[发明专利]金属空气电化学电池的阴极

说明书

本发明总体涉及金属空气电化学电池。

电池通常用于电能源。一个电池包括一个典型地称为阴极的负电极，与一个典型地称为阳极的正电极。阳极含有一个能被氧化的活性材料；阴极含有或消耗一个能被还原的活性材料。阳极活性材料能还原阴极活性材料。为了防止阳极材料与阳极材料的直接反应，阳极与阴极由一个典型地称为隔板的片状层互相隔离。

当电池用作装置例如助听器或蜂窝电话中的电能源时，使阳极与阴极电接通，使电子能流过装置而容许发生相应的氧化与还原反应以提供电力。一个同阳极与阴极接触的电解质含有流过两电极之间的隔板的离子以保持放电期间整个电池电荷平衡。

电池的一种结构是钮扣电池，它具有与钮扣相近的尺寸与圆柱体的形状。在钮扣电池中，阳极与阴极的容器包括一个称为阴极壳的下杯形结构，与一个装在阴极壳内的称为阳极壳的上杯状结构。阳极壳与阴极壳由一个例如绝缘衬垫或密封件的绝缘体隔离。阳极与阴极可一起翻边以构成容器。

在金属空气电化学电池中，氧在阳极被还原，而金属在阳极被氧化。通过容器上的空气进口从电池外部的大气向阴极供氧。氧通过阴极结构扩散至反应区。氧还原需要一个由空气、电解质与一个碳催化剂成分组成的三相反应区。阴极必须弄湿以便发生氧的还原。然而，如果出现过湿，阴极会完全湿透。当阴极湿透时，电池极化，即电池的功率输出急剧下降；此外，电解质会泄漏至电池外部。

概括地说，本发明涉及金属空气电化学电池的阴极，与制造这些阴极的方法。用本发明的阴极制造的电化学电池比较能抵抗湿透问题，而且又能产生大的电流。因此本发明的方法与构造能用于制造尤其在高速率应用中具有良好性能特征的金属空气电池。

一方面，本发明以一种金属空气电化学电池的阴极为特征；此阴极包括(a)一个包括按重量计约30％至约70％有机聚合物例如聚四氟乙烯的第一层；(b)一个包括按重量计约10％至30％有机聚合物例如聚四氟乙烯的第二层；与(c)一个催化剂。第一层与第二层在一个起纹理的界面互相接触。

所谓“起纹理的界面”包括至少一个起纹理的表面。起纹理的表面是不平滑的表面，即粗糙的表面，因而具有比有相同尺寸的平滑表面较大的表面积。因此这里提到的是宏观纹理，与观察到的电极中各颗粒上的微观纹理不同。起纹理表面的几何表面积比相同尺寸的平滑表面较好大至少10％，更好大至少25％或50％。本发明的双层起纹理的阴极提供几个优点，与阳极凝胶相邻的层有一个较低浓度的有机聚合物例如聚四氟乙烯(PTFE)。低浓度的PTFE使此层较亲水，而此层的亲水性促进润湿。此层的充分润湿对于氧的还原是重要的。与空气进口相邻的层有较高浓度的PTFE，使此层疏水。此层的疏水性帮助防止阴极湿透。两层在一个界面互相接触，此界面是起纹理的以便为三相(即空气，电解持，与催化剂)反应区提供一个较大的表面积。较大的表面积改善高速率放电期间的电池性能。

此阴极可用于制备一种具有很好放电能力的电化学电池。

另一方面，本发明以一种制造一种电化学电池阴极，包括组合碳与AgMnO₄以构成混合物然后用此混合物制备阴极的方法为特征。此阴极可用于制备金属空气电池或碱性空气电池。

使用AgMnO₄作为催化剂母体提供多个优点。例如，AgMnO₄的分解导致MnO₂与Ag的精细分散。Ag促进把O₂直接还原为40H^-。这是有益的，因为MnO₂不能参与4e^-把O₂还原为40H^-。那些在4e^-处理中不还原为OH^-的氧原子在两个e^-处理中可以被还原为过氧化物(HO₂^-)。此过氧化物的迅速消除将使阴极能产生较高的工作电压。Ag与MnO₂都是有效的消除过氧化物的催化剂。再一个优点是Ag改善阴极的电导率。

另一方面，本发明以一种金属空气电化学电池的阴极为特征；此阴极含有锰与银而基本上不含钾。所谓“基本上不含钾”指的是在阴极接触电池内的电解质之前阴极基本上无钾。此阴极最好含有按重量计少于约7％的银或少于约3％的银。