具有改进的可靠性和放电性能的碱性电池单元制造技术

提供了一种包括锌基颗粒的用于碱性电池单元的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。还提供了包括所述负极的碱性电化学电池单元以及减少所述电化学电池单元放气的方法。

Alkaline battery unit with improved reliability and discharge performance

A negative electrode, which contains zinc based particles for alkaline battery units, is provided, and zinc particles with weight less than 20% relative to the electrode have a particle diameter larger than 150 microns. An alkaline electrochemical cell unit including the negative electrode and a method for reducing the gas release of the electrochemical cell unit are also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的可靠性和放电性能的碱性电池单元本申请要求于2015年1月16日提交的美国临时申请号62/104,265的权益，其全部内容通过应用整体并入本文。
本专利技术技术总体涉及用于电化学电池单元的锌阳极领域。特别地，所述技术涉及具有改进的可靠性和放电性能的锌阳极。
技术介绍
电池放气是电池充电和储存过程中的正常事件。此外，腐蚀反应过程中产生的氢气可增加电池单元内压，导致电解质泄露和电池单元完整性的破坏。这一过程称作“放气”。储存期间碱性电池中的气体产生是由阳极中存在的金属杂质上的还原反应驱动在阳极室内形成氢气的结果。部分放电后气体产生会增强，这是由于放电会除去保护性表面氧化膜。金属杂质作为污染物是阳极材料固有的，还可来源于其它电池材料，例如用于制造碱性电池的阴极、石墨、电解质、集电体、或其它添加剂。这些杂质可局部存在或随机分布。放气可在电池中导致几种问题。例如，由于所产生的爆炸性氢气的积累，放气会引起安全顾虑。放气还会导致活性锌材料的消耗，从而永久性地降低电池容量。此外，放气还会消耗电池中阴极还原反应需要的水，从而进一步降低电池容量。所提出的解决与放气相关的问题的补救措施包括设计具有发生压力积累时会释放气体的安全排放口的电池单元、使用抗腐蚀材料、添加放气抑制剂或腐蚀抑制剂、以及最小化电池单元中金属杂质的存在。腐蚀反应过程中产生的氢气会导致电池单元内压的积累以及最终电池单元的电解质泄露。通常用来抑制储存过程中氢气产生的有机和无机抑制剂可能会显著抑制放电性能，从而使得它们的好处是不切实际的。
技术实现思路
在一个方面，提供了一种包括锌基颗粒的用于电化学电池单元的电极，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。在另一个方面，提供了一种包括锌基颗粒的用于电化学电池单元的电极，其中相对于电极中的总锌以重量计约10％到约20％具有大于约150微米的粒径。在一个方面，提供了一种胶质阳极混合物，其包括：锌基颗粒，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的锌基颗粒具有大于约150微米的粒径；胶凝剂；碱性电解质；以及表面活性剂。在一个方面，提供了用来减少遭受放气的电化学电池单元的放气的方法，其中所述方法包括使用包括锌基颗粒的胶质阳极作为所述电池单元的活性阳极，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。附图说明图1示出了由表观密度介于约2.73和约2.79g/ml之间的锌基粗颗粒和细颗粒含量导致的LR6电化学电池单元的放气特点。图2示出了图1所述电池单元的数字静态照相机(DSC)性能。图3示出了由表观密度为约2.55g/ml的锌基粗颗粒和细颗粒含量导致的LR6电化学电池单元的部分放电电池单元的放气特点。图4示出了如图3所述的LR6电池单元的未放电电池单元放气。图5示出了图3和图4所述电池单元的DSC性能。图6示出了显示LR6部分放电(PD)电池单元放气对粉尘(小于45μm的颗粒)含量和锌粉末表观密度(g/ml)的依赖性的轮廓图。图7示出了显示电池单元在160℉下储存1周后LR6的DSC性能对粉尘(颗粒小于45um)含量和锌粉末表观密度的依赖性的轮廓图。图8示出了LR6PD电池单元放气对表面活性剂含量和胶质KOH浓度的依赖性。图9示出了如图8所述DSC性能对表面活性剂含量和胶质KOH浓度的依赖性。图10是示出受粗颗粒和细粉末颗粒的含量影响的LR20电池单元的安培数的图。图11是示出了如图10所述LR20电池单元的部分放电电池单元的放气的图。图12示出了长宽比的概念。图13示出了尺寸大于150微米的粗颗粒的细长特性和高长宽比。图14是描述本公开实施例的说明性电化学电池单元的横截面示意图。具体实施方式以下描述了各种实施例。应注意，特定实施例并不旨在作为穷举性描述或作为对本文所述的更宽方面的限制。结合特定实施例描述的一个方面并不必然局限于该实施例，并且可按照任何其它实施例来实施。如本文所使用，“约”会被本领域普通技术人员所理解，并可根据其使用的情境进行一定程度的改变。如果存在对于本领域普通技术人员不清晰的术语的使用，鉴于它使用的情境，“约”意思是高达特定项的加减10％。在描述所述元素的情境中(特别是在以下权利要求书的情境中)术语“一个(a或an)”和“一种(a或an)”和“所述(the)”以及类似指示物的使用应被理解为覆盖单数和复数，除非本文另外指出或上下文清楚地抵触。本文所列举的值的范围仅旨在用于作为单独参考落在该范围内的每个单独值的简略方法，除非本文另外指出，并且各独立值引入本说明书中，如同其被单独引用于本文。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另外指出或上下文清楚地抵触。本文提供的任何和所有实例、或者示范性语言(例如“例如(suchas)”)的使用仅旨在更好的说明各实施例并且不会对权利要求的范围产生限制，除非另外指出。说明书中任何语言不应理解为表示任何未被要求保护的元素是必要的。比例、浓度、量和其它数值数据可在本文以范围的形式提出。应理解，此类范围形式仅为了方便和简洁起见而使用，并应灵活地解释为不仅包括明确列举为范围界限的数值，而且还包括在该范围内所含的全部各个数值或子范围，就像各数值和子范围被明确地列举一样。例如，5到40摩尔％应被解释为不但包括明确列举的5到40摩尔％的限制，而且还包括像10摩尔％到30摩尔％、7摩尔％到25摩尔％等这样的子范围，以及像例如15.5摩尔％、29.1摩尔％和12.9摩尔％这样的特定范围内的单独量，包括分数量。如本文所使用，术语“锌阳极”是指包括锌作为阳极活性材料的阳极。如本文所使用，“细粉末”是在常规过筛操作(即用手摇动筛)中可通过标准200目筛的颗粒。“粉尘”由在常规过筛操作中可通过标准325目筛的颗粒组成。“粗颗粒”由在过筛操作中不能通过标准100目筛的颗粒组成。如本文所述的目尺寸和相应的粒径可应用于用于金属粉末的筛分析的标准测试方法，其在ASTMB214中进行了描述。如本文所使用，“长宽比”是指由颗粒最长维度的长度与颗粒的相对宽度的比例确定的尺寸。多年来碱性电池已经被改进，以增强它们的放电能力并改进它们的可靠性。例如，改进碱性电池中高速放电性能的本领域已知的一个实践是增加细锌阳极颗粒(能通过200目筛尺寸(75μm)的颗粒)的含量。这一方法通常会导致增强的电池单元放气，这是由于相应的来自增加部分的细颗粒的增大的阳极表面积。为了控制电池单元的可靠性，本领域的一个常规实践是使用有机和/或无机放气抑制剂。另外，阳极锌粉末可方便地与众所周知的抑制性合金元素合金。由于锌阳极腐蚀(一种如(1)所示会导致锌溶解和锌酸盐形成的氧化反应)，当电池单元在未放电或部分放电的情况下储存时，碱性电化学电池单元的锌阳极胶质易于进行电化学腐蚀反应。这一反应被如(2)所示的会导致氢气产生的阴极反应平衡，所述阴极反应会在储存过程中导致内部电池单元气压的积累。气体产生的反应速率由一些因素确定，例如可用的活性锌表面积、金属杂质的存在、胶质KOH浓度、以及锌表面上自然氧化膜的性质。表面积会受锌的粒径分布、颗粒形状和颗粒表面形态的影响。金属杂质作为污染物是阳极材料固有的，并且还可来源于其它电池材料，例如阴极、石墨、电解质、阳极集电体、金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含锌基颗粒的用于碱性电池单元的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的所述锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.16 US 62/104,2651.一种包含锌基颗粒的用于碱性电池单元的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的所述锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。2.根据权利要求1所述的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计约10％到约20％的所述锌基颗粒具有大于约150微米的粒径。3.根据权利要求1所述的负极，其中所述锌基颗粒具有约1.85到约4.15的长宽比。4.根据权利要求1所述的负极，其中所述锌基颗粒具有至少1.5的圆度。5.根据权利要求1所述的负极，其中所述锌基颗粒具有约2.40g/cm3到约3.15g/cm3的表观密度。6.根据权利要求1所述的负极，其中所述锌基颗粒为锌合金颗粒。7.根据权利要求6所述的负极，其中所述锌合金颗粒具有约100微米到约130微米的平均粒径。8.根据权利要求1所述的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计约20％到约70％的所述锌基颗粒具有小于约75微米的粒径。9.根据权利要求8所述的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计约20％到约45％具有小于约75微米的粒径，相对于电极中的总锌以重量计约1％到约10％具有小于约45微米的粒径，并且相对于电极中的总锌以重量计约10％到约20％具有大于约150微米的粒径。10.根据权利要求1-9中任一项所述的负极，其为胶质阳极。11.根据权利要求1-9中任一项所述的负极，其中相对于电极中的总锌以重量计约20％到约40％的所述锌基颗粒具有小于约75微米的粒径。12.一种胶质阳极混合物，其包含：锌基颗粒，其中相对于电极中的总锌以重量计小于20％的所述锌基颗粒具有大于约150微米的粒径；胶凝剂；包含氢氧化物材料的碱性电解质；以及表面活性剂。13.根据权利要求12所述的胶质阳极，其中相对于电极中的总锌以重量计约10％到约20％具有大于约150微米的粒径。14.根据权利要求12所述的胶质阳极，其具有小于40％的氢氧化物含量。15.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·阿马坎基，李文，J·哈德利，M·亨克，
申请(专利权)人：品谱公司，
类型：发明
国别省市：美国,US