CN101438435A - 电池阳极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电池、和包括含有锌、铟、铋和铝的合金的阳极、以及用于生产此类电池和阳极的方法。

Description

电池阳极
技术领域
本发明涉及电池，并涉及相关的组件和方法。
发明背景
电池例如碱性电池通常用作电能来源。一般来讲，电池包含负极(阳极)和正极(阴极)。阳极包含可被氧化的活性材料(如锌粒)；阴极包含可被还原的活性材料(如二氧化锰)。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。为了防止阳极活性材料与阴极活性材料直接反应，这些电极通过隔板彼此电隔离。
当电池用作诸如移动电话的装置内的电能来源时，与电极进行电接触，从而使电子流过所述装置并使得发生各自的氧化和还原反应以提供电能。与电极接触的电解质包含流过位于电极之间的隔板的离子，以在放电过程中在整个电池中保持电荷平衡。
发明概述
本发明涉及电池，并涉及相关的组件和方法。
在一个方面，本发明的特征在于包含颗粒的阳极。颗粒中的一些或全部包含合金，所述合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
在另一个方面，本发明的特征在于一种电池，所述电池包括外壳、设置在外壳内的阳极、设置在外壳内的阴极、以及位于阳极和阴极之间的隔板。阳极包含颗粒，并且颗粒中的一些或全部包含合金，所述合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
在一个附加方面，本发明的特征在于这样一种方法，所述方法包括离心地雾化熔融的合金以提供颗粒。所述熔融的合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
实施方案可包括下列一个或多个特征。
合金可包含约15ppm至约25ppm(例如，约18ppm至约22ppm)的铝。合金可包含约60ppm至约80ppm(例如，约65ppm至约75ppm)的铟。合金可包含约75ppm至约95ppm(例如，约80ppm至约90ppm)的铋。在一些实施方案中，合金可包含约20ppm的铝、约70ppm的铟、和/或约85ppm的铋。
在某些实施方案中，合金可包含钙。在一些实施方案中，合金可基本上不含汞、铅、铁、镉、和/或铊。在某些实施方案中，合金可包含无汞锌。在一些实施方案中，合金可基本上不含汞锌。
在某些实施方案中，颗粒中的一些或全部可包含合金，所述合金基本上由锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝组成。
颗粒中的一些或全部可通过离心雾化来生产。颗粒中的一些或全部可具有至少约40微米(例如，至少约45微米，至少约80微米，至少约400微米)和/或最多约900微米(例如，最多约400微米，最多约80微米，最多约45微米)的尺寸(例如，直径)。
按重量计至少约30％(例如，按重量计至少约40％，按重量计至少约50％，按重量计至少约60％，按重量计至少约70％，按重量计至少约80％，按重量计至少约90％，按重量计至少约95％)的颗粒可为球形。每个球形颗粒均可具有约1.0至约2.0的纵横比，其中纵横比等于颗粒的最长轴线与最长轴线的平均中垂线的比率。
阴极可包含MnO2。
电解质可为碱性的。
熔融的合金可在包含氧的气氛中离心地雾化。在某些实施方案中，熔融的合金可在包含最多约1.2％(例如最多约1％，最多约0.9％，最多约0.7％，最多约0.5％，最多约0.3％，最多约0.1％)氧的气氛中离心雾化。
该方法可包括将颗粒掺入到阳极中。
实施方案可包括下列一个或多个优点。
在一些实施方案中，包括该合金(例如，在阳极中)的电池可为一种较安全和/或可靠的电源。例如，该电池可表现出较低量的放气和/或其内容物中的一种或多种(例如，其电解质)可相对不太可能渗漏。在某些实施方案中，该合金可相对不太可能对环境产生不利影响。
在一些实施方案中，包括该合金(例如，在阳极中)的电池可表现出较好的电化学性能(例如，放电性能)。在某些实施方案中，包括该合金的电池可既表现出较好的电化学性能又表现出较低的放气。
在一些实施方案中，包含该合金的颗粒可比不包含该合金的颗粒更容易形成(例如，使用离心雾化)。例如，在某些其中的合金包含较低量(例如，最多约25ppm)铝的实施方案中，在离心雾化过程期间可接触到合金的氧的量可高于包含较高量铝的合金的情况。与包含较高量铝的合金相比，在一些其中的合金包含较低量铝的实施方案中，可使用较少量的合金来制造颗粒。
在某些实施方案中，该合金可较廉价地形成(例如，与包含较高量铟的合金相比)。在一些实施方案中，包括该合金的电池可较廉价地装配，和/或可相对于不包括该合金的电池表现出可比的或增强的电化学性能。
在某些实施方案中，包含该合金的颗粒可用于也包括较薄隔板(例如，具有最多约40微米的厚度)的电池。与包括较薄隔板但不包括该颗粒的电池相比，包括该颗粒和较薄隔板的电池可例如更不太可能经历电短路。较薄隔板可在电池外壳中为其它电池组件提供额外空间。
本发明的其它方面、特征和优点阐述于说明书、附图和权利要求中。
附图概述
图1为一种电池的实施方案的横截面图。
图2为离心雾化设备的示意图。
发明详述
参见图1，电池或电化学电池10具有包含阴极12、阳极14、在阴极12和阳极14之间的隔板16、以及集电器20的圆柱形外壳18。阴极12包含阴极活性材料，而阳极14包含阳极活性材料。电池10也包括密封件22和金属顶盖24，金属顶盖24和集电器20一起用作电池的负端子。阴极12与外壳18接触，电池10的正端位于与负端相对的电池末端。电解质分散在整个电池10中。
阳极14包含至少一种锌合金。锌合金包含锌(Zn)和以下元素中的至少一种：铟(In)、铋(Bi)、铝(Al)、钙(Ca)、铅(Pb)、镓(Ga)、锂(Li)、镁(Mg)和锡(Sn)。在一些实施方案中，锌合金可包含铁(Fe)。铁可例如作为锌中的杂质而存在。
在一些实施方案中，锌合金可包含至少约30ppm(例如，至少约50ppm，至少约70ppm，至少约90ppm，至少约110ppm，至少约130ppm，至少约150ppm，至少约250ppm，至少约500ppm，至少约750ppm)，和/或最多约1000ppm(例如，最多约750ppm，最多约500ppm，最多约250ppm，最多约150ppm，最多约130ppm，最多约110ppm，最多约90ppm，最多约70ppm，最多约50ppm)的铟。例如，在某些实施方案中，锌合金可包含约30ppm至约150ppm(例如，约60ppm至约80ppm，约70ppm)的铟。不希望受理论的约束，据信铟可减小可存在于锌中的杂质(例如，铁、砷、钼)的放气可能性。
在一些实施方案中，锌合金可包含至少约30ppm(例如，至少约50ppm，至少约70ppm，至少约90ppm，至少约110ppm，至少约130ppm，至少约150ppm，至少约200ppm，至少约300ppm，至少约400ppm)，和/或最多约500ppm(例如，最多约400ppm，最多约300ppm，最多约200ppm，最多约150ppm，最多约130ppm，最多约110ppm，最多约90ppm，最多约70ppm，最多约50ppm)的铋。例如，在某些实施方案中，锌合金可包含约30ppm至约150ppm(例如，约75ppm至约95ppm，约85ppm)的铋。不受理论的约束，据信铋可减小可在电池诸如电池10的局部放电期间发生的放气的量。
在一些实施方案中，锌合金可包含至少约5ppm(例如，至少约10ppm，至少约15ppm，至少约20ppm)，和/或最多约25ppm(例如，最多约20ppm，最多约15ppm，最多约10ppm)的铝。例如，在某些实施方案中，锌合金可包含约5ppm至约25ppm(例如，约15ppm至约25ppm，约18ppm至约22ppm，约20ppm)的铝。不受理论的约束，据信铝可在锌上形成保护性氧化铝涂层，所述涂层可限制锌的放气。
在一些实施方案中，锌合金可包含锌、铟、铋、和铝。例如，在某些实施方案中，锌合金可包含锌以及约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、和约5ppm至约25ppm的铝。在一些实施方案中，锌合金可包含约20ppm的铝、约70ppm的铟、和/或约85ppm的铋。
在某些实施方案中，锌合金可包含至少约50ppm(例如，至少约70ppm，至少约90ppm)和/或最多约100ppm(例如，最多约90ppm，最多约70ppm)的钙。随着锌合金中的钙量的增加，由锌合金形成的颗粒可变得更圆滑和/或更呈球形。
在一些实施方案中，锌合金可包含小于约50ppm(例如，小于约40ppm，小于约30ppm，小于约20ppm，小于约10ppm)的铅。
在某些实施方案中，锌合金可基本上不含汞。例如，锌合金可包含最多约1ppm的汞(例如，最多约0.5ppm的汞)。在一些实施方案中，锌合金可包含无汞锌。
在一些实施方案中，锌合金可基本上不含铅。例如，该合金可包含最多约30ppm的铅(例如，最多约20ppm的铅，最多约10ppm的铅，最多约5ppm的铅)。
在某些实施方案中，锌合金可基本上不含铁、镉、和/或铊。例如，锌合金可包含最多约5ppm(例如，小于4ppm)的铁、最多约10ppm的镉(例如，最多约5ppm的镉)、和/或最多约1ppm的铊(例如，最多约0.5ppm的铊)。
在一些实施方案中，锌合金可呈颗粒的形式。例如，在某些实施方案中，阳极14可为凝胶，所述凝胶包括锌合金颗粒、一种或多种胶凝剂、和/或微量添加剂诸如一种或多种不同于锌合金颗粒的放气抑制剂。胶凝剂的实例包括
Figure A200780016645D0008142711QIETU
 C940(得自Noveon，Inc.)和
Figure A200780016645D0008142724QIETU
 A221(得自Grain Processing Corp.)。在一些实施方案中，电解质中的一部分可分散在整个阳极14中。
阳极14可包含例如按重量计至少约60％(例如，按重量计至少约65％，按重量计至少约68％，按重量计至少约70％，按重量计至少约72％)和/或按重量计最多约75％(例如，按重量计最多约72％，按重量计最多约70％，按重量计最多约68％，按重量计最多约65％)的锌合金颗粒。
在某些实施方案中，阳极14可包含至少两种(例如，三种，四种，五种)不同类型的锌合金颗粒。
在一些实施方案中，锌合金颗粒中的一些或全部可具有至少约40微米(例如，至少约45微米，至少约70微米，至少约80微米，至少约100微米，至少约200微米，至少约300微米，至少约400微米，至少约500微米，至少约600微米，至少约700微米，至少约800微米)和/或最多约900微米(例如，最多约800微米，最多约700微米，最多约600微米，最多约500微米，最多约400微米，最多约300微米，最多约200微米，最多约100微米，最多约80微米，最多约70微米，最多约45微米)的尺寸(例如，直径)。例如，在某些实施方案中，锌合金颗粒中的一些或全部可具有约120微米至约180微米的尺寸。
在某些实施方案中，锌合金颗粒可具有至少约80微米(例如，至少约100微米，至少约200微米，至少约300微米)和/或最多约400微米(例如，最多约300微米，最多约200微米，最多约100微米)的D50粒度，所述粒度使用小角激光光散射(LALS)分析法测定。
在一些实施方案中，阳极14中的锌合金颗粒中的一些或全部可为球形。在某些实施方案中，阳极14中的锌合金颗粒中的按重量计至少约30％(例如，按重量计至少约40％，按重量计至少约50％，按重量计至少约60％，按重量计至少约70％，按重量计至少约80％，按重量计至少约90％，按重量计至少约95％)可为球形。如本文所用，“球形”是指锌合金颗粒具有约1.0至约2.0或约1.0至约1.5(例如，约1.0至约1.25)的纵横比。锌合金颗粒的纵横比可通过两种方法来确定。根据第一种方法，锌合金颗粒的纵横比等于其伸长率的倒数(即，1/(伸长率))，其中伸长率为锌合金颗粒的所测直径和其垂直直径之间的比率中的最小值。根据第二种方法，锌合金颗粒的纵横比等于锌合金颗粒的最长轴线与最长轴线的平均中垂线的比率。此测定可使用锌合金颗粒的二维图象来进行。
在一些其中的阳极14包含球形锌合金颗粒的实施方案中，球形锌合金颗粒中的一些或全部可具有约100微米至约300微米的平均粒度(通过Sympatec小角激光光散射分析法测定)和约1.4至约1.8的σ。在某些实施方案中，球形锌合金颗粒中的一些或全部可具有约50cm2/g至约250cm2/g(例如，约100cm2/g至约150cm2/g)的平均表面积。球形锌合金颗粒的平均表面积可通过B.E.T.分析法来测定。
在某些实施方案中，阳极14中的锌合金颗粒中的一些或全部(例如，球形锌合金颗粒)可通过离心雾化来生产。图2显示包括熔炉112和雾化室114的离心雾化设备110。雾化室114保持在低氧气氛中。在某些实施方案中，雾化室114可保持在包含最多约1.2％的氧(例如，最多约1％的氧，最多约0.9％的氧，最多约0.7％的氧，最多约0.5％的氧，最多约0.3％的氧，最多约0.1％的氧)的气氛中。在一些实施方案中，雾化室114可保持在包含约0.001％至约1.2％的氧(例如，约1％至约1.2％的氧)的气氛中。室114中的气体的其余部分可为一种或多种惰性气体(例如，氩气、氦气、氮气)。例如，该室可包含约0.01％至约0.5％的氧气，而气体的其余部分为氮气。
杯体116设置在雾化室114内。杯体116可由例如石墨制成，和/或可具有约5cm至约50cm(例如，约10cm至约20cm，约16.5cm)的直径。在一些实施方案中，杯体116可具有约0.1cm至约10cm(例如，约2cm至约3cm)的深度。马达122(例如，7.5hp的马达)连接到轴133上，所述轴进而连接到杯体116上。
流槽118将熔炉112连接到定位在雾化室114上方的中间罐120。
虽然未示出，但离心雾化设备110可包括其它组件，诸如设置在马达122和杯体116之间的滑轮系统。
在操作中，马达122驱动杯体116，从而导致杯体旋转。杯体可以约500rpm至约50,000rpm(例如，约6000rpm至约8500rpm)的旋转速度旋转。在一些实施方案中，杯体可以约5300rpm的旋转速度旋转。
将锌和合金组分送入熔炉112中，然后锌和合金组分在所述熔炉中熔融。熔融的合金可包含约1ppm至约5,000ppm(基于熔融金属的质量)的合金组分(例如，铝、铟、铋、钙、镓、锂、镁、铅、锡、或它们的组合)。在一些实施方案中，合金组分可为铋、铟、和铝。在某些实施方案中，熔融的合金可包含最多约500ppm的铋、最多约1000ppm的铟、和最多约200ppm的铝。在一些实施方案中，熔融的合金可基本上不含铋、铟和/或铝。
一旦有足够量的所得熔融的合金收集到熔炉中，熔融的合金就沿流槽118向下行进至中间罐120中。中间罐120具有孔口124。当熔融的合金行进穿过孔口124时，其形成流126，所述流最终会接触杯体116。孔口124可具有适当的尺寸以提供所需的熔融流动速率(即，流126的流动速率)。熔融的金属具有约10磅锌/小时至约20,000磅锌/小时(例如，约4,000磅锌/小时至约7，000磅锌/小时；约2,450磅锌/小时；约3,100磅锌/小时)的熔融流动速率。
当流126接触杯体116时，离心力导致熔融的合金在杯体116上散开，然后脱离杯体变成小滴，所述小滴随后冷却并固化，从而形成锌粒128。某个百分比的所得锌粒可为球形。一旦锌粒128形成，即可通过输送装置130将它们例如传送至筛分操作(例如，包括60目筛网)。
离心雾化和锌合金颗粒描述于例如2004年12月23日公布的名称为“Anode for Battery”的Costanzo等人的美国专利申请公布US2004/0258995 A1中。
如上所述，在一些实施方案中，阳极14可包含一种或多种胶凝剂和/或一种或多种放气抑制剂。
胶凝剂的实例包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素、以及它们的组合。聚丙烯酸的实例包括Carbopol 940和934(得自Noveon Inc.)以及Polygel 4P(得自3V)。接枝淀粉材料的实例为Waterlock A221(得自Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的实例为Alcosorb G1(得自CibaSpecialties)。阳极14可包含例如按重量计至少约0.1％(例如，按重量计至少约0.5％)和/或按重量计最多约1％(例如，按重量计最多约0.5％)的胶凝剂。
放气抑制剂可为无机材料，如铋、锡、铅和铟。作为另外一种选择，放气抑制剂可以为有机化合物，例如磷酸酯、离子表面活性剂或非离子表面活性剂。离子表面活性剂的实例公开于例如Chalilpoyil等人的美国专利4,777,100中。可商购获得的表面活性剂的一个实例为RM510，其为一种得自Rhone Poulenc的有机磷酸酯。在一些实施方案中，阳极可包含约30ppm的RM510。在某些实施方案中，阳极可包含约50ppm的RM510。
在一些实施方案中，阳极可包含三氯化铟(例如，约150ppm的三氯化铟)。
阴极12包含至少一种(例如，两种、三种)阴极活性材料。在一些实施方案中，阴极12还可包含至少一种导电助剂和/或至少一种粘合剂。电解质也分散在整个阴极12中。本文所提供的有关阴极12的组分的重量百分比是在电解质已分散在整个阴极12中后测定。
在一些实施方案中，阴极活性材料可为锰氧化物，如二氧化锰(MnO2)。二氧化锰可为电解合成的MnO2(EMD)、化学合成的MnO2(CMD)、或EMD和CMD的共混物。二氧化锰的销售商包括Kerr McGeeCorp.(例如，Trona D和高功率EMD的制造商)，Tosoh Corp.，DeltaManganese，Delta EMD Ltd.，Mitsui Chemicals，ERACHEM，和JMC。在某些实施方案中，阴极12可包含按重量计约80％至约88％(例如，按重量计约82％至约86％)的二氧化锰(例如，EMD)。
阴极活性材料的其它实例包括铜氧化物(如，氧化铜(CuO)、氧化亚铜(Cu2O))；铜氢氧化物(如，氢氧化铜(Cu(OH)2)、氢氧化亚铜(Cu(OH)))；碘酸铜(Cu(IO3)2)；AgCuO2；LiCuO2；Cu(OH)(IO3)；Cu2H(IO6)；含铜金属氧化物或硫属元素化物；卤化铜(如，CuCl2)；和/或铜锰氧化物(如，Cu(MnO4)2)。氧化铜可为化学计量的(如，CuO)或非化学计量的(如，CuOx，其中0.5≤x≤1.5)。阴极活性材料的另一个实例为Cu6InO8Cl。
阴极活性材料的另外实例包括含镍的阴极活性材料，例如羟基氧化镍(NiOOH)。羟基氧化镍可包括例如β-羟基氧化镍、经羟基氧化钴涂布的β-羟基氧化镍、γ-羟基氧化镍、经羟基氧化钴涂布的γ-羟基氧化镍、β-羟基氧化镍与γ-羟基氧化镍的固溶体、或者β-羟基氧化镍与γ-羟基氧化镍的经羟基氧化钴涂布的固溶体。
阴极活性材料的另外实例包括含有含五价铋金属氧化物的阴极活性材料。
在某些实施方案中，阴极12可为多孔的。多孔的阴极可包括例如一种或多种上述阴极活性材料(例如，EMD、NiOOH)。
导电助剂可增加阴极12的导电率。导电助剂的一个实例为碳粒。碳粒可为阴极中使用的任何常规碳粒。例如，碳粒可为石墨颗粒。用于阴极12中的石墨颗粒可为阴极中使用的任何石墨颗粒。所述颗粒可为合成的、非合成的、或合成与非合成的共混物，并且它们可为膨胀或非膨胀的。在某些实施方案中，石墨颗粒为非合成、非膨胀的石墨颗粒。在此类实施方案中，石墨颗粒可具有小于约20微米(例如，约2微米至约12微米，约5微米至约9微米)的平均粒度，所述平均粒度使用Sympatec HELOS粒度分析仪测定。例如，石墨颗粒可得自Brazilian Nacional de Grafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X))或Chuetsu Graphite Works，Ltd.(Chuetsu grades WH-20A和WH-20AF)，Japan。阴极12可包含例如按重量计约3％至约9％(例如，约4％至约7％)的碳颗粒。在一些实施方案中，阴极12可包含按重量计约4％至约9％(例如，约4％至约6.5％)的石墨颗粒。
导电助剂的另一个实例为碳纤维，诸如Luo等人的美国专利6,858,349、和2002年11月21日公布的题目为“Battery Cathode”的Anglin的美国专利申请公布US2002/0172867 A1中所述的那些。在一些实施方案中，阴极12可包含按重量计小于约2％(例如，按重量计小于约1.5％，按重量计小于约1％，按重量计小于约0.75％，按重量计小于约0.5％，按重量计小于约0.45％，按重量计小于约0.4％，按重量计小于约0.3％，按重量计小于约0.2％)，和/或按重量计大于约0.1％(例如，按重量计大于约0.2％，按重量计大于约0.3％，按重量计大于约0.4％，按重量计大于约0.45％，按重量计大于约0.5％，按重量计大于约0.75％，按重量计大于约1％，按重量计大于约1.5％)的碳纤维。
在某些实施方案中，阴极12可包含按重量计约1％至按重量计约10％的一种或多种总导电助剂。
可通过将阴极材料涂布到集电器上并干燥然后压延所涂布的集电器来制造阴极。阴极材料可通过将阴极活性材料与其它组分如粘合剂、溶剂/水和碳源混合在一起来制备。例如，阴极活性材料如MnO2可与碳(例如，石墨、乙炔黑)组合，并与少量的水混合以生成阴极浆料。然后可将集电器涂布以该阴极浆料来形成阴极。
粘合剂的实例包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、卜特兰水泥和氟碳树脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。聚乙烯粘合剂的一个实例以商品名Coathylene HA-1681出售(购自Hoechst)。阴极12可包含例如按重量计最多约2％的粘合剂(例如，按重量计最多约1％的粘合剂)。在某些实施方案中，阴极12可包含按重量计约0.1％至约2％(例如，约0.1％至约1％)的粘合剂。
阴极12可包含其它添加剂。添加剂公开于例如Mieczkowska等人的美国专利5,342,712中。在一些实施方案中，阴极12可包含二氧化钛(TiO2)。在某些实施方案中，阴极12可包含按重量计约0.1％至约2％(例如，约0.2％至约2％)的TiO2。
阴极(如阴极活性材料)描述于例如以下专利中：公布于2004年12月2日且题目为“Alkaline Cell With Flat Housing and NickelOxyhydroxide Cathode”的Durkot等人的美国专利申请公布US2004/0237293 A1；公布于2004年10月7日且题目为“Alkaline BatteryIncluding Nickel Oxyhydroxide Cathode and Zinc Anode”的Durkot等人的美国专利申请公布US 2004/0197656 A1；公布于2004年4月22日且题目为“Method of Making a Battery”的Bowden等人的美国专利申请公布US 2004/0076881 A1；公布于2005年6月23日且题目为“Battery Cathode”的Eylem等人的美国专利申请公布US2005/0136328 A1；公布于2004年3月4日且题目为“Alkaline BatteryIncluding Nickel Oxyhydroxide Cathode and Zinc Anode”的Christian等人的美国专利申请公布US2004/0043292 A1；公布于2004年10月14日且题目为“Preparation of Nickel Oxyhydroxide”的Christian等人的美国专利申请公布US 2004/0202931 A1；公布于2005年3月17日且题目为“Primary Alkaline Battery Containing BismuthMetal Oxide”的Eylem等人的美国专利申请公布US 2005/0058903 A1；公布于2005年3月17日且题目为“Primary Alkaline BatteryContaining Bismuth Metal Oxide”的Wang等人的美国专利申请公布US2005/0058902 A1；以及Kelsey等人的美国专利6,207,322。
分散在整个阴极12中的电解质(和/或用于电池10其余部分中的电解质)可为用于电池的任何电解质。在一些实施方案中，阴极12可包含按重量计约5％至约8％(例如，约6％至约7％)的电解质。电解质可为含水或无水的。含水电解质可为碱性溶液，如氢氧化物水溶液(如，LiOH、NaOH、KOH)，或氢氧化物溶液的混合物(如，NaOH/KOH)。例如，氢氧化物水溶液可包含按重量计约33％至按重量计约40％的氢氧化物材料，诸如约9N的KOH(按重量计约37％的KOH)。在一些实施方案中，电解质也可包含按重量计最多约4％(例如，按重量计约2％)的氧化锌。
电解质可包括其它添加剂。作为一个实例，电解质可包括能降低(如，抑制)阴极活性材料在电解质中的溶解度的可溶物质(如，铝物质)。在某些实施方案中，电解质可包括一种或多种以下物质：氢氧化铝、氧化铝、碱金属铝酸盐、铝金属、碱金属卤化物、碱金属碳酸盐、或它们的混合物。电解质添加剂描述于例如2004年9月9日公布且题目为“Battery”的Eylem等人的美国专利申请公布US 2004/0175613 A1中。
外壳18可为电池中常用的任何外壳。如图所示，外壳18为圆柱形外壳。然而，也可使用具有其它形状的外壳，如棱柱状外壳。在一些实施方案中，外壳18可由金属或金属合金制成，例如镍、镀镍钢(例如，镀镍冷轧钢)、不锈钢、铝包覆的不锈钢、铝或铝合金。在某些实施方案中，外壳18可由塑料制成，例如聚氯乙烯、聚丙烯、聚砜、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)或聚酰胺。
在一些实施方案中，外壳18可包括内侧金属壁和外侧非导电材料如热收缩塑料。任选地，可将一层导电材料设置在内壁和阴极12之间。所述层可沿内壁的内表面、沿阴极12的周围、或沿两者设置。此导电层可由例如含碳材料(如石墨)形成。这些材料包括例如LB1000(Timcal)、Eccocoat 257(W.R.Grace & Co.)、Electrodag 109(AchesonColloids Co.)、Electrodag 112(Acheson)、Varniphite 5000(Nippon)和EB0005(Acheson)。应用导电层的方法公开于例如加拿大专利1,263,697中。
隔板16可由用于电化学电池(例如碱性电池)的任何标准隔板材料形成。例如，隔板16可由聚丙烯(如非织造聚丙烯或微孔聚丙烯)、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺(如尼龙)、聚砜、聚氯乙烯或它们的组合形成。在一些实施方案中，隔板16可包括与非织造材料层结合的玻璃纸层。非织造材料可包括例如聚乙烯醇和/或人造丝。
密封件22可由例如聚合物(如尼龙)制成。
顶盖24可由例如金属或金属合金(如铝、镍、钛或钢)制成。
在一些实施方案中，电池10可包括氢重组催化剂，以降低可能在电池中由阳极14产生的氢气量(例如，当阳极14包含锌时)。氢重组催化剂描述于例如Davis等人的美国专利6,500,576和Kozawa的美国专利3,893,870中。作为另外一种选择或除此之外，电池10可被构造成包括压敏阀门或排气口，如Tomantschger等人的美国专利5,300,371中所描述的那些。
本文所提供的电池组分的重量百分比是在电解质溶液分散在电池中后确定。
电池10可为一次电化学电池或二次电化学电池。一次电池是指仅放电(如，放电至耗尽)一次，然后丢弃。一次电池不打算再充电。一次电池描述于例如David Linden的Handbook of Batteries(McGraw-Hill，第2版，1995)中。二次电化学电池可再充电许多次(如，大于五十次、大于一百次、或更多次)。在一些实施方案中，二次电池可包括相对坚固的隔板，如具有许多层的隔板和/或较厚的隔板。二次电池还可设计成使其能适应可能在电池中发生的变化，如溶胀。二次电池描述于例如Falk &Salkind的“Alkaline Storage Batteries”，John Wiley & Sons，Inc.1969；和Virloy等人的美国专利345,124中。
电池10可为若干不同电压中的任何一种(例如，1.5V)，和/或可为例如AA、AAA、AAAA、C、或D电池。虽然电池10为圆柱形的，但在一些实施方案中，电池可为非圆柱形的。例如，电池可为硬币电池、钮扣电池、薄片电池或跑道型电池。在一些实施方案中，电池可为棱柱形。在某些实施方案中，电池可具有刚硬的薄片电池构型或软质盒状电池、封套式电池或袋状电池构型。在一些实施方案中，电池可具有螺旋卷绕构型或平板构型。电池描述于例如以下专利中：Batson等人的美国专利6,001,504；提交于2003年9月30日的名称为“Batteries”的Berkowitz等人的美国专利申请序列号10/675,512；以及公布于2004年12月2日的名称为“Alkaline Cell With Flat Housing and NickelOxyhydroxide Cathode”的Durkot等人的美国专利申请公布US2004/0237293 A1。
电池(如圆柱形电池)可通过例如将阳极、隔板和阴极卷在一起并将它们放置于外壳内来制备。然后可将外壳(包含阳极、阴极和隔板)填充以电解质溶液，并随后利用例如顶盖和环形绝缘垫圈进行气密密封。
实施例
以下实施例旨在进行说明，而非进行限制。
实施例1：
使用离心雾化设备通过离心雾化形成了具有表1所列组成的颗粒，所述设备具有类似于图2所示离心雾化设备的构型的构型。使用了550℃的熔融温度来形成锌合金流，离心雾化设备的杯体具有5400rpm的旋转速度，并且雾化室保持在包含1％的氧气的气氛中。
在它们形成之后，使用箔袋气体测试对这些颗粒进行了放气测试，测试的结果也提供在表1中。在每次箔袋气体测试期间，在聚乙烯袋中将20克锌合金与20克电解质(35％的KOH/2％的ZnO)相组合。该聚乙烯袋为3英寸宽、4英寸长、和3密耳厚。将聚乙烯袋放置在具有4英寸乘6.5英寸的内部尺寸的可热密封的铝箔袋中。然后将铝箔袋抽真空并密封。首先将这两个袋的整个系统在水中称重，然后将其存储在95℃±1℃的烘箱中24小时。在将其从烘箱中移出并让其冷却之后，将该系统再次在水中称重，以确定该系统在处在烘箱中期间所产生的气体的体积。放气的单位μ1/gZn-d表示多少微升气体每克锌每日。
表1-合金组成和放气结果
 
样本编号 铟(ppm) 铋(ppm) 铝(ppm) 铁(ppm) 铅(ppm) 箔袋放气 (μl/gZ-d)
1 65 85 10 1.3 19 110
2 45 80 10 0.9 19 89
3 70 85 20 1.5 19 31
4 70 85 20 1.6 19 28
5 70 76 6.7 1.5 10 53
6 68 69 6 1.4 9 69
7 70 72 8.5 1.5 10 89
8 70 72 6.6 1.6 10 60
样本1至4的锌合金颗粒的粒度分布和体积平均直径(VMD)提供在下表2中。也提供了样本5的锌合金颗粒的粒度分布和体积平均直径，所述锌合金颗粒包含锌、150ppm的铟、和230ppm的铋。样本5的锌合金颗粒不包含铝。使用Sympatec-HELOS粒度分析仪和用于样本分散的RODOS-VIBRI单元(得自Sympatec)，通过小角激光光散射测定了每种颗粒样本的粒度分布和体积平均直径(VMD)。
表2-粒度分布(以微米计)
 
样本1 样本2 样本3 样本4 样本5
第10百分位 161 136 140 138 133
第25百分位 231 198 198 200 ----
第50百分位 343 304 300 310 270
第75百分位 483 460 432 464 ----
第90百分位 610 641 565 632 597
第100百分位 950 1130 870 1050 ----
体积平均直径 368 351 329 351 323
其它实施方案
虽然已描述了某些实施方案，但其它实施方案也是可能的。
例如，尽管已将离心雾化描述为用于形成锌合金颗粒的工艺，但在一些实施方案中，也可使用一种或多种其它工艺来形成锌合金颗粒。例如，在某些实施方案中，可使用不同的雾化工艺诸如气体雾化来形成锌合金颗粒。在气体雾化工艺中，熔融的锌合金流通过一个或多个喷气流裂解成颗粒。气体雾化描述于例如Andrew J.Yule和John J.Dunkley的Atomization of Melts：For Powder Production and Spray Deposition(Clarendon Press，1994)中。在一些实施方案中，可使用水雾化工艺来形成锌合金颗粒。在水雾化工艺中，熔融的锌合金流通过一个或多个喷水流裂解成颗粒。水雾化描述于例如Andrew J.Yule和John J.Dunkley的Atomization of Melts：For Powder Production and Spray Deposition(Clarendon Press，1994)中。
又如，在某些实施方案中，阳极可包含锌细粒。锌细粒可包含例如包含锌以及铟和/或铋的合金。例如，在某些实施方案中，阳极可包含含有合金的锌细粒，所述合金包含锌、500ppm的铟、和500ppm的铋。锌细粒描述于例如以下专利中：Durkot等人的美国专利6,284,410；Durkot等人的美国专利6,521,378；Durkot等人的美国专利6,472,103；以及2005年10月6日公布的名称为“Electrode Having Modal Distribution of Zinc-Based Particles”的Durkot等人的美国专利申请公布US 2005/0221181A1。
又如，在一些实施方案中，电池可包括至少一个熔断元件。例如，在某些实施方案中，电池可包括熔断器。熔断器可例如形成电池中的集电器(例如，阳极集电器)的一部分。熔断器和熔断元件描述于例如提交于2005年8月24日的名称为“Batteries”的Graham等人的美国专利申请序列号60/711,007中，所述文献以引用方式并入本文中。
又如，在某些实施方案中，电池可包括至少一个热激活的电流中断机构，例如一种热激活的电流中断机构公开于Vu等人的美国专利5,750,277中。
本发明提及的所有参考文献，如专利申请、出版物和专利均全文以引用方式并入本文。
其它实施方案阐述于权利要求书中。

Claims (24)

1.一种包含颗粒的阳极，所述颗粒包含合金，所述合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
2.如权利要求1所述的阳极，其中所述颗粒中的至少一些具有至少约40微米的直径。
3.如权利要求1所述的阳极，其中所述颗粒中的至少一些具有最多约900微米的直径。
4.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金包含约15ppm至约25ppm的铝。
5.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金包含约18ppm至约22ppm的铝。
6.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金包含约60ppm至约80ppm的铟。
7.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金包含约75ppm至约95ppm的铋。
8.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金包含约70ppm的铟、约85ppm的铋、和约20ppm的铝。
9.如权利要求1所述的阳极，其中按重量计至少约50％的所述颗粒为球形，每个所述球形颗粒具有介于约1.0和约2.0之间的纵横比，其中所述纵横比等于所述颗粒的最长轴线与所述最长轴线的平均中垂线的比率。
10.如权利要求9所述的阳极，其中按重量计至少约70％的所述颗粒为球形。
11.如权利要求9所述的阳极，其中按重量计至少约90％的所述颗粒为球形。
12.如权利要求9所述的阳极，其中按重量计至少约95％的所述颗粒为球形。
13.如权利要求1所述的阳极，其中所述颗粒包含合金，所述合金基本上由锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、和约5ppm至约25ppm的铝组成。
14.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金基本上不含汞。
15.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金基本上不含铅。
16.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金基本上不含铁。
17.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金基本上不含镉。
18.如权利要求1所述的阳极，其中所述合金基本上不含铊。
19.一种电池，所述电池包括：
外壳；
设置在所述外壳内的阳极；
设置在所述外壳内的阴极；和
在所述阳极和所述阴极之间的隔板，
其中所述阳极包含颗粒，所述颗粒包含合金，所述合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
20.一种方法，所述方法包括：
离心地雾化熔融的合金以提供颗粒，
其中所述熔融的合金包含锌和约30ppm至约150ppm的铟、约30ppm至约150ppm的铋、以及约5ppm至约25ppm的铝。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述熔融的合金在包括最多约1.2％的氧气的气氛中离心地雾化。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述熔融的合金在包括最多约1％的氧气的气氛中离心地雾化。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述熔融的合金在包括最多约0.5％的氧气的气氛中离心地雾化。
24.如权利要求20所述的方法，所述方法还包括将所述颗粒掺入到阳极中。
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