[发明专利]碱性电池的阳极壳体

说明书

本发明涉及一种电化学电池组电池，其具有与负电极相接触的含水碱性电解质和负极壳体。

含水碱性电池用于许多电池组中。过去，经常在这些电池中使用汞以最小化由于电池中不希望的电化学反应所导致的氢气的产生。基于对环境的考量，已经在努力减少或消除向碱性电池中添加汞。作为材料和电池设计方面的其它改变的结果，目前市场上绝大部分消费的碱性电池组不含添加汞。然而，对某些类型的含水碱性电池而言，去除汞更是一项挑战，尤其是对所有尺寸的钮扣式电池和金属-空气电池而言。

含水碱性电池漏液的原因包括析氢、电解质穿过密封元件和密封界面的毛细作用以及电解质穿过密封界面的电化学驱动的漏电(creepage)。氢气，其可通过负极活性材料和其它金属(包括集电器和杂质)与碱性电解质相接触造成的腐蚀产生，能导致电池内部压力增加，其可以迫使电解质穿过电池外壳的薄弱区域。电解质能通过毛细作用芯吸穿过密封元件中的以及密封元件和其它将电解质密封在电池外壳内的组件之间的细孔或者其它开口。由于带电荷的表面更容易被电解质弄湿，因此当密封界面上的金属处于一电位时(例如，电池容器的金属组分与电极中的一个电接触)，可以通过电毛细作用驱动加速毛细作用的芯吸。电化学驱动的漏电可以发生负电位下的密封元件和金属外壳组件之间(例如，负极壳体、罩或集电器)。这种漏电是由于电解质前缘负电荷金属基材上进行的氧的还原和/或水的还原得到的氢氧根离子产物所导致的。金属基材的负电位，与局部高浓度的氢氧根离子的结合，能将水和/或电解质引入反应区域，从而增加电池中的液体体积并迫使电池中的液体层远离电解质主体。这种现象在以下文章中有详细记载：Hull等人，“Why Alkaline Cells Leak”，J.Electrochem Soc.：ElectrochemicalScience and Technology，第124卷，3期(1977年3月)，第332-339页；Davis等人，“Aspects of Alkaline Cell Leakage”，J.Electrochem.Soc.：Electrochemical Scienceand Technology，第125卷，12期(1978年12月)，第1919-1923页；以及Baugh等人，“A Mechanism for Alkaline Cell Leakage”，Journal of Applied Electrochemistry，8(1978)，第253-263页。

由于汞非常高的析氢过电压，所以汞能有效抑制氢气产生和电化学驱动的漏电，并且其可以增强负极集电器上负极活性材料(例如锌)的镀层的品质，这对于长期抑制集电器的气体产生而言是重要的。从碱性电池中减少或消除汞要求其它途径以将氢气的产生减少到最小。以下申请中公开了已用于碱性Zn/MnO₂电池的一般方法的示例：美国专利号5,464,709(低气体产生的锌细合物)；美国专利号4,791,036和4,992,343(集电器合金组合物)；美国专利号5,188,869、5,281,497、5,397,658和5,445,908(用低气体产生金属涂覆集电器)；美国专利号5,168,018(无机气体产生抑制剂和有机表面活性剂添加至负电极)；以及美国专利号6,468,691(改进的密封结构)和6,256,853(改进的电池密封工艺)。

因为与其它碱性电池相比，钮扣式电池和金属空气电池通常具有更大的电解质漏液电位和/或其泄漏的影响更大，所以从钮扣式以及金属-空气电池中消除汞更是一项挑战。钮扣式电池通常是以单电池电池组(single cell battery)的形式出售，没有封套覆盖在电池的外表面，其保留了部分密封界面，所以到达密封界面外侧的任何液态电解质或电解质盐都会出现在电池组外表面上。即使钮扣式电池外表面上微量的电解质液体或盐也会因为有伤美感且不利于其性能而不能使用，因为它能导致电接触表面的腐蚀。金属-空气电池和电池组在其壳体内具有空气进口部分以允许空气进入电池。这些开口是其它泄漏位置，电解质通过这些开口泄漏出来的，并且金属-空气电池不总是具有用于隐藏并容纳泄漏的电解质的外部封套。在钮扣式电池和某些金属-空气电池中，负极壳体可以起到集电器的作用，并且这些壳体可以具有相对于电极体积而言相对大的用于接触负电极的表面积。这些大的表面积可以提供更多的机会产生电池中气体。