电化学电池制造技术

一种具有含膨化石墨作导电碳材料阴极的电化学电池、该膨化石墨的煤油吸收值为２．２～３．５ｍｌ／ｇ，它提高了电池的使用性能。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学电池，特别是阴极由二氧化锰和形成导电基质的导电碳材料的混合物组成的碱性电化学电池。典型的碱性电化学电池有一圆筒形钢模壳，在钢模壳内表面上带有一个形成的、含有二氧化锰作活性材料的阴极。含有锌粉和粘结剂的阳极安置在电池中心部位。一隔膜位于阳极和阴极之间，而碱性电解质接触阳极、阴极和隔膜。导电的阳极集电器通常插在阳极活性材料之中，盖罩和密封组件封闭了钢模壳的开口端。一般的碱性电池中，阴极构成正电极，而阳极构成负电极。常用的阴极包括一种由作为阴极活性材料的电解质二氧化锰粒子、作为导电材料的石墨、氢氧化钾溶液和去离子水组成的混合物。加入导电石墨以增加二氧化锰粒子间的导电性，也增加钢模壳和阴极活性材料之间的导电性，因为二氧化锰的导电率极低。结果，导电石墨构成了一种贯通活性二氧化锰粒子以及钢模壳的导电基质。设计碱性电池的主要目的是增加电池的使用性能。使用性能是在给定载荷情况下，电池按额定电压放电到电池不再能为预期目的所用的电压经历的时间长度。增加使用性能采用的一条途径是增加电池的内体积来增加电池内所用活性材料量。但是，电池的外尺寸一般由商业约束条件所固定，因而限制了在特殊尺寸电池内增加活性材料量的可能性。电池内较高量石墨与阴极活性材料混合，可提高阴极的导电性能。但是，较大量石墨也必占据较大的体积，反过来，又使阴极内可用的二氧化锰活性材料量减少，导致蓄电池放电量下降。另一方面，减少石墨量可增加可用的活性二氧化锰量，但是，可能导致阴极内电阻增加，因而降低了电池的放电性能。因此，电池阴极内所含导电材料和二氧化锰活性材料之间的比例必须得到适当兼顾。已进行了各种尝试以改进电化学电池的、特别是在高放电速率时的放电特性。因为二氧化锰导电率比较低，助导电剂，例如石墨和／或乙炔黑常用于和其它阴级组分混合。但是，石墨和乙炔黑具有固有的缺点，包括体积耗量大以及吸收特性高。此外，电池阴极内所用的导电添加剂含有大量杂质，导致增加气体生成。熟知过量氢气泡会降低电池性能。因此，希望电池内出气量减至最少。尽管以前用这些添加剂提高了电池的使用性能，但寻找新的提高使用性能的方法仍然是电池设计者的首要目标。美国专利USA 5482798中公开了将平均粒子大小为0．5～15 m的膨化石墨掺入二氧化锰为阴极的碱性电池中有益。现在意外地发现，把一种有某些特性的导电膨化石墨特殊材料掺入电池阴极，可改进碱性电化学电池的使用性能。因此，第一方面，本专利技术提供一种包括有活性材料和含膨化石墨粒子的导电碳材料的正电极的电化学电池，其特征在于膨化碳粒子的煤油吸收值为2．2～3．5ml／g。更一般地说，本专利技术为包括活性阴极材料，如电解的二氧化锰，与含膨化石墨粒子的、提供占据体积小的导电基质的导电碳结合的化学电池提供了一种阴极，其中膨化石墨粒子的煤油吸收值最好为2．2～3．5ml／g。本专利技术的阴极特别适用于含有碱性电解质的电化学电池。另一方面，本专利技术提供了一个包括含活性材料和含膨化石墨粒子的导电碳材料的正电极的电化学电池，其中膨化石墨粒子纯度，由灼烧失重测定，大于99．9％，优选大于99．95％。按本专利技术的一个方面，该电化学电池的阴极包含一种活性阴极材料，如电解的二氧化锰，与含膨化石墨粒子的、提供一种占据体积小的导电基质的导电碳相结合。所述膨化石墨粒子优选平均表面积与质量之比至少为18m2／g，平均粒子大小为17～32 m，煤油吸收值为2．2～3．5ml／g。本专利技术阴极特别适用于含碱性电解质的电化学电池。本专利技术的电池使用有某些特性的膨化石墨。基本上，这种石墨是膨化的并分等级以达到所要的最终结果，它看来是以杯形而不是平板形粒子为特征。这样的粒子似乎能更好地与电极的二氧化锰接触，提供更好的导电性，因而能使所需石墨量减少。然后，余下的体积可被活性材料占据，因而提高了性能及使用寿命。本专利技术的石墨具有某些物理特性。只要这些特性存在，该石墨就是有用的。这些特性未必限定了石墨，但却是其性质。尤其是煤油吸收试验以前未用于石墨，但现在发现适用的石墨一般具有2．2～3．5ml／g的煤油吸收值。可用于表征石墨本身或在任何混合物中之石墨的其它特性，通常其重要性的递补次序是平均粒子尺寸(d50)；d90粒子尺寸；表面积与质量之比(BET比表面)；堆积密度；和Scott密度。d10粒子数值也是有用的量度，尤其是与d50和／或d50这种量度结合时。现在，本专利技术将对附图作进一步说明，其中附图说明图1是按本专利技术绘制的一个碱性电化学电池实例的剖视透视图。图2是说明生产电化学电池阴极中所用膨化石墨方法的流程简图。图3是电化学电池阴极中所用膨化石墨添加剂的放大照片。图4是测试膨化石墨各个试样性能分析及其测得的特性表。图5是图4中提供的被测膨化石墨粒子的体积平均直径图。图6是图4中提供的被测膨化石墨粒子的面积平均直径图。图7是图4中提供的被测膨化石墨样品的膨化石墨煤油吸收图。图8是图4中提供的被测膨化石墨样品的Scott体积图。图9是图4中提供的被测膨化石墨样品的膨化石墨BET表面积图。图10是图4中提供的被测膨化石墨样品的片电阻(pelletresistance)图。图11是说明确定按本专利技术电化学电池阴极中所用的优选膨化石墨方法的方决图。图12是说明对膨化石墨粒子样品测得的堆积密度图。现在参看图1，一个圆筒形碱性电化学电地10的剖视图。碱性电池10包括了一个圆筒形、一端开口的钢模壳12。除两端外，围绕钢模壳外表面形成一金属化的塑料膜标记14。钢模壳12的封闭端处是一个最好由电镀钢板形成的凸盖。膜标记14在凸盖16的外围边缘上形成。优选由二氧化锰、石墨、45％氢氧化钾(KOH)溶液、去离子水和一种导电壳涂层组成的阴极20在钢模壳12的内侧表面处形成。此外，任选的粘合剂可加入阴极混合物20。优选由非纺织物形成的隔膜22配置在阴极20的内表面处，它阻止了电池中任何固体粒子的移动，也提供了电绝缘。由氢氧化钾形成的电解质24配备在隔膜22内部。优选由锌粉、胶凝剂和其它添加物组成的阳极18配置在电解质24之中，与集电器26接触，集电器由黄铜构成。因此，阴极20构成电池的正极，阳极18构成电池的负极。集电器26与凹盖36接触。尼龙封口30在钢模壳12的开口端形成，阻止钢模壳12内活性成分的泄漏。优选由电镀钢板形成的凹盖36安置成与集电器26接触。凹盖36靠尼龙封口30与钢模壳12电绝缘。本专利技术阴极20含有一活性阴极材料，例如电解的二氧化锰(EMD)。此外，阴极20还含有导电碳材料，这里是指膨化石墨，它为阴极20内二氧化锰粒子间以及二氧化锰与钢模壳之间提供导电基质，提高了电化学电池10的使用性能。本专利技术阴极20优选使用电解的二氧化锰(EMD)粒子作活性阴极材料。电解的二氧化锰有较低的导电率，因此，导电材料常与电解的二氧化锰粒子一起加到阴极20中去。按本专利技术，导电材料以一定量加到电解的二氧化锰中去，此量使其有较低的阴极电阻，提高阴极20内的导电性；又使其有较多量的二氧化锰以提高电池的使用性能。按本专利技术，膨化石墨粒子作为导电材料加到阴极20中去。这里所用的膨化石墨是晶格被膨胀了的石墨。有许多已知方法可使石墨膨胀，例如包括掺入酸／氧化剂，随后用热处理。膨化石墨可作为导电材料加入，其量小于通常需要的常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个电化学电池，包括有活性材料和含膨化石墨粒子的导电碳材料的正电报，其特征是膨化碳粒子有煤油吸收值２．２～３．５ｍｌ／ｇ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JC纳尔迪，
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]