电池制造技术

碱性电池具有包括羟基氧化镍的阴极。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池。电池如一次碱性电池通常用作能源。一般地，碱性电池包括阴极、阳极、隔板和电解液。阴极可包括活性材料如二氧化锰或氧化镍、增加阴极导电性的碳颗粒和粘合剂。阳极可以是例如包括锌粒作为活性材料的凝胶。隔板放置在阴极与阳极之间。电解液可以是例如在整个电池中分散的氢氧化物溶液。理想的一次碱性电池具有高的能量密度和在储存过程中低的容量损失率。在储存过程中的容量保持在原电池体系中是重要的，这不同于二次电池体系，其容量不可能通过充电过程恢复。具有氧化镍阴极和汞锌阳极的原电池具有高的能量密度，但在60℃下，在储存过程中可损失大量容量。通过氢气还原或者从氧化镍阴极中放出氧气引起的自身放电可导致放电容量损失和形成非导电区域。本专利技术的特征是包括羟基氧化镍(nickel oxyhydroxide)阴极的一次碱性电池。电池优选在60℃下储存2周后的容量损失率小于40％。阴极可包括羟基氧化钴改性的羟基氧化镍或非破裂(non-fractured)的羟基氧化镍，它们可改进电池的容量损失性能。羟基氧化钴改性的羟基氧化镍是在羟基氧化镍的部分表面上具有羟基氧化钴的羟基氧化镍。例如，羟基氧化钴改性的羟基氧化镍是在羟基氧化镍上具有羟基氧化钴涂层的羟基氧化镍。涂层可以是基本上均匀的，这意味着涂层覆盖至少60％镍材料的表面。羟基氧化镍可以是基本上非破裂的。非破裂的羟基氧化镍是由氢氧化镍通过氧化和层间空间收缩或层间空间没有变化而形成的羟基氧化镍。例如，当α-Ni(OH)2用作母体时，可显著地降低破裂程度，因为α-Ni(OH)2具有约8埃的层间空间，其在形成γ-NiOOH时收缩成约7埃。α-Ni(OH)2是具有下面通式的一类材料(Ni1-nAn)(OH)2Xn/m·(H2O)z其中A是Al、Co、Fe、Mn或其它三价金属离子或其混合物，X是电荷为-m的阴离子，m为1或2，n介于0和0.8，且包括0和0.8，和z介于0和0.3，且包括0和0.3。X可以是卤素、碳酸根、羧酸根、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根或亚磷酸根。优选地A是Al、Co、Fe或Mn或其混合物，X是CO32-(m＝2)、NO3-(m＝1)、Cl-(m＝1)或SO42-(m＝2)，且n介于0和0.3。一方面，本专利技术的特征是包括阴极、阳极、隔板和电解液的一次碱性电池，阴极可包括羟基氧化钴改性的羟基氧化镍或衍生于α-Ni(OH)2的羟基氧化镍。羟基氧化镍可以是γ-NiOOH。羟基氧化镍可以是基本上非破裂的。另一方面，本专利技术的特征是制造碱性电池的方法。该方法包括组装阴极、阳极、隔板和碱性电解液，形成碱性电池。该方法可包括形成含羟基氧化镍的阴极。该方法也可包括形成羟基氧化钴改性的羟基氧化镍或非破裂的羟基氧化镍。形成羟基氧化镍可包括例如通过将氢氧化镍暴露于臭氧，将α-Ni(OH)2转化成羟基氧化镍。再一方面，本专利技术的特征是降低羟基氧化镍一次碱性电池中容量损失率的方法。该方法包括形成包括羟基氧化镍的阴极，和组装阴极、阳极、隔板和碱性电解液，形成碱性电池。该方法可包括将α-Ni(OH)2转化成羟基氧化镍或将氢氧化钴涂布的α-Ni(OH)2转化成羟基氧化镍。又一方面，本专利技术的特征是原电池的阴极，其包括非破裂的羟基氧化镍或羟基氧化钴改性的羟基氧化镍。阳极可包括锌。在优选的实施方案中，阴极进一步包括氧化添加剂。通过在阴极中包括氧化添加剂，可部分消除或防止在羟基氧化镍颗粒的表面上或本体内的还原反应，而该还原反应可导致降低的储存容量。优选电化学活性添加剂，通过升高超电势，降低氧气的放出，以避免容量损失，而容量的损失可能来自干电化学非活性添加剂的使用。根据说明书、附图以及根据权利要求，本专利技术的其它特征和优点将变得显而易见。附图说明图1是电池的剖面视图。图2a-图2c是NiOOH颗粒的电子显微照片。参考图1，电池10包括阴极12、阳极14、隔板16和圆柱形外壳18。电池10还包括电流集电极20、密封剂22和负金属顶盖24，其中负金属顶盖24充当电池的负电端。阴极与外壳接触，电池的正电端在与电池的负电端反向的端点处。电解液分散在整个电池10内。电池10可以是例如AA、AAA、AAAA、C或D电池。阴极12包括阴极材料、碳颗粒和粘合剂。阴极材料可以是羟基氧化镍、氧化银或高锰酸银。羟基氧化镍可以是γ-NiOOH，相对于二氧化锰，它具有高的运行电压和高的比能。可通过化学氧化，例如通过用次氯酸钠或臭氧处理氢氧化镍，获得高价γ形式的NiOOH。或者，可通过例如β-NiOOH的电化学过度充电制备高价γ形式的NiOOH。可获得高达3.67的平均镍氧化态。Ni(OH)2与臭氧的氧化反应概括在方程式(1)中。(1)特别地，阴极材料可以是非破裂的羟基氧化镍或羟基氧化钴改性的羟基氧化镍。非破裂的羟基氧化镍可衍生于α-Ni(OH)2。具体地，可通过臭氧化将α-Ni(OH)2氧化形成γ-NiOOH。以这一方式形成的γ-NiOOH是非破裂的。当由α-Ni(OH)2形成γ-NiOOH时，层间空间从β-Ni(OH)2的约5埃膨胀到γ-NiOOH的约7埃。这种相对大的结晶膨胀导致γ-NiOOH颗粒的宏观破碎。破碎可增加NiOOH电极与电解液的界面面积，并且导致在储存过程中显著的容量损失率。当α-Ni(OH)2用作母体时，可显著地降低破裂程度。α-Ni(OH)2具有约8埃的层间空间，和臭氧化之后，层间空间收缩到在γ-NiOOH中的7埃。层间空间的相对小的变化降低了颗粒的破碎。与由β-γ转化形成的破裂的羟基氧化镍相比，由α-γ转化形成的非破裂的羟基氧化镍在储存过程中显著更好地保持容量。羟基氧化钴改性的羟基氧化镍可包括在羟基氧化镍上的羟基氧化钴涂层。羟基氧化钴可改进阴极内颗粒之间的电接触，并且可保护羟基氧化镍表面免遭降解。涂层覆盖至少60％的羟基氧化镍表面。优选地，涂层可覆盖至少约70％，优选至少80％，更优选至少90％的表面。羟基氧化钴改性的羟基氧化镍可衍生于用2wt％-15wt％，优选3wt％-10wt％，更优选4wt％-8wt％，最优选5wt％的氢氧化钴涂布的氢氧化镍。可通过氢氧化镍和氢氧化钴的化学或电化学氧化，制备羟基氧化钴改性的羟基氧化镍。可例如通过将氢氧化镍颗粒暴露于氢氧化钴在水中的溶液或悬浮液中，并干燥所暴露的镍，从而用氢氧化钴预处理氢氧化镍。可使用固相-气相技术生产羟基氧化钴改性的羟基氧化镍。可通过使Co(OH)2与臭氧反应形成CoOOH相。通过使碱金属氢氧化物与Ni(OH)2混合并将该混合物暴露于臭氧，也形成NiOOH，例如在美国专利3911094中所述。Co(OH)2和臭氧的固相反应产生CoOOH，可通过方程式(2)表示。(2)固相-气相反应可定量地产生CoOOH。通过将起始材料的粉末暴露于臭氧并搅拌反应混合物，可实现臭氧化。当CoOOH形成时，Co(OH)2由浅紫色变化成暗褐色。例如在水浴中保持起始材料的温度。由空气制备的湿臭氧是优选的氧化剂。周期性中断反应，研碎反应物，以降低颗粒的聚积和增加发生氧化的Co(OH)2量。通过测量多晶样品的电阻作为外加电压的函数，进行CoOOH的导电率测量。在2000kg/cm2的压力下，臭氧化制备的CoOOH的导电率计算为0.12S/cm2。在用臭氧处理之前，可以用可控的方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一次碱性电池，包括：含羟基氧化钴改性的羟基氧化镍的阴极；阳极；隔板；和碱性电解液。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：F王，E王，P特雷纳，G魏，
申请(专利权)人：吉莱特公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]