 效率。保护层32也可为如下的任何材料，所述材料当接触电解质和阴极时是稳定 的(基本上化学惰性的)。其它实例包括基于聚酰胺的粘合剂，诸如得自Specialty Chemicals (Fuji Hunt Co.的一个分部)的 VERSAMID 或 REAMID-100。保护层 32 可为乙烯-醋酸乙烯酯聚合物或乙酸乙烯酯/乙烯共聚物。电池10也包括分隔体，诸如图1或6所示的分隔体16。分隔体可由任何用于电化 学电池(例如，碱性电池)的标准分隔体材料形成，并且可包裹起来以形成套管，所述套管 限定对应于阳极腔体的尺寸的纵向壁。分隔体16防止阳极14和阴极12之间的电接触。如 图1所示，分隔体可具有封闭底部，所述底部可通过许多技术形成。例如，分隔体可由如下 材料形成聚丙烯(例如，非织造聚丙烯或微孔聚丙烯)、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺(例 如，尼龙)、聚砜、聚氯乙烯、或它们的组合。在一些实施方案中，分隔体可包括与非织造材料 层组合的玻璃纸层。非织造材料可包括，例如聚乙烯醇和/或人造丝。分隔体诸如分 隔体16可由任何用于电化学电池(例如，碱性电池)的标准分隔体 材料形成。例如，分隔体可由如下材料形成聚丙烯(例如，非织造聚丙烯或微孔聚丙烯)、 聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺(例如，尼龙)、聚砜、聚氯乙烯、或它们的组合。在一些实施方 案中，分隔体可包括与非织造材料层组合的玻璃纸层。非织造材料可包括例如聚乙烯醇和 /或人造丝。设置在阴极顶侧上的保护层也可由分隔体自身的顶部形成。例如，如图6、7A和7B 所示，分隔体16可包括分隔体材料片，所述分隔体材料片在套管的至少一个纵向末端包括 多个凹口 33，所述凹口限定多个片段35。如图7A和7B所示，片段35可径向地向外延伸， 如图7B所示，以限定保护层。如图6所示，凹口可为具有预定长度的简单狭缝。在其它实 施方案中，凹口可具有允许顶部30的片段35径向地向外延伸的其它形状(例如，V形或U 形)，如图7B所示，所述形状大致垂直于分隔体16的主体以形成保护层，所述保护层可邻近 阳极腔体放置在阴极顶侧上。在一些实施方案中，分隔体16可包括按分隔体的表面积计至 少1.8个包裹以具有至少80%重叠的分隔体材料。如图7A和7B所示，分隔体16可包括2 个包裹。在一些实施方案中，如图7A和7B所示，凹口 33可偏离邻近包裹中的凹口 33以允 许邻近包裹的片段35覆盖邻近包裹中的片段之间的间隙，所述间隙起因于片段的向外张 开。径向地向外延伸的凹口可与塑料密封件22组合，所述密封件放置在阴极顶部之上，使 得分隔体的片段35夹置在阴极12和塑料密封件22之间。分隔体的侧向末端中的凹口也可提供分隔体和电池外壳之间的更好的密封件，所 述密封件可最小化阳极颗粒迁移穿过分隔体，从而减小与阴极的顶部表面的不可取的接 触。例如，所述多个片段可相对于纵向壁径向地向内设置以限定横向壁。外壳可包括电池封 闭件，所述电池封闭件具有设置在阳极腔体上方的内表面26，并且横向壁17可邻接内表面 以形成密封件。例如，电池封闭件的内表面可为圆顶形或凸形表面。例如，如图1所示，电 池可包括密封件22和负端子处的顶盖24，密封件具有位于阳极腔体上方的凸形内表面26。 分隔体16的有凹口的侧向末端邻接圆顶形内表面26以形成密封件。如图所示，横向壁也 形成凸面形状。例如，如图8A所示，分隔体可包括大约1.25个分隔体材料的包裹，并且可 包括均勻间隔开的凹口 33。如图所示，凹口可为具有预定长度的简单狭缝。在其它实施方 案中，凹口可具有允许顶部30的片段35贴靠电池外壳的圆顶形上表面向内收拢的其它形 状(例如，V形或U形)，如图8B所示。分隔体中存在凹口 33可允许片段35重叠，并且因 此避免当顶盖放置在阳极上并且顶盖的内表面向内按压分隔体的片段35时形成褶皱。电池外壳诸如外壳18可由一种或多种不同的材料形成。在一些实施方案中，电池 外壳可包括一种或多种金属和/或金属合金，诸如镍、镀镍钢(例如，镀镍冷轧钢)、不锈钢、铝包覆的不锈钢、铝、和/或铝合金。在某些实施方案中，电池外壳可包括一种或多种塑料， 诸如聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、和/或聚酰胺。密封件诸如密封 件22可由例如聚合物(例如，尼龙)制成。顶盖诸如顶盖24可由例如金属或金属合金诸 如铝、镍、钛、或钢制成。阴极诸如阴极12可包括至少一种(例如，两种、三种)阴极活性材料。在一些实 施方案中，阴极还可包括至少一种导电助剂和/或至少一种粘合剂。电解质也分散在整个 阴极中。在一些实施方案中，阴极活性材料可为锰氧化物，如二氧化锰(MnO2)15 二氧化锰可 为电解合成的MnO2 (EMD)、化学合成的MnO2 (CMD)、或EMD和CMD的共混物。二氧化锰的销售 商包括 Kerr McGee Corp.(例如，Trona D 和高功率 EMD 的制造商)，Tosoh Corp.，Delta Manganese, Delta EMD Ltd.，Mitsui Ch emicals，ERACHEM，和 JMC。在某些实施方案中，阴 极可包括按重量计约80%至按重量计约94% (例如，按重量计约82%至按重量计约86% ) 的二氧化锰(例如，EMD)(该重量百分比在电解质分散在整个阴极中之后确定)。阴极活性材料的其它实例包括含铜、镍、和铋的材料。例如，适于用作阴极活性 材料的含铜材料包括氧化铜(例如，氧化铜(CuO)、氧化亚铜(Cu2O))；铜氢氧化物(例如， 氢氧化铜(Cu(OH)2)、氢氧化亚铜(Cu(OH)))；碘酸铜(Cu(IO3)2) ；AgCuO2 ；LiCuO2 ；Cu(OH) (IO3) ；Cu2H(IO6)；含铜金属氧化物或硫属元素化物；卤化铜(例如，CuCl2)；和/或铜锰氧化 物(例如，Cu(MnO4)2)。氧化铜可为化学计量的(如，CuO)或非化学计量的(如，CuOx，其中 0. 5 < X < 1. 5)。阴极活性材料的另一个实例为Cu6InO8Cl。羟基氧化镍(NiOOH)也可用 作阴极活性材料。羟基氧化镍可包括例如羟基氧化镍、经羟基氧化钴涂布的羟基 氧化镍、Y-羟基氧化镍、经羟基氧化钴涂布的Y-羟基氧化镍、β-羟基氧化镍与Y-羟 基氧化镍的固溶体、或者β-羟基氧化镍与Y-羟基氧化镍的经羟基氧化钴涂布的固溶体。 阴极活性材料的另外实例包括含有含五价铋的金属氧化物的阴极活性材料。在某些实施方案中，阴极可为多孔的。多孔的阴极可包括例如一种或多种上述阴 极活性材料(例如，EMD、NiOOH)。导电助剂可增加阴极12的导电率。导电助剂的一个实例为碳粒。碳粒可为阴极中 使用的任何常规碳粒。例如，碳粒可为石墨颗粒。石墨颗粒可为合成的、非合成的、或合成与 非合成的共混物，并且它们可为膨胀或非膨胀的。在某些实施方案中，阴极中的石墨颗粒可 为非合成且非膨胀的石墨颗粒。在这些实施方案中，石墨颗粒可具有小于约20微米(如，约 2微米至约12微米，约5微米至约9微米)的平均粒度，所述平均粒度使用Sympatec HELIOS 分析仪测定。例如，石墨颗粒可购自Brazilian Nacional de Grafite (Itapecirica， MG Brazil(MP-0702X))或 Chuetsu Graphite Works, Ltd. (Chuetsu grades WH-20A 和 WH-20AF)，Japan。阴极可包括例如按重量计约3 %至约9 % (例如，约4 %至约7 % )的碳粒。 在一些实施方案中，阴极可包括按重量计约4%至约9% (例如，约4%至约6. 5%)的石墨 颗粒。导电助剂的另一个实例为碳纤维，诸如Luo等人的美国专利6，858，349、和2002年11 月21日公布的题目为“Battery Cathode”的Anglin的美国专利申请公布US 2002/0172867 Al中所述的那些。在一些实施方案中，阴极可包括按重量计小于约2% (例如，按重量计小 于约1.5%，按重量计小于约1 %，按重量计小于约0. 75%，按重量计小于约0. 5% )，和/或 按重量计大于约0. 1% (例如，按重量计大于约0. 2%，按重量计大于约0. 3%，按重量计大 于约0.4%，按重量计大于约0.45%)的碳纤维。在某些实施方案中，阴极可包括按重量计约至按重量计约10%的一种或多种总导电助剂。阴极可包括其它添加剂。在一些实施方案中，阴极可包括二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，阴极可包括按重量计约0. 至约2% (例如，约0.2%至约2% )的TiO2。阴极可通过将阴极活性材料与其它组分诸如粘合剂、溶剂/水、和碳源混合在一 起来制备。例如，阴极活性材料如MnO2可与碳(例如，石墨、乙炔黑)组合，并与少量的水 混合以生成阴极浆料。然后可通过将浆料模塑到限定内腔的圆柱形中空粒料中来将阴极浆 料成形为固体阴极。在一些实施方案中，然后可将集流体涂覆上阴极浆料以形成阴极。在 一些实施方案中，可将阴极浆料在外壳18内模制成最终形状。粘合剂的实例包括聚乙烯粉 末、聚丙烯酰胺、卜特兰水泥和氟碳树脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。聚乙 烯粘合剂的一个实例以商品名Coathylene HA-1681出售(购自Hoechst)。阴极可包括例 如按重量计最多约2%的粘合剂(例如，按重量计最多约的粘合剂)。在某些实施方案 中，阴极可包括按重量计约0. 至约2% (例如，约0. 至约)的粘合剂。分散在整个阴极中的电解质(和/或用于电池其余部分中的电解质)可为用于电 池的任何电解质。在一些实施方案中，阴极可包括按重量计约5%至约10% (例如，约6% 至约7%)的电解质。电解质可为含水或无水的。含水电解质可为碱性溶液，如氢氧化物水 溶液(如，Li0H、Na0H、K0H)，或氢氧化物溶液的混合物(如，NaOH/KOH)。例如，氢氧化物水 溶液可包括按重量计约33%至按重量计约40%的氢氧化物材料，如约9N的KOH (按重量计 约37%的Κ0Η)。在一些实施方案中，电解质也可包括按重量计最多约4% (如，按重量计约 2% )的氧化锌。电解质可包括其它添加剂。作为一个实例，电解质可包括能降低(如，抑制)阴 极活性材料在电解质中溶解度的可溶物质(如，铝物质)。在某些实施方案中，电解质可 包括一种或多种以下物质氢氧化铝、氧化铝、碱金属铝酸盐、铝金属、碱金属卤化物、碱金 属碳酸盐、或它们的混合物。电解质添加剂描述于，例如，2004年9月9日公布且题目为 “Battery”的Eylem等人的美国专利申请公布US 2004/0175613 Al中。阳极诸如阳极14也可包括放气抑制剂。放气抑制剂可为无机材料，如铋、锡、铅 和铟。作为另外一种选择，放气抑制剂可为有机化合物，例如磷酸酯、离子表面活性剂或 非离子表面活性剂。离子表面活性剂的实例公开于，例如，Chalilpoyil等人的美国专利 4，777，100 中。在一些实施方案中，电池可包括氢重组催化剂以降低可能在电池中由阳极产生 的氢气量(例如，当阳极包括锌时)。氢重组催化剂描述于例如Davis等人的美国专利 6，500, 576和Kozawa的美国专利3，893，870中。作为另外一种选择或除此之外，电池还可 被构造成能包括压敏阀门或排气口，诸如Tomantschger等人的美国专利5，300, 371中所描 述的那些。在一些实施方案中，电池诸如电池10可为一次电化学电池。一次电池是指仅放 电(如，放电至耗尽)一次，然后丢弃。一次电池单元不打算再充电。一次电池描述于例如 David Linden 的 Handbook of Batteries (McGraw-Hill，第 2 版，1995)中。在其它实施方 案中，本文所述的部件可用在二次电化学电池内。二次电化学电池可再充电多次(如，大 于五十次、大于一百次、或更多次)。在一些实施方案中，二次电池可包括相对坚固的隔板， 如具有许多层的隔板和/或较厚的隔板。二次电池单元还可设计成使其能适应可能在电池单元中发生的变化，如溶胀。二次电池描述于例如Falk & Salkind的“Alkaline Storage Batteries，，，John Wiley & Sons, Inc. 1969 ；和 Virloy 等人的美国专利 345，124 中。电池诸如电池10可具有许多不同电压(例如，1.5V、3. 0V、4. OV)中的任何一种，和 /或可为例如AA、AAA、AAAA、C、或D电池。虽然电池10为圆柱形的，但在一些实施方案中， 电池可为非圆柱形的。具有一种或多种本文所述部件的电池可具有小于2%的概率在跌落试验前OCV测 量和跌落试验后OCV测量之间经历大于0. 01伏的电压降(例如，在对电池进行跌落试验之 后，小于2%的具有一种或多种所述部件的相同电池可具有小于0. 01伏的电压降)。跌落 试验包括以下步骤从1米的高度使电池跌落六次到混凝土表面上，包括使每个电池跌落 使得电池的每个末端触地两 次，并且使得其沿电池外壳的侧面触地两次；并且在六次跌落 之后且在用跌落试验后OCV测量测试电池之前，将电池在室温下贮藏至少24小时。此外， 具有一种或多种本文所述部件的电池还可具有至少98%的概率在跌落试验之后保留电池 容量的至少95% (例如，在跌落试验之后，至少98%的具有一种或多种所述部件的相同电 池保留它们容量的至少95% )。已描述了许多实施方案。但是应当理解，在不背离本公开的实质和范围的条件下 可进行各种修改。例如，上述部件中的每个均可单独使用或可与其它部件组合使用。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(a)外壳；(b)在所述外壳内的阴极，所述阴极限定阳极腔体并具有邻近所述腔体的顶部表面；(c)沉积在所述阳极腔体内的阳极；(d)在所述阳极和所述阴极之间的分隔体；(e)接触所述阳极和所述阴极的碱性电解质；和(f)沉积在所述阴极的顶部表面上的保护层。
2.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包含锌，并且所述阴极包含二氧化锰。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述分隔体包括卷绕成套管的分隔体材料片，所述 套管具有纵向壁，所述纵向壁限定对应于所述阳极腔体的尺寸的横截面形状。
4.如权利要求3所述的电池，其中所述分隔体在所述套管的至少一个纵向末端包括多 个凹口，所述凹口限定多个片段。
5.如权利要求4所述的电池，其中所述多个片段相对于所述套管的纵向壁径向地向内 设置以限定横向壁。
6.如权利要求5所述的电池，其中所述外壳包括电池封闭件，所述电池封闭件具有设 置在所述阳极腔体上方的凸形内表面，并且其中所述横向壁具有凸面形状并邻接所述凸形 内表面。
7.如权利要求4所述的电池，其中所述套管包含按所述套管的表面积计至少80%重叠 的纸材，并且所述多个片段径向向外延伸以限定保护层。
8.如权利要求3所述的电池，其中所述套管具有按所述套管的表面积计至少25%重叠 的纸材。
9.如权利要求1所述的电池，其中所述保护层包括垫圈形的分隔体材料片。
10.如权利要求1所述的电池，其中所述保护层为电绝缘的并且包含耐氢氧化钾的聚 合材料，优选地所述聚合材料为选择的基于聚酰胺的密封剂、基于浙青的密封剂、以及它们 的组合。
11.如权利要求1所述的电池，其中所述保护层包括聚乙烯醇层，优选地所述聚乙烯醇 为交联的。
12.如权利要求1所述的电池，其中所述保护层包括乙烯-醋酸乙烯酯聚合物层或乙酸 乙烯酯/乙烯共聚物层。
13.如权利要求1所述的电池，所述电池在所述阴极或所述阳极的顶部表面、或者所述 阴极和所述阳极的顶部表面上还包括交联的聚乙烯醇层。
14.如权利要求1所述的电池，所述电池还包含沉积在所述腔体内的阳极上的凝胶，所 述凝胶材料包含一定量的所述电解质和一定量的也存在于所述阳极内的胶凝剂。
15.如权利要求1所述的电池，其中小于2%的具有与所述电池相同结构的电池在跌 落试验前开路电压测量和跌落试验后开路电压测量之间经历大于0.01伏的电压降，所述 跌落试验由下列步骤组成使每个电池从1米的高度跌落六次到混凝土表面上，包括使每 个电池跌落使得所述电池的每个末端触地两次，并且使得其沿所述电池外壳的侧面触地两 次；并且在所述六次跌落之后并且在所述跌落试验后开路电压测量之前，将所述电池在室 温下贮藏至少24小时。
全文摘要
本发明涉及一种碱性电池，所述碱性电池可包括外壳、在外壳内的阴极、阳极、位于阳极和阴极之间的分隔体、以及接触阳极和阴极的碱性电解质。阴极限定阳极腔体，并且阳极沉积在阳极腔体内。阴极具有邻近阳极腔体的顶部表面。该电池可包括沉积在阴极的顶部表面上的保护层和/或沉积在阳极上的凝胶塞。保护层可包括涂覆到阴极的顶部表面上的PVA层。
文档编号H01M4/50GK101960642SQ200980106881
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月18日 优先权日2008年2月29日
发明者A·B·谢勒肯, D·W·吉邦斯 申请人:吉列公司