电化学电池的结构及其制造方法技术

一种具有高阳极－阴极界面表面积和改进的以高速率放电的放电效率而没有牺牲总容量的电化学电池的制造方法，包括采用隔膜涂覆电极（１６）和含有第二电极（１２）的可流动材料。第一电极和包括第二电极的可流动材料设置在电池外壳（１４）中。可流动材料环绕在第一电极的涂覆表面。本发明专利技术还提供一种用于制造具有高阳极－阴极界面表面积的电化学电池的简化方法。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电化学电池领域，尤其涉及具有非常高的阳极-阴极界面表面积、从而具有高速率放电效率的电化学电池。通常用电化学电池给电力操作器件尤其是可移动的电力操作器件提供电压。一般来说，常用的圆柱型碱性电池可商用的工业标准尺寸包括D-、C-、AA-、AAA-和AAAA型的电池。对于碱性电池的需求有所增长，尤其对于通常可商用尺寸的碱性电池的需求，这种电池展示了以高放电速率的改进放电效率。对于高放电速率电池通常采用的结构是螺旋卷绕电极装配，也就是所知的胶卷型装配，其中将正极、负极、隔膜板螺旋地卷绕，以便在电极之间提供高表面面积，由此可实现高放电速率。螺旋卷绕结构需要将隔膜设置在电极之间以避免短路。如果采用传统的隔膜，例如纸或纤维素隔膜，对于具有110平方厘米阳极-阴极表面积的AA-型的胶卷式电池，典型约有总体积的10％至20％由非活性隔膜材料占有。界面表面积的增加导致高速容量的增加。然而，活性材料体积的减少引起以低速放电的容量的减少。如果目前的隔膜由更薄的隔膜取代，那么就可以提供螺旋卷绕电极结构以及选择性电池结构，生产出具有更高界面表面积和增加高速性能的碱性电池。传统螺旋卷绕电池结构的另一个缺点在于，用于对两个电极和隔膜进行螺旋卷绕的机器在制造、操作和维护方面相对昂贵。因此，希望改进方法和电池结构。US-A-5869205公开了一种具有多个阳极室的电化学电池以提高阳极-阴极界面面积。一个实施例包括设置在外壳中的第一电极，其中第一电极包括四个圆柱形腔室，第二电极设置在四个腔室的每个之中。在四个腔室的每个中设置传统的隔膜。而在US-A-5869205中描述的电池结构实现了在高速容量方面的实质改善，采用了传统的隔膜。因此，与阳极-阴极界面表面积的增加相关的改进的以高速率放电的放电效率还是通过在隔膜面积和隔膜体积方面的成比例增加而实现的。因此，要想实现改进的以高速率放电的放电效率，至少一部分是通过牺牲总容量。人们希望实现在以高速率放电的放电效率方面的更大的改善，优选在没有牺牲总容量的条件下实现这样的改善。US-A-3156585公开了一种封闭式密封蓄电池，它包括多个同心地设置的环形电极，每个电极通过传统隔膜与相邻电极隔开。虽然该专利没有具体提及以高放电速率的改进放电效率，但是认为所示的电池结构具有增加的阳极-阴极界面表面积，认为至少在以高速率放电的放电效率方面显示了一些改善。但是，该电池结构结构相当复杂，很难以有竞争力的价格制造。通过在隔膜面积和体积方面显著增加以及由此在总容量方面的显著减少，将实现在以高速率放电的放电效率方面的改善。人们希望得到具有增加的阳极-阴极界面面积、设计更简单因而更便宜的碱性电池，优选地，它在没有牺牲总容量的条件下实现改进的以高速率放电的放电效率。序列号为US09/198802、申请日为1998年11月24日的美国专利申请公开了一种高速率电化学电池，它包括设置在外壳中的第一极的第一电极，设置在第一电极的一侧上的第二极的第二电极，以与第一电极接触的方式设置的第一集流体，具有第二极并设置在第一电极的另一侧的外部电化学活性层。在第一电极和第二电极之间以及在第二电极和外部电化学活性层之间设置隔膜。在美国专利系列号US09/198802中公开的结构具有以下优点，利用可以以有竞争力的价格生产的相对简单的设计，实现了阳极-阴极界面表面积的实质增加，从而在以高速率放电的放电效率方面得到改善。然而，由于在第一和第二电极之间以及在第二电极和外部电化学活性层之间的隔膜是传统隔膜，因此实现了改进的以高速率放电的放电效率并同时伴随着隔膜体积的增加和由此引起的总容量的减少。本专利技术属于具有高阳极-阴极界面表面积以及改进的以高速率放电的放电效率的电池。本专利技术还提供用于制造具有高阳极-阴极界面表面积以及改进的以高速率放电的放电效率的电池的方法。本专利技术的电池和方法一般包括具有用作隔膜的涂层的第一电极或电极材料的使用和围绕此涂覆电极并接触此涂覆电极的可流动电极材料的使用。因此，在第一方面，本专利技术提供一种电池，包括外壳；在外壳中设置的第一电极；用作隔膜的涂层，此涂层位于第一电极的表面上；以及可流动第二电极材料，此可流动第二电极材料设置在外壳中并围绕第一电极的涂覆表面。在第二方面，本专利技术提供一种制造电池的方法，包括提供外壳；提供第一电极；在第一电极的表面上形成用作隔膜的涂层；在外壳中设置涂覆后的第一电极；以及在外壳中设置可流动的材料，可流动的材料包括第二电极材料，可流动材料围绕在第一电极表面上涂覆的隔膜。术语“可流动电极材料”是指具有围绕和完全环绕固体电极流动的能力的电极材料。这种材料通常包括液体电解质和电化学活性材料的分散固体颗粒的混合物。可流动的电极可以是低粘性材料例如液体或相对高粘度的材料例如膏状物。选择性地，可流动电极可以是粉末。这些特征的结合可以制备具有非常高的阳极-阴极界面表面积和相对低的隔膜体积的电化学电池。实际上，可以运用本专利技术的原理来实现阳极-阴极界面面积的实质增加，从而实现在以高速率放电的放电效率方面的实质上的改进，与具有线轴型电池结构、其中在相邻钢制品的内壁上设置阴极、在阴极中心的圆柱形体积设置阳极的传统圆柱型碱性电池相比，本专利技术的原理可以限定此电化学电池，同时保持、甚至提高总电池容量。第一电极包括在第一电极的表面上的涂层，其中涂层用作隔膜。隔膜涂层是在电极的表面上形成的材料的薄膜或层。涂层最初至少是通过机械、化学或电力固定到电极的表面的。在装配好电池之后，涂层可以不再保持固定到电极表面。相反，在放置相邻于电极表面的隔膜之前，传统隔膜材料被小心地转换成干的独立式的膜。传统隔膜在肉眼所见的范围与电极的表面相符，因此不能在不规则形状的电极表面上形成厚度均匀的层。由于隔膜涂层最初沿着在隔膜和电极之间的整个界面区域粘结到电极表面，因此隔膜涂层还区别于传统的隔膜材料。在电池已经装配之后，不必让隔膜材料与电极保持粘接。适用的隔膜涂层的例子包括通过将聚合体涂层成分涂覆到电极或电极材料并将聚合体涂层成分转化成高分子膜而形成的涂层。这种聚合体涂层成分可以通过将聚合物例如纤维素溶解在溶剂中而制备。可适用的隔膜涂层还可以通过在电极的表面上直接聚合隔膜涂层而形成。适用于本专利技术采用的各种隔膜涂层的更详细描述在序列号为US09/410300、申请日为9月30日的美国专利申请中列出，在此结合其全部内容作为参考。优选地，在本专利技术中采用的隔膜涂层或膜具有约100微米或更少的厚度，更优选为低于60微米厚，再优选是低于40微米厚，最优选是低于30微米厚。由于与传统纸隔膜(典型具有至少200微米的厚度)相比在此采用的隔膜涂层在厚度上的实质的降低，可以在减少总隔膜体积的同时实质性地增加阳极-阴极界面表面积。因此，具有低于100微米、低于60微米、低于40微米、低于30微米厚的隔膜涂层的采用将允许电化学电池产品同时展现出改进的以高速率放电的放电效率以及增加的总放电容量。例如，25微米厚的隔膜涂层制造出的AA-型电化学电池产品，在没有总容量降低的条件下，其阳极-阴极界面表面积为利用具有250微米隔膜的线轴型结构的传统AA-型电池设计的界面表面积的约10倍。选择性地，可以采用更薄的隔膜涂层来制造电化学电池，使其具有增加的阳极-阴极界面表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池，其包括：外壳；在外壳中设置的第一电极；用作隔膜的涂层，此涂层位于第一电极的表面上；以及可流动第二电极材料，此可流动第二电极材料设置在外壳中并围绕第一电极的涂覆表面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MD范戴布格，PJ休斯，MA舒伯特，NC唐，KE阿耶斯，AD阿耶斯，JC贝利，NC怀特，
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]