具有改良阴极的碱性电池制造技术

一种碱性电化学电池，具有包含二氧化锰和导电石墨化中间相沥青基碳纤维的阴极，其中导电石墨化中间相沥青基碳纤维通过在８００～１２００℃下用氢氧化钾热处理具有大约１０～６０ｍ↑［２］／ｇ，更好地大约１０～５０ｍ↑［２］／ｇ，优选地大约３０～５０ｍ↑［２］／ｇ的增大ＢＥＴ表面积。精制的石墨化中间相沥青基碳纤维可以构成阴极中总石墨材料的大约１～１００重量百分数，典型地构成总石墨材料的大约５～５０重量百分数。阴极中的总石墨优选地构成阴极的大约４～１０重量百分数。石墨可以是石墨化中间相沥青基碳纤维和片状结晶形石墨包括膨胀石墨的混合物。石墨化中间相沥青基碳纤维具有典型地大约１～１０微米的中间平均直径。在阴极中使用所述碳纤维增加阴极导电率，并且导致改善的电池性能。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有改良阴极的碱性电池本专利技术涉及一种包含二氧化锰和碳纤维，尤其是石墨化中间相沥青基碳纤维的改良阴极混合物。常规的碱性电化学电池由圆筒形外壳形成。外壳最初形成有扩大的开口端和相对的封闭端。在提供电池内含物之后，具有绝缘塞的端盖插入开口端。电池通过将外壳边缘卷到绝缘塞边缘上并且环绕绝缘塞径向压紧外壳以提供密封来封闭。电池外壳封闭端的一部分形成正极端子。碱性电化学原电池典型地包括锌阳极活性物质、碱性电解液、二氧化锰阴极活性物质和典型地由纤维素或者纤维素和聚乙烯醇纤维制成的电解液可渗透隔膜。阳极活性物质可以包括例如，混合有常规胶凝剂例如羧甲基纤维素钠或丙烯酸共聚物钠盐的锌颗粒和电解液。胶凝剂用来悬浮锌颗粒并且保持它们彼此接触。典型地，插入阳极活性物质的导电金属钉用作阳极集电器，其电连接到负极端子端盖。电解液可以是碱金属氢氧化物例如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的水溶液。阴极典型地包括混合有导电性添加剂典型地石墨材料的颗粒状二氧化锰作为电化学活性物质以增强导电率。任选地，聚合粘合剂和其他添加剂例如含钛混合物可以添加到阴极。因为二氧化锰典型地表现出相对低的导电率，需要导电性添加剂来提高各个二氧化锰颗粒之间的导电率。这种导电性添加剂也提高二氧化锰颗粒与也用作阴极集电器的电池外壳之间的导电率。合适的导电性添加剂可以包括例如，导电碳粉，例如碳黑，包括乙炔碳黑，片状结晶形天然石墨，片状结晶形人造石墨，包括膨胀或剥片石墨。需要碱性原电池具有高的放电容量(即长的使用寿命)。因为商业电池尺寸已经固定，已知电池的有效使用寿命可以通过向电池填充更大量的电极活性物质来提高。但是，这种方法具有实际局限性，-->例如，如果电极活性物质在电池中填充得太稠密，电池放电期间的电化学反应速率可能降低，从而减少使用寿命。其他有害效应例如电池极化也可能发生。极化限制电解液和电极内离子的迁移率，这又使电池性能和使用寿命降低。虽然包含在阴极中的活性物质的量典型地可以通过减少非电化学活性物质例如聚合粘合剂或导电性添加剂的量来增加，但是必须保持足够量的导电性添加剂，以保证阴极中足够的体积导电率水平。因此，总的活性阴极物质实际上被提供足够的导电率水平所需的导电性添加剂的量所限制。此外，非常需要增强高放电率的碱性电池的性能。典型地，这通过增加阴极中导电性添加剂的百分数以增加阴极的整体(体积)导电率来实现。阴极内的导电性添加剂的百分数必须足够以形成合适的导电颗粒网络。典型地，当导电性添加剂是导电性碳时，需要占总混合物的大约3～15，优选地4～10重量百分数。但是，导电性碳的量的增加引起活性阴极物质的量的相应减少，从而给出较低的使用寿命。常规的粉末状导电性碳例如乙炔碳黑在一定重量下具有大体积，但是与具有如下所述的三维晶体结构的片状结晶形天然或人造石墨相比，具有较低的导电率。碳黑的较小导电率导致阴极中高的碳含量和较少的电化学活性物质，从而又导致电化学电池的较短使用寿命。为了增加含碳物质的导电率，施加称为石墨化的热处理以将碳转化为石墨材料或石墨制品。这种石墨制品其特征在于独特的三维石墨晶体结构。该晶体结构包含在“a”和“c”方向上可重复的特殊晶胞。石墨晶体结构具有通常是空间六方(六边)形状的晶胞。六方单元的底由相等尺寸并彼此分开120度的边“a”的六边形平面来定义。六边形平面定义晶体结构的“a”方向。晶胞的厚度由晶胞的高度来定义，晶胞的高度由垂直于所述处于“a”方向的六边形平面的轴“c”来定义。使用相同标准术语的这种六方晶胞的参考资料可以在例如F.Daniels和R.Alberty，物理化学，第二版，John Wiley &Sons(1961)，pp.622-623中找到。晶胞在“a”方向和“c”方向上可重复直到它们突然改变方位的一点。这定义晶体结构在“a”和“c”-->方向上的边界。不同的石墨在“a”和“c”方向上具有不同数目的可重复晶胞。(石墨的每个可重复晶胞的尺寸将是相同的)。具体石墨的晶体结构的尺寸(结晶尺寸)可以由晶体结构在“a”方向上的距离La和在“c”方向上的距离Lc来定义，其中La跨越“a”方向上的重复单元的全部，Lc跨越“c”方向上的重复单元的全部。在“a”方向上的晶胞的数目可以通过距离La除以在“a”方向上的晶胞的尺寸来确定。相反地，在“c”方向上的晶胞的数目可以通过距离Lc除以在“c”方向上的晶胞的尺寸来确定。在大多数石墨制品例如天然石墨中，通过x射线衍射测量的定义结晶尺寸的Lc和La距离典型地为1000～3000埃。膨胀石墨，一种典型的剥片石墨，可以具有大约500～1000埃的大的La，但是由于在“c”方向上的化学剥落，典型地具有大约300～1000埃，典型地大约400～600埃的较小的Lc。由于石墨在晶体晶胞的“a”和“c”方向上的各向异性，与Lc相比，La通常对石墨的导电率和导热率贡献更多。为了提供良好的导电性，需要在碱性电池的阴极中使用具有大于100埃，更典型地100～300埃的La的石墨，包括天然和人造石墨。常规粉末状导电性碳例如乙炔碳黑具有典型地小于100埃的小的La。因此，这些物质具有低的导电率。在石墨化之后，碳的晶体晶胞尺寸例如Lc和La增加。物理性质例如导电率可以显著地提高。一些碳材料，取决于它们的分子结构，不能完全转化为石墨或者仅部分地转化为石墨。这种材料可以分类为不可石墨化或硬碳，而那些可以容易石墨化的碳称为可石墨化。与非石墨化的硬碳相比，石墨化的碳通常具有更高的导电率。碳纤维(不是石墨)是取碳材料的纤维或细缕形式的人造碳材料。这种碳纤维基于在它们的制造过程中使用的前体和方法可以分类为四种类型：1)人造丝基碳纤维，2)聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，3)沥青基(pitch-based)碳纤维(PCF)和4)催化汽相生长碳纤维(VGCF)。沥青基碳纤维(PCF)还可以分类为各向同性沥青基和中间相沥青基碳纤维(MPCF)。大多数碳纤维是不可石墨化的。但-->是，中间相沥青基碳纤维(MPCF)和汽相生长碳纤维(VGCF)是可石墨化的。与MPCF、不可石墨化形式例如各向同性沥青基碳纤维和其他碳纤维例如人造丝或聚丙烯腈(PAN)基碳纤维相比，石墨化的中间相沥青基碳纤维(GMPCF)通常具有高得多的导电率。碳纤维的直径可以从大约小于1微米(1×10-6米)例如在汽相生长碳纤维的情况下变化到大约5～10微米(5或10×10-6米)甚至达到100微米(100×10-6米)例如在中间相沥青碳纤维的情况下。中间相沥青基碳纤维(MPCF)和石墨化的中间相沥青基碳纤维(GMPCF)典型地具有大约5～10微米更典型地大约5～7微米的直径。常规的中间相沥青基碳纤维和石墨化的中间相沥青基碳纤维具有大约0.2～5.0m2/g更典型地0.5～3m2/g的BET表面积。典型地，包括膨胀石墨的天然和人造石墨材料处于片状结晶形态。它们可以具有大约2～50微米的平均颗粒尺寸。具有大约12～15微米的平均颗粒尺寸的合适片状天然结晶形石墨是市场上可买到的，Nacional de Grafite的商品名称“MP-0702X”或“NdG-15”。合适的膨胀石墨典型地具有0.5～40微米的平均颗粒尺寸。如在上文所描述的，膨胀石墨可以是天然石墨或人造石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，包括阳极、含水碱性电解液和包含二氧化锰和石墨材料的阴极，其中所述石墨材料包括具有１０～６０ｍ↑［２］／ｇ的平均ＢＥＴ表面积的石墨化碳纤维。

【技术特征摘要】
US 2001-6-13 09/880,6511.一种电化学电池，包括阳极、含水碱性电解液和包含二氧化锰和石墨材料的阴极，其中所述石墨材料包括具有10～60m2/g的平均BET表面积的石墨化碳纤维。2.权利要求1的电化学电池，其中该电池是具有包含锌的阳极的碱性电池。3.权利要求1的电化学电池，其中所述电解液包括氢氧化钾的水溶液。4.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有10～50m2/g的平均BET表面积。5.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有30～50m2/g的平均BET表面积。6.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有50～300埃的在晶体“c”方向上的结晶尺寸Lc和100～300埃的在晶体“a”方向上的结晶尺寸La。7.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有100～200埃的在晶体“c”方向上的结晶尺寸Lc和100～300埃的在晶体“a”方向上的结晶尺寸La。8.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维构成阴极的4～10重量百分数。9.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维与所述二氧化锰的重量比为大约1∶25(0.04)～1∶10(0.10)。10.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维包括石墨化中间相沥青基碳纤维。11.权利要求4的电化学电池，其中所述碳纤维包括石墨化中间相沥青基碳纤维。12.权利要求5的电化学电池，其中所述碳纤维包括石墨化中间相沥青基碳纤维。-->13.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维包括已经如下处理的石墨化中间相沥青基碳纤维：在大约800℃～1200℃的温度下加热所述石墨化中间相沥青基碳纤维和氢氧化钾。14.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维包括已经如下处理的石墨化中间相沥青基碳纤维：在大约800℃～1200℃的温度下加热所述石墨化中间相沥青基碳纤维和氢氧化钾大约1～2小时。15.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有1～10微米的中间平均直径。16.权利要求1的电化学电池，其中所述碳纤维具有1～10微米的中间平均直径和40～150微米的中间平均长度。17.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾淑明，
申请(专利权)人：吉莱特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]