CN1382311A - 电池 - Google Patents

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Abstract

一种一次碱性电池(10)包括一个外壳(18)、一个在外壳内的阴极(12)、一个在外壳内的阳极(14)与一个电气隔离阳极与阴极的隔板(16)。该电池有一个相当大的(S/V)2值。

Description

电池
本发明涉及电池。
电池，例如碱性电池，通常用作能源。通常，碱性电池包括一个阴极、一个阳极、一个隔板与一种电解液。阴极典型地由一种有效材料(例如二氧化锰)、碳粒子与一种粘合剂构成。阳极可以是一种包括有效材料(例如锌粒子)的凝胶。隔板通常布置在阴极与阳极之间。遍布在电池内的电解液可以是一种氢氧化物溶液。
碱性电池包括通常在商店内出售的常规的AA、AAA、AAAA、C与D电池。这些常规的碱性电池包括一个圆筒形的容器，容器内装有一个中心的、圆柱形的锌凝胶阳极，阳极周围围绕一个环形的二氧化锰阴极。
通常希望电池有一个长的服务寿命。电池服务寿命的一个衡量是电池在给定负载下电压降至不能接受水平之前可放电的时间长度。
本发明涉及一种当例如在1安培下连续放电时有良好的服务寿命的电池。通过包括一个在电池内的阴极与阳极之间的大界面面积提供此良好的服务寿命。
提供阳极与阴极之间的界面面积的相对测量的一个方法是近似估算阴极的“有效厚度”。对于一个特定的电池(例如AA电池)，阴极厚度越小，每阴极体积的界面面积越大。可通过应用公式(S/V)2(式中S是隔板的表面积，而V是阴极的体积)估算阴极的相对有效厚度。
另一方面，本发明描述一种其中(S/V)2大于0.38，优选大于0.40，更好大于0.42或0.45的AA电池的特征。
另一方面，本发明描述一种其中(S/V)2大于0.7，优选大于0.75，更好大于0.80或0.82的AAA电池的特征。
另一方面，本发明描述一种其中(S/V)2大于1.2，优选大于1.3，更好大于1.4或1.5的AAAA电池的特征。
另一方面，本发明描述一种其中(S/V)2大于0.110，优选大于0.120，更好大于0.125或0.130的C电池的特征。
另一方面，本发明描述一种其中(S/V)2大于0.65，优选大于0.70，更好大于0.75、0.80、0.9或1.0的D电池的特征。
另一方面，本发明描述一种包括一个在阴极内的单空腔阳极的AA电池的特征。该电池的(S/V)2大于0.15，优选大于0.20，更好大于0.30、0.35或0.40。
另一方面，本发明描述一种包括一个在阴极内的单空腔阳极的AAA电池的特征。该电池的(S/V)2大于0.3，优选大于0.4，更好大于0.5或0.6。
另一方面，本发明描述一种包括一个在阴极内的单空腔阳极的AAAA电池的特征。该电池的(S/V)2大于0.6，优选大于0.8，更好大于1.0、1.2或1.5。
另一方面，本发明描述一种包括一个在阴极内的单空腔阳极的C电池的特征。该电池的(S/V)2大于0.06，优选大于0.08，更好大于0.09、0.10或0.11。
另一方面，本发明描述一种包括一个在阴极内的单空腔阳极的D电池的特征。该电池的(S/V)2大于0.03，优先大于0.04，更好大于0.05、0.06、0.07或0.08。
另一方面，本发明描述一种包括一个圆筒形的外壳、一个第一电极与一个在第一电极内的单空腔第二电极的电池的特征。该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线A之上至少0.01，更好为至少0.02，最好为至少0.03或0.04，上述由曲线A在后面说明。
另一方面，本发明描述一种包括一个圆筒形的外壳、一个第一电极与一个在第一电极内的第二电极的电池的特征。该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线B之上至少0.01，更好为至少0.02，最好为至少0.03或0.04，上述曲线B在后面说明。
最好，上面描述的电池有一个包括二氧化锰的阴极与一个包括锌的阳极。
在一些优选实施例中，一个电极(例如阳极)包括一个在另一电极内的花瓣空腔。此花瓣空腔可包括例如2、3、4、5或9瓣。事实上，在另一方面，本发明描述一种包括9瓣电极的电池。
在其它优选实施例中，一个电极(例如阳极)包括多个在另一电极内的空腔。例如，此多个空腔可包括圆柱形空腔、D形空腔或饼形空腔。多个空腔之间可由窄的连接部分连接。
根据文中对优选实施例的描述与权利要求书，本发明的其它特征与优点将为显而易见。
图1是一个包括有5瓣的中心阳极的电池的通过电池中心截取的侧剖视图；
图2是一个图1中的电池在图1中的II-II处截取的横断面图；
图3是两种AA电池在1A下连续放电时电压作为容量(Ah)函数的曲线图；
图4是两种AA电池在1.0V截止的容量(Ah)作为电流(mA)函数的曲线图；
图5是一种包括包含两个D形空腔的阳极的电池的横断面图；
图6是一种包括包含四个饼形空腔的阳极的电池的透视图；
图7是一种包括有9瓣的中心阳极的电池的横断面图；与
图8是五种电池的(S/V)2/阴极直径作为电池直径函数的曲线图。
参看图1与2，电池10包括一个阴极12、一个阳极14、隔板16与一个圆筒形的外壳18。阳极14包括5瓣(20，22，24，25与26)。电池10还包括电流收集器28、密封30与一个充当电池负端子的负金属顶盖32。阴极同外壳接触，而电池的正端子在同负端子相反的端部。一种电解液遍布在电池10内。对下面描述的例子的尺寸来说，电池10是一个AA电池。
阴极12包括二氧化锰、碳粒子与一种粘合剂。
可使用任何常规类型的用作阴极的二氧化锰。优选使用的二氧化锰是EMD，虽然也可使用CMD。这些二氧化锰的销售商包括KerrMcGee，CO.(Trona D)，Chem Metals，C0.，Tosoh，Delta Manganese，MitsuiChemicals and JMC。通常，阴极按重量计将包括80％与88％之间的二氧化锰。
碳粒子也可以是任何常规的用于阴极的碳粒子。它们可以是合成的或非合成的，且它们可以是膨胀的或非膨胀的。在某些实施例中，碳粒子为非合成、非膨胀的石墨粒子。在这些实施例中，石墨粒子的平均粒子尺寸当使用Sympatec HELIOS测定器测量时优选小于约20μm，更好为从约2μm至约12μm，最好为从约5μm至约9μm。非合成、非膨胀的石墨粒子可从例如Brazilian Nacional de Grafite(Itapecirica，MGBrazil(MP-0702X))买到。通常，阴极按重量计将包括5％与8％之间的碳粒子。
粘合剂的例子包括聚乙烯粉、聚丙烯酰胺、波特兰水泥与碳氟树脂，例如PVDF与PIFE。聚乙烯粘合剂的一个例子是在商品名CoathyleneHA-1681(Hoescht)下出售的。通常，阴极按重量计包括0.1％与约1％之间的粘合剂。
阴极12可包括其它添加剂。这些添加剂的例子公开在美国专利No.5342712中，在此引用它作为参考。阴极12可包括例如重量百分比从约0.2％至约2％的TiO2。
电解液也遍布阴极12，而上面提供的重量百分比在已散布电解液之后确定。
阳极14可由任何用作电池阳极的标准锌材料构成。例如，阳极14可以是一种包括锌金属粒子、胶凝剂与少量添加剂例如放气抑制剂的锌凝胶。此外，一部分电解液分布于阳极。
锌粒子可以是任何常规用于凝胶阳极的锌粒子。用作阳极的锌粒子的其它例子包括在U.S.S.N.08/905254、U.S.S.N.09/115867与U.S.S.N.09/156915中描述的那些，它们被转让给本申请的受让人并在此被引用作为参考。通常，阳极按重量计包括67％与71％之间的锌粒子。
可用于阳极14的胶凝剂包括聚丙烯酸、接合淀粉材料、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸脂、羧甲基纤维素或它们的组合。这些聚丙烯酸的例子是Carbopol 940与934(B.F. Goodrich)及Polygel 4P(3V)，而接合淀粉材料的例子是Waterlock A221(Grain ProcessingCorporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的例子是Alcosorb G1，(CibaSpecialties)。阳极按重量计通常包括从0.1％至约1％的胶凝剂。这些重量百分比相应于当电解液遍布阳极时的值。
放气抑制剂可以是无机材料，例如铋、锡、铅与铟。或者，放气抑制剂可以是有机化合物，例如磷酸酯、离子表面活化剂或非离子表面活化剂。离子表面活化剂的例子公开在例如美国专利No.4777100中，在此引用它作为参考。
隔板16可有任何用作隔板的常规设计。在一些实施例中，隔板16可由两层非编织、非膜片材料其中一层沿另一层表面布置构成。为使隔板16的体积最小而提供一个高效的电池，每层非编织、非膜片材料可有约为每平方米54克的基本重量，当干燥时约为5.4密耳而当潮湿时约为10密耳的厚度。在这些实施例中，隔板16最好不包括一层膜片材料或一层在非编织、非膜片层之间的粘合剂。通常，这些层可基本上没有填充物，例如无机粒子。
在其它实施例中，隔板16包括一个带有一层非编织材料的外层玻璃纸。该隔板还包括一个非编织材料的附加层。玻璃纸层可邻接阴极12或阳极14。最好，非编织材料含有重量百分比从约78％至约82％的PVA与从约18％至约22％的带有少许表面活化剂的嫘萦。这些非编织材料可从PDM在商品名PA36下买到。
遍布电池10的电解液可以是任何用于电池的常规电解液。典型地，该电解液是一种氢氧化物的水溶液。这类氢氧化物水溶液包括按重量计含有例如33％与38％之间的氢氧化钾的氢氧化钾溶液，与氢氧化钠溶液。
外壳18可以是任何通常用于碱性原电池的常规外壳。外壳典型地包括一个金属内壁与一个外部的不导电材料例如可热收缩塑料。供选择，可在内壁与阴极12之间布置一层导电材料。此层可沿壁的内表面、沿阴极12的外部周围或二者布置。此导电层可由一种例如含碳材料构成。这类材料包括LB1000(Timcal)，Eccocoat 257(W.R.Grace &Co.)，Electrodag 109(Acheson Industries，Inc.)Electrodag 112(Acheson)与EB0005(Acheson)。涂敷此导电层的方法公开在例如加拿大专利No.1263697中，在此引用它作为参考。
电流收集器28由一种合适的金属例如黄铜制成。密封30可由例如尼龙制成。
电池10(AA)的一个例子按照下列程序制作。通过混合85.5％EMD(购自Kerr McGee)、7.3％石墨(购自Hoescht的Coathylene HA1681)、0.3％聚乙烯粘合剂(购自Nacinal de Graphite的MP-0702X)与6.9％电解液制备一个MnO2阴极混合物。然后使用下列设备与程序在开有一个5瓣空腔的模子内在压力下压缩MnO2混合物：
设备：Carver自动压机，3888，1DIOA00，柱模装配(Pellet DieAssembly)(柱模套筒，下冲头与芯棒，29.88mm，高度计，上冲头与芯提取器，底板)，天平(3小数位)，数字卡尺(0.01mm)。
程序：
1.通过把芯棒放入下冲头内装配柱模工具。在芯棒与下冲头上面滑动柱模套筒并把装配放置在底板上。
2.称重粒状MnO2混合物然后均匀地倒入装配内。
3.把上冲头放在芯道的上面并下压直至冲头入座。围绕冲头杆滑动高度计。
4.把芯取出器放置在装配的顶部然后把装配装入Carver自动压机。
5.将压力机设定至5000Psi抗压缩强度与75％压缩速率。停留时间设定在4秒。
6.按两个激励器按钮以升起装配直至读出装置上显示700Psi。使压机能完成它的循环。
7.取出装配并把芯取出器放置在柱模装配的底部上。把芯棒取出器插入装配然后放回压机内。
8.按两个激励器按钮直至上冲头靠近柱模套筒至约1cm。如果读出装置的读数超过400psi，报废此柱。
9.取出芯杆并重新插入装配。把芯取出器放置在装配上然后放入压机。
10.按两个激励器按钮直至柱模套筒同形成的柱分离。
11.测量每个柱的高度。报废所有不合规格(10.85+/-0.15mm)的柱。把所有合格的材料放入抗潮的可热密封的包并做用于再压制程序的标记。
把4个柱插入一个壳(一个带有平坦的凸缘区域的DBD罐)内然后使用下列设备与程序在壳内进行再压制：
设备：Carver自动压机，38881DIOAOO，柱再压制装配(罐套筒，PIP支持板，再压制模与3叉脚罐取出器，芯棒，冲头保持器，与底板)，天平(3位小数)，数字卡尺(0.01mm)。
程序：
1.把再压制模滑到冲头保持器上。
2.选择4个柱并测量与记录每个合格的柱的高度与重量。
3.把每个柱滑放到芯棒上。报废所有过紧或有裂纹或破碎的柱。
4.把底部隔离物放入DBD罐并在堆叠的柱上面滑动。确保罐一路稳固地压下。
5.把罐套筒放置在罐的上面并把PIP支撑件放置在装配的顶部。把3叉罐取出器插入冲头保持器的孔中。把装配放入Carver压机。
6.把压机转换至手动方式并设定至1500psi抗压缩强度与30％压缩速率。
7.按两个激励器按钮以升起装配直至读出装置显示1500。当停留时间读数为4秒时，按停止按钮。
8.从装配中取出罐套筒与PIP支撑件。
9.把两列支撑块(3英寸高/双堆叠)放入压机。把再压制罐连同冲头保持器与再压制模放置在两列支撑块之间与它们的边缘的上面。
10.按两个激励器按钮以升起装配直至罐自由滑动离开芯棒装配。
11.保持再压制模在应有的位置上以便于插入隔板。
隔板(P.G.I.Nonwoven 7638)放置在5瓣空腔内。通过混合重量百分比70％锌粉(Zinc Corp.of America 1216)，一种胶凝剂(购自BFGoodrich的Carbopol 940)，与30％电解液(由98.6％液体电解液与1.4％溶解的胶凝剂组成)制作阳极混合物。然后把阳极混合物散布在空腔内。包括顶盖32、电流收集器28与密封30的顶部装配放置在外壳的上面并机械翻边以密封电池。在装配之前把密封剂(Spec Seal)涂抹在外壳的边上。
电池10(AA电池)内隔板16的表面积为2149mm2。通过确定阴极的内周长然后乘以阴极的高来计算隔板的表面积。电池10内的阴极体积为3200mm2。通过确定阴极本身的截面积然后乘以阴极的高以给出体积来计算阴极的体积。由此，电池10有一个等于0.451的(S/V)2值。
参看图3，同除了包括一个圆柱形的阳极与有一个等于0.121的(S/V)2值之外有相同部件的市场上可买到的AA电池(ULTRA)相比，当在1A下连续放电时，电池10有较长的服务寿命。
参看图4，同市场上可买到的AA电池相比，电池10有较高的容量。
参看图5，电池36包括阴极38、由2个通常为D形的空腔40组成的阳极、隔板42与圆筒形外壳44。
参看图6，电池48包括阴极50、由4个饼形空腔52组成的阳极、隔板54与圆筒形外壳56。
参看图7，电池58包括阴极60、包括9瓣(见例如瓣64)的阳极62、隔板66与圆筒形外壳68。
表1提供图1、2与5-7中表示的实施例的各种电池尺寸的(S/V)2资料，连同在Mick等的美国专利NO.5869205(“Mick专利”)中的4空腔设计的(S/V)2的估算。
                                  表1
V＝阴极体积S＝阳极与阴极之间的阴极表面积(约等于隔板表面积)D-阴极(OD)外径
                                                              本技术
 电池尺寸ID     (S/V)2    (S/V)2/D     电池OD    阴极OD
 AAAAAAAAA     0.4540.2480.121     0.061350.025320.00906     7.810.17513.81     7.49.77513.31
CD     0.0410.024     0.001680.00074     25.2132.89     24.7132.39
                                                               5瓣
AAAAAAAAACD     1.7410.8460.4510.1340.078     0.235270.086550.033880.005420.00241     7.810.17513.8125.2132.89     7.49.77513.3124.7132.39
                                                                9瓣
AAAAAAAAACD     2.921.3960.810.2490.144     0.934590.142810.060860.010080.00445     7.810.17513.8125.2132.89     7.49.77513.3124.7132.39
                                                               2空腔
AAAAAAAAACD     1.150.6130.3340.1180.07     0.155410.062730.025100.004780.00216     7.810.17513.8125.2132.89     7.49.77513.3124.7132.39
                                                               4空腔
AAAAAAAAACD     2.21.1060.650.2030.121     0.297300.113150.048840.008220.00374     7.810.17513.8125.2132.89     7.49.77513.3124.7132.39
                                    MICK(从它们的4空腔阳极估算)
AAAAAAA     1.0720.611     0.144920.06240     7.810.175     7.49.775
AACD     0.3320.0960.056     0.024960.003900.00173     13.8125.2132.89     13.3124.7132.39
参看图8，标绘商品的AAAA、AAA、AA、C与D电池，Mick专利中的4空腔阳极电池，和图1、2与5-7中表示的实施例的(S/V)2/阴极外径(OD)作为电池直径函数的曲线。图中商品电池的曲线称为“曲线A”，Mick专利中的4空腔阳极电池的曲线称为“曲线B”，图5中实施例的曲线称为“曲线C”，图6中实施例的曲线称为“曲线D”，图1与2中实施例的曲线称为“曲线E”，而图7中实施例的曲线称为“曲线F”。曲线C-F在曲线A之上，而曲线D-F在曲线B之上。
其它实施例在权利要求书中。例如，阳极与阴极的位置可以颠倒。此外，阳极可包括2瓣、3瓣、4瓣或6至8瓣。

Claims (54)

1.一种一次碱性AA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在外壳内的阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.38的(S/V)2值。
2.权利要求1所述的电池，其中该电池有一个大于0.42的(S/V)2值。
3.权利要求1所述的电池，其中该电池有一个大于0.45的(S/V)2值。
4.一种一次碱性AAA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在外壳内的阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.70的(S/V)2值。
5.权利要求4所述的电池，其中该电池有一个大于0.75的(S/V)2值。
6.权利要求4所述的电池，其中该电池有一个大于0.8的(S/V)2值。
7.一种一次碱性AAAA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在外壳内的阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于1.2的(S/V)2值。
8.权利要求7所述的电池，其中该电池有一个大于1.4的(S/V)2值。
9.权利要求7所述的电池，其中该电池有一个大于1.5的(S/V)2值。
10.一种一次碱性C电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在外壳内的阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.110的(S/V)2值。
11.权利要求10所述的电池，其中该电池有一个大于0.120的(S/V)2值。
12.权利要求10所述的电池，其中该电池有一个大于0.125的(S/V)2值。
13.一种一次碱性D电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在外壳内的阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.065的(S/V)2值。
14.权利要求13所述的电池，其中该电池有一个大于0.07的(S/V)2值。
15.权利要求13所述的电池，其中该电池有一个大于0.075的(S/V)2值。
16.一种一次碱性AA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在阴极内的单空腔阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.15的(S/V)2值。
17.权利要求16所述的电池，其中该电池有一个大于0.20的(S/V)2值。
18.权利要求16所述的电池，其中该电池有一个大于0.30的(S/V)2值。
19.一种一次碱性AAA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在阴极内的单空腔阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.3的(S/V)2值。
20.权利要求19所述的电池，其中该电池有一个大于0.4的(S/V)2值。
21.权利要求19所述的电池，其中该电池有一个大于0.5的(S/V)2值。
22.一种一次碱性AAAA电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在阴极内的单空腔阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.6的(S/V)2值。
23.权利要求22所述的电池，其中该电池有一个大于0.8的(S/V)2值。
24.权利要求22所述的电池，其中该电池有一个大于1.0的(S/V)2值。
25.一种一次碱性C电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在阴极内的单空腔阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.06的(S/V)2值。
26.权利要求25所述的电池，其中该电池有一个大于0.08的(S/V)2值。
27.权利要求25所述的电池，其中该电池有一个大于0.10的(S/V)2值。
28.一种一次碱性D电池，包括：一个外壳；一个在外壳内的阴极；一个在阴极内的单空腔阳极；与一个电气隔离阳极与阴极的隔板；其中该电池有一个大于0.03的(S/V)2值。
29.权利要求28所述的电池，其中该电池有一个大于0.04的(S/V)2值。
30.权利要求28所述的电池，其中该电池有一个大于0.05的(S/V)2值。
31.权利要求1、4、7、10、13、16、19、22、25或28所述的电池，其中阴极包括二氧化锰。
32.权利要求1、4、7、10、13、16、19、22、25或28所述的电池，其中阳极包括锌。
33.权利要求1、4、7、10、13、16、19、22、25或28所述的电池，其中阴极包括二氧化锰而阳极包括锌。
34.权利要求1、4、7、10、13、16、19、22、25或28所述的电池，其中阳极包括一个在阴极内的花瓣腔。
35.权利要求34所述的电池，其中阳极只包括2瓣。
36.权利要求34所述的电池，其中阳极包括3瓣。
37.权利要求34所述的电池，其中阳极包括4瓣。
38.权利要求34所述的电池，其中阳极包括5瓣。
39.权利要求34所述的电池，其中阳极包括9瓣。
40.权利要求1、4、7、10、13、16、19、22、25或28所述的电池，其中阳极包括在阴极内的多个腔。
41.权利要求40所述的电池，其中多个空腔包括两个D形空腔。
42.权利要求41所述的电池，其中阳极还包括一个两个D形空腔之间的连接。
43.权利要求41所述的电池，其中阳极不包括两个空腔之间的连接。
44.权利要求40所述的电池，其中多个空腔包括两个饼形空腔。
45.权利要求44所述的电池，其中多个空腔包括三个饼形空腔。
46.权利要求45所述的电池，其中多个空腔包括四个饼形空腔。
47.一种电池包括：一个外壳；一个在外壳内的第一电极；一个在第一电极内的第二电极，该第二电极包括9瓣；与一个在第一电极与第二电极之间的隔板。
48.权利要求47所述的电池，其中外壳为圆柱形。
49.权利要求47所述的电池，其中第二电极是包括锌的阳极。
50.权利要求47或49所述的电池，其中第一电极是包括二氧化锰的阴极。
51.一种电池包括：一个外壳；一个在外壳内的第一电极；一个在第一电极内的第二电极，该第二电极基本上由单个空腔构成；与一个在第一电极与第二空腔之间的隔板；其中该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线A之上至少0.01。
52.权利要求51所述的电池，其中该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线A之上至少0.02。
53.一种电池包括：一个外壳；一个在外壳内的第一电极；一个在第一电极内的第二电极；与一个在第一电极与第二空腔之间的隔板；其中该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线B之上至少0.01。
54.权利要求53所述的电池，其中该电池的作为电池直径函数的(S/V)2/阴极OD的值在曲线A之上至少0.01。
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