CN100461512C - Aa型碱性电池 - Google Patents

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Abstract

一种AA型碱性电池，包括：主要由充当活性材料的锌构成的阳极，主要由充当活性材料的二氧化锰或羟基氧化镍构成的阴极，由无纺布构成的隔板，由氢氧化钾水溶液构成的电解液，及氧化锌。

Description

AA型碱性电池
相关申请的交叉参考
本发明包括与在2004年11月30日向日本特许厅提交的日本专利申请JP 2004-345760相关的主题，其全部内容引入本发明作为参考。
技术领域
本发明涉及一种放电特性得到改善且电解液的渗漏受到抑制的AA型碱性电池。
背景技术
近年来，电子器件向小型化和轻便发展的趋势增加了商业上以碱性电池驱动的产品的数量。氢氧化钾溶液在这种碱性电池中用作电解液。电解液从电池向外部的渗漏可能不利地引起对电子器件或人体的伤害。具体地，在4节电池串联的器件中，当4节电池中的1节电池的极性装反时，电解液会很容易从电池中渗漏到外部。需要对这种情况进行改善。例如，当4节电池中的1节反极性安装时，日本未审专利申请公开5-135776公开了一种安全措施。即，在D型电池和C型电池的每一种中，采取在阳极端子提供凸出部的安全措施来防止电流流动。
发明内容
因为AA型碱性电池的阳极端子尺寸小，所以这种在D型电池或C型电池中的阳极端子提供凸出部的方法难以应用于AA型碱性电池。因此，在目前的情况下，AA型碱性电池仍没有当4节电池中的1节反极性安装时的安全措施。
根据本发明的一个实施方案，提供一种AA型碱性电池，其即使在4节串联电池中的1节反极性安装时，仍具有改善的阻漏性。
根据本发明的一个实施方案，提供一种AA型碱性电池，该电池包括主要由充当活性材料的锌构成的阳极，主要由充当活性材料的二氧化锰或羟基氧化镍(nickel oxyhydroxide)构成的阴极，由无纺布构成的隔板，由氢氧化钾水溶液构成的电解液，及氧化锌，氧化锌的含量为0.08～0.1g。
由无纺布构成的隔板的透气率优选为50～65ml/sec/cm2。当氧气经过隔板迁移到阳极时，过高的透气率导致令人不满意的结果。
当4节串联的电池中的1节反极性安装时，该反极性安装的电池通过器件的电路被其它三节电池充电。在被充电的电池阴极产生的氧气迁移到阳极，从而氧化阳极中的锌。当串联的4节电池中的1节反极性安装时，这对于电解液的渗漏具有重大影响。
当大电流流经器件的电路时，在阳极和阴极分别产生氢气和氧气。因而，电池中的压力增加，然后使塑料密封的安全阀活动了。结果，气体从电池向外部渗漏。同时，电解液也渗漏。
当小电流流经器件的电路时，下面的反应发生了；因此，渗漏难于发生。在阴极由充电反应产生的氧气经过隔板迁移到阳极，并由阳极中的锌氧化成氧化锌消耗。因此，电池内的压力没有增加。所得到的氧化锌通过充电被还原成锌。该反应在产生氢的反应之前发生。因而，氢气没有产生，电池内的压力没有增加。严格说来，当大电流流经器件的电路时，阴极中产生的氧气经过隔板迁移到阳极，并氧化阳极中的锌而形成氧化锌。当产生氢的速度大于氧化速度时，电池内的压力增加，由此引起渗漏。
根据本发明的一个实施方案，提供一种电池，该电池包含大量氧化锌。在反极性安装的电池中反应的初始阶段，氧化锌的还原反应在产生氢的反应之前发生。在该还原反应过程中，在阴极产生足量的氧。然后，氧经过隔板迁移到阳极，并氧化阳极中的锌形成氧化锌。因此，即使当自始就包含的氧化锌被消耗时，也连续地抑制了氢气的产生。
而且，当使用具有更高透气率的隔板时及优选当使用透气率为50～65ml/sec/cm2的隔板时，氧穿过隔板的迁移速度高。因而，锌能够容易变成氧化锌。因此，即使在较大电流流过的器件中，电解液渗漏的发生也受到抑制。
根据本发明的一个实施方案，提供一种电池，该电池具有令人满意的放电特性，并且通过规定包括在AA型碱性电池中氧化锌的质量，当4节电池中的1节反极性安装时，该电池具有防止电解液渗漏的作用。而且，在反极性安装的电池中，通过规定隔板的透气率，即使当较大电流流过时，也能够防止电解液渗漏的发生。
附图说明
图1为根据本发明实施方案的AA型碱性电池的示例性结构图；
图2为根据本发明实施方案的AA型碱性电池的初始状态图；
图3为根据本发明实施方案的AA型碱性电池充电开始30分钟后的状态图；
图4为根据本发明实施方案的AA型碱性电池充电开始30～80分钟后的状态图；
图5为根据本发明实施方案的AA型碱性电池充电80～130分钟后的状态图；
图6为根据本发明实施方案的AA型碱性电池充电130分钟后的状态图；及
图7为根据本发明实施方案的AA型碱性电池的电压和充电时间之间关系图。
具体实施方式
图1图示了根据本发明实施方案的AA型碱性电池的示例性结构。AA型碱性电池包括中空的圆筒形阴极4，与该阴极4接触的具有底部的圆筒形隔板5，布置在该隔板5内的阳极6，电解液，及具有开口和底部的空心-圆筒形金属阴极外壳2，所述阴极4、隔板5、阳极6和电解液被封装在阴极外壳2中。图1所示的AA型碱性电池还包括用于密封阴极外壳2的开口的密封单元。
而且，图1所示的AA型碱性电池圆筒的周围覆盖有外部标记11。阴极4为中空的圆筒形状并由阴极混合物构成，该阴极混合物包含二氧化锰、石墨和氢氧化钾水溶液。阳极6由胶状阳极混合物构成，该阳极混合物包含粒状的锌、氧化锌、氢氧化钾水溶液和增稠剂。阳极混合物布置在具有底部的圆筒形状的隔板5中。该隔板5由例如聚烯烃无纺布构成，并与圆筒形阴极4的内表面接触。该聚烯烃无纺布浸渍有充当电解溶液的氢氧化钾水溶液。密封单元包括密封件7，加固件8，集电栓(current-collecting pin)9，及阳极10。
该密封件7在其中心具有通孔。钉形的集电栓9经通孔插入到密封件7中，并与阳极6接触。集电栓9由例如镀锡黄铜构成。
将参考图2至图7描述在充电过程中，在图1所示的AA型碱性电池阴极和阳极发生的反应。图2图示了阳极包含预定量的氧化锌并且没有施加充电电压的状态。此时，没有电子迁移。该状态称作“初始状态”。在图7所示的图中，初始状态相应于时间为0的点2。
图3图示了充电开始约30分钟后的状态。在该状态下，由反应式(1)表示的反应发生了：
ZnO+H2O+2e-→Zn+2OH-   (1)。
在图4所示的产生氢的反应开始之前，阳极中氧化锌的还原反应就开始了。该反应步骤相应于图7所示的区域3。
图4图示了充电开始约30～80分钟后的状态。在该状态下，由反应式(2)表示的反应发生了：
2H2O+2e-→2OH-+H2↑  (2)。
阳极中氧化锌的还原反应(1)继续进行。而且，氧气经过隔板到达阳极，进而氧化阳极中的锌形成氧化锌。该氧化在由反应式(2)表示的产生氢的反应开始之前就发生了。该反应步骤相应于图7所示的区域4。
图5图示了充电开始约80～130分钟后的状态。在该状态下，由反应式(3)表示的反应发生了：
2Zn+O2→2ZnO              (3)。
这是锌被经过隔板迁移到阳极中的氧氧化的反应步骤。该反应步骤相应于图7所示的区域5。
图6图示了充电开始至少130分钟后的状态。在图3和图5所示的反应发生过程中，足量的氧从阴极经过隔板迁移到阳极，从而氧化阳极中的锌形成氧化锌。因此，即使当自始就包含的氧化锌被消耗时，也防止氢气出现。在该状态下，由反应式(4)和(5)表示的反应发生了：
(在阳极的充电反应)
ZnO+O2→2ZnO+2e-→Zn+2OH-  (4)
(化学氧化反应)
2Zn+O2→2ZnO  (5)。
该反应步骤相应于图7所示的区域6。
在阴极中，由反应式(6)表示的反应从充电开始就发生了：
(在阴极的充电反应)
MnO2+8OH-→Mn+3O2↑+4H2O+10e-  (6)。
在本发明的该实施方案中，二氧化锰主要用作阴极中的活性材料。然而，当羟基氧化镍用作阴极中的主要活性材料时，实现了与上面相同的效果，因为本发明实施方案中的效果和阴极无关。
在该实施方案中，氧化锌包含在电池的阳极中。作为选择，氧化锌可以包含在隔板所浸渍的电解液中。而且，当氧化锌包含在阴极时，实现了与上面相同的效果。
实施例
下面将基于实施例详细描述本发明。然而，本发明不限于这些实施例。在这些实施例中，制得了均具有如图1所示结构的AA型碱性电池。为了证实上述效果，评价了放电特性和当4节电池中的1节反极性安装时电解液渗漏的发生。
实施例1-1
通过均匀地混合85.5％质量的二氧化锰，8％质量的石墨，及6.5％质量的37％(质量浓度)氢氧化钾水溶液，制得阴极混合物，然后将3.6g的该阴极混合物形成为外径为13.2mm、内径为9.1mm、高为15mm的环。将3个所得到的环形阴极混合物插入到阴极外壳中。将透气率为130ml/sec/cm2的无纺布卷绕成3层圆筒，将圆筒的底部折叠制得具有底部的圆筒形状的隔板。所得到的隔板的总透气率为43ml/sec/cm2。将隔板插入到环形阴极的空心中。向隔板中逐滴加入1.12g37％(重量浓度)氢氧化钾水溶液。接着，将5.5g的阳极混合物插入到隔板中，该阳极混合物含有65％质量的锌，1.5％质量的氧化锌，0.5％质量的胶凝剂，及33％质量的37％(重量浓度)氢氧化钾水溶液。然后，用密封单元将阴极外壳的开口紧紧地密封，该密封单元包含阳极端子，塑料密封，加固板，及钉形集电栓，该集电栓由镀锡黄铜构成，从而制得AA型碱性电池。在此情况下，电池中氧化锌的量为0.08g。
实施例1-2
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为50ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为150ml/sec/cm2的无纺布卷绕成3层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.08g。
实施例1-3
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为65ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为130ml/sec/cm2的无纺布卷绕成2层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.08g。
实施例1-4
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为75ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为150ml/sec/cm2的无纺布卷绕成2层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.08g。
实施例2-1
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，阳极混合物由65％质量的锌，1.8％质量的氧化锌，0.5％质量的胶凝剂，及32.7％质量的37％(重量浓度)的氢氧化钾水溶液构成。电池中氧化锌的含量为0.1g。
实施例2-2
如实施例2-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为50ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为150ml/sec/cm2的无纺布卷绕成3层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.1g。
实施例2-3
如实施例2-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为65ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为130ml/sec/cm2的无纺布卷绕成2层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.1g。
实施例2-4
如实施例2-1制得AA型碱性电池，所不同的是，使用总透气率为75ml/sec/cm2的具有底部的圆筒形隔板，该隔板是通过将透气率为150ml/sec/cm2的无纺布卷绕成2层圆筒，然后折叠所得到的圆筒的底部而形成的。电池中氧化锌的含量为0.1g。
对比例1
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，阳极混合物由65％质量的锌，1.1％质量的氧化锌，0.5％质量的胶凝剂，及33.4％质量的37％(重量浓度)的氢氧化钾水溶液构成。电池中氧化锌的含量为0.06g。
对比例2
如实施例1-1制得AA型碱性电池，所不同的是，阳极混合物由65％质量的锌，2.2％质量的氧化锌，0.5％质量的胶凝剂，及32.3％质量的37％(重量浓度)的氢氧化钾水溶液构成。电池中氧化锌的含量为0.12g。
如上所述，实施例1-1至1-4，实施例2-1至2-4，及对比例1和2各自制得60节电池。为了证实本发明的实施方案中所得到的效果，当将各实施例和对比例的10节电池分别在1000mA的恒电流下放电时，测量每节电池电压达到0.9V所需的放电时间。当将各实施例和对比例的10节电池分别在负载为40Ω的恒电流下放电时，测量每节电池电压达到0.9V所需的放电时间。而且，进行5组40Ω-负载反向安装试验，各个试验确定当串联的4节电池中的1节反极性安装、负载为40Ω时，电解液渗漏与否。另外，进行5组30Ω-负载反向安装试验，各个试验确定当串联的4节电池中的1节反极性安装、负载为30Ω时，电解液渗漏与否。表1给出了结果。
表1
 
加入的氧化锌的量(g) 总透气率(ml/sec/cm<sup>2</sup>) 在1000mA下的放电试验(平均值，n＝10) 40Ω下的放电试验(平均值，n＝10) 30Ω-负载反向安装试验(渗漏发生率) 40Ω-负载反向安装试验(渗漏发生率)
实施例1-1 0.08 43 53分钟 85小时 100％ 0％
实施例1-2 0.08 50 53分钟 85小时 0％ 0％
实施例1-3 0.08 65 53分钟 85小时 0％ 0％
实施例1-4 0.08 75 53分钟 81小时 0％ 0％
实施例2-1 0.1 43 51分钟 85小时 60％ 0％
实施例2-2 0.1 50 51分钟 85小时 0％ 0％
实施例2-3 0.1 65 51分钟 85小时 0％ 0％
实施例2-4 0.1 75 51分钟 80小时 0％ 0％
对比例1 0.06 43 55分钟 85小时 100％ 100％
对比例2 0.12 43 46分钟 82小时 40％ 0％
如表1所示，在1000mA的恒电流下，除了对比例2中的那些电池之外的电池的放电时间均为50分钟以上。对比例2中的那些电池过多地包含氧化锌，因而均具有不足的放电容量。在实施例1-4和2-4的电池中，因为各个隔板的透气率过高，所以在负载为40Ω的恒电流下的各个放电试验中，观察到由于内部短路而引起的放电容量降低。在40Ω-负载反向安装试验中，因为在所有实施例和对比例2中的电池均具有大量的氧化锌，所以大量的电能用于将氧化锌转化成锌，从而防止氢气的产生。因此，电解液的渗漏难于发生。
在较大电流流过的30Ω-负载反向安装试验中，因为实施例1-2、1-3、1-4、2-2、2-3和2-4中的电池均具有透气率高的隔板，所以在阴极产生的氧容易迁移到阳极，因而将锌化学氧化成氧化锌。为了将所得到的氧化锌转化成锌，使用了大量的电能，从而防止氢气的产生。因此，电解液的渗漏能够受到抑制。
本领域的技术人员应该理解，根据设计需要和其它因素可以在本发明的范围内进行各种修改、组合、变形和变更，因为它们在所附的权利要求书或者其等价物的范围内。

Claims (9)

1.一种AA型碱性电池，包括：
阳极；
主要由充当活性材料的二氧化锰或羟基氧化镍构成的阴极；
由无纺布构成的隔板；及
由氢氧化钾水溶液构成的电解液；
其中所述阳极包括胶状阳极混合物，该阳极混合物包含：
锌；
氧化锌；
氢氧化钾水溶液；和
增稠剂，
其中氧化锌的含量为0.08～0.1g。
2.根据权利要求1的AA型碱性电池，其中所述阴极包括阴极混合物，该阴极混合物包含：
二氧化锰；
石墨；和
氢氧化钾水溶液。
3.根据权利要求2的AA型碱性电池，其中所述阴极为中空的圆筒形状。
4.根据权利要求1的AA型碱性电池，还包括具有开口和底部的中空圆筒形金属阴极外壳，其中所述阴极、隔板、阳极和电解液包含在该金属阴极外壳中，
所述阴极为中空的圆筒形；
所述隔板与阴极的内表面接触；
所述阳极布置在隔板内。
5.根据权利要求4的AA型碱性电池，其中所述金属阴极外壳包括用于密封开口的密封单元。
6.根据权利要求5的AA型碱性电池，其中所述密封单元包括
密封件；
加固件；
集电栓；及
阳极端子。
7.根据权利要求1的AA型碱性电池，其中所述由无纺布构成的隔板的总透气率为50～65ml/sec/cm2。
8.根据权利要求1的AA型碱性电池，其中所述由无纺布构成的隔板呈具有底部的圆筒形状。
9.根据权利要求1的AA型碱性电池，其中所述隔板由聚烯烃无纺布构成。
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