棱柱形电化学电池制造技术

一种密封的电化学电池（４４），其具有一个多孔结构的正极板，所述多孔结构在离子流主要方向的最大线度至少为电池壳腔在离子流主要方向的最大线度的２０％。这种电池可以产生高的电流密度，同时具有高的容量。所述电极的结构不管电极的厚度如何，能够实现较弱的扩散极化。整个电池制造起来更经济，其中的非活性物质占据的内部容积的百分比低。本发明专利技术还公开了电极板的构造以及活性化合物材料。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及密封的棱柱形电化学电池。圆柱形电化学电池具有圆柱形的电池壳。某些圆柱形电池含有一卷薄而柔的电极，其绕制时在其间夹有隔离层。由于所述电极和隔离元件所形成的绕制结构，这种电池结构有时叫做“胶体卷”。这种电池的电极可以通过用活性物质浸染多孔的烧结型含金属板状基体来制造，或者用含有活性物质的糊状物填到含金属的基体上。其他的一些圆柱形电池具有用活性物质的粉末压制的药柱电极，电极设置在电池壳内的同心柱体中，在极性相反的电极之间有一个隔离管。圆柱形电池制造起来相对便宜一些，并且，其圆柱形的形状能够耐受因为电池内部压力的改变而导致的应力集中和变形。标准的AA型和A型镍铬(NiCd)电池和镍氢(镍和金属氢化物，NiMH)电池就是绕制型圆柱电池的实例。标准的AA型、C型和D型碱性电池是筒管式(药柱式)圆柱电池的实例。棱柱形电池的电池壳具有多边形的侧壁(比如为平行六面体或者矩形的电池壳)，应用于许多需要高能量密度的场合，因为它们的形状可以在装到电池盒，例如蜂窝式电话的电池盒中时具有较高的体积堆垛效率(volumetric stacking efficiency)。一个典型的F6镍氢棱柱形电池具有三个镍氢正极板，分别夹在四个金属氢化物合金负极板之间，并有隔离袋将每个极板层与相邻极板层隔开。这个电极组插在一个矩形金属壳中，所有的负极板通过一系列金属连接条连接到一个接线柱，所有的正极也通过一系列连接条连接到另一个接线柱。每个金属连接条都充分绝缘，以避免电极元件之间的内部短路。通常，电池壳本身就是两个接线端子之一。与有可比性的圆柱形电池相比，棱柱形电池往往更为复杂而昂贵，这是由于大量的内部元件和随之而来的安装操作问题所导致的。对于电池来说，两个重要的性能参数，是其总容量(用安培小时表示)及其在给定放电速率下的放电系数。额定容量是衡量存储在电池中的可用能量总量的尺度，它与电池能够向一定负载供电的小时数有关。电池容量主要是含在电池中的可反应活性物质的量的函数，尤其是首先被消耗完的活性物质的量的函数。一般，电池容量在C／5放电速率(见美国国家标准局出版的ANSI C18．2M-1991)下测定。单个电极的理论电量体积比(volumetric capacity)是指给定体积的电极所含活性物质的总的能量密度，可以表示为安培小时每升。放电速率系数(discharge rate efficiency)受电极之间的界面面积的影响，以及所述面积导致的极化度的影响，所述极化度随着放电速率的提高会使输出电压降低。界面面积越大，可维持在给定电压的放电速率就越高，因为放电速率可以被视为单位界面面积的最大电流(电流密度)。一个标准的镍氢F6电池，例如，在组合起来的电极之间的界面面积总计可达32平方厘米以上。极化通常是指电池在开放电路和闭合电路情况下负载电压的差异，其为电流密度的函数，由三个独立的项目构成活化极化，欧姆极化和浓度极化。活化极化(activation polarization)降低给定放电速率下的负载电压，是电池所选用的活性物质的特性的固有函数。欧姆极化(ohmic polarization)也降低给定放电速率下的负载电压，这是因为各个电池元件、连接件和各种界面而形成的总电阻而形成的，可以通过降低各个电池元件和界面的电阻率而削弱欧姆极化。浓度极化(concentration polarization)也降低负载电压，这是因为在电解液和电极表面的界面上，进出电极板的电荷粒子的扩散速率有限制，通过改善电极的反应系数(reaction efficiency)，从而提高电极中的电荷粒子的扩散速率，可以削弱浓度极化。如果电池的容量受正极中的活性物质的量的控制，这种电池就叫做正极限制型。首先消耗尽负极活性物质的电池称为负极限制型。典型的镍氢电池，例如，是正极限制型的，以减少电池在过度充电情况下超压的可能。当电池充电时，在氢氧化镍正极的表面产生氧气，这些氧气随后又在金属氢化物负极的作用下减少。如果正极不是在负极之前充电，就会在负极产生氢气，从而导致很高的内压。负极正极的容量比一般大于1．6。换句话说，一个650毫安小时的电池一般具有足以存储1040毫安小时能量的负极活性物质(例如金属氢化物合金)。这些过量的负极容量中，有一部分由于金属氢化物合金在电池使用过程中在电池的环境中被腐蚀而消失了。专利技术方案概述本专利技术提出了一种密封的棱柱形电化学电池，其具有多孔结构的充填有活性物质的电极。按照本专利技术的一个方面，所述密封的电化学电池包括一个棱柱形的电池壳，形成一个内腔，在该电池壳腔中设置有一个负极板，该负极板与所述电池壳电连接，在该电池壳腔中还设置有一个多孔结构的正极板。所述多孔结构与所述电池壳和负极板电绝缘，并限定了离子流的主要方向。所述多孔结构在所述离子流主要方向的最大线度至少为电池壳腔在离子流主要方向的最大线度的20％(更好地至少为30％，再更好地至少为40％，最好是在52％到56％之间)。在某些实施例中，电池壳的外部总尺度在离子流主要方向为2到8毫米(更好地是在4到6毫米之间，最好约为5．6毫米)。所述正极板多孔结构的孔隙度最好是在约30％到40％之间(更好地在约34％到36％之间)。在某些实施例中，所述正极板包括一种含镍的活性金属氢氧化物，其中含有按重量占0％到4％(在某些情况下约为2％，在另外一些情况下约为0．5％)的钴。钴可以是氧化钴的形式，氧化钴的重量约为活性金属氢氧化物重量的0．03到0．10倍。所述活性金属氢氧化物最好还包括按重量计0％到8％(更好地是约为4％到6％，最好约为5％)的锌。在某些实施例中，所述活性金属氢氧化物还含有按重量计至少占50％(比较好的是至少55％，更好地是在约56％到58％之间)的镍。在某些实施例中，电池还含有位于负极和正极之间的隔离物，其厚度约在0．12到0．20毫米之间。隔离物的材料最好包括含有聚烯烃的非纺纤维。在某些情况下，所述隔离物的平均孔径在约6到30微米之间。在某些实施例中，隔离物中的空隙容积少于电极和隔离物空隙容积总和的约30％(最好少于约20％)。在某些实施例中，所述活性金属氢氧化物的总表面积约在10到30平方米每克(最好是约15平方米每克)之间。在一种优选的方案中，所述活性金属氢氧化物是球状的，摇实密度(按ASTMD527-93的定义)约为1．8到2．2克每立方厘米，并且D101晶面间距小于约100埃。在某些实施例中，负极板是U形的，具有一个中央部分和从该中央部分伸出的两臂，该两臂与所述正极板相对。该U形负极板的中央部分可以焊接到电池壳上。在某些实施例中，正极板和负极板各自在C／5放电速率下的总容量与电池壳腔容积的比分别超过约100安培小时每升。所述比例最好超过约150安培小时每升(更好地是超过约250安培小时每升)。按照本专利技术另一个方面，所述密封的电化学电池包括一个限定了一个内腔的棱柱形电池壳，在该电池壳腔中设置一个负极板，该负极板与所述电池壳电连接，在所述电池壳腔中，仅设置一个正极板，其仅具有一个单体的多孔结构。所述多孔结构与所述电池壳和负极板电绝缘，并确定了离子流的主要方向。所述多孔结构在所述离子流主要方向的最大线度至少为所述电池壳腔在离子流主要方向上的最大线度的15％。按本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种密封的电化学电池，包括： 一个棱柱形电池壳，在其内部形成一个壳腔； 一个负极板设置在该电池壳腔中，与所述电池壳电连接； 一个多孔结构的正极板设置在所述电池壳腔中，所述多孔结构与所述电池壳和负极板电绝缘，并限定了离子流的主要方向； 所述多孔结构在所述离子流主要方向的最大线度至少为电池壳腔在离子流主要方向的最大线度的２０％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：理查德M蒙克，
申请(专利权)人：杜拉塞尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]