用于生产锌粉末的离心雾化法的制作方法

专利名称：用于生产锌粉末的离心雾化法的制作方法
技术领域：
本发明涉及对利用离心雾化方法来生产此类锌或锌合金粉末进行改进。在本发明的改进的离心雾化方法中，从固体锭在电炉中生产熔融锌。该锌优选 地包含零添加的汞以便锌中的汞含量小于约100ppm(按重量计的份数/百万份)。锌可 包含合金添加剂诸如铟、铋、铝或铅。例如，可理想地将铟、铋、铝和铅中的一种或全 部加入到熔融锌中。按锌的重量计，铟可按通常介于约50ppm和1500ppm(份数/百万 份)之间的量加入，铋可按介于约5ppm和IOOOppm之间的量加入，铝可按介于约5ppm 和IOOppm之间，优选介于约5ppm和25ppm之间的量加入，并且铅可按介于约IOOppm 和IOOOppm之间的量加入。优选地，在熔融锌中存在零添加的铅以便锌中的铅含量小于 约lOOppm。(如本文所用，术语锌应当被理解为可能包括此类锌合金。)熔融锌通过 传送线(流槽)从该炉传送至小的电热漏斗(中间罐)，所述漏斗将熔融锌保持在介于约 450 V和550°C之间，通常约500 V的温度。熔融锌通过喷嘴从加热的漏斗中甩出，所述喷嘴产生熔融锌流，所述熔融锌流 冲击由电动马达驱动的旋转的盘的表面。该盘封装在雾化室内，所述雾化室具有小于约 lOvol.%的相对低的氧含量的气氛。雾化室中的氧含量理想地介于约lvol%和6vol%之 间。已确定的是，该室中所期望的氧含量介于约1.5V01%和5.5V01%之间，例如介于约 1.5vol%和4.5vol%之间，或介于约4.0vol%和4.5vol%之间。该气体组合物的其余部分 为不与锌起反应的氮或其它气体，诸如氩或氦。雾化室中的气氛保持在约大气压，通常 保持在仅略微高于大气压的压力，例如最大高于大气压约3psi (20.7 X IO3帕)。通过使用 循环冷却剂夹套或者通过使雾化气体经过换热器并且将冷却的气体回收利用到室中，使 室中气氛的温度介于约75° F和140° F(23.9°C和60.0°C )之间，优选介于约100° F和 140° F(37.8°C禾口 60.0°C )之间。在雾化室内，本发明的盘保持以介于约10,OOOrpm和15,OOOrpm之间，理想地介 于约12,OOOrpm和14,000rpm(每分钟转数)之间的转速旋转。当熔融锌流冲击盘表面时
形成薄膜，所述薄膜覆盖暴露的盘表面。熔融锌薄膜移向旋转的盘的周边边缘，在该位 置其被离心力从盘上甩出，从而向被甩出质量的熔融金属赋予动能。随着其被甩出，形 成熔融锌小滴并且悬浮在该室内。当小滴冷却时，就形成了锌粉末产品，所述产品可通 过出口槽从室中取出。根据本发明的离心雾化方法，已确定有利的是，使旋转的盘以介于约10,OOOrpm 和15,OOOrpm之间，优选介于约12,OOOrpm和14,OOOrpm之间的提高的转速运行，同时使 雾化室中的氧含量介于约1vol.%^P 6vol.%之间，优选介于约1.5vol.%^P 5.5vol.%之间， 例如介于约1.5vol.%和4.5vol%之间，或理想地介于约4.0vol.%和4.5vol%之间。盘在其中具有用于接纳熔融锌的杯形腔体。盘可在其中具有杯形腔体，所述腔体不具有任何导 流板。作为另外一种选择，盘可在其中具有整体导流板，所述导流板从腔体壁伸出并且 突出到开式腔体中。因此，可通过本发明的雾化方法生产成批的锌粉末，其中锌粒度的 中值D50理想地介于约90和135微米之间，例如介于约90和120微米之间。(除非另 外指明，如本文所用，术语粉末样本的平均粒度为D50中值粒度，所述粒度通过常规激 光散射方法确定。)用本发明的雾化方法生产的锌粉末通常可具有介于约60和510微米 之间的锌粒度分布，其中至少一些锌粒具有60微米或更小的粒度，并且按重量计锌粒中 的小于具有大于510微米的粒度。用本发明的雾化方法生产的锌粉末通常可具有介于 约50和510微米之间的锌粒度分布，其中至少一些锌粒具有50微米或更小的粒度，并且 按重量计小于的所述锌粒具有大于510微米的粒度。用本发明的雾化方法生产的锌粉 末甚至可具有介于约30和510微米之间的锌粒度分布，其中至少一些锌粒具有30微米或 更小的粒度，并且按重量计小于的所述锌粒具有大于510微米的粒度。本发明的改进的雾化方法利用介于IOOOOrpm和15000rpm之间，优选介于 12000rpm和HOOOrpm之间的更高的盘转速，同时室中氧含量优选介于约lvol%和6vol% 之间，优选介于约1.5V01%和5.5V01%之间，因此导致锌粒的粒度小于此类方法常规操作 时的情况。在碱性电池(例如，具有包含二氧化锰的阴极的碱性电池)中使用此类锌产 品作为活性阳极材料会使这些电池的性能得到改进，尤其是在高放电率应用中，诸如对 于用作数字照相机的电源。虽然不能确信，但除了更小的粒度本身以外，由本发明的改 进方法得到的辅助锌特性也可有助于改进碱性电池的性能。本文的锌产品的此类辅助特 性可包括如下因素诸如锌粒形状分布、以及锌粒表面纹理和表面形态。通过本发明的 改进方法生产的产品样本中可存在不同的锌粒形状。此类锌粒形状可包括例如规则或不 规则的针状、规则或不规则的多边形、具有直边和弓形边的组合的颗粒、以及球形或基 本上为球形。用本文的方法制备的锌粉末的此类辅助物理特性如粒状颗粒形状分布以及 颗粒表面纹理也可有助于该锌在碱性电池中的有益特性。此类特性不能够容易地定义或 测量。用本发明的改进方法制备的锌粉末可单独使用，或与其它锌粉末共混以形成最 终锌粉末混合物，所述混合物用作碱性电池中的阳极活性材料。期望用作碱性电池中的 阳极活性材料的锌粉末中的按重量计至少约50%，例如锌粉末中的按重量计至少约60% 由本发明的改进方法来制备。优选地，用作碱性电池中的阳极活性材料的锌粉末中的按 重量计介于约50和75%之间由本发明的改进方法来制备。用于碱性电池阳极的锌粉末的 其余部分通常可作为锌细粒而加入，所述锌细粒具有200粒度(0.075mm)或更小或325粒 度(0.045mm)或更小的平均粒度。例如，可将足够的200粒度或更小的锌细粒加入到用 本发明的方法制备的锌粉末中，以便尺寸为200粒度或更小的总锌细粒构成要用作碱性 电池中的阳极活性材料的总锌粉末的按重量计介于约10%和50%之间。可将足够的325 粒度或更小的锌细粒加入到用本发明的方法制备的锌粉末中，以便尺寸为325粒度或更 小的总锌细粒构成要用作碱性电池中的阳极活性材料的总锌粉末的按重量计介于约10% 和50%之间。(所提及的粒度为常规的Tyler粒度，所述粒度对应于颗粒可穿过的以毫米 计的特定筛正方形开口。根据U.S.A.Standard Screen ASTME-11规格，200的Tyler粒度对 应于0.075mm的筛正方形开口，并且325Tyler粒度对应于0.045mm的筛正方形开口。)
在本发明的一个主要方面，盘构型(用于接纳熔融锌流)不具有突出到杯腔体中 的导流板。通常由石墨材料构成的盘具有总体基本上圆柱形的形状。盘内的杯形腔体 具有开口端和相对的封闭端，在它们之间具有整体侧壁。杯的封闭端由平坦底部表面形 成。杯形腔体可具有整体成形的直的或倾斜的侧壁。优选地，腔体侧壁表面的一部分向 外弯曲。也就是讲，当从其开口端向杯腔体内观察时是凸面形状的。盘在开口端具有顶 部表面，所述顶部表面邻接盘的顶部周边边缘。顶部表面具有平坦部分，所述平坦部分 从顶部周边边缘伸出并且过渡至形成杯腔体的侧壁。杯腔体侧壁理想地具有向外弯曲的 表面部分，所述部分过渡到垂直表面中，所述垂直表面邻近于杯的封闭底部。杯的侧壁 和底部表面的交会部可略微向内斜(凸面)以便在该交会部存在平滑表面。由于杯腔体 被包含在盘主体内，因此其具有小于盘总体直径的直径和小于盘总体深度的深度。在本发明的另一方面，盘构型(用于接纳熔融锌流)可具有杯形腔体，所述腔体 具有突出到杯腔体中的多个整体导流板。通常由石墨材料构成的盘具有总体基本上圆柱 形的形状。盘内的杯形腔体具有开口端和封闭端，在它们之间具有整体侧壁。杯形腔体 可具有直的或倾斜的侧壁。由于腔体被包含在盘主体内，因此其具有小于盘总体直径的 直径和小于盘总体深度的深度。盘的特征在于多个整体成形的导流板，所述导流板突出 到所述腔体中。具体地讲，导流板发源于腔体侧壁，并且延伸或突出到盘内的杯形腔体 中。突出到杯形腔体中的导流板可具有直的侧壁，或它们的侧壁可为弯曲的。如果 利用弯曲的侧壁导流板，则它们优选全部在相同的方向上弯曲。例如，导流板侧壁可在 盘旋转方向上向内弯曲。导流板的顶部表面可为直的或向下倾斜的。也就是讲，如果 让所述腔体的开口端处在顶部来观察盘，则当其在从腔体侧壁朝腔体中心的方向上横过 时，导流板的顶部表面可向下倾斜。在一个方面，导流板可具有顶部表面。当让腔体的开口端处在顶部来观察盘 时，所述顶部表面与盘的顶部暴露表面齐平，或至少近似齐平，或基本上齐平。在另一 方面，导流板可具有顶部表面，所述顶部表面从盘的顶部表面凹进。也就是讲，当让腔 体的开口端处在顶部来观察盘时，导流板的顶部表面可设置在盘的顶部表面之下。因此，如果导流板呈具有直的侧壁和平坦顶部表面的形式，则其通常可具有多 面体形状。例如，其可基本上为三棱柱构型。如果导流板呈具有弯曲侧壁的形式，则其 可仍然具有基本上多面体形状的总体形状，不同的是，侧壁可略微或适度地弯曲，类似 于弓形或半球形表面形状。本发明的具有突出到盘的杯形腔体中的导流板的盘设计可用来减小熔融锌薄膜 相对于盘表面的离心滑移。因此，可保存离心能并且将其高效地赋予盘表面上的熔融锌 薄膜。对于给定的盘转速，与不具有导流板的盘相比，这可增加赋予给定被甩出质量的 熔融锌的动能并且导致更小的粒度。然而，在极高的盘转速下，在例如介于约IOOOOrpm 和15000rpm之间时，可形成熔融锌在盘的顶部表面上的波状运动。该可导致熔融锌在盘 的顶部表面上流动的不均勻性，因而可略微抵销导流板的有益效果。无导流板的杯形盘 似乎阻抗盘的顶部表面上的任何明显波状作用的形成。因此，虽然本发明的具有导流板 的盘实施方案可具有很多有益效果，但无导流板的杯形盘是一种用于生产锌粉末的有效 盘设计，尤其是在介于约IOOOOrpm和15000rpm之间的高转速下。
附图概述参考附图可更好地理解本发明，其中

图1为离心雾化设备的示意图。图2为用于离心雾化的可旋转的盘的所期望构型的一个实施方案，其中盘不具 有任何延伸到盘内杯腔体中的导流板。图2A为用于离心雾化的可旋转的盘的另一个所期望构型的一个实施方案，其中 可旋转的盘具有全深度直壁导流板，所述导流板延伸到盘内杯腔体中。图2B为改进的用于离心雾化的可旋转的盘的一个实施方案，其中盘具有减小深 度的直壁导流板，所述导流板延伸到盘内杯腔体中。图3A为改进的用于离心雾化的可旋转的盘的一个实施方案，其中盘具有全深度 曲壁导流板，所述导流板延伸到盘内杯腔体中。图3B为改进的用于离心雾化的可旋转的盘的一个实施方案，其中盘具有减小深 度的曲壁导流板，所述导流板延伸到盘内杯腔体中。图4为碱性电池的横截面剖视图，所述电池具有包含用本发明的雾化方法制备 的锌粉末的阳极。发明详述离心雾化方法和设备10示于图1的示意图中。在离心雾化方法中，将纯固体锌 锭13插入到电感应炉12中并且在炉12内转换加工成锌熔融金属。(如果锌旨在用作用于 碱性电池的阳极材料，则可按如下的量将合金添加剂诸如铟和铋加入到熔融锌中按锌 的重量计，通常介于约IOOppm和1500ppm之间的铟以及介于约IOOppm和IOOOppm之间 的铋。任选地，合金添加剂铅也可按如下的量加入按锌的重量计，通常介于约IOOppm 和IOOOppm之间。)因此最终通过雾化方法生产的粒状锌合金具有基本上纯锌的电化学 容量。因此，术语用作碱性电池中的阳极材料的“锌”应当被理解为包括此类锌合金。 优选地，熔融锌包含零添加的汞和零添加的铅。因此，所生产出的锌粒包含小于IOOppm 的汞和小于IOOppm的铅。然后使熔融锌从电炉12穿过传送线18 ( “流槽”)到达小的电热漏斗20( “中 间罐”)。加热的漏斗20( “中间罐”)保持均勻的熔融锌流，所述熔融锌流然后穿过 喷嘴24成为熔融锌的直的稳定流26，所述稳定流冲击到旋转的盘100的中部上。旋转的 盘100包含在雾化室14内，如图1所示。电驱动马达22提供在室14的外面并且与传动 轴33连通，所述传动轴使盘100以所期望的速度旋转。盘100通常可由石墨构成，但盘 100也可由可承受高温的其它材料构成，诸如钨或陶瓷材料。盘100可在其中具有杯形腔 体50(图2)，所述腔体不具有任何突出到腔体空间中的导流板。盘100可包括内部导流 板IlOa或110b，它们突出到腔体空间中，分别如图2A或2B所示。(作为另外一种选 择，盘100可被替换为图3A或3B最佳所示的构型。)当熔融锌流冲击旋转的盘100的 中部时，熔融锌薄膜在盘100的顶部表面上形成。熔融薄膜质量通过离心力移动至旋转 的盘100的周边边缘。当熔融锌被从盘表面上甩出时，其形成细小液体金属小滴28，所 述小滴喷雾到通常由钢制成的雾化室14中。当熔融小滴冷却时，它们固化成锌或锌合金 颗粒，可将所述颗粒收集为锌粉末35，所述粉末旨在通过槽30从室14中取出。雾化室14的内部气氛保持在相对低的氧含量，理想地具有介于约Ivol. %和6vol.%之间，例如介于约1.5vol. %和5.5vol%之间，例如介于约1.5vol. %和4.5vol%之 间，或理想地介于约4.0vol. %和4.5vol%之间的氧含量。室14内的气体气氛的其余部 分可包括惰性气体，通常为氮。然而其它惰性气体(即就与锌不起反应而言是惰性的) 诸如氩或氦也可单独使用或以混合物使用或以与氮的任何混合物形式使用。(必须控制 室14内气氛的氧含量，以便氧不超过约10vol. %的水平，因为氧含量更高时，有可能与 熔融锌的细小喷料28形成爆炸性混合物。)室14内的气体气氛15可保持在大气压，并 且理想地保持在介于75° F和140° (23.91和60.0°0之间，优选介于约100° F和 140° F(37.8°C和60.0°C )之间的温度。这可通过如下方式来实现在室14的周围施加 循环冷却剂夹套(未示出)或者使雾化气体经过换热器并且将冷却的气体回收利用到室14 中。应当理解，取决于所期望的锌粉末的生产率，如上所述的雾化设备(图1)在尺 寸上可按比例增大或减小。选择具备足够功率的电驱动马达122，以便可设定盘100以 提高的速度旋转，所述速度理想地介于约10,OOOrpm和15,OOOrpm(每分钟转数)之间，优 选介于约12,OOOrpm和14,OOOrpm之间。盘100 (通常由石墨构成)的尺寸和重量是预定 的，以便可选择具备足够马力的马达来以所期望的转速驱动该盘。具体的实施方案可旋转的盘100设计的优选实施方案示于图2至3B中。盘100的一个优选实施方案最佳示于图2中。盘100 (图2)具有开口端58和相 对的封闭端48以及它们之间的整体侧壁40。盘的整体侧壁40具有面向盘外部的外表面 46和面向盘内部的内侧表面56。盘100具有总体基本上圆柱形的形状。盘100内具有 杯形腔体50。腔体50由底部表面57、相对的开口端58和整体侧壁56限定。因此，在 盘的外侧表面46和内侧表面56之间存在固体盘材料的厚度。侧壁外表面46在其底部由 底部边缘42限定，所述底部边缘包围盘的封闭端48，并且侧壁外表面46在其顶部由顶部 边缘44限定，所述顶部边缘包围开口端58。存在盘100的顶部周边表面45 (图2)，所 述表面从周向顶部边缘44延伸到腔体50中。顶部周边表面45通过杯腔体侧壁56之间 的整体倾斜的过渡表面59过渡到杯腔体侧壁56中。过渡表面59优选地向外弯曲。也 就是讲，当从盘的开口端观察时为凸面形状。在所期望的具体实施方案中，由外表面46 限定的盘100 (图2)的外径可为约4.75英寸，腔体底部表面57可为约2.60英寸，并且杯 形腔体50的深度可为约1.0英寸。顶部表面45可任选地具有从顶部边缘44测量的约0.1 英寸的小的平坦部分。顶部表面45的平坦部分过渡到向外弯曲表面59中，所述弯曲表 面可具有介于约0.8和1.0英寸之间的曲率半径。向外弯曲的过渡表面59终止于邻近杯 的底部表面57的小深度垂直表面53中。在杯的侧壁56和杯的底部表面57的交会部可 存在略微向内斜(凹面)的表面52。盘100的一个可供选择的实施方案示出于图2A中。盘100具有封闭端137和相 对的开口端138以及它们之间的整体侧壁120。盘100具有总体基本上圆柱形的形状。 在盘100内存在杯形腔体130。腔体130由底部表面137、相对的开口端138和整体侧 壁136限定。盘的整体侧壁120具有面向盘外部的外表面126和面向盘内部的内侧表面 136。内侧表面136也形成腔体130的侧壁。因此，在盘的外侧表面126和内侧表面136 之间存在固体盘材料的厚度。侧壁表面126在其底部由底部边缘122限定，所述底部边缘包围盘的封闭端137，并且侧壁表面126在其顶部由顶部边缘124限定，所述顶部边缘 包围开口端138 (图2A)。存在盘100的顶部周边表面125，所述表面从周向顶部边缘124 延伸到腔体130中。本发明的改进盘100的特征在于多个整体导流板110a，所述多个导 流板具有前沿114a，所述前沿从内侧壁表面136延伸到杯腔体130中。导流板IlOa基本上为多面体形状。在图2A所示的实施方案中，导流板IlOa基 本上为多面体形状，更具体地讲类似于三棱柱。因此，导流板IlOa(图2A)具有平坦的基 本上三角形的顶部表面Illa和从所述顶部表面向下延伸的平坦(非弯曲)的侧面112a。 代表性导流板IlOa的垂直深度从其顶部表面Illa测量至其底部表面113a。如图2A所 示的导流板IlOa的特征还在于它们的横过腔体130的全深度的垂直深度。也就是讲，代 表性导流板IlOa(图2A)的垂直深度横过腔体130的全深度，所述全深度从腔体130的底 板137向上测量至顶部表面125。在该实施方案的一种变型中，在导流板IlOa的底部表 面和腔体130的底板137之间可存在空间。在此类情况下，导流板IlOa的垂直深度将小 于腔体130的深度。然而，在此类实施方案中，导流板IlOa的顶部表面Illa将仍然与 盘100的顶部周边表面125相齐或至少近似相齐或基本上相齐，如图2A所示。盘100的另一个可供选择的实施方案示出于图2B中。在该实施方案中，利用了 多个代表性导流板110b，它们类似于如上所述的导流板110a。导流板IlOb (图2B)和导 流板110a(图2A)之间的主要差别在于，导流板IlOb是凹进的，S卩，它们从盘100的顶 部表面125移位。因此，导流板IlOb的顶部表面Illb不与盘的顶部表面125齐平，而 是顶部表面Illb位于盘的顶部表面125的下方。导流板IlOb的底部表面113b可接触腔 体130的底板137，或作为另外一种选择，底部表面113b可与底板137间隔开。导流板 IlOb的构型(图2B)在其他方面均相同于或类似于导流板IlOa的构型(图2A)。也就 是讲，导流板IlOb可具有与导流板IlOa相同的形状。然而，在图2B所示的一个优选实 施方案中，导流板IlOb的顶部表面Illb为向下弯曲的，以便前沿113b比导流板顶部表 面Illb处在更进入到盘腔体130中的水平。因此，被测量为顶部表面Illb和底部表面 113b之间的距离的导流板IlOb的垂直深度在靠近盘的内壁136处比在导流板的前沿114b 处更大。在本发明的另一个实施方案中，盘可具有图3A和3B所示的构型。这些实施方 案分别类似于图2A和2B所示的实施方案，不同的是，导流板具有弯曲的侧面。因此， 在图3A所示的实施方案中，盘100具有以下特点盘100具有封闭端237和相对的开口端238以及它们之间的整体侧壁220。在盘 100内存在杯形腔体230。腔体230由底部表面237、相对的开口端238和整体侧壁236 限定。盘的侧壁220具有外表面226和内侧表面236，所述外表面形成盘100的外侧表 面，所述内侧表面形成限定盘100内腔体230的侧壁表面。因此，在外侧表面226和内 侧表面236之间存在固体盘材料的厚度。外侧表面226在其底部由底部边缘222限定， 所述底部边缘包围盘的封闭端237，并且侧面226在其顶部由顶部边缘224限定，所述顶 部边缘包围开口端138 (图2A)。存在盘100的顶部周边表面225，所述表面从周向顶部 边缘224延伸到腔体230中。本发明的改进盘100的特征在于多个整体导流板210a，所 述多个导流板具有前沿214a，所述前沿从内侧壁表面236延伸到杯腔体230中。导流板210a基本上为多面体形状，不同的是，侧面212a略微或适度地弯曲成类似于弓形或半球形表面形状，如图3A所示。优选地，存在一对相对的弯曲侧面212a， 一个为凸面形状，并且所述相对的表面为凹面形状，如图3A所示。在图3A所示的实施 方案中，导流板210a基本上为多面体形状，更具体地讲类似于三棱柱，不同的是，侧壁 212a略微或适度地弯曲成类似于弓形或半球形表面形状。因此，导流板210a(图2A)可 具有平坦或基本上平坦的顶部表面211a和从所述顶部表面向下延伸的一对弯曲的相对的 侧面212a。(顶部表面211a当其在从壁236朝腔体230的中心的方向上横过时也可向下 倾斜。)导流板210a具有侧壁212a，所述侧壁优选地全部在相同的方向上弯曲，如图3A 所示。在图3A所示的构型中，导流板侧壁212a全部在盘旋转方向即逆时针方向上向内 弯曲。代表性导流板210a的垂直深度从其顶部表面211a测量至其底部表面213a。如图 3A所示的导流板210a的特征还在于它们的横过腔体230的全深度的垂直深度。也就是 讲，代表性导流板210a(图3A)的垂直深度横过腔体130的全深度，所述全深度从腔体 230的底板237向上测量至顶部表面225。在该实施方案的一种变型中，在导流板210a的 底部表面和腔体230的底板237之间可存在空间。在此类情况下，导流板210a的垂直深 度将小于腔体230的深度。然而，在此类实施方案中，导流板210a的顶部表面211a将 仍然与盘100的顶部周边表面225相齐或至少近似相齐或基本上相齐，如图3A所示。盘100的另一个可供选择的实施方案示出于图3B中。在该实施方案中，利用了 多个代表性导流板210b，它们类似于如上所述的导流板210a。因此，导流板210b基本 上为多面体形状，但其中侧面212b略微或适度地弯曲成类似于弓形或半球形表面形状， 如图3B所示。导流板210b(图3B)和导流板210a(图3A)之间的主要差别在于，导流 板210b是凹进的，也就是讲，它们从盘100的顶部表面225移位。因此，导流板210b 的顶部表面211b不与盘的顶部表面225相齐，而是顶部表面211b位于盘的顶部表面225 的下方。导流板210b的底部表面213b可接触腔体230的底板237，或作为另外一种选 择，底部表面213b可与底板237间隔开。否则的话导流板210b的形状和构型(图3B) 可相同于或类似于导流板210a的形状和构型(图3A)。在图3B所示的优选实施方案中， 导流板210b的顶部表面211b可为平坦或基本上平坦的。作为另外一种选择，顶部表面 211b可任选地当其在从壁236朝腔体230的中心的方向上横过时向下弯曲或倾斜。导流 板210b具有侧壁212b，所述侧壁优选地全部在相同的方向上弯曲，如图3B所示。在图 3B所示的构型中，导流板侧壁212b全部在盘旋转方向即逆时针方向上向内弯曲。
实施例本发明的可旋转的盘100 (图2、2A或2B)或盘100(图3A或3B)可用于离心雾 化方法(图1)。图2所示的可旋转的盘100的实施方案不具有任何突出到杯腔体50中的 内部导流板。图2A和2B或图3A和3B所示的可旋转的盘100的实施方案具有整体成形 的内部导流板，所述导流板从形成杯腔体的侧壁突出到盘芯内的杯形腔体中。具有突出到杯腔体中的导流板的盘100的所期望的实施方案示于图2A和2B中。 内部导流板可具有图2A和2B分别所示的优选构型IlOa和110b。具有突出到杯腔体中 的导流板的盘100的另一个所期望的实施方案示于图3A和3B中。内部导流板可具有图 3A和3B分别所示的优选构型210a和210b。如上所述，将熔融锌或熔融锌合金从喷嘴 24注入到杯形腔体50 (图2)或杯形腔体130 (图2A和2B)或杯形腔体230 (图3A或3B)中。熔融锌所注入到其中的杯形腔体通常可具有介于约3和8英寸(7.6cm和20.3cm)之 间的直径和介于约0.5和2.0英寸(1.3cm和5.1cm)之间的深度。盘100(所有实施方案) 理想地以介于约IOOOOrpm和15000rpm之间，优选介于约12000rpm和14000rpm(每分钟 转数)之间的速度旋转。此类盘和盘转速可有效地用来以通常介于约1000和5000磅/ 小时之间的速率生产锌粉末。用该方法生产出的锌粉末35的D5tl中值粒度通常可介于约 80和350微米之间。作为一个非限制性实施例，雾化室14可被设计成适合于以约3000磅/小时的速 度生产锌粉末。为了获得此类锌粉末生产能力，盘100(图2)或盘100(图2A或2B)或 者盘100 (图3A或3B)可具有例如介于约5和7英寸(12.7cm和17.8cm)之间的总体直 径。杯形腔体50 (图2)或杯形腔体130 (图2A或2B)可具有介于约3和4英寸(7.6cm 和10.2cm)之间的直径和介于约1和2英寸(2.5cm和5.1cm)之间的深度。选择具备足够 功率的马达22以使得盘100能够以介于约10,OOOrpm和15,000rpm(每分钟转数)之间的 转速旋转。在这方面，室14在其最宽截面处的直径通常可为约28英尺。熔融锌在其作 为稳定流从喷嘴24穿过而冲击旋转的盘100的表面时温度可介于约450°C和550°C之间， 通常为约500°C。室气氛15可理想地包含介于约lvol.%和6vol.%之间的氧，优选介于 约1.5和5.5vol%之间，优选介于约1.5vol%和4.5vol%之间或介于约4.0vol%禾口 4.5vol% 之间，其余部分为氮。室气氛15可通过如下方式保持在大气压，并且保持在约75° F 和 140° F (23.9°C禾口 60.00C )，优选介于约 100° F 禾口 140° F (37.8°C禾口 60.0°C )之间的温 度使用循环冷却剂夹套(未示出)或者使雾化气体经过换热器并且将冷却的气体回收利 用到室14中。以该方式生产的锌或锌合金粉末产品35可通过出口槽30从室14中收集 并传送。锌粉末可具有用激光散射方法确定的通常介于约80和150微米之间的中值D5tl 粒度。盘100的实施方案(图2至3B)可生产出D5tl中值粒度理想地在介于约80和150 微米之间范围内的锌粉末，所述盘在雾化室15内以介于约10,OOOrpm和15,OOOrpm之间， 优选介于约12,OOOrpm和14,OOOrpm之间的速度旋转，所述雾化室具有介于约Ivol %和 6vol%之间，优选介于约1.5vol%和5.5vol%之间，例如介于约1.5vol%和4.5vol%之间的 氧含量。所生产出的锌粉末可具有介于约14和510微米之间的锌粒度分布，其中至少一 些锌粒具有14微米或更小的粒度，并且按重量计小于的所述锌粒具有大于510微米的 粒度。所生产出的锌粉末通常可具有介于约30和510微米之间的锌粒度分布，其中至少 一些锌粒具有30微米或更小的粒度，并且小于1 %的所述锌粒具有大于510微米的粒度。禾_了由本发日月的射去泡洛的铎粉末的AA驗丨牛申她阶件能制备了如代表性图4所示的一次AA型号圆柱形碱性电池(50X 14mm)，所述电 池具有包含粒状锌的阳极和包含粒状二氧化锰的阴极。该AA电池610被制备成具有电 池壳体620，所述壳体由钢形成，所述钢在内表面和外表面上镀有镍。壳体的内表面可涂 覆有导电材料，例如碳。电池中的阴极612理想地具有以下组成电解二氧化锰(80_90wt % )、石墨(3-lOwt % )、和7-10当量(“介于约 30-40wt%之间KOH浓度的含水KOH溶液”)(5_7wt% )。各实验中所用的测试AA电 池和比较AA电池具有相当的阴极组合物和阴极加裁量，S卩，相同量的电池阴极材料。这些阴极在组成上是类似的，其中每种阴极组分均具有在上述范围内的相同的组成值。阳极材料615在每种情况下均包括62_%至72wt%的锌合金粉末(包含铟 的99.9wt%的锌)、包含(32-36wt%&KOH和约2wt%&ZnO)的含水KOH溶液；丙 烯酸聚合物C940 (B.F.Goodrich)交联丙烯酸聚合物胶凝剂(介于O^wt^* 2wt%之间) 和WaterlockA-221 (Grain Processing Co.)接枝到淀粉主链上的水解的聚丙烯腈(介于 0.01wt.%和0.5wt.%之间；RM-510 (Rhodia)聚酯酚磷酸酯表面活性剂(50ppm)；三氯化 铟(100-200ppm)。阳极材料615包含零添加的汞和零添加的铅。因此，阳极中的汞含 量和铅含量为小于约IOOppm的汞和小于约IOOppm的铅。本文的实验中所用的各批测试AA电池和比较AA电池具有相同的阳极组合物和 加裁量以及相同的电解质。也就是讲，这些阳极在组成上是相同的，其中每种阳极组分 均具有在上述范围内的相同的特定值。然而，测试电池批和比较电池批中的每个中的锌 粒在粒度分布上均是不同的并且具有略微不同的物理特性和(形状和表面特征)，因为阳 极中的锌粒是通过在执行本发明的离心雾化方法的过程中使用不同的工艺参数制成的。在制备用于测试AA电池批和用于比较AA电池批的锌粒的过程中，在所有的测 试中均利用了如图2所示的旋转的盘构型100。如图2所示，盘100的该实施方案不具 有任何延伸到杯腔体50中的导流板。因此盘100的构型(图2)用于制备用于测试电池 和比较AA电池的锌粒。结合雾化室14中的介于约lvol%和6vol%之间，优选介于约 1.5vol%和5.5V01%之间的氧含量，如图2所示的盘构型100似乎在根据本发明所用的高 转速范围内给出了最佳的一致结果，所述范围即介于约IOOOOrpm和HOOOrpm之间，优 选介于12000rpm和14000rpm(每分钟转数)之间。如图2A-3B所示的其中具有导流板 的可供选择的盘设计是基于建模作出的，所述建模导致了可按所期望的高盘转速运行的 可操作的实施方案，所述转速介于约IOOOOrpm和HOOOrpm之间，优选介于约12000rpm 和HOOOrpm之间。这些盘的实施方案可生产出具有用作碱性电池中的阳极材料的有益 特性的锌粉末。然而，如图2所示的盘100设计是所期望的，因为其为一种较简单的设 计并且给出了锌产品的优异的一致性，所述锌产品在本发明的雾化方法条件下具有改进 的放电特性，所述条件包括介于约IOOOOrpm和HOOOrpm之间，优选介于约12000rpm和 HOOOrpm之间的高盘转速。具体地讲，如图2所示的在本发明的雾化方法中所用的盘设计100利用了优选介 于约12000rpm和HOOOrpm之间的高的盘转速和优选介于约1.5vol.%和5.5vol.%之间的 室氧含量，这使得导致锌粉末产品具有更多较小粒度的锌粒，从而有助于获得碱性电池 的改进的放电特性。因此，利用了此类锌产品的碱性电池(具体地讲是Ζη/Μη02碱性电 池)似乎表现出更长的使用寿命，尤其是在数字照相机所需的高脉冲消耗的情况下。应 当理解，用本发明的雾化方法生产出的锌产品还可与其它锌粉末例如小于约200粒度(75 微米)的锌细粒，优选小于325粒度(45微米)的锌细粒相混合，以进一步增强锌粉末的 放电特性。(见例如美国专利6,284,410B1。)因此，可通过如下方式进一步增强由本发 明的雾化方法生产出的锌粉末的性能将此类锌粉末与锌细粒相混合，以便用于碱性电 池阳极的总锌粒包括至少10重量％，例如介于约10重量％和50重量％之间的200粒度 (75微米)或更小的锌粒度。作为另外一种选择，可将锌细粒加入到由本发明的雾化方法 生产的锌粉末中，以便用于碱性电池的总锌粒包括至少10重量％，例如介于约10重量％和50重量％之间的325粒度(45微米)或更小的锌粒度。代表性碱性电池示于图4中以反映出测试电池和比较电池的基本构型。碱性电 池610 (AA型号)包括圆柱形钢壳体620，所述壳体具有封闭端614和开口端616。电池 填充有包含MnO2的阴极612、以及包含锌粒和电解质的阳极615。电解质包含KOH、 ZnO和胶凝剂的常规混合物。阴极612是以一系列压实的环形块612a的形式提供。阳 极和阴极由常规的离子多孔隔离膜690隔离，所述隔离膜包括层压到非织造纤维质纤维 材料上的玻璃纸。在填充好电池610之后，将绝缘插头660插入到开口端616中。绝 缘插头660可由聚丙烯、填充了滑石的聚丙烯、磺化聚乙烯或尼龙构成。本文的测试电 池和比较电池中所用的绝缘插头660由尼龙构成。插头660优选地搭扣配合在周向台阶 618周围，如图4所示，以便插头锁定到开口端616中的适当位置。壳体620的周边边缘 627卷曲到绝缘插头660的顶部上方。纸绝缘垫圈680施加到壳体620的卷曲的周边边缘 627上。绝缘垫圈680可为涂覆有聚乙烯的纸垫圈。端子端帽630焊接到集流体640的 头部上。然后将细长的集流体640插入(压配)到绝缘插头660的孔644中，以便端帽 630变得抵靠绝缘垫圈680。集流体640可选自多种已知的被发现用作集流体材料的导电 金属，例如黄铜、镀锡黄铜、青铜、铜或镀铟黄铜。测试电池和比较电池中所用的集流 体640由镀锡硅青铜构成。在将集流体640插入到孔644中之前，可将常规浙青密封剂 预施加在所述集流体周围。可将薄膜标签670施加在壳体620周围。端子端帽630变成 碱性电池610的负端子，并且壳体520的封闭端处的支托625变成正端子。将电池全部 以常规方式进行平衡，以便MnO2W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毫安小时每克锌合金)所得的商值为约1。制备了相同的AA型号的测试电池和比较电池，它们具有如上所述的相同的阳极 和阴极组合物、相同的碱性KOH电解质、和相同的电池组分和电池构造，不同的是测试 电池阳极中的锌是用本文所述的利用了本发明的特定工艺参数的雾化方法制备的。比较 AA电池中所用的锌具有常规的锌粉末共混物，所述共混物具有介于约140和900微米之 间的锌粒度分布和约290微米的D5tl中值粒度。测试电池和比较电池的阳极中所用的锌 粉末与相同量的约150ppm的铟熔合成合金。测试电池和比较电池中的阳极包含零添加的 铅和零添加的汞。数字照相机测试规程使新制的AA测试电池(它们包含用本发明的雾化方法制备的锌粉末)和比较 AA电池(其利用了上述的常规电池级锌粉末)经受Digicam放电规程。Digicam(数字 照相机放电规程)趋于模拟用常规数字照相机拍摄和观看照片所需的功率。Digicam规 程为一系列脉冲放电循环，其中每个循环由以下过程组成以1.5瓦特放电持续2秒，后 接0.65瓦特的放电持续28秒。重复这些循环10次，随后是55分钟的停歇。然后重复 这些循环直到达到1.05的截止电压。对于每个比较电池和每个测试电池，记录达到截止 电压所需的脉冲循环总数粒度(对应于1.5瓦特脉冲的数目)。每个被测试电池的相关的 Digicam结果提供在表1中(比较电池的结果被限定为100)。表1中的测试结果表1中提供了主要工艺参数，所述参数导致了锌粉末的产生，所述锌粉末用于 各批AA测试电池(批A-E)中的每个。具体地讲，表1中给出了盘100(图2)的高转速连同雾化室15中所用的氧含量，所述转速和氧含量用于生产用于测试电池批(A-E)中 的每个的锌粉末。表1中给出了所生产出的并用于测试电池批(A-E)中的每个的所得锌 粉末的具体物理特性。这些特性包括锌粒D5tl中值粒度以及锌粉末的Dl、DlO和D25粒 度。(例如，60微米的Dltl命名指示在样本中存在小于10wt%的小于60微米的锌粒。) 表1中也包括表观密度(堆积密度)，即，所生产出的锌粉末的g/cm3、以及它们的平均 BET 表面积(cm2/g)。可有趣地注意到，比较AA电池中所用的常规电池级锌粉末具有介于约125和 900微米之间的粒度分布。形成对比的是，如表1所示，用利用了本发明的特定工艺参数 的雾化方法生产出的锌粉末导致具有介于约50或60微米直至约510微米之间的粒度分布 的锌粉末产品。小于的所述锌粒具有大于约510微米的粒度，并且这些颗粒中的至少 一些具有60或50微米或更小的粒度。重要的是，如用利用了本发明的工艺参数的雾化 方法制备的锌产品的“D25”值所示，通常该产品中的约锌粒具有小于100微米 的粒度。表1中所提供的D25值中的大部分低于约90微米的值，这指示按本发明的雾化 方法生产出的锌粉末中的大部分中的25wt%具有小于约90微米的粒度。因此，与在比较 AA碱性电池中所用的商业电池级锌粉末相比，在用本发明的雾化方法生产出的锌粉末中 存在更多的较小锌粒和更少的较大锌粒。这突显出了在碱性电池的阳极中利用较大百分 比的较小粒度的锌粒以便获得更好的高速率性能的价值。虽然这也指示于共同转让的美 国专利6,284,410B1中，但本文所述的利用了本发明的工艺参数的雾化方法反映出一种特 定方法，通过所述方法可生产出其中具有较大百分比的所期望的较小粒度的锌粒的锌粉 末。这意味着如下的锌粉末可用一种方法即本文所述的雾化方法来制备所述锌粉 末具有较大百分比的较小粒度的锌粒，诸如粒度小于100微米(锌细粒)，例如介于约30 和100微米粒度之间的锌粒。因此可用本发明的雾化方法生产出成批的锌粉末，所述锌 粉末具有介于约90和135微米之间的中值D5tl锌粒度。因此，可生产出当用于碱性电池 的阳极中时具有改进的放电特性的锌粉末，而不会发生因加入用某种其它方法生产的锌 细粒而产生的附加费用。如果期望从某个其它来源加入锌细粒(200粒度或更小的或325 粒度或更小的)，则将需要较少的这些锌细粒，因此降低了生产用于碱性电池的最终锌粉 末的成本。如下的表1示出了利用用于碱性电池的锌粉末的有益效果，其中锌粉末用本发 明的雾化方法制备Hli式碱t牛AA申她的申她t牛能T用雾化方法泡丨备的铎粉末禾U用了本发日月的工 艺参数测试脉冲循盘速度室氧锌粒堆积密度BEl相关环至rpmVol.%粒度，微米1gm/cc积C电池1.05VDlDlOD25D50A136135001.5204866963.78300B133135003.52652741093.16348C137122003.54262871293.12329D136150005.51449691023.34368E155122005.53963891332.98348比较电池10052001.581_■2902.9100注1.测试碱性电池A-E中所用的锌粉末是用本发明的改进的雾化方法专门制备 的。测试电池A-E中所用的该锌粉末包含按重量计小于的锌粒，所述锌粒具有大于 约510微米的粒度，并且如所述的那样，至少一些所述锌粒具有60微米或更小或50微米 或更小或30微米或更小的粒度。(例如，测试电池A中的20微米的Dl命名指示按重量 计小于的由本发明的方法制备的锌粒具有小于20微米的粒度。)如由表1可见，结合介于约1.5vol.%和5.5vol.%之间的室氧含量，盘(图2)的 转速在增加至约12000rpm至13500rpm的水平时，生产出了产生改进的碱性电池性能的锌 粉末。结合上述的介于约1.5V01.%和5.5V01%之间的室氧含量，这种更高的盘速度生产出 了具有更小中值D5tl粒度的锌粉末，这与具有约290微米的高得多的中值(D5tl)粒度的常 规电池级锌粉末形成对比。除了更小的粒度本身以外，起因于本发明的改进方法的辅助 锌特性也可有助于改进碱性电池的性能。锌产品的此类辅助特性可包括如下因素诸如 颗粒形状分布、平均BET表面积(cm2/g)、以及颗粒表面纹理和表面形态。结论结合介于约1.5vol %和5.5vol %之间的室氧并利用了介于约12000rpm至 HOOOrpm之间的更高水平的盘转速的本发明的雾化方法导致了具有更低D5tl中值粒度的 锌粉末。此类锌粉末产生出了更好的碱性电池的高放电率性能，这与使用以约5200rpm 的较低盘转速制备的锌粉末的相同电池形成对比。应当理解，虽然测试结果是针对AA圆柱形型号的碱性电池，但本发明不旨在局 限于该电池型号。图4所示的电池610可为AA电池，或也可为其它型号。因此，图4 所示的碱性电池是代表性的并且不旨在局限于任何特定型号。电池形状通常为圆柱形， 但也可为例如具有一个或多个基本上平坦的侧面的其它形状。因此，举例来讲，电池可 具有棱柱或矩形(立方体)形状。圆柱形碱性电池型号通常可为标准AAAA(42X8mm)、 AAA(44X 10mm) > AA(50X 14mm) > C(49X25mm)和D(58X32mm)型号。由本发明的 雾化方法生产出的锌粉末适用于碱性电池阳极、尤其是具有包含锌的阳极和包含MnO2的 阴极的碱性电池。用本发明的雾化方法生产出的锌粉末也可有效地用于其它碱性电池，例如具有包含锌的阳极和包含羟基氧化镍的阴极的碱性电池。 虽然已经参照具体的实施方案对本发明进行了描述，但应当理解，在不偏离本 发明的概念的情况下，其它实施方案也是可行的。因此，本发明并不旨在受限于具体的 实施方案，而是其范围由权利要求书及其等效内容反映出来。
权利要求
1.一种用于从熔融锌来生产锌粉末的离心雾化方法，所述方法包括以下步骤a)将熔融锌流注入到在基本上封闭的室内的盘的表面上，所述盘以介于约10,000和 15,000转/分钟之间的速率旋转，其中所述室中具有这样的气氛，所述气氛具有按体积计 介于约和6%之间的氧含量，其中一定质量的熔融锌在所述旋转的盘的表面上形成为 薄膜；b)通过由所述旋转的盘导致的离心力的作用，从所述旋转的盘上甩出所述熔融锌薄 膜，因此在所述室中形成熔融锌的液滴；和c)在所述室内冷却所述熔融锌的液滴，从而形成粒状锌粉末。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述盘中具有杯形腔体，所述腔体由开口端和相对 的封闭端以及它们之间的整体侧壁限定，其中不存在从所述盘的侧壁伸出并且突出到所 述腔体中的导流板。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述盘中具有杯形腔体，所述腔体由开口端和相对 的封闭端以及它们之间的整体侧壁限定，其中存在多个导流板，所述导流板从所述盘的 侧壁伸出并且突出到所述腔体中。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述盘具有基本上圆柱形的形状，并且所述导流板 为所述盘的整体部分。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述盘的整体侧壁具有面对所述盘内部的内侧表面 和面对所述外部环境的外侧表面，并且所述盘的内侧表面形成所述腔体的侧壁，并且所 述盘的开口端的至少一部分和所述腔体的开口端重合。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述盘在所述盘的开口端处具有顶部边缘表面，所 述顶部边缘表面在所述盘的内侧表面和所述盘的外侧表面之间。
7.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述盘以介于约12,000和14,000转/分 钟之间的速率旋转。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述气氛具有按体积计介于约1.5%和 5.5%之间的氧含量。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述熔融锌包含零添加的汞和零添加的 铅，以便其中的所述汞含量和铅含量各自小于约100重量份/每百万重量份锌。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中与以约5000转/分钟的较低盘旋转速度 获得的锌粉末相比，所述锌粉末具有减小的D5tl中值粒度的特性。
11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述锌粉末具有介于约60和510微米 之间的粒度分布，其中至少一些所述锌粒具有60微米或更小的粒度，并且按重量计小于的所述锌粒具有大于510微米的粒度。
12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述锌粉末具有介于约30和510微米 之间的粒度分布，其中至少一些所述锌粒具有30微米或更小的粒度，并且按重量计小于 1 %的所述锌粒具有大于510微米的粒度。
13.如前述任一项权利要求所述的方法，所述方法还包括步骤(d)将足够的200粒 度或更小的锌细粒加入到得自步骤(C)的锌粉末中以生产出最终锌粉末，所述最终锌粉末 具有按重量计介于约10%和50%之间的200粒度或更小的锌粒。
14.如前述任一项权利要求所述的方法，所述方法还包括步骤(d)将足够的325粒度或更小的锌细粒加入到得自步骤(C)的锌粉末中以生产出最终锌粉末，所述最终锌粉末 具有按重量计介于约10%和50%之间的325粒度或更小的锌粒。
15.—种电化学电池，所述电化学电池包括包含锌粒的阳极、包含二氧化锰的阴极、 和包含含水成氢氧化钾的电解质，其中所述阳极中的所述锌粒的至少一部分由如权利要 求1所述的方法制备。
全文摘要
本发明公开了一种用于从熔融锌来生产锌或锌合金粉末的离心冲击雾化方法。将熔融锌流注入到包含在雾化室内的旋转的盘的表面上。盘具有杯形腔体，该腔体具有开口端、相对的封闭端和整体侧壁。盘可具有导流板，导流板突出到盘内的开式腔体芯中。导流板可具有直的或弯曲的侧面。盘以介于约10,000rpm和15,000rpm(每分钟转数)之间的高速旋转。室中的氧含量优选介于约1vol％和6vol％之间。所生产出的锌粉末具有更多较小粒度的颗粒。利用此类锌产品作为阳极活性材料的锌碱性电池表现出了改进的性能，尤其是作为高耗电装置诸如数字照相机中的电源时。
文档编号H01M4/50GK102017243SQ200980114357
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月14日 优先权日2008年4月22日
发明者M·J·祖罗, P·B·哈里斯 申请人:吉列公司