电极界面面积增大及活性材料增多的蓄电池制造技术

采用在一个或多个电极中增加至少一个第二阳极或阴极，减小有效最大电极厚度，及增大活性材料的密度的方法，提供了一种碱性电池组电池，改善了其在高速及高功率下的放电容量，而并不损失在低速及低功率下的容量。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
电极界面面积增大及活性材料增多的蓄电池专利技术背景本专利技术涉及电化学电池组电池，尤其碱性锌-二氧化锰电池。装有电化学电池的蓄电池用于作为电子器件的能源。理想的蓄电池应当不论其功率大小、温度、或操作条件，都是既便宜，放电容量又不受限制的。此外，它也应当具有不受限制的储存期限，在所有条件下均安全，而且对用户不可能误用或使之机械损伤的。尽管这样一种理想的蓄电池是不可能的，但蓄电池制造商们仍在努力设计和制造这种理想的蓄电池。在实际蓄电池中，仍然存在必须做出的折衷和让步。对蓄电池供电电子设备的需求是蓄电池和电池设计中的重要因素。例如，许多器件都具有蓄电池箱，这限制了蓄电池或蓄电池组的尺寸和形状，而蓄电池/蓄电池组的放电特征都必须足以在期望使用条件下能使器件运转起来。有些设备制造商仍在不断设法增大电器的容量和特点，同时减小尺寸。这就导致了越来越需要能提供较高功率的蓄电池，而不致损害蓄电池其它工作特性诸如对长放电使用期(高容量)、长储存期、耐渗漏和易制造和成本低，达到不可接受的程度。对于用户可替换蓄电池式的便携器件，这种增大功率需求的趋势是显而易见的。尽管这种趋势针对的是高速(即电流)和高功率放电性能较好的蓄电池，但并非所有器件都有这种高速/高功率的要求，而且对蓄电池也有在低至中等放电速率和功率下容量大的要求。实现高蓄电池容量尤其是对高速和高功率放电的挑战。蓄电池是能够仅输送一部分其理论容量的(只要蓄电池中活性材料的放电反应100％有效，就会达到最大容量)，而这部分(放电效率)又随放电速率和功率的增大而降低。有许多因素影响蓄电池和它们所含电池的放电效率。一个因素是电极间的界面面积。增大界面面积一般对电流密度、内阻、浓差极化、及其它能够影响放电效率的特征都有好的影响。在过去，已采用各种方式-->增加了电极界面面积，包括采用不规则界面的电极表面，和使被装在另一电极内的电极有多个空腔。对于这种电池设计的实例，可参见美国专利US 6,410,187、6,342,317、6,261,717、6,235,422、5,869,205、及国际专利公告WO 02/17414。螺旋卷绕电极设计也已用于电池中，以增大电极界面面积，提高在高速放电时的效率和容量。能影响放电效率的另一个因素是电极孔隙率(即，未被固体材料占据电极体积的百分比)。用这种方法增大电解质溶液量，可改善电极内的离子迁移，从而减小电极极化，尤其在高速和高功率放电过程中。通过增大电极孔隙率，使其中放电效率提高的电池的实例，披露于美国专利US6,207,322和国际专利公告WO 01/99214中。电极导电率是另一个能够影响放电效率的因素。电极越导电，电池的内阻越低。增大电极中高导电材料的比例，能够提高电极的导电率，诸如增大在碱性Zn/MnO2电池中的石墨对MnO2的比例。通过增大电极和其集流器间的接触面积，也可以降低电池内阻达到某一程度。通过改变集流器的尺寸和形状能够实现这一点。这种方法的实例，在国际专利公告WO 01/97302和WO 01/97298中可以找到。尽管制造商们通常提供了不同类型的蓄电池，其不同电化体系、结构特点和配方，均符合蓄电池供电的器件的不同要求，但最好要尽可能地用单一类型的蓄电池满足宽范围器件的要求。这样做易于保持较低的费用，避免用户在具体器件运用中混淆蓄电池类型。但是，上述改善高速和高功率放电性能的方法，通常是以消耗能放进固定外形尺寸的电池中的活性材料数量而因此损耗其理论容量为条件的。例如，增大电极界面面积，要求电极间有更多的隔膜；增大电极孔隙率或高导电材料的比例，却降低了电极中活性材料的密度；和增大集流器体积，却保留了较小的电极体积。所有这些都倾向于减少电池中活性材料的数量，从而减小了电池能释放的最大容量。除在较低放电速率和功率下影响容量不利外，上述提高放电效率的方法还可能有另外的一个或多个缺点，诸如电池设计更复杂，制造工艺更困难，制造易变性增大，废料较多，对质量问题更敏感和生产成本增大。上述方法也难以适应现有的电池设计、工艺和设备，而要求巨大商业投资。装有含锌负电极(阳极)，二氧化锰正电极(阴极)和碱性电解液(如含-->氢氧化钾水溶液)的碱性蓄电池，尤其原生(primary)蓄电池，是通过用户可替换蓄电池对电子器件供电的通用能源。尽管以上的原理一般适用于电化学电池，但它们是与用户可替换原生碱性电池和蓄电池尤其相关的，对其实行外观表示尺寸和形状的工业标准。由上述看来，本专利技术目的在于提供一种电化学电池组电池，尤其原生碱性Zn/MnO2电池组电池，其高速和高功率放电特征优异，而且对中、低速及功率放电的容量也极佳。本专利技术另一目的在于提供一种原生碱性Zn/MnO2电化学电池组电池，它便宜又易于制造，容量高，在要求温度和操作条件下运行良好，储存期长，安全可靠，而且不易于因用户误用或机械损伤而发生故障。提供一种经济的电池组电池，其电极界面面积大，活性材料密度高，使之商业化基建费用最少，也是本专利技术的目的。专利技术综述采用本专利技术电化学电池组电池，达到了上述目的，克服了已有技术的上述缺点。本专利技术一方面涉及电化学原电池组电池，包括一个容器，一个包括氧化锰和碳的第一正电极，一个包括锌的第一负电极，一个被置于相邻正负电极间的隔膜和一种包括碱性水溶液的电解质。该电池包括至少正负电极中之一的第二电极，所有第一和第二正负电极均被彼此同轴、极性交替地排列，以使各第一和第二电极具有至少一个表面通过隔膜与另一同轴电极连接。在至少第一正电极中固体材料含量高于60％，而不超过80体积％。在另一方面，本专利技术涉及一种电化学原电池组电池，包括一个容器，一个包括氧化锰和碳的第一正电极，一个包括锌的第一负电极，一个被置于相邻正负电极间的隔膜和一种包括碱性水溶液的电解质。该电池包括至少正负电极中之一的第二电极，所有第一和第二正负电极均被彼此极性交替地同轴排列，以使各第一和第二电极具有至少一个表面通过隔膜与另一同轴电极相交界。在至少第一正电极中固体材料含量大于60-80体积％，同轴正电极的总理论容量对总界面面积的比例是150mAh∶1cm2至220mAh∶1cm2。在又另一方面，本专利技术涉及一种电化学原电池组电池，包括一个容器，一个包括氧化锰和碳的第一正电极，一个包括锌的第一负电极，一个被置于相邻正负电极间的隔膜和一种包括碱性水溶液的电解质。该电-->池包括至少正负电极中之一的第二电极，所有第一和第二正负电极均被彼此同轴极性交替地排列，以使各第一和第二电极具有至少一个表面通过隔膜与另一同轴电极相交界。在至少第一正电极中固体材料含量大于60-80体积％，其界面面积对各同轴正电极的体积比例是5.6cm2∶1cm3至6.9cm2∶1cm3。参考以下说明书、权利要求项和附图，将会对本专利技术的这些及其它特征、优点和目的有进一步理解和认识。除非另作说明，这里采用以下定义和方法：(1)″彼此同轴排列的电极″指的是同轴电极被置于使在外的电极直接径向完全环绕各内电极；同轴电极可以但不一定都有一个公共纵轴；螺旋卷绕的电极不被认为是彼此同轴排列的。(2)″极性交替地同轴排列的电极″指的是同轴电极的径向排序是要使相邻同轴电极极性相反更迭于正负之间(如负-正-负、正负-正、负-正-负-正和正-负-正-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学原电池组电池，包括一个容器，一个包括氧化锰和碳的第一正电极，一个包括锌的第一负电极，一个被置于相邻正负电极间的隔膜，和一种包括碱性水溶液的电解质；其中：该电池包括一个正负电极中至少之一的第二电极；所有第一和第二电极 都是彼此同轴排列而极性交替的，以使各第一和第二电极具有至少一个表面，通过隔膜与另一个同轴电极相交界；和按体积计，至少第一正电极含有大于６０％而不大于８０％的固体材料。

【技术特征摘要】
US 2002-9-20 10/251,002;US 2003-2-28 10/376,8301.一种电化学原电池组电池，包括一个容器，一个包括氧化锰和碳的第一正电极，一个包括锌的第一负电极，一个被置于相邻正负电极间的隔膜，和一种包括碱性水溶液的电解质；其中：该电池包括一个正负电极中至少之一的第二电极；所有第一和第二电极都是彼此同轴排列而极性交替的，以使各第一和第二电极具有至少一个表面，通过隔膜与另一个同轴电极相交界；和按体积计，至少第一正电极含有大于60％而不大于80％的固体材料。2.按照权利要求1定义的电池组电池，其中在至少第一正电极中的固体材料含量大于70体积％。3.按照权利要求2定义的电池组电池，其中在至少第一正电极中的固体材料含量至少75体积％。4.按照权利要求3定义的电池组电池，其中在各同轴正电极中的固体材料含量至少75体积％。5.按照权利要求1定义的电池组电池，其中该电池包括第一和第二正电极，第一正电极是被置于第二正电极径向向外的，而第二正电极是一个中心同轴电极。6.按照权利要求5定义的电池组电池，其中各同轴电极具有一个环圆筒形界面的形状和一个径向厚度，第一正电极径向厚度对第二正电极径向厚度的比例是0.5∶1-1.3∶1。7.按照权利要求6定义的电池组电池，其中第一正电极径向厚度对第二正电极径向厚度的比例是0.6∶1-1.0∶1。8.按照权利要求7定义的电池组电池，其中第一正电极径向厚度对第二正电极径向厚度的比例是0.7∶1-0.8∶1。9.按照权利要求5定义的电池组电池，其中第一和第二正电极各有一个理论容量，第一正电极理论容量对第二正电极理论容量的比例是1.5∶1-4.0∶1。10.按照权利要求1定义的电池组电池，其中第一正电极是最外同轴-->电极。11.按照权利要求10定义的电池组电池，其中第二正电极包括氧化锰，并具有一个集流器，其包括具有选自栅格、丝网、穿孔金属片和金属网形式的第一导电部件。12.按照权利要求11定义的电池组电池，其中第二正电极集流器的至少一个第一导电部件被置于第二正电极径向的外部份内。13.按照权利要求11定义的电池组电池，其中第二正电极集流器的至少一个第一导电部件从被置于中心的第二导电部件径向地向外延伸，第二导电部件具有一种选自线丝、细杆、钉和棒的形式。14.按照权利要求1定义的电池组电池，其中第一负电极具有一个集流器，包括具有选自线丝、细杆、钉和棒形式的单一导电构件。15.按照权利要求1定义的电池组电池，其中该电池包括至少两个同轴正电极，各同轴正电极占有一定体积，该电池占有一总同轴正电极体积和一总同轴正电极界面面积，总同轴正电极界面面积对总同轴正电极体积的比例是至少5.0cm2∶1cm3。16.按照权利要求15定义的电池组电池，其中总同轴正电极界面面积对总同轴正电极体积的比例小于25cm2∶1cm3。17.按照权利要求16定义的电池组电池，其中其最外同轴正电极的界面面积对体积的比例不超过8.0cm2∶1cm3。18.按照权利要求17定义的电池组电池，其中总同轴正电极界面面积对总同轴正电极体积的比例为5.6∶1-6.9cm2∶1cm3。19.按照权利要求5定义的电池组电池，其中第一正电极最小径向厚度为至少0.060英寸。20.按照权利要求1定义的电池组电池，其中各同轴正电极具有一个与集流器的接触表面和一个集流器接触面面积，各同轴正电极包括电解二氧化锰，对各同轴正电极该集流器接触面面积是至少每克电解二氧化锰1.8cm2。21.按照权利要求1定义的电池组电池，其中各同轴正电极具有一个与集流器的接触表面和一个集流器接触面面积，各同轴正电极具有一个电极-集流器接触电阻，在21℃测定时，此电阻值为每平方厘米的接触面面积小于2毫欧。-->22.按照权利要求1定义的电池组电池，其中：至少正负电极中之一的第二电极至少是正电极；各第一和第二正电极在21℃下测定时，具有不超过0.5欧姆-厘米的电阻率；各第一和第二正电极具有一定体积；各第一和第二正电极具有一个与集流器的接触表面和一个集流...

【专利技术属性】
技术研发人员：W黄，PJ斯勒扎克，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]