BR112018076539B1 - Célula eletroquímica alcalina e gel de anodo para uso na referida célula - Google Patents

Célula eletroquímica alcalina e gel de anodo para uso na referida célula Download PDF

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Abstract

trata-se de uma célula eletroquímica alcalina que inclui um catodo, um anodo que inclui um material ativo de anodo e um separador não condutor disposto entre o catodo e o anodo, sendo que de cerca de 20% a cerca de 50% em peso do material ativo de anodo em relação a uma quantidade total de material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 µm, e sendo que o separador inclui uma configuração unitária cilíndrica que tem uma extremidade aberta, uma parede lateral e uma extremidade fechada integralmente formada disposta distalmente em relação à extremidade aberta.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] Este pedido reivindica o benefício e a prioridade do Pedido Provisório n° U.S. 62/352.243 depositado em 20 de junho de 2016, cujo conteúdo é incorporado ao presente documento a título de referência em sua totalidade.
CAMPO
[0002] A presente tecnologia é geralmente relacionada ao campo de anodos de zinco para células eletroquímicas. Em particular, a tecnologia está relacionada a anodos de zinco com confiabilidade aprimorada e baixas cargas de zinco.
ANTECEDENTES
[0003] As células alcalinas são geralmente projetadas para ter um teor de zinco definido no compartimento de anodo (carga de zinco) que pode estar na faixa de cerca de 65% a cerca de 72%, dependendo das necessidades de capacidade de descarga e considerações de custo. Aumentar a carga de zinco acima de 72% pode levar a um aumento da gaseificação na célula, e diminuir a carga de zinco abaixo de 65% pode levar a problemas de confiabilidade. A carga de zinco reduzida pode resultar em contato inadequado entre as partículas de zinco, bem como entre o anodo e o coletor de corrente correspondente. Assim, baixas cargas de zinco abaixo de 65% podem levar a falhas celulares em testes de abuso, como testes de queda e descarga de vibração, entre outros. Novas e melhores maneiras de reduzir a carga de zinco e reduzir o custo de produção sem afetar negativamente o desempenho da bateria são necessárias.
SUMÁRIO
[0004] Em um aspecto, uma célula eletroquímica alcalina é fornecida, que inclui um catodo, um anodo que compreende um material ativo de anodo, e um separador não condutor, disposto entre o catodo e o anodo, em que de cerca de 20% a cerca de 50% em peso do material ativo de anodo em relação a uma quantidade total de material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm. O separador inclui uma configuração unitária de tipo cilindro, que tem uma extremidade aberta, uma parede lateral e uma extremidade fechada integralmente formada disposta distalmente à extremidade aberta. Esse tipo de separador tem uma tampa de fundo integrada (IBC) formada como parte de todo o separador, ao contrário dos separadores convencionais que têm um componente de tampa separado no fundo do separador.
[0005] Em algumas modalidades, o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,62 g/cm3 até cerca de 2,92 g/cm3. Em algumas modalidades, menos de cerca de 20% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total do material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 μm. Em algumas modalidades, o material ativo de anodo inclui uma liga de zinco. Em algumas modalidades, a liga de zinco inclui zinco, índio e bismuto. Em outras modalidades, a liga de zinco inclui cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de bismuto; e cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de índio. Em algumas modalidades, o anodo inclui de cerca de 62% a cerca de 70% em peso da liga de zinco, em relação ao peso total do anodo. Em outras modalidades, o anodo inclui cerca de 63% em peso da liga de zinco, em relação ao peso total do anodo.
[0006] Em um aspecto, um gel de anodo é fornecido, em que o gel inclui um eletrólito, um agente gelificante, um composto tensoativo, e um material ativo de anodo, em que de cerca de 20% a cerca de 50%, em peso em relação ao peso total do material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm.
[0007] Em algumas modalidades, cerca de 20% a cerca de 50%, em peso, do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo tem um tamanho de partícula de menos que cerca de 75 mícrons, e cerca de 8% a cerca de 20% em peso do total de liga de zinco tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 micrômetros.
[0008] Em ainda outro aspecto, um separador é fornecido, em que o separador inclui um material não condutor, poroso formado em um cilindro e que tem uma extremidade aberta e uma extremidade fechada integralmente formada dispostos distalmente para a extremidade aberta, em que o separador tem uma única camada enrolada duas vezes e que tem uma espessura seca de cerca de 0,205 mm a cerca de 0,245 mm.
[0009] Em algumas modalidades, o material poroso é um papel composto por fibras de álcool polivinílico, fibras de raiom, ou celulose. Em algumas modalidades, o material poroso inclui ainda um agente ativo de superfície. Em algumas modalidades, o separador compreende um único cupom de papel enrolado duas vezes.
[0010] Em um aspecto, é fornecido um método para reduzir a gaseificação de uma célula eletroquímica submetida à gaseificação, em que o método inclui o fornecer como o anodo ativo da dita célula, um gel de anodo que inclui um material ativo de anodo, em que de cerca de 20% a cerca de 50% em peso em relação a um peso total do material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm, um eletrólito alcalino e um agente gelificante.
[0011] Em outro aspecto, um método para melhorar o desempenho da descarga de uma célula eletroquímica é fornecido, em que o método inclui o fornecimento, como o anodo ativo da dita célula, um gel de anodo que inclui um material ativo de anodo, em que de cerca de 20% a cerca de 50% em peso em relação a um peso total do material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm, um eletrólito alcalino e um agente gelificante.
[0012] O sumário supracitado é apenas ilustrativo e não se destina a ser de forma alguma limitante. Para além dos aspectos ilustrativos, as modalidades e características descritas acima, aspectos adicionais, modalidades e características serão evidentes por referência aos desenhos a seguir e à descrição detalhada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0013] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de uma vista superior e uma vista em corte transversal de um separador de IBC construído de acordo com uma modalidade.
[0014] A Figura 2 é uma ilustração esquemática de uma célula eletroquímica incorporando um separador de IBC construído, de acordo com uma modalidade.
[0015] A Figura 3 é um gráfico de desempenho ao longo do tempo de dez células LR20 que contêm 63% de carga de zinco padrão e um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0016] A Figura 4 é um gráfico de desempenho ao longo do tempo de dez células LR20 que contêm 63% de carga de zinco com elevado teor de sólidos finos (HF) e um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0017] A Figura 5 é um gráfico do desempenho ao longo do tempo de dez células LR20 que contêm 64% de carga de zinco padrão e um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0018] A Figura 6 é um gráfico de desempenho ao longo do tempo de dez células LR20 que contêm 64% de carga de zinco com elevado teor de sólidos finas e um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0019] A Figura 7 mostra o tempo médio de falha (MTTF) para células LR20 que contêm um separador de copo de fundo integrado em diferentes cargas, nível de enchimento e tipo de zinco no anodo, de acordo com o Exemplo 1.
[0020] A Figura 8 mostra a percentagem de amperagem inicial após o teste de queda para células LR20 que contêm um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0021] A Figura 9 é um gráfico que ilustra as características de gaseificação de células LR20 parcialmente descarregadas (PD) que têm um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0022] A Figura 10 ilustra o desempenho de ANSI de células LR20 que contêm um separador de copo de fundo integrado, de acordo com o Exemplo 1.
[0023] Deve-se observar ainda que o projeto ou a configuração dos componentes apresentados nessas figuras não estão em escala e/ou se destinam apenas a fins ilustrativos. Consequentemente, o projeto ou configuração dos componentes pode ser diferente do aqui descrito sem se afastar do escopo pretendido da presente revelação. Esses números não devem, portanto, ser vistos em um sentido limitativo.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0024] Várias modalidades são descritas doravante. Deve-se observar que as modalidades específicas não se destinam a ser uma descrição exaustiva ou uma limitação aos aspectos mais amplos abordados no presente documento. Um aspecto descrito em combinação com uma modalidade particular não é necessariamente limitado àquela modalidade e pode ser praticado com qualquer outra modalidade (ou modalidades).
[0025] Conforme usado no presente documento, “cerca de” será entendido por aqueles de habilidade comum na técnica e variará até certo ponto dependendo do contexto no qual é usado. Se houver usos do termo que não são claros para aqueles de habilidade comum na técnica, dado o contexto em que o mesmo é usado, “cerca de” significará até mais ou menos 10% do termo em particular.
[0026] O uso dos termos “um” e “uma” e “a/o” e referentes similares no contexto de descrição dos elementos (especialmente no contexto das reivindicações a seguir) deve ser interpretado como cobrindo tanto o singular quanto o plural, a menos que indicado de outro modo no presente documento ou claramente contradito pelo contexto. A citação de faixas de valores no presente documento é meramente destinada a servir como um método resumido de referência individualmente a cada valor separado abrangido pela faixa, a menos que indicado de outro modo no presente documento, e cada valor separado é incorporado no relatório descritivo como se o mesmo fosse individualmente citado no presente documento. Todos os métodos descritos no presente documento podem ser realizados em qualquer ordem adequada a menos que indicado de outro modo no presente documento ou de outro modo claramente contradito pelo contexto. O uso de qualquer um e de todos exemplos, ou linguagem exemplificativa (por exemplo, “tal como”) fornecido no presente documento, se destina meramente a explicar melhor as modalidades e não representa uma limitação no âmbito das reivindicações, a menos que seja indicado de outra forma. Nenhuma linguagem no relatório descritivo deve ser interpretada como uma indicação de qualquer elemento não reivindicado como essencial.
[0027] Razão, concentrações, quantidades e outros dados em numéricos podem ser apresentados aqui em um formato de faixa. Deve ser entendido que tal formato de faixa é usado meramente por conveniência e brevidade e deve ser interpretado de forma flexível para incluir não apenas os valores numéricos explicitamente citados como os limites da faixa, mas também para incluir todos os valores numéricos ou subfaixas individuais abrangidas dentro dessa faixa, como se cada valor numérico e subfaixa fosse explicitamente citado. Por exemplo, 5 a 40% em mol devem ser interpretados de modo a incluir não apenas os limites explicitamente indicados de 5 a 40% em mol, mas também a incluir subfaixas, como 10% em mol a 30% em mol, 7% em mol a 25% em mol, e assim por diante, bem como quantidades individuais, incluindo quantidades fracionárias, dentro das faixas especificadas, como 15,5% em mol, 29,1% em mol e 12,9% em mol, por exemplo.
[0028] Como usado aqui, o termo “anodo de zinco” se refere a um anodo que inclui zinco como um material ativo de anodo.
[0029] Como usado aqui, “sólidos finos” são partículas que passam através de uma tela padrão de 200 mesh em uma operação de peneiramento normal (isto é, com a peneira agitada à mão). “Poeira” consiste em partículas que passam por uma tela de 325 mesh padrão em uma operação normal de peneiramento. “Grosso” consiste em partículas que não passam por uma tela padrão de 100 mesh em uma operação normal de peneiramento. Os tamanhos de malha e os tamanhos de partícula correspondentes, conforme descrito aqui, se aplicam a um método de teste padrão para análise de peneiração de pós metálicos, que é descrito em ASTM B214.
[0030] Como usado aqui, “razão de aspecto” se refere à dimensão determinada pela razão entre o comprimento da maior dimensão da partícula e a largura relativa da partícula.
[0031] Como usado aqui, “unitário” pode significar que todos os componentes aqui descritos são integralmente formados como uma única unidade, e não como partes separadas que são unidas para formar uma unidade.
[0032] As baterias alcalinas foram aprimoradas ao longo dos anos para melhorar sua capacidade de descarga, bem como para melhorar sua confiabilidade. No entanto, os avanços na tecnologia têm sido acompanhados pelo aumento da gaseificação celular. Géis de anodo de zinco de células eletroquímicas alcalinas são propensos a reações de corrosão eletroquímicas quando as células da bateria são armazenadas na condição de descarga não descarregada ou parcial devido à corrosão do anodo de zinco. A distribuição otimizada do tamanho de partícula do material ativo de anodo e o projeto melhorado do componente celular que irá diminuir a gaseificação, melhorar a descarga celular e controlar a fiabilidade celular são desejados.
[0033] Agora, foi verificado que a melhoria na confiabilidade das células alcalinas de baixo custo pode ser alcançada por inclusão de material ativo de anodo com uma distribuição de tamanho de partículas modificadas em combinação com um separador integrado com um projeto de copo de fundo. Melhorias na função das células são obtidas utilizando- se um pó de zinco que tem uma distribuição otimizada de tamanho de partícula (PSD), caracterizada aqui como zinco de sólidos finos grandes (HF), isoladamente ou em combinação com um separador projetado com um separador de copo de fundo integrado (IBC). A distribuição do tamanho de partícula do pó de anodo de zinco é ajustada em relação ao conteúdo de poeira (<45 μm), partículas finas (<75 μm), grossas (>150 μm) e grandes (>425 μm). Células alcalinas convencionais usam pós de zinco com um teor de sólidos finos de zinco igual ou abaixo de cerca de 15%, caracterizados aqui como zinco STD. Em células LR20 grandes, o uso de partículas finas de STD em níveis relativamente baixos resulta em falhas de confiabilidade quando a carga de zinco está abaixo de 65%. Verificou-se que o contato de partícula para partícula é favorecido aumentando-se o teor de sólidos finos acima dos níveis padrão típicos encontrados nas células de bateria convencionais. Isso é particularmente importante quando se usam cargas baixas de zinco. Reduzir a carga de zinco nas células alcalinas é benéfico para reduzir o custo.
[0034] Consequentemente, em um aspecto, um gel de anodo para uma célula eletroquímica alcalina é fornecido, em que o anodo inclui um material ativo de anodo, em que de cerca de 20% a cerca de 50%, em peso, em relação a um peso total do material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm, um eletrólito, um tensoativo e um agente gelificante.
[0035] O tipo de material ativo de anodo pode geralmente ser selecionado a partir daqueles conhecidos na técnica, a fim de otimizar o desempenho da célula eletroquímica alcalina da qual esse anodo gelificado é uma parte. Em algumas modalidades, o material ativo de anodo compreende zinco, que pode ser usado sozinho ou em combinação com um ou mais outros metais. Além disso, o mesmo é tipicamente usado na forma de um pó de liga. Assim, em algumas modalidades, o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco.
[0036] Tipicamente, os materiais de liga podem incluir de cerca de 0,01% a cerca de 0,5% em peso de agente de liga sozinho ou em combinação com cerca de 0,005% a cerca de 0,2% em peso de um segundo agente de liga, tal como bismuto, índio, lítio, cálcio, alumínio e semelhantes. Por exemplo, em uma ou mais modalidades, um especialista na técnica pode facilmente selecionar um pó adequado que compreende zinco misturado com, ou ligado a, um ou mais outros metais conhecidos na técnica (por exemplo , In, Bi, Ca, Al, Pb, etc.). Por conseguinte, a esse respeito, deve ser observado que, tal como aqui usado, “material ativo de anodo” e/ou “zinco” pode se referir a uma partícula ou pó sozinho, ou um que tenha sido opcionalmente misturado ou ligado a um ou mais outros metais. Partículas de material ativo de anodo podem estar presentes em uma variedade de formas incluindo, por exemplo, partículas alongadas, redondas, assim como partículas similares à fibra ou similares a flocos.
[0037] Em algumas modalidades da presente revelação, a liga de zinco compreende índio e bismuto. Em algumas modalidades, a liga de zinco inclui zinco, bismuto e índio. Em algumas modalidades, a liga de zinco inclui zinco, bismuto, índio e alumínio. As concentrações dos metais ligados com zinco podem variar entre cerca de 20 ppm e cerca de 750 ppm. Em algumas modalidades, os metais de liga estão presentes em uma concentração de cerca de 50 ppm a 550 ppm. Em outras modalidades, os metais de liga estão presentes em uma concentração de cerca de 130 ppm a 270 ppm. Em outras modalidades, os metais de liga estão presentes em uma concentração de cerca de 150 ppm a 250 ppm. Em algumas modalidades, a liga de zinco inclui bismuto e índio como elementos de liga principais, cada um em uma concentração de cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm. Em algumas modalidades, a liga de zinco inclui o bismuto e o índio como elementos de liga principais, cada um em uma concentração de cerca de 200 ppm.
[0038] O material ativo de anodo pode estar presente no anodo na forma de sólidos grossos, finos ou poeira, por exemplo, ou combinações dessas formas. O material ativo de anodo pode ter um tamanho médio de partícula de cerca de 70 micrômetros a cerca de 175 micrômetros. Isso inclui um tamanho médio de partícula de cerca de 75 micrômetros, cerca de 80 micrômetros, cerca de 85 micrômetros, cerca de 90 micrômetros, cerca de 100 micrômetros, cerca de 110 micrômetros, cerca de 120 micrômetros, cerca de 130 micrômetros, cerca de 140 micrômetros ou cerca de 150 micrômetros. Em algumas modalidades, o material ativo de anodo tem um tamanho médio de partícula de cerca de 100 micrômetros a cerca de 170 micrômetros. Em algumas modalidades, o material ativo de anodo inclui partículas de liga de zinco com um tamanho médio de partícula de cerca de 120 micrômetros.
[0039] Materiais ativos de anodo padrão, como partículas de liga de zinco (STD) que são convencionalmente usados em células eletroquímicas têm uma distribuição de tamanho de partículas de cerca de 0,5% a cerca de 2,0% de pó, cerca de 5% a cerca de 25% de sólidos finos e cerca de 25% a cerca de 60% de partículas grossas. O separador de copo de fundo integrado aqui descrito permite um aumento no teor de partículas finas de anodo de zinco, isto é, partículas que passam de um tamanho de 200 mesh (75 μm), sem aumento simultâneo de gaseificação celular. Consequentemente, em algumas modalidades, o eletrodo negativo inclui materiais ativos de anodo com alto teor de sólidos finos (HF) cujo teor de sólidos finos é mais elevado e o teor de sólidos grossos é inferior ao dos pós de zinco padrão convencionais.
[0040] Em algumas modalidades, mais de 15% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo, tem um tamanho de partícula menor que cerca de 75 micrômetros. Isso inclui modalidades em que superior a cerca de 20%, superior a cerca de 25%, superior a cerca de 30% ou superior a cerca de 35% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no anodo gel, tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 micrômetros. Em algumas modalidades, cerca de 15% a cerca de 60% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo, têm um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 micrômetros. Isso inclui modalidades em que cerca de 15% a cerca de 55%, cerca de 20% a cerca de 50%, cerca de 25% a cerca de 45%, ou cerca de 35% a cerca de 40%, e faixas entre quaisquer dois desses valores ou inferiores a qualquer um desses valores, em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel do anodo, tem um tamanho de partícula de menos do que cerca de 75 micrômetros. Em algumas modalidades, cerca de 30% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel do anodo, tem um tamanho de partícula de menos do que cerca de 75 micrômetros. Em algumas modalidades, cerca de 40% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel do anodo, tem um tamanho de partícula de menos do que cerca de 75 micrômetros. Em algumas modalidades, cerca de 20% a cerca de 50% por peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel do anodo, tem um tamanho de partícula de menos do que cerca de 75 micrômetros.
[0041] Em algumas modalidades, menos de cerca de 35% em peso do material ativo de anodo em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no anodo gel tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 micrômetros. Isso inclui modalidades em que menos de cerca de 30%, menos de cerca de 25%, menos de cerca de 20% ou menos de cerca de 15% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total do material ativo de anodo presente no gel de anodo, tem um tamanho de partícula maior que cerca de 150 micrômetros. Em algumas modalidades, menos do que cerca de 20% em peso do material ativo de anodo em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 micrômetros.
[0042] Em algumas modalidades, cerca de 1% a cerca de 25% em peso do material ativo de anodo em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo, têm um tamanho de partícula inferior a cerca de 45 micrômetros. Isso inclui modalidades em que cerca de 1% a cerca de 20%, cerca de 2% a cerca de 15%, ou cerca de 5% a cerca de 10%, e faixas entre quaisquer dois desses valores ou menores do que qualquer um desses valores em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 45 micrômetros. Em algumas modalidades, cerca de 2% a cerca de 10% por peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel do anodo, tem um tamanho de partícula de menos do que cerca de 45 micrômetros.
[0043] Uma distribuição de tamanho de partícula de zinco adequada pode ser uma em que pelo menos 70% das partículas tenham um tamanho de partícula padrão peneirado por malha dentro de uma faixa de tamanho de 100 mícrons e no qual o modo de distribuição está entre cerca de 100 e cerca de 300 mícrons. Em uma modalidade, uma distribuição de tamanho de partícula de zinco adequada inclui distribuições de tamanho de partícula que satisfazem os testes acima indicados e possuem um modo de 75 mícrons, 100 mícrons, 150 mícrons ou 200 mícrons, cada um de mais ou menos cerca de 10%. Em uma modalidade, cerca de 70% das partículas são distribuídas em uma faixa de distribuição de tamanho mais estreita do que cerca de 100 mícrons, por exemplo, cerca de 75 mícrons, cerca de 50 mícrons, ou cerca de 40 mícrons, ou menos.
[0044] Os géis de anodo da presente revelação podem incluir uma carga de zinco inferior à carga em células convencionais. Por exemplo, os géis de anodo podem ter uma carga de zinco de cerca de 70% p/p ou menos, em relação ao peso do gel de anodo. Em algumas modalidades, o gel de anodo pode ter uma carga de zinco de cerca de 68% p/p ou menos, cerca de 65% p/p ou menos, cerca de 64% p/p ou menos, ou cerca de 63% p/p ou menos, em relação ao peso do gel de anodo. Em algumas modalidades, o gel de anodo pode ter uma carga de zinco de cerca de 64% p/p, em relação ao peso do gel de anodo. Em outras modalidades, o gel de anodo pode ter uma carga de zinco de cerca de 63% p/p, em relação ao peso do gel de anodo.
[0045] Os materiais de gel de anodo têm uma viscosidade adequada necessária para fornecer o desempenho de descarga celular aprimorado. Por exemplo, a viscosidade pode ser de cerca de 30 Pa.s a cerca de 200 Pa.s (30.000 cps a cerca de 200.000 cps), a cerca de 25 °C.
[0046] O gel de anodo da presente revelação inclui um eletrólito alcalino e, em algumas modalidades, um eletrólito alcalino que tem um teor relativamente baixo de hidróxido. Os eletrólitos alcalinos adequados incluem, por exemplo, soluções aquosas de hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, hidróxido de lítio, bem como combinações dos mesmos. Em uma modalidade particular, no entanto, é usado um eletrólito que contém hidróxido de potássio. Em outras modalidades, o eletrólito alcalino inclui água e hidróxido de potássio.
[0047] Os eletrólitos utilizados em conformidade com a presente revelação tipicamente têm uma concentração de hidróxido (por exemplo, hidróxido de potássio) de cerca de 35%, cerca de 30% ou menos (por exemplo, cerca de 29%, cerca de 28%, cerca de 27%, cerca de 26%, ou mesmo cerca de 25%), com base no peso total do eletrólito. Contudo, tipicamente o eletrólito tem uma concentração de hidróxido entre cerca de 25% e cerca de 35%, ou entre cerca de 26% e cerca de 30%. Em uma modalidade particular (por exemplo, um gel de anodo adequado para uso em uma célula dimensionada e conformada como, por exemplo, uma célula AA ou AAA), a concentração de hidróxido do eletrólito é de cerca de 28% em peso, com base no peso total do eletrólito.
[0048] Em algumas modalidades, o teor de eletrólito de hidróxido no gel de anodo é geralmente igual ou próximo ao dos anodos gelificados convencionais, a concentração, por exemplo, é de pelo menos cerca de 24% em peso, pelo menos cerca de 26% em peso, ou pelo menos cerca de 28% em peso e menos de cerca de 34% em peso, menos de cerca de 32% em peso, ou menos de cerca de 30% em peso, com base no peso total do anodo gelificado. A concentração do eletrólito no gel de anodo da presente revelação pode, por conseguinte, estar tipicamente dentro da faixa de cerca de 24% em peso a cerca de 34% em peso, de cerca de 26% em peso a cerca de 32% em peso, ou de cerca de 28% em peso a cerca de 31% em peso, com base no peso total do gel de anodo. A concentração desejada de eletrólito no gel de anodo depende geralmente de uma variedade de fatores incluindo, por exemplo, a concentração de zinco no anodo gelificado.
[0049] O agente gelificante está presente no anodo, pelo menos em parte, para adicionar estrutura mecânica e/ou para revestir as partículas metálicas para melhorar a condutividade iônica dentro do anodo durante a descarga. Os agentes gelificantes adequados são aqueles que conferem uma estrutura de gel de tipo rígido e uma densidade de empacotamento ligeiramente diminuída ao anodo gelificado dentro da célula, bem como uma maior distância de partícula-partícula de anodo, mas mais estável. O anodo pode ser preparado formulando-se um eletrólito, preparando um anodo de metal revestido que inclui o agente gelificante e depois combinando o eletrólito e o anodo de metal revestido para formar um gel de anodo. O agente gelificante da presente revelação pode incluir, por exemplo, um composto químico polimérico altamente reticulado que tem grupos ácidos carregados negativamente, tal como um agente gelificante de ácido poliacrílico que tem um elevado grau de reticulação. Agentes gelificantes de ácido poliacrílico altamente reticulados, comercialmente disponíveis sob o nome Carbopol™ (Carbopol 940, Carbopol 934, Carbopol 674) junto à Lubrizol Corporation (Wickliffe, Ohio), bem como Flogel™ (por exemplo, Flogel™ 700 ou 800) junto à SNF Holding Company (Riceboro, GA), entre outros, são adequados para uso de acordo com a presente revelação.
[0050] Os agentes gelificantes adequados podem ser selecionados com base em várias características, tais como o grau de reticulação, a viscosidade e/ou densidade. A concentração do agente gelificante no gel de anodo pode ser otimizada para um dado uso. Por exemplo, a concentração do agente gelificante é pelo menos cerca de 0,30% em peso, com base no peso total do anodo gel, incluindo pelo menos cerca de 0,40% em peso, pelo menos cerca de 0,50% em peso, pelo menos cerca de 0,60% em peso, menos cerca de 0,625% em peso, pelo menos cerca de 0,65% em peso, pelo menos cerca de 0,675% em peso, pelo menos cerca de 0,7% em peso ou mais. Por exemplo, em várias modalidades, a concentração do agente gelificante no anodo gelificado pode ser de cerca de 0,40% a cerca de 0,75%, ou entre cerca de 0,50% e 0,75%, ou entre cerca de 0,6% e cerca de 0,7%, ou entre cerca de 0,625 % e cerca de 0,675% em peso do gel de anodo.
[0051] O gel de anodo pode incluir outros componentes ou aditivos, além do material ativo de anodo, o agente gelificante e o eletrólito. Tais aditivos incluem, por exemplo, absorventes, inibidores de corrosão ou inibidor de gaseificação, etc. Materiais absorventes adequados podem ser selecionados entre os geralmente conhecidos na técnica. Materiais absorventes exemplificativos incluem os vendidos sob o nome comercial Salsorb™ ou Alcasorb™ (por exemplo, Alcasorb™ CL15), que estão comercialmente disponíveis junto à Ciba Specialty (Carol Stream, IL), ou alternativamente, aqueles vendidos sob o nome comercial Sunfresh ™ (por exemplo, Sunfresh DK200VB) comercialmente disponível junto à Sanyo Chemical Industries (Japão). Inibidores de gaseificação adequados incluem ésteres de fosfato orgânicos, por exemplo, RHODAFAC® RM-510 e RHODAFAC® RS-610, que estão comercialmente disponíveis junto à Rhodia (Boston, Massachusetts).
[0052] Foi surpreendentemente constatado pela presente revelação que partículas grandes de material ativo de anodo de sólidos finos melhoram embalagem, melhoram o contato de entre partículas, e aumentam locais de reação do anodo ativos que são necessários para a capacidade de drenagem alta.
[0053] Por conseguinte, em algumas modalidades da presente revelação, o material ativo de anodo tem uma densidade aparente inferior a cerca de 3,00 g/cm3. Em outras modalidades, o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,55 g/cm3 a cerca de 2,99 g/cm3, em algumas modalidades, de cerca de 2,60 g/cm3 a cerca de 2,95 g/cm3, em algumas modalidades cerca de 2,62 g/cm3 a cerca de 2,95 g/cm3, em algumas modalidades, cerca de 2,65 g/cm3 a cerca de 2,90 g/cm3 e, em algumas modalidades, cerca de 2,70 g/cm3 a cerca de 2,85 g/cm3. Ainda em outras modalidades, o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,71 g/cm3; em algumas modalidades, cerca de 2,83 g/cm3; e em algumas modalidades cerca de 2,94 g/cm3. Ainda em outras modalidades, o material ativo de anodo tem uma densidade aparente média de cerca de 2,70 g/cm3; em outras modalidades, uma densidade aparente média de cerca de 2,80 g/cm3; e ainda em outras modalidades, uma densidade aparente média de cerca de 2,95 g/cm3.
[0054] A tecnologia fornece um gel de anodo que tem limite de elasticidade maior que cerca de 0,15 Pa.s (150 cps). Isso inclui limite de elasticidade de cerca de 150 a cerca de 950 e varia entre quaisquer dois desses valores ou menos do que qualquer um desses valores. Em algumas modalidades, o gel de anodo tem um valor de limite de elasticidade de cerca de 250 N/m2 a cerca de 0,85 Pa.s (850 cps).
[0055] O gel de anodo das modalidades reveladas pode ser incluído como um componente em uma célula eletroquímica convencional, como baterias. As mesmas incluem, por exemplo, células cilíndricas alcalinas, por exemplo, célula de óxido de zinco com metal, bem como células galvânicas, tais como em células de metal-ar, por exemplo, célula de zinco-ar. Entre as células de óxido de metal-metal cilíndricas e células de ar- metal, o material de anodo é aplicável àquelas moldadas para células AA, AAA, AAAA, C ou D. Células de metal-ar que incluem o anodo aqui descrito podem ser construídas de forma útil como células de botão para as várias aplicações, tais como baterias para aparelhos auditivos, relógios de pulso, relógios de parede, calculadoras, ponteiros a laser, brinquedos e outras inovações. Além disso, o anodo pode encontrar aplicação em qualquer célula de ar-metal com o uso de eletrodos planos, dobrados ou cilíndricos. O uso do material anódico como componentes em outras formas de células eletroquímicas também é contemplado.
[0056] Por conseguinte, em um aspecto, é fornecida uma célula eletroquímica alcalina que inclui um catodo, um anodo, que inclui um material ativo de anodo, e um separador não condutor disposto entre o catodo e o anodo. Em algumas modalidades da célula eletroquímica, cerca de 20% a cerca de 50% em peso do material ativo de anodo em relação a uma quantidade total de material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm. Em algumas modalidades da célula eletroquímica, o separador inclui uma configuração unitária do tipo cilindro que tem uma extremidade aberta, uma parede lateral e uma extremidade fechada integralmente formada disposta distalmente à extremidade aberta.
[0057] Uma modalidade exemplificativa de uma célula eletroquímica alcalina é ilustrada na Figura 2, embora outros projetos não devam ser limitados. Inicialmente, em referência à Figura 2, a célula eletroquímica compreende um anodo disposto centralmente (isto é, um eletrodo negativo) circundado por um catodo anular alongado (isto é, um eletrodo positivo). O anodo e o catodo estão dispostos em uma relação estreita, mas fisicamente espaçada entre si dentro de um recipiente de metal (que serve como um coletor de corrente positiva) que tem uma extremidade superior aberta. Um separador tubular (também por vezes chamado de um recipiente de anodo) é formado como um copo para prender o material de anodo e separar fisicamente o anodo e o catodo dentro do recipiente de metal.
[0058] A conexão elétrica ao anodo é obtida inserindo-se uma haste ou fio de metal alongado, comumente chamado de coletor de corrente negativa, no anodo. Uma extremidade superior do coletor de corrente se projeta acima da gaxeta para conexão física e elétrica a uma placa de terminal negativa eletricamente condutora, enquanto o comprimento primário do coletor abaixo da gaxeta é inserido no material do anodo. A gaxeta veda o coletor no cubo de gaxeta, através do qual o coletor se estende, para impedir que o material do anodo passe através da gaxeta.
[0059] Em uma célula eletroquímica convencional, o separador se estende do fundo do recipiente de metal para uma extremidade terminal que se projeta ligeiramente para fora entre o anodo e o catodo, particularmente antes de a célula ser fechada. Ao fechar a célula, a gaxeta entra em contato e empurra para baixo a extremidade de terminal do separador, geralmente fazendo com que a extremidade de terminal do separador geralmente dobre ou se flexione, de modo que um lado da extremidade de terminal do separador geralmente esteja voltara para e esteja em contiguidade com a gaxeta para inibir o eletrólito ou material particulado (por exemplo, os materiais do eletrodo) contra vazamento ou de ser transportado sobre a extremidade de terminal do separador entre os compartimentos de anodo e catodo. Além disso, o separador espesso ocupa o espaço dentro da célula e, assim, compromete a quantidade de materiais ativos que podem ser incorporados na célula. Enquanto o eletrólito adequado estiver disponível na célula, a quantidade de materiais ativos e a eficiência de sua descarga determinam a vida útil da célula. O separador de IBC aqui descrito reduz o volume ocupado pelo separador, por exemplo, diminuindo-se a espessura da parede do separador e reduz o custo eliminando-se o uso do disco de fundo.
[0060] A célula eletroquímica pode ser preparada por quaisquer meios conhecidos na técnica, desde que a célula resultante não entre em conflito com as revelações aqui apresentadas. Assim, a presente revelação inclui um método de preparação de uma célula eletroquímica, incluindo os componentes e suas respectivas concentrações, conforme discutido ao longo da totalidade desta revelação.
[0061] O anodo para a célula eletroquímica é como descrito acima. O catodo da célula eletroquímica pode incluir qualquer material ativo de catodo geralmente reconhecido na técnica para uso em células eletroquímicas alcalinas. O material ativo de catodo pode ser amorfo ou cristalino, ou uma mistura de amorfo e cristalino. Por exemplo, o material ativo de catodo pode incluir, ou ser selecionado a partir de um óxido de cobre, um óxido de manganês como tipo eletrolítico, químico ou natural (por exemplo, EMD, CMD, NMD ou uma mistura de quaisquer dois ou mais dos mesmos), um óxido de prata e/ou um óxido ou hidróxido de níquel, bem como uma mistura de dois ou mais destes óxidos ou hidróxido. Os exemplos adequados de materiais para eletrodos positivos incluem, mas não estão limitados a, MnO2 (EMD, CMD, NMD e misturas dos mesmos), NiO, NiOOH, Cu(OH)2, óxido de cobalto, PbO2, AgO, Ag2O, Ag2Cu2O3 , CuAgO2, CuMnO2 , CuMn2O4, Cu2MnO4, Cu3-xMnxO3, Cu1-xMnxO2, Cu2-xMnxO2 (em que x <2), Cu3-xMnxO4 (em que x <3), Cu2Ag2O4 ou uma combinação de quaisquer dois ou mais dos mesmos.
[0062] A célula eletroquímica pode incluir um separador entre o catodo e o anodo de zinco, que é projetado para evitar curto- circuito entre os dois eletrodos. Geralmente, qualquer material separador e/ou configuração adequada para uso em uma célula eletroquímica alcalina, e com os materiais de catodo e/ou anodo apresentados acima, podem ser usados de acordo com a presente revelação. Em uma modalidade, a célula eletroquímica inclui um sistema separador de copo de fundo integrado que está disposto entre um anodo gelificado do tipo aqui descrito e um catodo.
[0063] Em um aspecto, é fornecido um separador para uma célula eletroquímica, em que o separador inclui um material não condutor, poroso formado em um cilindro e que tem uma extremidade aberta e uma extremidade fechada formada integralmente disposta distalmente à extremidade aberta.
[0064] Como descrito acima, em separadores convencionais, uma extremidade do separador tem um disco de fundo dobrado para formar um separador em forma de copo que se estende até o fundo da cavidade da célula que contém o gel do anodo e que isola o mesmo do recipiente de bateria de metal, bem como do catodo. Essa configuração requer geralmente múltiplos cupons de material separador que tem múltiplos envoltórios, por exemplo, 2 cupons que têm 2 voltas (2x2). O separador da presente descrição é projetado para ter um copo de fundo integrado (IBC), que quando usado em células eletroquímicas, especialmente em células grandes como LR20, fornece benefícios como redução de custo pela eliminação do uso do disco de fundo, contenção do gel de anodo dentro da unidade separadora para melhorar a confiabilidade e a redução no volume de papel de múltiplos cupons que tem vários envoltórios (por exemplo, 2 x 2) para um único cupom que contém um ou mais envoltórios (por exemplo, 1 x 2), aumentando, assim, o volume de anodo. Foi constatado que os aprimoramentos do projeto do anodo e do separador resultam em propriedades aprimoradas, como redução de custo e confiabilidade.
[0065] Com referência à Figura 1, em uma modalidade exemplificativa para um separador IBC para células LR20, o separador 10 inclui um corpo cilíndrico unitário que tem uma extremidade aberta 20, uma parede lateral 30 e uma extremidade fechada formada integralmente 40 disposta distalmente à extremidade aberta. O separador é preparado enrolando- se um único cupom de material separador, tal como papel, uma ou duas vezes ao redor de um mandril, e que tem múltiplas dobras formadas e dobradas para dentro em uma extremidade para formar uma extremidade fechada e plana. A extremidade fechada é permanentemente ligada com o uso de métodos de vedação adequados, tais como utilizando-se água atomizada, calor e/ou pressão. Tipicamente, o separador 10 é formado e montado em uma célula eletroquímica durante a montagem da célula sem o uso de cola ou outros adesivos. No entanto, adesivos e/ou vedantes podem ser aplicados ao separador, se necessário.
[0066] O separador pode ser produzido a partir de qualquer material poroso tecido ou não tecido, sintético ou não sintético, resistente a alcalinos, adequado, incluindo, porém, sem limitação, materiais poliméricos, Tencel® (liocel), polpa de madeira mercerizada, polipropileno, polietileno, celofane, celulose, metilcelulose, raiom, náilon e combinações dos mesmos. Em algumas modalidades, o separador é composto por um material poroso que inclui um papel composto por uma ou mais fibras poliméricas. Em algumas modalidades, o separador é um material poroso que inclui uma ou mais fibras de polímero com uma quantidade eficaz de um agente tensoativo incorporado no mesmo. Materiais poliméricos adequados para a fibra polimérica incluem, porém, sem limitação, álcool polivinílico, poliamidas, tereftalato de polietileno, tereftalato de polipropileno, tereftalato de polibutileno, fluoreto de polivinilideno, poliacrilonitrila, polipropileno, polietileno, poliuretano e mesclas, misturas e copolímeros dos mesmos, tais como raiom, náilon e semelhantes e combinações dos mesmos.
[0067] Em algumas modalidades, o material poroso inclui papel. Em algumas modalidades, o material poroso inclui um papel que inclui fibra de álcool polivinílico, fibra de raiom, celulose, ou uma combinação de dois ou mais dos mesmos, e pode ter um agente ativo de superfície.
[0068] O agente de superfície ativa pode incluir, porém, sem limitação, tensoativos iônicos e tensoativos não iônicos. A quantidade do agente tensoativo de superfície pode variar entre cerca de 0,2% em peso a cerca de 1,0% em peso em relação ao material polimérico.
[0069] Em algumas modalidades, o separador IBC pode ser projetado para incluir uma única camada da folha de material poroso não condutor enrolada duas vezes. O separador IBC pode ter uma espessura, quando medida no estado seco (espessura seca) inferior a cerca de 0,3 mm, isso inclui uma espessura seca inferior a cerca de 0,29 mm, inferior a cerca de 0,28 mm, inferior a 0,27 mm, inferior do que cerca de 0,26 mm, ou inferior a cerca de 0,25 mm. Em algumas modalidades, o separador IBC tem uma espessura em um estado seco de cerca de 0,15 mm a cerca de 0,26 mm, que inclui cerca de 0,18 mm a cerca de 0,25 mm, cerca de 0,205 mm a cerca de 0,245 mm, cerca de 0,210 mm a cerca de 0,240 mm 0,215 mm a cerca de 0,235 mm, e está na faixa entre dois desses valores ou menor que qualquer um desses valores. Em algumas modalidades, o separador IBC tem uma espessura em um estado seco de cerca de 0,205 mm a cerca de 0,245 mm, quando medido com o uso de um instrumento micrômetro de acordo com a Norma ISO 534 a uma pressão de 100 kPa e 20 kPa.
[0070] As modalidades de projeto de anodo e separador detalhadas na presente revelação permitem reduzir a carga de zinco em células alcalinas para um valor tão baixo quanto 63%, ou inferior, ajustando- se a distribuição do tamanho de partícula de zinco a níveis especificados de poeira, partículas finas, grossas e grandes. Quedas e falhas de vibração de descarga em células grandes podem ser suprimidas controlando-se o nível de partículas finas para estarem acima de 20% em peso. Gasificação celular, como após a descarga parcial da bateria, é afetada pelo teor de partículas finas de zinco. A antecipada gaseificação de células da área de superfície aumentada com níveis aumentados de sólidos finos é suprimida controlando-se o nível de partículas grossas. Os mecanismos que conduzem à supressão de gás em uma célula alcalina que tem um teor relativamente elevado de partículas finas, baseia- se na minimização do impacto adverso das impurezas metálicas dentro da bateria, controlando-se o teor de partículas de zinco grossas.
[0071] Acredita-se que as falhas de confiabilidade em cargas relativamente baixas de zinco sejam resultado do contato insuficiente partícula-partícula entre as partículas de zinco, o que leva à baixa amperagem, queda de tensão e falhas durante a vibração de descarga. O contato de partículas-partículas pode ser melhorado aumentando-se o teor de partículas finas de zinco no eletrodo de bateria de anodo, como aqui revelado. O pó de anodo de zinco com níveis aumentados de sólidos finos pode estar contido em um separador cujo projeto tem um copo de fundo integrado no separador de bateria como um todo. O uso de separador IBC com material convencional de pó de zinco em células de bateria, tais como células LR20, em baixas cargas de zinco, como abaixo de 65%, resulta em falhas de bateria durante o teste de abuso. No entanto, usando-se um pó de zinco do tipo HF em combinação com o separador IBC nas células LR20, o custo da bateria pode ser reduzido e os problemas de confiabilidade eliminados, conforme descrito nos exemplos abaixo.
[0072] Como mais detalhado em outro lugar no presente documento, observou-se que as células eletroquímicas da presente revelação exibem características de desempenho melhoradas, que podem ser medidas ou testadas de acordo com vários métodos do American National Standards Institute (ANSI). Os resultados de vários testes de células da presente revelação são detalhados abaixo nos Exemplos.
[0073] Os Exemplos a seguir descrevem várias modalidades da presente revelação. Outras modalidades no escopo das reivindicações anexas serão evidentes para um versado na técnica, considerando o relatório descritivo ou prática da revelação fornecida no presente documento. Pretende-se, portanto, que o relatório descritivo, juntamente com os Exemplos, seja considerado apenas como exemplificativo, em que o escopo e o espírito da revelação são indicados pelas reivindicações, que seguem os Exemplos.
EXEMPLOS
[0074] Nos exemplos apresentados abaixo, as células eletroquímicas da presente revelação foram testadas quanto ao desempenho de DSC, amperagem de teste de queda (tanto antes como após a queda), gaseificação de descarga parcial e condições após a armazenagem.
Exemplo 1 - desempenho de células eletroquímicas com anodo que contém zinco HF e separador IBC
[0075] Nos exemplos apresentados abaixo, as células eletroquímicas foram testadas quanto ao desempenho de DSC, gaseificação de célula de descarga parcial, gaseificação de célula não descarregada e condições após o armazenamento. Anodos gelificados foram preparados de acordo com as melhorias da presente revelação.
[0076] A viscosidade do gel é medida com o uso de viscosímetro digital Brookfield e fuso revestido com teflon #06 a 4 rpm. Ao medir, permite-se que a leitura se estabilize por 5 minutos antes de registrar o valor da viscosidade.
[0077] Para medição de valor de tensão de rendimento, medir os valores de viscosidade do gel a 1,0 rpm (R1) e 0,5 rpm (R2) respectivamente, o valor de tensão de rendimento é calculado com o uso da fórmula: valor de tensão de rendimento = (R2-R1)/100.
[0078] A Figura 3 mostra a vibração de descarga de células de bateria LR20 produzidas com pó de liga de zinco de bismuto-índio (STD) padrão de densidade aparente a 3,0 g/cm3 e que contém 12% de partículas finas de zinco (<75 μm), 45% de partículas grossas (>150 μm) e em uma carga de zinco de 63%. Os géis de anodo das células LR20 tinham uma concentração de KOH no gel a 32% e o pó de zinco tinha bismuto e índio como elementos de liga principal a uma concentração de cerca de 150 ppm e 150 ppm, respectivamente. O teste de vibração de descarga é feito aplicando-se a cada bateria uma carga de resistência de descarga contínua de 1,5 ohms enquanto as baterias são mantidas em uma mesa vibratória que aplica um movimento harmônico simples com uma amplitude de 0,75 mm a uma frequência de 10 Hz que é aumentada para um máximo 40 Hz a uma taxa de 1 Hz por minuto. O ciclo de descarga é concluído ao longo de um período de 30 minutos. A Figura 4 mostra os dados de vibração de descarga de uma célula semelhante como descrito na Figura 3 com uma carga de zinco a 63%, exceto que o pó de liga de zinco-bismuto-índio tem uma densidade aparente de 2,80 g/cm3 e contém 40% de partículas finas e 11% de partículas grossas, referidas chamadas de um pó de zinco do tipo HF. A Figura 4 mostra que as falhas de vibração de descarga, definidas pela queda na voltagem da célula (OCV) abaixo de 1 V após 30 min de descarga, são eliminadas quando o zinco HF é usado.
[0079] A Figura 5 mostra a vibração de descarga de células de bateria LR20 que contêm pó de liga de zinco bismuto-índio padrão (STD) como descrito na Figura 3, exceto que a carga de zinco é de 64%. A Figura 6 mostra a vibração de descarga de células de bateria LR20 como descrito na Figura 5, exceto que o zinco anódico é zinco HF na carga de 64%. É observado que as falhas com o zinco STD persistem em 64%, mas é eliminado com zinco HF nessa carga de zinco.
[0080] Além do tipo de zinco baseado na distribuição de tamanho de partícula, outros fatores que afetam a falha da célula devido à vibração de descarga são a carga de zinco e o preenchimento de gel de anodo, como mostrado na Figura 7. Essa figura mostra o tempo médio de falha durante a vibração de descarga, afetado pela carga de zinco, enchimento de gel de anodo e tipo de pó de zinco. Os respectivos valores p para cada um dos fatores testados estão abaixo de 0,050 e indicam que as falhas de descarga são suprimidas pelo aumento da carga de zinco, aumento do preenchimento de gel e, particularmente, pelo uso do zinco do tipo HF. Quanto menor o valor p abaixo de 0,05, maior a significância estatística do fator testado. Outro efeito benéfico do uso do pó do tipo HF é a supressão nas falhas do teste de queda. O teste de queda consiste em registrar a corrente de curto-circuito (Flash Amps) e a voltagem de circuito aberto (OCV) antes de enrolar cada bateria de uma superfície plana cinco vezes consecutivamente a partir de uma altura de 102 cm em um piso revestido de vinil. Depois de deixar a bateria descansar por uma hora, os valores finais de Flash Amp e OCV são registrados. Para as células LR20, para passar no teste de queda, a % mínima de Amps iniciais é de 50%.
[0081] A Figura 8 mostra os dados de teste de queda de células LR20 produzidas com separadores de IBC e indica que as células com zinco HF passam no teste, ao contrário do caso de células produzidas com o uso de zinco STD convencional. A gaseificação celular após descarga parcial das referidas células LR20 que têm zinco HF ou STD a 63% e 64% com géis de enchimento de anodo a 2% e 5,7% é mostrada na Figura 9. Nenhum impacto adverso com o uso de zinco é observado. Além disso, o desempenho não é adversamente afetado com o uso do zinco HF, como mostrado na Figura 10.
[0082] A invenção é ainda definida pelas seguintes modalidades:
[0083] Modalidade A. Uma célula eletroquímica alcalina que compreende um catodo; um anodo que compreende um material ativo de anodo; e um separador não condutor disposto entre o catodo e o anodo; sendo que: de cerca de 20% a cerca de 50% em peso do material ativo de anodo em relação a uma quantidade total de material ativo de anodo tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm; e o separador compreende uma configuração unitária cilíndrica que tem uma extremidade aberta, uma parede lateral e uma extremidade fechada integralmente formada disposta distalmente em relação à extremidade aberta.
[0084] Modalidade B. A célula eletroquímica alcalina, da modalidade A, em que o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,62 g/cm3 a cerca de 2,92 g/cm3.
[0085] Modalidade C. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer uma das modalidades A a B, em que menos de cerca de 20% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total do material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 μm.
[0086] Modalidade D. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer uma das modalidades A a C, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco.
[0087] Modalidade E. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer das modalidades A a D, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco que compreende zinco, índio e bismuto.
[0088] Modalidade F. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer das modalidades A a E, em que o material ativo anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco compreende cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de bismuto; e cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de índio.
[0089] Modalidade G. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer uma das modalidades A a F, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco está presente no anodo de cerca de 62% a cerca de 70% em peso, em relação ao peso total do anodo.
[0090] Modalidade H. A célula eletroquímica alcalina, de qualquer uma das modalidades F a G, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco está presente no anodo em cerca de 63% em peso em relação ao peso total do anodo.
[0091] Modalidade I. Um gel de anodo para uma célula eletroquímica alcalina, sendo que o gel de anodo compreende: um material ativo de anodo, em que cerca de 20% a cerca de 50% em peso, em relação a um peso total de material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 μm; um eletrólito; e um agente gelificante.
[0092] Modalidade J. O gel de anodo, da modalidade I, em que menos do que cerca de 20% em peso do material ativo de anodo em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 micrômetros.
[0093] Modalidade K. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a J, em que o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,62 g/cm3 a cerca de 2,92 g/cm3.
[0094] Modalidade L. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a K, em que o eletrólito compreende uma solução aquosa de hidróxido de potássio.
[0095] Modalidade M. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a L, em que o eletrólito tem uma concentração de hidróxido de cerca de 32% ou menos.
[0096] Modalidade N. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a M, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco.
[0097] Modalidade O. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a N, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco que compreende zinco, índio e bismuto.
[0098] Modalidade P. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a O, em que o material ativo anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco compreende cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de bismuto; e cerca de 130 ppm a cerca de 270 ppm de índio.
[0099] Modalidade Q. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a P, em que cerca de 20% a cerca de 50% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a cerca de 75 mícrons e cerca de 8% a cerca de 20% em peso do total de liga de zinco tem um tamanho de partícula superior a cerca de 150 micrômetros.
[0100] Modalidade R. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a Q, em que o material ativo de anodo tem uma densidade aparente de cerca de 2,62 g/cm3 a 2,92 g/cm3.
[0101] Modalidade S. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a R, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco está presente no anodo desde cerca de 62% a cerca de 70% em peso, em relação ao peso total do anodo.
[0102] Modalidade T. O gel de anodo, de qualquer uma das modalidades I a S, em que o material ativo de anodo compreende uma liga de zinco, em que a liga de zinco está presente no anodo a cerca de 63% em peso em relação ao peso total do anodo.
[0103] Modalidade U. Um separador para uso em uma célula eletroquímica, sendo que o dito separador compreende: um material poroso, não condutor, formado em um cilindro e que tem uma extremidade aberta e uma extremidade fechada formada integralmente disposta distalmente à extremidade aberta; em que: o separador tem uma única camada enrolada duas vezes e tem uma espessura seca de cerca de 0,205 mm a cerca de 0,245 mm.
[0104] Modalidade V. O separador, da modalidade U, em que o material poroso é um papel composto por fibra de álcool polivinílico, fibra de raiom ou celulose, e compreende um agente tensoativo.
[0105] Modalidade W. O separador, de qualquer uma das modalidades U a V, em que o separador compreende um único cupom de papel enrolado duas vezes.
[0106] Embora determinadas modalidades tenham sido ilustradas e descritas, deve ser entendido que alterações e modificações podem ser realizadas nas mesmas em conformidade com a habilidade comum na técnica sem que se afaste da tecnologia em seus aspectos mais amplos, conforme definido nas reivindicações a seguir.
[0107] As modalidades, descritas ilustrativamente no presente documento, podem ser adequadamente praticadas na ausência de qualquer elemento ou elementos, limitação ou limitações, não especificamente revelados no presente documento. Assim, por exemplo, os termos “que compreende”, “que inclui”, “que contém”, etc., devem ser lidos de maneira expansiva e sem limitação. Adicionalmente, os termos e expressões empregados no presente documento foram usados como termos de descrição e não de limitação, e não há intenção no uso de tais termos e expressões de excluir nenhum equivalente dos recursos mostrados e descritos ou porções dos mesmos, porém, é reconhecido que várias modificações são possíveis dentro do escopo da tecnologia reivindicada. Adicionalmente, a expressão “que consiste essencialmente em” será entendida por incluir aqueles elementos especificamente citados e aqueles elementos adicionais não afetam materialmente as características básicas e inovadoras da tecnologia reivindicada. A expressão “que consiste em” exclui qualquer elemento não especificado.
[0108] A presente revelação não deve ser limitada em termos das modalidades particulares descritas neste pedido. Diversas modificações e variações podem ser feitas sem que se afaste de seu espírito e escopo, conforme será evidente àqueles versados na técnica. Métodos e composições funcionalmente equivalentes dentro do escopo da revelação, adicionalmente àqueles enumerados no presente documento, serão evidentes àqueles versados na técnica a partir das descrições anteriores. Tais modificações e variações se destinam ser abrangidas pelo escopo das reivindicações anexas. A presente revelação deve ser limitada apenas pelos termos das reivindicações anexas, juntamente com o escopo completo de equivalentes ao qual tais reivindicações são intituladas. Deve ser entendido que esta revelação não se limita aos métodos, reagentes, compostos, composições ou sistemas biológicos particulares, que podem, obviamente, variar. Também deve ser entendido que a terminologia usada no presente documento é para o propósito de descrever apenas modalidades particulares, e não se destina a ser limitante.
[0109] Adicionalmente, quando os recursos ou aspectos da revelação são descritos em termos de grupos Markush, aqueles versados na técnica reconhecerão que a revelação também é, dessa forma, descrita em termos de qualquer membro individual ou subgrupo de membros do grupo Markush.
[0110] Conforme será entendido por uma pessoa versada na técnica, para todo e qualquer propósito, particularmente em termos de fornecer uma descrição escrita, todas as faixas reveladas no presente documento também englobam toda e qualquer subfaixa possível e combinações de subfaixas da mesma. Qualquer faixa listada pode ser facilmente reconhecida por descrever e permitir de maneira suficiente que a mesma faixa seja repartida em pelo menos metades iguais, terços, quartos, quintos, décimos, etc. Como um exemplo não limitante, cada faixa abordada no presente documento pode ser prontamente repartida em um terço inferior, terço médio e terço superior, etc. Conforme também será entendido por uma pessoa versada na técnica, toda a linguagem, tal como “até”, “pelo menos”, “maior que”, “menor que” e semelhantes, incluem o número citado e se referem às faixas que podem ser subsequentemente repartidas em subfaixas, conforme abordado acima. Finalmente, conforme será entendido por um indivíduo versado na técnica, uma faixa inclui cada membro individual.
[0111] Todas as publicações, pedidos de patente, patentes expedidas e outros documentos citados neste relatório descritivo estão incorporados ao presente documento a título de referência como se cada publicação, pedido de patente, patente expedida ou outro documento individual estivesse específica e individualmente indicado para estar incorporado a título de referência em sua totalidade. Definições que estão contidas no texto incorporado a título de referência são excluídas ao ponto em que contradizem as definições nesta revelação.
[0112] Outras modalidades são apresentadas nas reivindicações a seguir.

Claims (15)

1. Célula eletroquímica alcalina caracterizada por compreender: um catodo; um anodo que compreende um material ativo de anodo compreendendo zinco; e um separador não condutor (10) disposto entre o catodo e o anodo, em que o separador (10) tem uma espessura seca de 0,205 mm a 0,245 mm; em que: de 20% a 50% em peso do material ativo de anodo, em relação à uma quantidade total de material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a 75 μm, e de 8% a 20% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total do material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula superior a 150 μm; e o separador (10) compreende uma configuração unitária cilíndrica que tem uma extremidade aberta (20), uma parede lateral (30), e uma extremidade fechada integralmente formada (40) disposta distalmente em relação à extremidade aberta (20).
2. Célula eletroquímica alcalina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material ativo de anodo ter uma densidade aparente de 2,62 g/cm3 a 2,92 g/cm3.
3. Célula eletroquímica alcalina, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por o material ativo de anodo compreender uma liga de zinco; em que a liga de zinco compreende zinco, índio e bismuto.
4. Célula eletroquímica alcalina, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a liga de zinco compreender: de 130 ppm a 270 ppm de bismuto; e de 130 ppm a 270 ppm de índio.
5. Célula, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a liga de zinco estar presente no anodo de 62% a 70% em peso, em relação ao peso total do anodo.
6. Célula, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a liga de zinco estar presente no anodo em 63% em peso, em relação ao peso total do anodo.
7. Gel de anodo para uma célula eletroquímica alcalina, conforme definida na reivindicação 1, o gel de anodo caracterizado por compreender: um material ativo de anodo compreendendo zinco, em que de 20% a 50% em peso, em relação a um peso total de material ativo de anodo, tem um tamanho de partícula inferior a 75 μm, e de 8% a 20% em peso do material ativo de anodo, em relação à quantidade total de material ativo de anodo presente no gel de anodo, tem um tamanho de partícula superior a 150 μm; um eletrólito; e um agente gelificante.
8. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o material ativo de anodo ter uma densidade aparente de 2,62 g/cm3 a 2,92 g/cm3.
9. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o eletrólito compreender uma solução aquosa de hidróxido de potássio.
10. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o eletrólito ter uma concentração de hidróxido de 32% ou menos.
11. Gel de anodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado por o material ativo de anodo compreender uma liga de zinco; em que a liga de zinco compreende zinco, índio e bismuto.
12. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a liga de zinco compreender: de 130 ppm a 270 ppm de bismuto; e de 130 ppm a 270 ppm de índio.
13. Gel de anodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 12, caracterizado por de 8% a 20% em peso, em relação à liga de zinco total, ter um tamanho de partícula superior a 150 μm.
14. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o material ativo de anodo ter uma densidade aparente de 2,62 g/cm3 a 2,92 g/cm3.
15. Gel de anodo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o material ativo de anodo compreender uma liga de zinco, e a quantidade de liga de zinco no anodo estar presente de 62% a 70% em peso, em relação a um peso total do anodo.
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