CN102544470A

CN102544470A - 碱锰电池的正极材料、碱锰电池正极和碱锰电池

Info

Publication number: CN102544470A
Application number: CN2012100644103A
Authority: CN
Inventors: 徐艳辉
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种碱锰电池，其包括正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和碱性电解质，所述正极所采用的材料为二氧化锰与羟基氧化镍。本发明实施例的碱锰电池在传统采用二氧化锰材料作为碱锰电池正极材料的基础上，掺入了羟基氧化镍材料，羟基氧化镍的放电动力学速度远远快于二氧化锰材料，因此，本发明能够有效改进碱锰电池的脉冲放电能力，从而提高碱锰电池作为数码设备电源时的使用次数。

Description

碱锰电池的正极材料、碱锰电池正极和碱锰电池

技术领域

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种采用二氧化锰与羟基氧化镍作为正极材料的碱锰电池。

背景技术

当前越来越多高耗电便携式电子产品进入市场，如数码相机、电动牙刷、电动剃须刀、闪光灯和遥控电动玩具等。因此，消费者需要选择大功率大容量电池来满足需求。

以数码照相机为例，数码照相机的电池一般都是一次性碱锰原电池，因为与可充镍氢二次电池相比，碱锰原电池具有价格低、储存寿命长的优点。不过碱锰电池也有它的缺点，如脉冲放电能力较差，恒流放电时放电平台过于倾斜。倾斜的放电平台具有一个致命的弱点，它表明在电量比较低的情况下电池的电压已经很低，明显低于开路电位。而数码照相机对电源的电压做了限制以保护设备不会损坏。一旦电池电压低于数码照相机的电压，此时数码照相机便不再工作。尤其是当周围环境的气氛比较低时，此时，如果碱锰电池的荷电状态比较低，加上低温引起的电池大电流放电能力的恶化，导致碱锰电池在荷电状态仍然比较高的情况下就不能再使用了。很多数码照相机使用过的碱锰电池还可以作为其它设备的电源使用，原因就在于此。

一般情况下，数码设备设定的电池电压下限是2.3V。单体碱锰电池恒流放电电压平台倾斜，从1.25V一直到0.95V。电压1.15V对应的电池荷电态高于50％。这意味着，如果两节这样的碱锰电池作为上述数码照相机使用时，只能利用50％的容量。考虑到在数码照相机中的瞬间放电脉冲所需要的动力学因素，一般，当开路电压降到1.2V时，电池作为数码照相机电源使用的可能性就很小了，尤其是环境温度比较低时。大部分情况下，被数码照相机使用过的电池仍然有至少50％的容量。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有较好的脉冲放电能力的碱锰电池，以解决现有技术中的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有较好的脉冲放电能力的碱锰电池，通过使用该碱锰电池，增加了碱锰电池作为相机电源时的使用次数。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案；

一种用于碱锰电池的正极材料，其包括主体材料及掺杂材料，所述主体材料为二氧化锰，所述掺杂材料为羟基氧化镍。

一种碱锰电池正极，其包括基体和置于基体表面的涂覆材料，所述涂覆材料包括上述的正极材料、导电材料和粘接剂，在所述涂覆材料的合计量中所述羟基氧化镍所占的质量分数为10％-40％，在所述涂覆材料的合计量中所述二氧化锰所占的质量分数为60％-90％。

一种碱锰电池，其包括上述的碱锰电池正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和碱性电解质。

优选的，在上述碱锰电池中，在一次脉冲放电开始前，所述正极的组成是二氧化锰与羟基氧化镍，在一次脉冲放电结束后，所述正极的组成是二氧化锰、在脉冲放电期间由羟基氧化镍还原产生的氢氧化镍、由二氧化锰自身还原成的三氧化二锰以及残余的羟基氧化镍。

优选的，在上述碱锰电池中，所述负极材料为锌粉。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的碱锰电池在传统采用二氧化锰材料作为碱锰电池正极材料的基础上，掺入了羟基氧化镍材料，羟基氧化镍的放电动力学速度远远快于二氧化锰材料，因此，本发明实施例公开的碱锰电池具有较好的脉冲放电能力，通过使用该碱锰电池，增加了碱锰电池作为相机电源时的使用次数。

具体实施方式

日常生活中，人们使用的数码设备，如数码照相机，其使用的电池一般都是一次性碱锰原电池，与可充镍氢二次电池相比，碱锰原电池具有价格低、储存寿命长的优点。

传统脉冲输出的特点是大电流、持续时间短，在脉冲放电条件下电池的极化比较大，电压波动大。这种放电输出要求电池的瞬时输出电流能力大，电池极化要小。

传统的碱锰电池的正极采用的是二氧化锰材料，二氧化锰在放电时被还原成三氧化二锰，这个反应的动力学速度比较慢，导致脉冲放电的瞬间电池电压波动很大，如果波动幅度太大，使得脉冲放电瞬间电池电压低于数码照相机所设定的保护电压，一旦电池电压低于数码照相机的保护电压，此时数码照相机便不再工作，最终导致很多数码照相机使用过的碱锰电池电力没有充分利用，造成资源浪费。

针对上述技术问题，本发明公开了碱锰电池的正极材料、使用该正极材料的碱锰电池正极以及具有该碱锰电池正极的碱锰电池，其中，所公开的碱锰电池通过在传统采用二氧化锰材料作为碱锰电池正极材料的基础上，掺入了羟基氧化镍材料，利用羟基氧化镍的放电动力学速度远远快于二氧化锰材料的特性，有效改进了碱锰电池的脉冲放电能力，提高了碱锰电池作为相机乃至其他数码设备电源时的使用次数。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开的用于碱锰电池的正极材料，其包括主体材料及掺杂材料，所述主体材料为二氧化锰，所述掺杂材料为羟基氧化镍(NiOOH)。

本发明公开的碱锰电池正极，其包括基体和置于基体表面的涂覆材料。

具体的，涂覆材料包括上述的具有二氧化锰与羟基氧化镍的正极材料、导电材料和粘接剂。在涂覆材料的合计量中，羟基氧化镍所占的质量分数为10％-40％。在涂覆材料的合计量中，二氧化锰所占的质量分数为60％-90％。

本发明公开的碱锰电池，其包括正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和碱性电解质。其中，正极材料为上述的二氧化锰与羟基氧化镍。负极材料为锌粉。相较于传统碱锰电池采用二氧化锰材料作为碱锰电池正极材料，本发明的碱锰电池在具有二氧化锰材料的基础上，掺入了羟基氧化镍材料，羟基氧化镍的放电动力学速度远远快于二氧化锰材料，因此，本发明实施例公开的碱锰电池具有较好的脉冲放电能力，通过使用该碱锰电池，增加了碱锰电池作为相机电源时的使用次数。

进一步的，在碱锰电池正极中掺入的羟基氧化镍材料可以放电还原成氢氧化镍(Ni(OH)2)。

进一步的，在一次脉冲放电期间，羟基氧化镍被放电还原成氢氧化镍；在放电间歇期间，二氧化锰会将脉冲放电期间由羟基氧化镍还原产生的氢氧化镍重新氧化成羟基氧化镍，而二氧化锰自身还原成三氧化二锰。

进一步的，根据以上描述，该碱锰电池在一次脉冲放电开始前，正极的组成是二氧化锰与羟基氧化镍，在一次脉冲放电结束后，正极的组成是二氧化锰、在脉冲放电期间由羟基氧化镍还原产生的氢氧化镍、由二氧化锰自身还原成的三氧化二锰以及残余的羟基氧化镍。

具体讲，该碱锰电池中掺杂了羟基氧化镍后，电池的能量密度基本不受影响，因为羟基氧化镍本身具有放电能力，所以掺杂了羟基氧化镍后，能够提高脉冲放电能力，羟基氧化镍起着催化剂的作用，而原来的二氧化锰材料则起着仓库的作用，即作为电能储存库。脉冲放电的特点是放出的电量少，但是放电速度快，持续时间短，而且电流大。

本发明公开的掺杂了羟基氧化镍的碱锰电池的工作原理是：碱锰电池中掺杂了羟基氧化镍后，脉冲放电器件参与放电的主要物质是羟基氧化镍，其动力学速度快的优点保证了脉冲放电的顺利进行。当脉冲放电结束以后，此时正极的组成是二氧化锰、在脉冲放电期间由羟基氧化镍还原产生的氢氧化镍、由二氧化锰自身还原成的三氧化二锰以及残余的羟基氧化镍。在放电间歇期间，由于二氧化锰的氧化性高于氢氧化镍，因此，二氧化锰会将氢氧化镍重新氧化成羟基氧化镍，而二氧化锰自身则还原成三氧化二锰。在下次脉冲放电时，羟基氧化镍负责脉冲放电的完成，再次重复前面的过程，从而实现了改进碱锰电池脉冲放电条件下放电容量的效果。

下面结合具体的实施例对本发明所提供的方案进行详细描述。

以下具体涉及四个实施例的描述，在描述中会提及商业化的二氧化锰、自制的二氧化锰、商业化的羟基氧化镍、自制的羟基氧化镍这四个正极材料。

四个实施例的碱锰电池采用的正极材料分别是商业化的二氧化锰与商业化的羟基氧化镍、商业化的二氧化锰与自制的羟基氧化镍、自制的二氧化锰与商业化的羟基氧化镍、自制的二氧化锰与自制的羟基氧化镍。

其中，提及的商业化与自制材料的二氧化锰及羟基氧化镍仅仅存在工艺参数的差异，因为有不同的工艺参数，所以得到了以下描述的四个实施例的四个结果，在此不具体赘述具体工艺参数的数字，本发明采用商业化与自制的描述，旨在通过具体描述表达羟基氧化镍具有改进碱锰电池的脉冲放电能力与提高碱锰电池使用次数的优点。

实施例一：

以现有的商业化的二氧化锰为碱锰电池正极的主体材料，以商业化的羟基氧化镍为碱锰电池正极的掺杂材料，以锌粉为碱锰电池负极的材料。碱锰电池正极中组成为80wt.％商业化的二氧化锰与20wt.％的商业化的羟基氧化镍，采用以上材料组装成5号电池，测试连续的脉冲放电能力。实验结果证实，在连续恒电流放电条件下，掺杂商业化的羟基氧化镍的碱锰电池的放电容量与未掺杂的基本相同，二者的放电平台差别也不大，都比较倾斜。在间隔3分钟的脉冲放电条件下(脉冲宽度1秒，电流大小为500毫安)，掺杂了商业化的羟基氧化镍的碱锰电池的放电能力明显高于未掺杂的，以脉冲期间的电池电压下限设定在1.2V为准，在-20度条件下，未掺杂的使用次数为75次，掺杂以后使用次数为103次。

实施例二：

以现有的商业化的二氧化锰为碱锰电池正极的主体材料，以自制的羟基氧化镍为碱锰电池正极的掺杂材料，以锌粉为碱锰电池负极的材料。碱锰电池正极中组成为80wt.％商业化的二氧化锰，20wt.％自制的羟基氧化镍，采用以上材料组装成5号电池，测试连续的脉冲放电能力。实验结果证实，在连续恒电流放电条件下，掺杂自制的羟基氧化镍的碱锰电池的放电容量与未掺杂的基本相同，二者的放电平台形状基本相同，都比较倾斜。在间隔3分钟的脉冲放电条件下(脉冲宽度1秒，电流大小为500毫安)，掺杂了自制的羟基氧化镍的碱锰电池的放电能力明显高于未掺杂的，以脉冲期间的电池电压下限设定在1.2V为准，在-20度条件下，未掺杂的使用次数为87次，掺杂以后使用次数为121次。

实施例三：

以现有的自制的二氧化锰为碱锰电池正极的主体材料，以商业化的羟基氧化镍为碱锰电池正极的掺杂材料，以锌粉为碱锰电池负极的材料。碱锰电池正极中组成为80wt.％自制的二氧化锰，20wt.％商业化的羟基氧化镍，采用以上材料组装成5号电池，测试连续的脉冲放电能力。实验结果证实，在连续恒电流放电条件下，掺杂商业化的羟基氧化镍的碱锰电池的放电容量与未掺杂的基本相同，二者的放电平台形状基本相同，都比较倾斜。在间隔3分钟的脉冲放电条件下(脉冲宽度1秒，电流大小为500毫安)，掺杂了商业化的羟基氧化镍的碱锰电池的放电能力明显高于未掺杂的，以脉冲期间的电池电压下限设定在1.2V为准，在-20度条件下，未掺杂的使用次数为79次，掺杂以后使用次数为91次。

实施例四：

以现有的自制的二氧化锰为碱锰电池正极的主体材料，以自制的羟基氧化镍为碱锰电池正极的掺杂材料，以锌粉为碱锰电池负极的材料。碱锰电池正极中组成为90wt.％自制的二氧化锰，10wt.％自制的羟基氧化镍，采用以上材料组装成5号电池，测试连续的脉冲放电能力。实验结果证实，在连续恒电流放电条件下，掺杂自制的羟基氧化镍的碱锰电池的放电容量与未掺杂的基本相同，二者的放电平台形状基本相同，都比较倾斜。在间隔1分钟的脉冲放电条件下(脉冲宽度1秒，电流大小为1000毫安)，掺杂了自制的羟基氧化镍的碱锰电池的放电能力明显高于未掺杂的，以脉冲期间的电池电压下限设定在1.2V为准，在-30度条件下，未掺杂的使用次数为49次，掺杂以后使用次数为64次。

本发明实施例的碱锰电池在传统采用二氧化锰材料作为碱锰电池正极材料的基础上，掺入了羟基氧化镍材料，羟基氧化镍的放电动力学速度远远快于二氧化锰材料，因此，本发明实施例公开的碱锰电池具有较好的脉冲放电能力，通过使用该碱锰电池，增加了碱锰电池作为相机电源时的使用次数。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种用于碱锰电池的正极材料，其特征在于：包括主体材料及掺杂材料，所述主体材料为二氧化锰，所述掺杂材料为羟基氧化镍。

2.一种碱锰电池正极，其特征在于：包括基体和置于基体表面的涂覆材料，所述涂覆材料包括权利要求1所述的正极材料、导电材料和粘接剂，在所述涂覆材料的合计量中所述羟基氧化镍所占的质量分数为10％-40％，在所述涂覆材料的合计量中所述二氧化锰所占的质量分数为60％-90％。

3.一种碱锰电池，其特征在于：包括权利要求2所述的碱锰电池正极、负极、设置在正极和负极之间的隔膜和碱性电解质。

4.根据权利要求3所述的碱锰电池，其特征在于：在一次脉冲放电开始前，所述正极的组成是二氧化锰与羟基氧化镍，在一次脉冲放电结束后，所述正极的组成是二氧化锰、在脉冲放电期间由羟基氧化镍还原产生的氢氧化镍、由二氧化锰自身还原成的三氧化二锰以及残余的羟基氧化镍。

5.根据权利要求3所述的碱锰电池，其特征在于：所述负极材料为锌粉。