CN101657917A - 具有高容量的电化学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明说明了一种电化学元件，其具有正极、负极和隔离装置，所述正极、负极和隔离装置被布置在壳体中，该壳体包括电池座和电池盖，密封装置使所述电池座和电池盖彼此绝缘。该电化学元件的特征尤其在于以下事实，即该电化学元件具有负极，该负极以优选地片状物形状的、具有自支撑结构的压制体而存在，和/或该电化学元件具有密封装置，该密封装置靠着电池座的内壁朝向该电池座的底部延伸。本发明还说明了一种压制体，其适于用作这样的电化学元件中的负极，该压制体包括储氢合金并且可能包括至少一种疏水的不溶于水的聚合物和/或至少一种导电辅助物。该压制体的特征在于以下事实，即其具有在5.0g/cm3至7.5g/cm3之间的密度。

Description

具有高容量的电化学元件
技术领域
本发明涉及一种电化学元件，其具有正极、负极和隔离装置，其中所述正极、负极和隔离装置被布置在壳体中，该壳体包括电池座(cell cup)和电池盖，密封装置使所述电池座和所述电池盖彼此绝缘，本发明还涉及压制体，该压制体适于用作这样的电化学元件中的负极。
背景技术
如今，电化学元件(比如电池和蓄电池)用在许多领域中。这些电化学元件尤其是用于给便携式器具供应电能。在很小的器具(比如手表和助听器)中，电化学元件优选地以扣式电池的形式被使用。助听器尤其是具有非常高的功耗。在现代助听器当中，对“耳后”设备(bte)与“耳内”设备(ite)以及直接用在耳道中的耳道设备加以区别。这些设备的功耗尤其是取决于放大器功率。较高价值的设备附加地具有集成到所述设备中的微型计算机和传输设备，并且同样必须给这些微型计算机和传输设备供应电功率。
由于功耗高，助听器通常由锌空气电化学系统电池来供电，所述锌空气电化学系统电池具有特别高的容量。市面上有售的锌空气扣式电池基本上有四种不同的尺寸(根据标准IEC 60086-2)。在使用标准尺寸的锌空气电池时，通常可以给助听器供能3天至3星期。
锌空气电池不可再充电，并且在使用后必须妥善处理。然而，这是有问题的，因为锌空气电池含有按重量计算大约1％的汞，这些汞不应该进入环境中。另外，助听器的长期使用因此与高费用相关联。出于这个原因，可再充电的电池正在越来越多地被需求。在这些电池当中，镍氢电池特别适合，因为镍氢电池具有与锌空气电池相同的电压，并且可以从镍氢电池得到高电流。然而，与锌空气电池相比，镍氢电池具有非常低的容量。具有上述四种尺寸的镍氢电池的最大工作时间通常小于1天，从而必须非常频繁地给镍氢电池再充电或者更换镍氢电池。
发明内容
本发明的目的是提供可再充电的电池、尤其是用于助听器的可再充电的电池，所述可再充电的电池具有比类似的公知电池更高的容量。另外，所述电池还应该具有极好的循环稳定性。
该目的通过具有权利要求1的特征的电化学元件以及还通过具有权利要求29的特征的压制体来实现。在权利要求2至28中指出了本发明的电化学元件的优选实施例。在权利要求30中说明了本发明的压制体的优选实施例。另外，具有权利要求24的特征的电化学元件极其有助于实现该目的。所有权利要求的措词因此通过引用并入本说明书中。
根据本发明的电化学元件具有正极、负极和隔离装置。所述正极、负极和隔离装置被布置在壳体中，所述壳体包括电池座和电池盖，密封装置使所述电池座和电池盖彼此绝缘。根据本发明的电化学元件尤其是通过负极来区分，该负极作为具有自支撑结构的压制体而存在。该压制体优选地具有片状物的形状。
片状物形式的固体压制电极已经从现有技术、例如从DE4343435A1中公知，在DE 4343435A1中说明了一种扣式电池形式的、以气密的方式被封闭的碱性蓄电池。然而，到目前为止总是需要将该片状物在插入到壳体中以前安装在镍丝篮中。镍篮既具有电源输出引线的功能又还具有尤其是支撑功能，因为从现有技术中公知的片状物形式的固体压制电极具有不能令人满意的结构完整性并且因此在工作时可能分裂。
与之相反，根据本发明的电化学元件尤其是具有拥有自支撑结构的负极，即具有可以在没有篮(而在其它情况下，篮是合乎惯例的)的情况下被安装的电极。这样的单独的支撑部件并不是必需的，并且根据本发明，也没有提供这样的单独的支撑部件。
如下电极的制造是困难：该电极具有适于本发明目的并且为压制体形式的自支撑结构，这尤其是由于压制体在制造期间不能被压得太紧的事实，因为否则压制体的孔隙度将太低以致使得该压制体不能吸收足够的电解液。另一方面，如果压力过低，则所得到的结构是不稳定的。
根据本发明的电化学元件的负极优选地包括在从40kN/cm2至120kN/cm2的范围内的压力下已经被压紧的粉末。在这个范围内，进一步优选在从40kN/cm2至120kN/cm2的范围内的值。
根据本发明，特别优选具有在从5.0g/cm3至7.5g/cm3、尤其是从5.0g/cm3至6.5g/cm3的范围内的密度的负极。
该负极优选地包括储氢合金作为活性材料。该储氢合金尤其是AB5合金，即例如是一种或多种稀土金属(比如镧)与镍的比例为1∶5的合金。如果合适，该储氢合金可以附加地包含一种或多种其它金属作为添加物。
由于根据本发明的电化学元件的负极的自支撑结构而成为多余的篮的省略导致更多的活性材料能够被引入到具有被限定的尺寸的电池壳体中。因此，根据本发明的电化学元件具有相对高的容量。
在根据本发明的电化学元件的优选实施例中，储氢合金以平均粒度在从0.1μm至100μm、优选地从10μm至50μm的范围内的颗粒形式存在。
特别优选的是根据本发明的电化学元件的负极包括至少一种疏水的、不溶于水的聚合物。所述至少一种聚合物尤其是可以存在于由储氢合金的颗粒的相互接触形成的间隙中并且可以分布在该合金的表面上。所述至少一种聚合物可以形成电极中的如果被电解液浸湿的话只能被小程度地浸湿的区域。
所述至少一种聚合物优选地是聚烯烃、尤其是卤化聚烯烃、特别优选地是聚卤代烯烃(Polyhaloolefin)。
在另一实施例中，优选的是：所述至少一种聚合物为氟化聚合物或者全氟聚合物(perfluorinated polymer)、尤其是PTFE(聚四氟乙烯)和/或PCTFE(聚三氟氯乙烯)。
所述至少一种聚合物优选地以按重量计算的从0.1％至5％的比例、尤其是以按重量计算的从0.5％至3％的比例、特别优选地以按重量计算的从0.5％至2％的比例存在于根据本发明的电化学元件的负极中。
所述至少一种聚合物优选地以平均粒度在从0.1μm至100μm、优选地从10μm至50μm的范围内的颗粒形式存在于负极中。
在一些优选的实施例中，所述负极可以包括至少一种导电辅助物、尤其是包括以下导电辅助物的组中的导电辅助物：碳基的、优选地为非晶的导电辅助物和金属导电辅助物。
所述负极优选地包括至少一种金属粉末、尤其是镍粉作为导电辅助物。
此外，所述负极可以包括炭黑和/或石墨作为导电辅助物。
所述至少一种导电辅助物优选地以按重量计算的从0.1％至10％的比例、尤其是以按重量计算的从0.5％至5％的比例、特别优选地以按重量计算的从0.5％至3％的比例存在于所述至少一个负极中。
特别优选根据本发明的如下的电化学元件：在所述电化学元件中，负极具有在按体积计算的从0.5％至40％的范围内的孔含量、优选地在按体积计算的从0.5％至15％的范围内的孔含量、尤其是在按体积计算的从5％至10％的范围内的孔含量(相应体积的电解液可以被这样的负极吸收)。
当所述负极已经基本上仅仅通过压制储氢合金而被制造时，即所述负极基本上不含所述至少一种聚合物和/或所述至少一种导电辅助物时，所述负极优选地具有在按体积计算的从25％至40％的范围内的孔含量。
在本发明的电化学元件的特别优选的实施例中，该电化学元件具有如下正极：在所述正极中，活性材料被嵌入在导电的支撑体中。
其中活性材料被嵌入在导电的支撑体中的电极在上述DE4343435A1中被全面地说明。
所述导电的支撑体尤其可以是海绵金属(亦称为“泡沫金属”)或者金属毡。至于特别合适的导电的支撑体的特性，参照DE4343435A1，其中全面地说明了这些特性。因此，特别优选的是具有在按体积计算的从85％至97％的范围内的孔含量、尤其是具有按体积计算的大约95％的孔含量的海绵金属。合适的海绵金属的孔尺寸尤其是在从50μm至500μm的范围内。
导电的支撑体特别优选地包括至少一种金属，尤其是包括镍。
在DE 4343435A1中提到，使用这样的导电的支撑体使得能够免除包封正极的金属篮。因此，在特别优选的实施例中，根据本发明的电化学元件同样不含上述的在正极侧具有支撑功能和电源输出端功能的金属篮。该导电的支撑体同上述的作为压制体而存在的负极那样具有自支撑结构并且也执行电源输出引线的功能。
正极优选地包括氢氧化镍和/或羟基氧化镍作为活性材料，氢氧化镍和/或羟基氧化镍例如可以作为均匀的含水膏体(aqueous paste)而被引入到导电的支撑体中。另外，正极可以含有比如粘合剂的添加物以及尤其是导电的辅助物。
根据本发明的电化学元件优选地具有金属壳体。由不锈钢和/或镀镍钢制成的电池座和/或电池盖是尤其有用的。同样可以优选地使用由三金属(三种金属的层状装置)、尤其是钢板制成的具有铜内部涂层和镍外部涂层的壳体。
根据本发明的电化学元件优选地包括碱性电解液。所述电解液在壳体被封闭前被引入，并且至少部分地填充电极的孔。
此外，优选的是根据本发明的电化学元件具有厚度小于0.15mm的电池座和/或电池盖。
具有这样的薄的壳体部件的电化学元件使得相应大的内体积可用，并且因此使得大量的空间对于活性材料来说可用。然而，这样的壳体同样必须能够经受例如可能由于在过充电时或者在装配过程中气体析出而产生的压力，以便防止电解液泄漏。
在如下电化学元件的情况下，特别高程度地免除泄漏并且获得特别高的机械稳定性：所述电化学元件具有包括电池座和电池盖并具有密封装置的壳体，所述密封装置沿着该电池座的内壁延伸到该电池座的底部。在优选的实施例中，根据本发明的电化学元件具有以该方式配置的密封装置，但是这样的密封装置原则上可被用在所讨论的类型的所有电化学元件中，而不是仅仅被用在如上所述的包括具有自支撑结构的压制体形式的负极的电化学元件中。
因此，本发明还提供一种具有正极、负极和隔离装置的电化学元件，所述正极、负极和隔离装置被布置在壳体中，该壳体包括电池座和电池盖，密封装置使所述电池座和电池盖彼此绝缘，其中该密封装置沿着该电池座的内壁延伸到该电池座的底部。
在根据本发明的、具有这样的特别配置的密封装置的电化学元件中，基本上能够实现所有的已经在上面作为电化学元件的优选实施例而被说明的、尤其是关于所述电池座和电池盖的特性的特征，其中所述电化学元件包括具有自支撑结构的压制体形式的负极。因此，相应的说明明确地通过引用结合于此。
从现有技术中公知的扣式电池形式的电化学元件通常具有密封装置，这些密封装置被布置在电池盖与电池座之间、也经常被布置为围绕电池盖的边缘，从而这些密封装置伸入到电池的内部。在这些情况下，电池盖和密封装置总是被布置在隔离装置之上，所述隔离装置将公知的扣式电池的内部边缘分成上部隔室和下部隔室。
根据本发明的具有所述密封装置的电化学元件明显不同于上述公知的电化学元件。布置在正极与负极之间的隔离装置不直接接触电池座或电池盖。该隔离装置在侧面处贴近该密封装置。
根据本发明的电化学元件的密封装置优选地与电池座的内壁物理接触，并且所述密封装置非常薄。
在优选的实施例中，密封装置包围电池盖的边缘，并且因此保证高的机械稳定性。尤其是，该密封装置可以具有凹槽，电池盖的边缘可被推入到该凹槽中。在该实施例中，电池盖位于密封装置上并且不能尤其是由于例如当卷曲电池座的边缘时出现的外部压力而被压入电池中并且损坏隔离装置。
已经说明的根据本发明的电化学元件可以具有膜式密封装置(film seal)或注射模制的密封装置。然而，特别是在具有密封装置的电化学元件的上述实施例中，该密封装置特别优选地是注射模制成形的密封装置，其中该密封装置沿着该电池座的内壁延伸到该电池座的底部并包围电池盖的边缘。
如开始已经陈述的那样，本发明的特别目的是提供一种用于助听器的容量优化的电化学元件。因此，在优选的实施例中，根据本发明的电化学元件具有标准化(根据标准IEC 60086-2)的扣式电池的外部尺寸。
如上面已经提到的那样，本发明还提供了适于用作负极、尤其是根据本发明的电化学元件中的负极的压制体。该压制体包括储氢合金以及(如果合适的话)至少一种疏水的不溶于水的聚合物和/或至少一种导电辅助物，并且该压制体的特征在于：其具有在从5.0g/cm3至7.5g/cm3、尤其是从5.0g/cm3至6.5g/cm3的范围内的密度。
在优选的实施例中，本发明的压制体由储氢合金构成，即既不含有导电辅助物也不含有疏水聚合物。
然而，通常优选本发明的如下的压制体：该压制体包括上述三种固体部件、即储氢合金、疏水的不溶于水的聚合物和导电辅助物的混合物。
适于本发明的目的的储氢合金、不溶于水的聚合物和导电辅助物已经全面地说明过。因此，相应的陈述通过引用结合于此。
就压制体的其它特性而言这同样适用，这些特性例如是制造期间的孔隙度和压制压力，这些特性同样已经在上面说明过。
本发明的上述的和其它的优点可以结合从属权利要求从以下的对优选实施例的说明以及附图中得出。在此，本发明的各个特征可以要么单独地来实现，要么彼此组合地来实现。所述实施例仅用于说明目的并提供对本发明的更好的理解，而并不构成限制。
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的电化学元件和根据本发明的压制体(负极)的横截面。正极(阴极)1包括泡沫镍，在该泡沫镍中嵌入有氢氧化镍/羟基氧化镍(Ni(OH)2/NiOOH)作为活性材料。在正极1之上存在有根据本发明的压制体作为负极(阳极)2，隔离装置3将负极(阳极)2与正极1隔开。负极2和正极1都不具有金属篮作为支撑框架。这两个电极都具有自支撑结构。负极2基本上由AB5储氢合金构成。所示的电化学元件的壳体基本上包括壳体座4和壳体盖5。该壳体包括不锈钢/镀镍钢(例如以商品名称
Figure G2008800122406D00071
可获得)并且具有小于0.15mm的厚度。密封装置6完全覆盖壳体座的内壁。密封装置6首先使壳体座与壳体盖绝缘，其次具有支撑功能。密封装置6具有凹槽，壳体盖的边缘被嵌入在该凹槽中，并且保证抵抗例如在卷曲壳体座期间可能出现的压力的适当稳定性。由镍构成的弹簧元件7被布置在负极2与壳体盖5之间。该弹簧元件7调节负极在电化学元件的充电和放电期间受到的体积变化。
具体实施方式
未曾被插入到由镍丝制成的篮中、而是已被制造成具有自支撑结构的压制体的负极已被安装在各种类型(根据IEC 60086-2的PR44、PR48、PR41和PR70类型)的扣式电池中。这些压制体根据扣式电池的类型而具有不同的特性(面积、高度、体积、重量)并且已经在各种压力下被压紧。在所有情况下，都使用了相同的具有7.95g/cm3的体积密度的储氢合金。这导致具有特定的密度和特定的孔隙度的压制体(见表1)。
  IEC类型   压制力   面积   压制压力   高度   体积   重量   密度孔
  kN   cm2   kN/cm2   mm   cm3   mg   g/cm3 vol％
  PR44   45   0.52   87.3   2.35   0.121   700   5.78 27％
  PR48   10   0.21   47.1   2.3   0.049   265   5.43 32％
  PR41   13   0.21   61.2   1.45   0.031   170   5.52 31％
  PR70   9   0.10   88.4   1.45   0.015   80   5.42 32％
(表1)
在所有扣式电池的情况下，测量出比具有常规负极的类似电池的容量更高的容量。一些测量数据在表2中示出。此外，所有扣式电池都具有极好的循环稳定性(数百次循环)。
  类型   IEC类型   容量mAh   内阻mΩ(AC，1kHz)   能量密度Wh/l   功率密度W/l
  10   PR70   12   2000-2500   158   1004
  312   PR41   23   800-1000   163   1322
  13   PR48   30   800-1000   142   882
(表2)

Claims (30)

1.一种电化学元件，其具有正极、负极和隔离装置，所述正极、所述负极和所述隔离装置被布置在壳体中，该壳体包括电池座和电池盖，密封装置使所述电池座和所述电池盖彼此绝缘，其特征在于，所述负极作为优选地片状物形状的具有自支撑结构的压制体而存在。
2.根据权利要求1所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括粉末，该粉末已经在从40kN/cm2至120kN/cm2、尤其是从40kN/cm2至100kN/cm2的范围内的压力下被压紧。
3.根据权利要求1或2所述的电化学元件，其特征在于，所述负极具有在从5.0g/cm3至7.5g/cm3、尤其是从5.0g/cm3至6.5g/cm3的范围内的密度。
4.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括储氢合金作为活性材料。
5.根据权利要求4所述的电化学元件，其特征在于，所述储氢合金是AB5合金。
6.根据权利要求4或5所述的电化学元件，其特征在于，所述储氢合金以平均粒度在从0.1μm至100μm、优选地从10μm至50μm的范围内的颗粒形式存在。
7.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括至少一种疏水的、不溶于水的聚合物。
8.根据权利要求7所述的电化学元件，其特征在于，所述至少一种聚合物是聚烯烃、尤其是卤化聚烯烃、特别优选地是聚卤代烯烃。
9.根据权利要求7或8所述的电化学元件，其特征在于，所述至少一种聚合物是氟化聚合物或者全氟聚合物、尤其是PTFE(聚四氟乙烯)和/或PCTFE(聚三氟氯乙烯)。
10.根据权利要求7至9中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述至少一种聚合物以按重量计算的从0.1％至5％的比例、尤其是以按重量计算的从0.5％至3％的比例、特别优选地以按重量计算的从0.5％至2％的比例存在于所述负极中。
11.根据权利要求7至10中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述至少一种聚合物以平均粒度在从0.1μm至100μm、优选地从10μm至50μm的范围内的颗粒形式存在。
12.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括至少一种导电辅助物、尤其是包括以下导电辅助物的组中的导电辅助物：碳基的、优选地非晶的导电辅助物和金属的导电辅助物。
13.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括至少一种金属粉末、尤其是镍粉作为导电辅助物。
14.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极包括炭黑和/或石墨作为导电辅助物。
15.根据权利要求12至14中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述至少一种导电辅助物以按重量计算的从0.1％至10％的比例、尤其是以按重量计算的从0.5％至5％的比例、特别优选地以按重量计算的从0.5％至3％的比例存在于所述负极中。
16.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述负极具有在按体积计算的从0.5％至40％的范围内的孔含量、优选地在按体积计算的从0.5％至15％的范围内的孔含量、尤其是在按体积计算的从5％至10％的范围内的孔含量。
17.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述正极的活性材料被嵌入导电的支撑体中。
18.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述导电的支撑体是海绵金属或者金属毡。
19.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述导电的支撑体包括至少一种金属、尤其是镍。
20.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述正极包括氢氧化镍和/或羟基氧化镍作为活性材料。
21.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述电化学元件具有金属壳体、尤其是由不锈钢/镀镍钢制成的壳体。
22.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述电化学元件包括碱性电解液。
23.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述电化学元件具有厚度小于0.15mm的电池座和/或电池盖。
24.根据前述权利要求中的任一权利要求或者根据权利要求1的前序部分所述的电化学元件，其特征在于，所述密封装置沿着所述电池座的内壁延伸到所述电池座的底部。
25.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述密封装置包围所述电池盖的边缘。
26.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述密封装置是膜式密封装置。
27.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述密封装置是注射模制成形的密封装置。
28.根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件，其特征在于，所述电化学元件具有扣式电池的外部尺寸。
29.一种压制体，其适于用作负极、尤其是根据前述权利要求中的任一权利要求所述的电化学元件中的负极，该压制体包括储氢合金以及如果合适的话包括至少一种疏水的、不溶于水的聚合物和/或至少一种导电辅助物，其特征在于，该压制体具有在从5.0g/cm3至7.5g/cm3、尤其是从5.0g/cm3至6.5g/cm3的范围内的密度。
30.根据权利要求29所述的压制体，其特征在于，所述压制体由储氢合金构成。
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