CN102439762A - 具有无汞负极的原电池 - Google Patents
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Abstract
描述了一种原电池,其包括无汞负极,该无汞负极基本上由金属或金属合金和非金属导电剂组成。还描述了用于生产原电池的方法,根据该方法,无汞负极用金属或金属合金颗粒的粉末来生产,其表面至少部分地涂布有非金属导电剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种原电池(电化学电池),其特征特别地在于无汞负极。本发明还涉及一种可生产这种具有无汞负极的原电池的方法。
背景技术
诸如电池和蓄电池的原电池目前用于很多种领域中。它们特别地用于向便携式装置供应电能。在诸如手表和助听器的很小的装置中,优选地以纽扣电池的形式使用原电池。特别地,助听器具有相对较高的电力消耗。因此,通常使用电池来向助听器供电,所述电池包括电化学系统锌-空气(zinc-air),其特征在于特别高的容量。在市场上可购买到的锌-空气电池是不可再充电的,且因此必须在用后被丢弃。但这会有问题,因为它们可包含高达大约1wt%的汞,其不应当进入环境。
汞在电极中,例如在锌-空气电池和氧化银电池中的阳极中特别地具有改进单个锌颗粒之间电接触的功能。因此,其提高了电极的总内部电导率。这对于逐步放电状态尤其特别重要。原因在于在放电期间导电活性材料锌转变为不导电的氧化锌,使得电极内的电流传导受到不断增大的电阻对抗。因此,在不添加充分汞的情况下,由于在电极内部差的电接触,通常并非所有的锌颗粒都会转变成氧化锌。因此并未充分利用电极的理论能量含量。
然而,由于汞对于环境和人和动物健康的潜在危害,需要完全排除其在中期的使用。因此需求无汞的原电池,特别是纽扣电池类型的那些原电池。
发明内容
本发明的目的在于提供这种原电池。焦点主要放在电极开发,其关于先前所提到的不完全锌转化问题得到优化且其在这点至少不会显著地次于含汞电极。
这个目的由具有根据权利要求1所述的特征的原电池和具有权利要求9所述的特征的用于生产原电池的方法来实现。根据本发明的原电池的优选实施例在从属权利要求2至8中规定。根据本发明的方法的优选实施例可见于从属权利要求10至17中。由此所有权利要求的措辞以参考的方式结合到本说明书的内容中。
根据本发明的原电池包括无汞负极,其特征特别地在于其基本上仅由金属或金属合金和非金属导电剂组成。
令人吃惊地已经发现现有技术中已知的原电池的负极中汞的比例可由非金属导电剂的含量替换,而不会由于负极中内部接触问题导致电池的不完全放电。
特别优选地,根据本发明的原电池的负极基本上由金属或金属合金的颗粒组成,其表面至少部分地涂布有非金属导电剂。在电极中,除了在颗粒间存在的直接接触之外,这些单个颗粒额外地经由非金属导电剂彼此电接触。这导致根据本发明的原电池的显著良好的放电性质。
非金属导电剂优选地以0.01wt%与5wt%之间的比例包含于无汞负极中。在此范围内,在0.05wt%与1.5wt%之间,特别是在0.1wt%与0.3wt%之间的比例是更优选的。
如上文所提到的那样,根据本发明的原电池的无汞负极“基本上”由金属或金属合金和非金属导电剂组成。在本发明的范围中限制“基本上”应被理解为表示除了前述组分之外负极仅包含很少量的常规的用于电极的其它添加剂(自然地,除了汞之外),作为的补充。优选地,在负极中这些添加剂的比例通常不超过5wt%。其优选地小于1.5wt%。
因此,在优选实施例中,根据本发明的原电池具有负极,除了前述组分之外,所述负极还包括粘结剂作为这种常规添加剂,且粘结剂特别地在0.01wt%与5wt%之间的比例。在此范围内,在0.05wt%与1.5wt%之间,特别是在0.1wt%与0.3wt%之间的比例是更优选的。
用于负极的金属或金属合金优选地为锌或锌合金。在优选实施例中,根据本发明的原电池因此可为锌-空气或氧化银电池。
而且,优选地金属或金属合金为储氢合金。适合于电池的储氢合金是本领域技术人员熟知的,所谓的AB5合金特别合适,即,例如由一种或多种稀土金属的合金组成,诸如以1∶5比例的镧和镍。可选地,储氢合金也可包含一种或多种另外的金属作为添加剂。在优选实施例中,根据本发明的原电池因此可例如也为镍-金属氢化物电池,即,可再充电的电池。
非金属导电剂优选地为基于碳的导电剂。虽然也能使用碳纳米管(CNT),但是炭黑和/或石墨特别地优选地合适。也可采用所述碳改性物(modification)中的两个或三个的混合物。适合作为导电剂的碳材料,诸如导电炭黑或导电石墨,可在市场上购买到且无需在本申请的范围中详细地解释。这也适用于前述碳纳米管。
非金属导电剂本身优选地基本上完全不含金属组分或杂质。优选地,其至少99.9wt%由碳组成。
关于可在本发明的范围中用于负极的粘结剂,也能采用市场上可购买到的产品。基于羟甲基纤维素和/或基于羟甲基纤维素衍生物的粘结剂可特别优选地在此处使用。
根据本发明的原电池特别优选地为纽扣电池。因此,根据本发明的原电池优选地具有金属壳体,该金属壳体由两个半部组成,即电池座(cell cup)和电池盖。由镀镍钢或所谓的三金属(三种金属的层布置)制成的电池座和电池盖是特别合适的。特别地,具有内部铜涂层和外部镍涂层的钢板可用作三金属。
根据本发明的原电池可特别地根据下文所述的方法来生产,所述方法同样为本发明的主题。
根据本发明的方法适合于生产具有无汞负极的原电池,诸如,例如如上文所述的根据本发明的原电池。
根据本发明的方法的特征在于负极由金属或金属合金颗粒的粉末生产,其表面至少部分地涂布有非金属导电剂。
在此情况下,金属或金属合金颗粒表面的至少部分涂布是特别重要的方面。优选地,根据本发明的方法包括初始涂布步骤,其中金属或金属合金颗粒的原料粉末与非金属导电剂剧烈混合。
在此情况下,剧烈混合意味表示进行混合过程使得在混合之后原料粉末的颗粒表面至少部分地,特别地完全地被非金属导电剂覆盖。作为确保这种剧烈混合的合适装置,例如能使用机械混合器或磨机。特别是当使用后者时,同时也能以受控制的方式调整金属或金属合金颗粒的平均粒度。
优选地,使用平均粒度在1μm与500μm之间,特别是在40μm与400μm之间的颗粒作为原料粉末。取决于混合过程,得到的表面至少部分地涂布非金属导电剂的颗粒同样具有在此范围的粒度。但自然地,该粒度也可向上或向下不同。
通常以粉末形式使用导电剂,且特别地在优选实施例中,其具有在2μm与20μm之间的平均粒度。
根据在上文中关于根据本发明的原电池的优选实施例的解释说明,除了非金属导电剂,至少一种另外的添加剂,特别地是粘结剂,也可被添加到金属或金属合金颗粒。可选地,这优选地在混合过程之前和/或在混合过程期间进行。
在根据本发明的方法的优选实施例中,干式进行混合过程。这旨在于表示并无液体添加到待混合的组分,特别地无水。在优选实施例中,可在保护性(惰性)气体下进行混合,以便保护材料避免与空气水分混合。
自然,也能在混合过程之前和/或在混合过程期间向粉末与导电剂的混合物添加电解质溶液或另一液体,和可选地,至少一种另外的添加剂。然后混合过程通常产生糊,糊可进一步被直接处理以形成电极。
从干式进行的混合过程得到的粉末可通过添加电解质自然地同样被转变为糊,虽然其优选地进一步被干式处理。因此,可例如从粉末产生压制件(pressing),其随后可用作负极。
在根据本发明的方法的优选实施例中,用于生产负极的粉末也可直接倾倒至壳体半部内,特别地是待生产的原电池的负极壳体(negative housing)半部内。在两种情况下,然后随后执行电解质的添加。
具有至少部分涂布的表面的金属或金属合金颗粒的粉末特别适合于干式进一步处理。已经发现这些粉末的特征在于特别高的流动性和可倾倒性。
结合附图和从属权利要求,通过下文优选实施例的详细描述,可发现本发明的前述优点和另外的优点。在本文中,可单独地或彼此组合地实施本发明的单个特征。所描述的实施例仅用于解释说明和更好地理解本发明,且绝不应解释为限制性。
具体实施方式
示例
为了生产根据本发明的原电池,炭黑和作为粘结剂的羟甲基纤维素添加到具有大约200μm平均粒度的锌粉末。炭黑和粘结剂的比例分别为大约0.15wt%,且锌的比例为大约99.7wt%。三种组分在机械混合装置中彼此剧烈混合。随后,将由此得到的粉末倾倒到纽扣电池壳体的电池盖内,且向其添加碱性电解质。电池盖随后与合适的密封件(seal)且然后与包含空气-氧气电极的匹配电池座组合。通过在电池盖的侧部上压接电池座的切割边缘来封闭电池。
为了生产比较电池,采用类似过程,但不添加炭黑。粘结剂的比例为大约0.15wt%,且锌的比例为大约99.85wt%。
利用根据本发明的原电池和利用比较电池来执行放电测试。这些测试结果在附图中描绘。
图1描绘了比较电池的放电图,且图2描绘了根据本发明的原电池的放电图。显而易见,根据本发明的原电池提供比该比较电池更加长的电压。这可归因于在根据本发明的原电池的负极中的锌被完全转化的事实。
Claims (17)
1.一种原电池,特别是纽扣电池,其包括无汞负极,所述无汞负极基本上由金属或金属合金和非金属导电剂组成。
2.根据权利要求1所述的原电池,其特征在于,所述负极基本上由金属或金属合金的颗粒组成,其表面至少部分地涂布有非金属导电剂。
3.根据权利要求1或2所述的原电池,其特征在于,所述负极包含在0.01wt%与5wt%之间,优选地在0.05wt%与1.5%之间,特别地在0.1wt%与0.3wt%之间的比例的非金属导电剂。
4.根据权利要求1至3之一所述的原电池,其特征在于,所述负极包含粘结剂,特别是在0.01wt%与5wt%之间,优选地在0.05wt%与1.5wt%之间,特别是在0.1wt%与0.3wt%之间的比例的粘结剂。
5.根据前述权利要求之一所述的原电池,其特征在于,所述金属或金属合金为锌、锌合金或储氢合金。
6.根据前述权利要求之一所述的原电池,其特征在于,所述非金属导电剂选自由炭黑、石墨、碳纳米管(CNT)和这些碳改性物的混合物组成的组。
7.根据前述权利要求之一所述的原电池,其特征在于,所述非金属导电剂基本上无金属杂质。
8.根据权利要求4至7之一所述的原电池,其特征在于,所述粘结剂为羟甲基纤维素和/或其衍生物。
9.一种用于生产包含无汞负极的原电池,特别是根据前述权利要求之一所述的原电池的方法,其中所述负极用金属或金属合金颗粒的粉末生产,其表面至少部分地涂布有非金属导电剂。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,金属或金属合金颗粒的原料粉末与非金属导电剂剧烈混合用于至少部分地涂布所述颗粒表面。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述原料粉末包含平均粒度在1μm与500μm之间,特别地在40μm与400μm之间的颗粒。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述导电剂以粉末形式使用,特别地具有在2μm与20μm之间的平均粒度。
13.根据权利要求10至12之一所述的方法,其特征在于,除了所述非金属导电剂之外的至少一种另外的添加剂,特别是粘结剂,也优选地在混合过程之前和/或在混合过程期间添加到所述金属或金属合金颗粒。
14.根据权利要求10至13之一所述的方法,其特征在于,干式进行所述混合过程。
15.根据权利要求10至13之一所述的方法,其特征在于,在所述混合过程之前和/或在混合过程期间向所述粉末与所述导电剂的混合物添加电解质溶液。
16.根据权利要求9至15之一所述的方法,其特征在于,具有至少部分地涂布的表面的金属或金属合金颗粒的粉末被干式处理或者被处理为糊。
17.根据权利要求9至16之一所述的方法,其特征在于,将用于生产负极的具有至少部分涂布表面的金属或者金属合金颗粒的粉末倾倒入待生产的原电池的负极壳体半部内。
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