[发明专利]电化学电池用的电极

说明书

本发明一般地说涉及电化学电池。具体地说，本发明涉及具有改进了电极结构的电化学电池特别是碱电池，同时涉及这类电池用的电极。

典型的碱性电化学电池包括二氧化锰(MnO₂)制的正电极、锌制的负电极以及氢氧化钾(KOH)或类似物质制备的碱性电解质。正电极通常形成为空心圆柱体而以其外周面接触外形如罐头盒的电池外壳的内表面。此正电极内设有隔件，使正电极与负电极实际上分隔开但允许离子在两电极间迁移。

负电极是由锌合金粉末形式的锌活性物质与此碱性电解质和胶凝剂混合形成。这种混合物分配到正电极内上述隔件内表面限定的空心中间区内。然后，将集流器组件插入电池外壳的开口端，而使集流器销状件于负电极/电解质凝胶内向下延伸。再将外盖放到此集流器组件之上，而后让电池外壳壁在前述外盖上卷边以密封此电池。

日本(公开)专利申请NO.平7-254406中描述了一种胶凝的锌负电极的应用，其中将胶凝剂与碱性电解质混合，而这种负电极的活化物质则包括球粒状的非汞齐化的锌粉以及用来增大暴露给碱性电解质的表面积的微小细长件。

在制造和应用这些周知的蓄电池或电池时，制造厂在负电极中用到的最低的锌的体积百分比约不小于负电极凝胶的28％体积，用以匹配正电极的电化学输出率，并提供充分的颗粒对颗粒与颗粒对集流器的接触来保持负电极的导电性。低于这个数量关系，电压的不稳性发生，最终生产出的电池其结构对震荡与振动有很高的灵敏性，这将导致锌粒移离开前述的集流器销状件从而降低电池效率。

为了提供最大的电化学活度和将极化限制到最小限度，最好是使蓄电池在锌上的尽可能低的电流密度下工作而仍然由此系统生产出所需的总电流量。因此，碱性蓄电池通常采用由粉状活化物质剂的电极，用以获得每单位重量或每单位体积有最大可能的表面面积，由此使电流密度减至最小。

常规的锌粉是由空气喷射雾化熔融的锌生产成的粉末。它包括形状不规则的颗粒，由块状或畸变的球形至细长的有结节状形式的颗粒。在典型的蓄电池级的锌粉中，这种锌粉的全体包括许许多多具有广范围粒度与形状的一个个的颗粒。用于负电极的锌粒粒度的平均值由筛分确定约为100～300μm。此粒度的极限范围则为20～1000μm。

锌粉负电极在低的放电率下虽然有较高的效率，但在高的放电率下其效率则非常之低。已知绝大多数新型的蓄电池供电的装置都要求高的电流，这会导致蓄电池以高速率放电，从而强烈要求能具有更大的高效电率性能的蓄电池。

WO-A-98/20569中公开了包括片状粉末锌的负电极。这种锌片不同于既有的锌粉粒之处在于它的厚度要比它的长度与宽度小许多倍，例如小10～20倍。所公开的锌片具有的厚度约为25μm(0.001in)，而长与宽则为610～1020μm(0.024～0.04in)。尽管应用锌片改进了碱性电化学电池负电极的高放电率性能，但仍有余地进一步改善负电极的特别是其在高放电率下的性能。

业已发现，在碱性电池中锌的放电于正电极附近开始。然后进行到离开正电极的地方。由于锌放电造成的反应产物(例如氧化锌与氢氧化锌)与锌本身相比在体积上较大，要是没有足够的空间来容纳这种反应产物，此反应产物的表皮层便常会形成于正、负电极之间。尽管这种表皮层仍可允许一些电解质通过，但在此表此层后面的反应的锌则不会从正电极羟离子生成处足够快地接收羟离子来抵消为此反应的锌所消耗的羟离子。结果会发生极化而使电池过早地失效。

在绝大多数的电池设计中，常取销状件形式的集流器是位于负电极的中央的。由于绝大部分锌是在靠近正电极界面附近的负电极外周面上发生放电，就必须保持从此反应位置到集流器销状件的连接锌的连续路径以促进电子的转移。当采用锌粉或锌片时，必须使许多粒子接触来形成返回集流器销状件的电子传导路径。但由于这些锌粉或锌片只构成负电极体积的大约30％，任何对电池的实际振动都可能造成这些粉料或片料移动而松开接触。这样，常有过多的锌加到负电极上，只起到电子传导体的作用。但这些过多的在电池的寿命期并不放电而在电池内占据有用的空间，这些空间不然可用于过量的电解质进行燃料反应或在保持放电反应产物的同时仍然留有离子转移用的空间。或者，这种空间的某些部分可以用来供增加正电极中MnO₂量之用。

业已惊奇地发现，能够解决某些或所有的与习知的电化学电池有关的上述问题。