[发明专利]用于电化学电池的电极结构

说明书

本发明总的涉及一种电化学电池。更具体地说，本发明涉及用于电化学电池(特别是碱性电池)的一种改进的电极。

典型的碱性电化学电池包括一个由二氧化锰(MnO₂)制成的正极，一个由锌制成的负极，以及一个由氢氧化钾(KOH)等制成的碱性电解液。通常，正极被制成为一个中空的圆筒，其外表面与电池外壳的内表面相接触，该电池外壳的形状像一个罐体。一个分离器配置在正极的内部，以便保持正极与负极之间的物理分离，同时允许离子在两个电极之间传送。

负极可以通过把采取锌合金粉形式的锌活性物质与该碱性电解液以及一种胶凝剂相混合而制成。将该混合物散布在正极内分离器内表面界定的中空区域中。然后，将一个集电器组件插入电池外壳的敞开端，并将一个集电器钉在该负极/电解液凝胶体内向下延伸。然后，再将一个外盖板放置在集电器组件上，并且把电池外壳的壁卷在该外盖板上以便将电池密封。

JP-A-7254406中公开了一种胶化的锌负极的使用，在该锌负极中，混合有一种胶凝剂和碱性电解液，并且负极活性物质包括采取球形和长形体形式的不混合的锌粉，以便增加受到碱性电解液作用的表面积。但是，该长形的粉末与负极的尺寸相比是相当短的。

在这些已知的电池组和电池的制造和使用的过程中，制造商们所使用的负极中的锌的最小容积百分比在负极凝胶体中不小于约28％，以便即与正极的电化学输出速率相匹配，并且提供粉粒对粉粒和粉粒对集电器的充分的接触，以保持负极的导电性。低于这个数量，将产生电压的不稳定，并且导致电池结构产生对撞击和振动的高度敏感，这将使锌粉粒从集电器上移开，由此降低电池的效率。

为了提供最大的电化学活度和最小的极限极化，最好使电池在尽可能低的电流密度下工作，同时仍能从该装置产生所需要的电流总量。因此，碱性电池习惯地采用由粉末状的活性物质制成的电极，以便获得单位重量(或体积)可允许的最大表面积，并由此使电流密度减至最小。

传统的锌粉是将熔融的锌通过空气喷射的粉化作用而制成的粉末。它由各种不规则形状的粉粒组成，其范围从凹凸不平(或扭曲)的球形到结节状的长形。就标准的电池类的锌粉粒来说，物料的总数由各种各样形状和尺寸的许多单个粉粒所组成。用于负极的粉粒尺寸的中间值约为100至300微米(根据分筛确定)，粉粒尺寸的极限值范围为20至1000微米。

US-A-3,853,625公开了一种由锌纤维和针状体制成的无凝胶的负极。该锌纤维和针状体具有150微米(0.006英寸)的直径，以及在3毫米(八分之一英寸)与10厘米(四英寸)之间的长度。该纤维和针状体被制成为将锌均匀地分布在整个负极上的自支承式丝网。

虽然锌粉粒负极在低放电率条件下是效率相当高的，但是这种电极在高放电率条件下的效率却是相当低的。已知的大部分新的电池供电的装置都具有大电流的要求，使得这些电池都需要高速放电，因而非常需要具有更高速的放电性能的电池。

在WO-A-9820569中，公开了一种包括锌片的负极。锌片与现有的锌粉粒的不同处在于，锌片具有一个比其长度和宽度要小许多倍的厚度，例如小10至20倍。该公开的锌片厚度约为25微米(0.001英寸)，其长度和宽度约为0.6至1毫米(0.024对0.04英寸)。虽然使用锌片改进了碱性电化学电池的负极的高速放电性能，但还留下了进一步改进负极性能的空间，特别是在高速放电时。

业已发现，在碱性电池中的锌的放电在靠近正极的地方开始，然后再离开正极继续进行。因为由于锌的放电而产生的反应产物(例如氧化锌和氢氧化锌)的体积要比锌本身的体积大得多，如果没有足够的空间来容纳这些反应产物，那么在正极与负极之间往往会形成一个反应产物的表层。虽然这样的表皮层可以允许某些电解液通过，但是在该表皮层后面的反应锌将不能接受氢氧离子，这些氢氧离子在正极处快速形成，足以补偿由反应锌所消耗的氢氧离子。因此，将发生导致电池提前失效的极化。