[发明专利]碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造

说明书

本分案申请是基于申请号为200480043447.1，申请日为2004年10月22日，发明名称为“碱性电池中平衡能量、功率和成本的嵌入式电极构造”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的引用

本申请要求2004年10月22日提交的美国专利申请序列号10/904,097的优先权，该申请是2004年6月21日提交的美国专利申请序列号10/710,135的部分继续申请，该申请是2004年6月18日提交的美国专利申请序列号10/710,116的部分继续申请，该申请是2004年6月18日提交的美国专利申请序列号10/710,116的部分继续申请，该申请是2004年5月14日提交的美国专利申请序列号10/846,020的部分继续申请，该申请要求2003年9月2日提交的临时申请序列号60/499,545；2003年9月16日提交的临时申请序列号60/503,298号；以及2003年10月21日提交的临时申请序列号60/513,167的优先权，全部在此引用作为参考。

技术领域

本发明一般地涉及电化学电池单元。尤其，本发明涉及通过电极组件之间适中的表面积界面构造而具有对于高等至中等范围功率电平的平衡功率和能量输送能力的电化学电池单元，例如碱性电池。

背景技术

基于二氧化锰阴极和锌阳极的碱性电池广泛用于消费者便携式电子应用。对于标准圆柱形例如AAA，AA，C和D型的原碱性电池存在很大的市场。这些产品具有许多优点。锌和二氧化锰便宜、安全且有益于环境，并且该系统提供良好的能量密度。对于消费者，这些标准碱性产品为一系列电子产品长期提供简单且方便的通用解决方案。

但是，近年来已经存在新的便携式电子设备的迅速扩大，包括个人数字助理，MP3记录器和播放器，DVD播放器，数字照相机等。同样存在朝向限制携带电池尺寸的更小更轻便携式电子设备的趋势。与早期的设备例如晶体管收音机相比较，许多这些新的设备的功耗可能需要更高的连续或脉冲电流。常规或甚至高级碱性电池设计不能以较高的漏率有效地输送它们存储的能量。

图1(部分A)显示在目的在于仿真各种消费者电子应用负载的五种放电条件下可以由高级商业碱性AA电池输送的容量(基于美国国家标准协会测试，参考ANSI C18.1M，Part1-2001)。在低漏率(收音机/43欧姆放电)，碱性AA“线轴”电池输送其理论容量的几乎全部(大约3Ah)；在中间负载(电子游戏/250mA放电，机动玩具/3.9欧姆放电)，理论容量的大约三分之二；以及在适度高至高漏率(闪光灯/1安培脉冲，数字照相机/1安培连续放电)，仅可以访问理论容量的¹/₄-¹/₂。

高速率放电下的这些低效率与常规碱性线轴电池构造的内阻和电化学限制相关。虽然已经进行许多努力以通过优化电极的内部组装和离子导电率来提高常规碱性线轴电池的能含量，但是基础设计自身改变很少。

如图2中所示，典型碱性二氧化锰-锌线轴电池10包括下面的主要单元：限定圆柱内部空间的钢罐12，可选地在罐的内侧涂敷有导电涂层，由压制在罐中的多个中空圆柱芯粒16形成的二氧化锰阴极14，由阳极凝胶制成并且布置在阴极14的中空内部中的锌阳极18，以及将阳极18与阴极14分隔的圆柱隔板20。阳极和阴极之间的离子导电率由以预先确定的量添加到电池中的氢氧化钾，KOH电解质的存在而提供。

罐12底部闭合，并且它具有用作正极端子的中心圆点22。罐12的顶端由电池闭合装配密封，其包括由薄的金属板形成的负极盖24，连接到负极盖24并且深深地穿入阳极凝胶以提供与阳极的电接触的集电钉26，以及将负极盖24与罐12电绝缘并且分隔分别在阴极和阳极结构之外形成的气体空间的塑料顶28。隔板20的材料可能包括层压或复合材料或者其组合。典型地，隔板材料包括可由电解质浸湿的吸收性纤维薄板材料，以及可渗透小颗粒但是保持离子通透性的绝缘材料。

虽然线轴电池构造是允许高速、低成本制造的简单设计，但是常规线轴电池中阳极与阴极之间的表面积局限于阳极与阴极之间的隔板的圆柱体的几何表面积。因此，对于线轴电池，由垂直插入的隔板圆柱体构成的阳极与阴极界面表面积(S_i)必然是由罐的圆柱形壁形成的外表面面积(S_e)的一部分[(S_i)/(S_e)＜1]。