[发明专利]具有改善的阳极的碱性电池

说明书

发明领域

本发明涉及一种具有包含锌的阳极和包含二氧化锰的阴极的含水碱性 电池，其中分子筛(脱水沸石、脱水碱金属硅铝酸盐)材料被加入到阳极 中以改善电池的放电容量和使用寿命。

发明背景

常规的碱性电化学电池具有包含锌的阳极和包含二氧化锰的阴极。电 池通常由圆柱形壳体形成。外壳最初形成有扩大的开口端和相对的封闭 端。当提供了电池内容物之后，将具有绝缘插头的端帽插入到开口端内。 通过将壳体边缘卷曲到绝缘插头边缘上并径向压缩绝缘插头周围的壳体使 电池封闭以提供紧密的密封。电池壳体的在封闭端处的一部分形成正端 子。

一次碱性电化学电池通常包含锌阳极活性材料、碱性电解质、二氧化 锰阴极活性材料、以及电解质可渗漏的隔离膜，该隔离膜通常为纤维素或 纤维质及聚乙烯醇纤维膜。例如，阳极活性材料可包括与常规胶凝剂(例 如羧甲基纤维素钠或者丙烯酸共聚物的钠盐)混合的锌粒和电解质。胶凝 剂用于悬浮锌粒并使它们保持相互接触。通常，采用插入到阳极活性材料 中的导电金属钉作为阳极集电器，其电连接到负端端帽。电解质可以是碱 金属氢氧化物(例如氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂)的水溶液。阴极通 常包括作为电化学活性材料的粒状二氧化锰，其与通常为石墨材料的导电 添加剂混合以提高导电率。任选地，可在阴极中加入少量聚合物粘合剂 (例如聚乙烯粘合剂)和其它添加剂(例如含钛化合物)。

用于阴极的二氧化锰优选为通过硫酸锰和硫酸的浴的直接电解制备的 电解二氧化锰(EMD)。EMD由于其具有高密度和高纯度而是可取的。EMD的 导电率相当低。将导电材料加入到阴极混合物中以改善单独的二氧化锰颗 粒之间的导电性。这种导电添加剂也改善二氧化锰颗粒与电池外壳之间的 导电性，所述外壳还用作阴极集电器。合适的导电添加剂可包括例如导电 碳粉末，例如炭黑，包括乙炔黑、薄片状结晶天然石墨、薄片状结晶人造 石墨，包括膨胀石墨。石墨如薄片状天然或膨胀石墨的电阻率可通常介于 约3x10^-3Ω-cm和4x10^-3Ω-cm之间。

希望一次碱性电池具有高放电容量(即，长使用寿命)。由于商业电 池的尺寸已固定，因此众所周知可通过将更多量的电极活性材料填充到电 池中来延长电池的有效使用寿命。然而，这种做法具有实际的限制。例 如，如果电极活性材料在电池中填充得太密实，则在电池放电期间电化学 反应的速率会减小，继而会减小使用寿命。还可发生其它有害效应，诸如 电池极化。极化会限制电池性能和使用寿命。虽然包括在阳极中的锌或其 它活性材料的量可通过减少电解质的量来增加，但存在实际的限制，因为 阳极活性材料的利用率会随着相对于碱性电解质来讲更多的活性材料被填 充到阳极中而开始减小。类似地，包括在阴极中的二氧化锰或其它活性材 料的量可通常通过减少非电化学活性材料诸如聚合物粘合剂或碳导电添加 剂的量来增加，但必须保持足够量的导电添加剂以确保阴极中有足够水平 的体积导电率。

与改善碱性电池容量和性能相关的其它问题是需减小阳极中的锌腐蚀 速率。锌阳极中的碱性电解质(通常为氢氧化钾)的存在会逐渐地导致氧 化锌(ZnO)产物直接沉积在锌粒上和阳极芯内。这最终会钝化剩余的锌的效 能，因此会减小锌的利用率并且减小电池的总电化学效率。氧化锌沉积物 的积聚可最终关闭电池。该腐蚀反应的副产物为产生的氢气，所述氢气会 逐渐升高电池的内部压力。

虽然已知可用锌粒与汞的聚合来延迟锌腐蚀反应的速率并减小氢气产 生的速率，但现代碱性电池通常由于环境法规的限制而包含零加入的汞。 在此情况下，电池中的汞的总量小于按重量计约100份汞，相对按重量计 一百万份锌，通常小于按重量计约50份汞，相对按重量计一百份锌。已 利用向阳极混合物中加入表面活性剂或将锌粒与金属诸如铟、铋或铝合金 来取代汞的有益效果。

虽然此类碱性电池具有广泛的商业用途，但仍然需要延迟锌腐蚀速率 并同时改善电池的放电容量和使用寿命。改进的电池还必须具有高性价 比，并且对于正常的应用(诸如电筒、收音机和音频播放器)必须表现出 可靠的性能以及高容量(毫安小时)。

发明概述