[发明专利]碳纤维锌负电极

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年8月7日提交的美国临时申请系列号61/232,271的权益与优先权，其内容出于所有目的通过引用以其全文并入本文。

技术领域

本发明整体涉及可再充电的蓄电池，特别涉及可再充电的镍-锌蓄电池。更具体而言，本发明涉及用于可再充电的镍-锌蓄电池中所用锌负电极的组合物及制造方法。

发明背景

无线便携式设备，如电动工具的普及提高了对可提供高功率的高能量密度可再充电的蓄电池的需要和要求。由于功率和能量密度要求提高，对高循环寿命可再充电的电极的需要也提高了。碱性锌电极的高电压、低等效重量和低成本是已知的。与充放电过程相关的快速电化学动力学使得锌电极能够输送高功率和高能量密度，但更新的技术需要更高功率和更高能量密度的可再充电的蓄电池。

由于对更高功率与能量密度的需求逐步增加，镍-锌蓄电池的组合物和相关制造方法对于性能变得越来越关键。需要适用于电动汽车(EV)、插入式混合动力电动汽车(PHEV)、消费电子产品及其它用途的更高功率/更高能量密度蓄电池，以及制造此类蓄电池的方法。

发明概述

通过使用涂覆有表面活性剂的导电颗粒提高锌负电极的导电性。在某些实施方案中，导电颗粒是可为纤维形式的碳颗粒。碳纤维单独，或与其它活性材料(如氧化铋、锌等)一起，构成锌负电极中的导电基体。本文中所述的锌负电极特别可用于镍锌二次蓄电池。

因此，本发明的一个方面是一种可再充电的镍锌电池，包括具有电化学活性锌和涂覆有表面活性剂的碳纤维的锌负电极；和镍正电极。在一些实施方案中，该电化学活性锌包括锌和氧化锌的至少一种。在一些实施方案中，该电化学活性锌为尺寸小于约40微米的颗粒形式并任选涂覆有锡和/或铅。在铅用于涂覆锌颗粒的一些实施方案中，铅以低于锌负电极活性材料的0.05重量％的量存在。在一些实施方案中，该锌负电极包括不超过该负电极干重量的约3重量％的碳纤维。在一些实施方案中，如本文所述的镍锌电池的镍正电极包括钴和/或钴化合物，在一些例子中涂覆在氢氧化镍颗粒上(或以其它方式并入氢氧化镍颗粒中)。

当使用碳纤维时，该碳纤维的尺寸可能是重要的。在一些实施方案中，该碳纤维的长度为约10微米至500微米，直径为约1微米至50微米。在一些实施例中，该碳纤维的长度为约100微米至400微米，直径为约2.5微米至40微米，并且在更具体的实施例中，长度为约100微米至300微米，直径为约5微米至20微米。在一些实施方案中，该纤维具有约50∶1至约10∶1、在具体实施例中约40∶1至约10∶1、且在更具体实施例中约30∶1至约10∶1的长宽比。

在各种实施方案中，用于如本文所述的负电极的导电颗粒涂覆有表面活性剂。如果使用碳颗粒，也可以将该碳颗粒金属化。由此本发明的另一方面是一种锌负电极，包括电化学活性锌；和涂覆有表面活性剂的碳颗粒。在一些实施方案中，该碳颗粒是如上所述的碳纤维。在特定实施方案中，该碳纤维用锌金属化并涂覆有表面活性剂。

本发明的另一方面是制造锌负电极的方法，该方法包括：(i)接收电化学活性锌；(ii)接收涂覆有表面活性剂的导电颗粒；(iii)由电化学活性锌、涂覆的导电颗粒和液体形成糊料或浆料；和(iv)将糊料或浆料并入锌电极。其它方法的特征可以在于下列操作：(i)将铅和/或锡涂覆到锌金属颗粒上；(ii)用表面活性剂涂覆碳颗粒以制造涂覆的碳颗粒；(iii)由涂覆的锌颗粒、涂覆的碳颗粒、氧化铋、分散剂、粘合剂和液体形成糊料；和(iv)将糊料涂覆到锌电极基材上。在一些实施方案中，碳颗粒是如上所述的碳纤维。使用这些方法制得的一些锌负电极共享上述锌负电极的方面，例如，碳颗粒尺寸等等。涂糊的电极通常用于卷绕电池和棱柱形电池，而凝胶化电极通常用于笔式电池(pencil cell)。

本发明的再一方面是制造锌负电极的方法，包括：(i)用表面活性剂处理碳颗粒以制造涂覆有表面活性剂的碳纤维；(ii)将涂覆有表面活性剂的碳颗粒与至少电化学活性锌合并以制造均匀分散的混合物；和(iii)用均匀分散的混合物涂覆基材集流体。在一些实施方案中，该碳颗粒是碳纤维。该方法的其它方法可以包括在(iii)后加热基材集流体以除去某些有机成分，并在将锌负电极并入蓄电池中之前使基材集流体冷却至约环境温度。在一些实施方案中，该蓄电池是镍锌蓄电池，其中镍正电极包括钴和/或钴化合物，在一些例子中涂覆在氢氧化镍颗粒上(或并入氢氧化镍颗粒中)。该方法的一些方面包括将锌负电极并入到用于镍锌二次蓄电池的卷绕体构造中。