CN103337600B - 一种碱性干电池用正极壳体及碱性干电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碱性干电池用正极壳体，所述正极壳体由钢材及附着于钢材内外表面的镀镍层构成；所述钢材的各组分重量百分比为：碳：0.01％～0.03％，硅≤0.02％，锰：0.18％～0.23％，磷≤0.02％，硫≤0.018％，酸溶铝：0.005％～0.044％，余量为铁；所述正极壳体中靠近碱性干电池负极侧的端部向碱性干电池正极侧延伸8-12毫米的部分的钢材厚度为0.35至0.45毫米；其他部分的钢材厚度大于等于0.3毫米。本发明还提供一种碱性干电池，包括上述正极壳体。本发明通过设计碱性干电池正极壳体的原料成分以及正极壳体与镀镍层各部分的厚度参数使得碱性干电池的安全性能更加优异，可以有效杜绝短路使用后爆炸的发生。

Description

一种碱性干电池用正极壳体及碱性干电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种碱性干电池用正极壳体及碱性干电池。

背景技术

正极采用二氧化锰、负极采用含有锌、电解液等碱性水溶液的碱性干电池，由于其性能较好、成本低廉且无环境污染而成为各种设备的电源提供装置。

现有的碱性干电池通常为圆筒状，由一电池壳体将碱性干电池密封从而使得内部的电解液等与外界环境隔离。然而若碱性干电池被不正常使用时，碱性干电池内部的化学物质易发热产生大量气体从而使得碱性干电池内部的压强增大，使得碱性干电池产生爆炸的危险。

为解决上述问题，公开号为CN102290539A的中国专利“电池壳生产工艺及电池壳”公开如下技术方案：在电池壳壳底周围的金属板上镌刻纹路，使得内部的气体可通过纹路泄露出来从而避免碱性干电池发生爆炸。上述方案虽然降低了碱性干电池爆炸的概率，但也使得碱性干电池彻底报废同时通过纹路泄露的气体也对人体产生不良影响、降低用户体验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种安全性能良好的碱性干电池用正极壳体。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种碱性干电池用正极壳体，所述正极壳体由钢材及附着于钢材内外表面的镀镍层构成；所述钢材的各组分重量百分比为：碳：0.01％～0.03％，硅≤0.02％，锰：0.18％～0.23％，磷≤0.02％，硫≤0.018％，酸溶铝：0.005％～0.04％，余量为铁；所述正极壳体中靠近碱性干电池负极侧的端部向碱性干电池正极侧延伸8-12毫米的部分的钢材厚度为0.35至0.45毫米；其他部分的钢材厚度大于等于0.3毫米。

进一步地，所述钢材内侧表面镀镍层厚度大于等于0.35μm，外侧表面镀镍层厚度大于等于2.3μm。

本发明还提供一种碱性干电池，其包括上述正极壳体、填充于正极壳体内部的正极合剂粒料和凝胶状负极，底板以及封口板；所述正极合剂粒料和凝胶状负极被隔膜隔开，所述正极壳体开口端部隔着封口板的端部而敛缝在底板的周边部从而封闭碱性干电池。

进一步地，所述正极合剂粒料包括电解二氧化锰、石墨和正极电解液；电解二氧化锰、石墨和正极电解液的重量比为：100∶(5-10)∶(2-5)。

进一步地，所述电解二氧化锰的理化参数为：

粒径分布占比：粒径小于等于45μm的电解二氧化锰占比为60％-70％，粒径大于45μm小于等于75μm的电解二氧化锰占比为20％-22％，粒径大于75μm小于等于150μm的电解二氧化锰占比为8％-12％，粒径大于150μm的电解二氧化锰占比为1％-3％；

PH值为5-7；

电位为250-270mv；

体积平均粒径为30-40μm；

视比重为1.5-2.0g/ml。

进一步地，所述正极电解液为氢氧化钾水溶液，所述氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比为30％-50％。

进一步地，所述凝胶状负极包括锌合金粉末以及碱性电解液；所述碱性电解液包括交联型聚丙烯酸、交联型聚丙烯酸钠、负极电解液、氧化铟以及水；相对于100重量份的锌合金粉末，交联型聚丙烯酸的重量份数为1.1-1.2，交联型聚丙烯酸钠的重量份数为0.1-0.2，负极电解液的重量份数为50-60，氧化铟的重量份数为0.02-0.05，水的重量份数为1-4。

进一步地，所述锌合金粉末中各元素的重量含量为：锌元素：大于等于98％，氧化锌：小于等于0.4％，铋元素：300ppm，铟元素：300ppm，铝元素：25ppm，钙元素：125ppm，汞元素、铜元素、镍元素、锑元素、砷元素、铬元素，钼元素，钒元素均小于等于1ppm，铁元素、锡元素小于等于2ppm，镉元素小于等于5ppm，铅元素小于等于30ppm。

进一步地，所述负极电解液为氢氧化钾水溶液，所述氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比为30％-40％。

进一步地，所述封口板为尼龙制封口板，所述尼龙制封口板的爆破压力为2.5MPa。

本发明通过设计碱性干电池正极壳体的原料成分以及正极壳体与镀镍层各部分的厚度参数使得碱性干电池的安全性能更加优异，可以有效杜绝短路使用后爆炸的发生，同时本发明的正极壳体还对尼龙制封口板的爆破压力的适应性较强，可以提升碱性干电池的耐漏液性能，降低尼龙制封口板的生产成型难度。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例中的碱性干电池的剖视示意图；

图2为本发明一较佳实施例中碱性干电池被以第一种使用方式误操作使用时的电路连接图；

图3为本发明一较佳实施例中碱性干电池被以第二种使用方式误操作使用时的电路连接图；

图4为本发明一较佳实施例中碱性干电池被以第三种使用方式误操作使用时的电路连接图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

请参照图1，本发明一较佳实施例中的碱性干电池包括正极合剂粒料3和凝胶状负极6，正极合剂粒料3和凝胶状负极6被隔膜4隔开，隔膜4优选为法国摩迪公司生产的PAC隔膜。为了保证隔离效果，负极6的一端与隔膜4之间还注入有绝缘石蜡5。负极6的另一端由尼龙制的封口板7、底板8、辅助支撑的铁板9以及负极集电体10封闭。

正极合剂粒料3外表面包覆有由钢带冲制成型并镀镍的正极壳体1，正极壳体1内表面还形成有石墨涂装膜2。正极合剂粒料3通过加压被压实于正极壳体1内表面。正极壳体1的开口端部隔着封口板7的端部而敛缝在底板8的周边部，从而使正极壳体1的开口部密合。优选地，正极壳体1的外表面上还贴附有包装标签11。

本发明的碱性干电池通过如下方式被装配成型：

一、制备正极壳体1

正极壳体1处于碱性干电池的最外层，正极壳体1对碱性干电池的安全性能具有重要影响。现有的碱性干电池的正极壳体通常仅考虑使用者在正常使用电池时对电池的保护性能，但是使用者在使用电池通常存在多种误操作使用情况，例如将多个电池的正负极对调使用，使得碱性干电池内部的电解液发生反应并产生大量气体从而对正极壳体1产生向外的压力。若正极壳体1材料选用不当或者正极壳体1各部位厚度配置不符合要求则碱性干电池不正常使用时产生的向外压力会使得正极壳体1变形甚至破裂、爆炸从而形成一定的安全隐患。

另外本发明碱性干电池的正极壳体1开口端部隔着封口板7的端部而敛缝在底板8的周边部从而封闭碱性干电池。当碱性干电池不正常使用而向外产生压力时，该压力在碱性干电池负极尾端部施压于封口板7与正极壳体1开口端部的敛缝处，若正极壳体1的压力适应性与封口板7的压力适应性不一致，则也会导致封口板7与正极壳体1开口端部的敛缝处开裂造成电池破裂、爆炸。

在本发明一较佳实施例中，碱性干电池的正极壳体1采用如下成分的钢材冲压成型，而后在冲压成型的胚体内外表面电镀镍而成。钢材冲压成型以及镍层电镀的工艺采用传统冲压成型和电镀工艺即可。本实施例中，正极壳体1主要通过钢材成分的选取、正极壳体1各处厚度选取以及镍层厚度选取来达到增强正极壳体1的耐压能力、冷热膨胀和收缩稳定性能从而防止碱性干电池在误操作使用时开裂或爆炸。

制成正极壳体1的钢材的各组分重量百分比为：

碳(C)：0.01％～0.03％

硅(Si)≤0.02％

锰(Mn)：0.18％～0.23％

磷(P)≤0.02％

硫(S)≤0.018％

酸溶铝(Als)：0.005％～0.04％

余量为铁(Fe)。

正极壳体1冲压成型时，使得正极壳体1中靠近碱性干电池负极侧的端部向碱性干电池正极侧延伸8-12毫米的部分的钢材厚度为0.35至0.45毫米；其他部分的钢材厚度大于等于0.3毫米。优选地，正极壳体1靠近碱性干电池负极侧的端部内侧表面粗糙度Ry≤14μm。

正极壳体1的上述组分设置使得成型后的正极壳体1的冷脆性、可塑性和硬度较好，同时具体设置正极壳体1各部分的厚度进一步加强其硬度。当电池内部压力急剧增加时，采用本实施例的正极壳体的电池不易被瞬间冲开而发生爆炸现象。

在正极壳体1成型后电镀镍层时，内侧表面镀镍层厚度优选地大于等于0.35μm，外侧表面镀镍层厚度优选地大于等于2.3μm。

二、制备正极合剂粒料3

将电解二氧化锰、石墨和正极电解液按照重量比为100∶(5-10)∶(2-5)的比例混合均匀后通过压制、整粒再利用中空圆筒模具加压成型形成。优选地，在混合过程中还添加有有机酸锌盐以加强润滑性能，提高混合效果。其中，正极电解液优选为氢氧化钾水溶液，氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比优选为30％-50％；电解二氧化锰的理化参数优选为如表一所示的参数：

表一

其中，D(4，3)表示体积平均粒径。

三、制备凝胶状负极6

凝胶状负极6是通过将锌合金粉末混合分散于凝胶状的碱性电解液中制成。其中，锌合金粉末中锌元素重量含量大于等于98％，优选为大于等于99.5％，氧化锌含量优选地小于等于0.4％，其他元素的重量含量为如表二所示，表二中各元素的含量单位为ppm(百万分之一)

表二

相对于上述100重量份的锌合金粉末，碱性电解液各组分的重量份为：交联型聚丙烯酸：1.1-1.2、交联型聚丙烯酸钠：0.1-0.2、负极电解液：50-60、氧化铟：0.02-0.0.5、水：1-4。

碱性电解液中，交联型聚丙烯酸和交联型聚丙烯酸钠均起凝胶作用，二者共同使得碱性电解液呈凝胶状。其中交联型丙烯酸钠还能使得碱性电解液存放时间变长、便于制作、使用寿命较长；但是过多的交联型丙烯酸钠会使得碱性干电池放电性能变差，因此需要兼顾碱性干电池的可制作性和放电性能。

负极电解液优选为氢氧化钾水溶液，其中氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比优选为30％-40％。

四、制备碱性干电池。

将制备得到的正极合剂粒料3插入正极壳体1内部，通过加压使得正极合剂粒料3附着于正极壳体1内表面并被压实。在正极合剂粒料3内侧插入卷绕成圆筒状并烫底的隔膜4，本实施例中为加强隔离效果还注入有绝缘石蜡5。在隔膜4内侧填充凝胶状负极6。将封口板7、兼作负极端子的底板8、辅助支撑的铁板9以及负极集电体10插入到凝胶状负极6中，并且使正极壳体1的开口端部隔着封口板7的端部而敛缝在底板8的周边部，从而使正极壳体1的开口端部密合。最后将外包装标签11覆盖在正极壳体1的外表面上，从而得到本实施例的碱性干电池。

下面通过如下几种方式测试本发明制备得到的碱性干电池的安全性能。

(a)电池被使用者以图2所示的方式误操作使用，即使用者将三节电池正接、一节电池反接使用。测试该反接使用的电池在接通回路24小时内使得电池外壳温度降至环境温度时是否发生爆炸或起火。若未发生爆炸或起火则表明本发明电池安全性能符合要求，若发生则表明本发明电池安全性能不符合要求。

(b)电池被使用者以图3所示的方式误操作使用，即使用者将电池短路连接。测试该短路连接的电池在连接24小时内是否发生爆炸或起火，若未发生爆炸或起火则表明本发明电池安全性能符合要求，若发生则表明本发明电池安全性能不符合要求。

(c)电池被使用者以图4所示的方式误操作使用，即使用者将电池短路连接一段时间后断开连接。测试此项是因为某些电池在短路连接24小时后安全性能尚可，但是断开连接使得电池温度逐渐降至室温时则会发生爆炸。本测试方式中，将电池短路连接24小时后断开连接并将电池常温放置。若未发生爆炸或起火则表明本发明电池安全性能符合要求，若发生则表明本发明电池安全性能不符合要求。

(d)电池被使用者以图2所示的方式误操作使用，即使用者将三节电池正接、一节电池反接使用。在本组测试中，碱性干电池的封口板7采用爆破压力为2.5MPa的尼龙封口板。在本组测试中，仍然测试该反接使用的电池在接通回路24小时内，当电池外壳温度降至环境温度时是否发生爆炸或起火。若发生爆炸或起火则说明本发明电池正极壳体1对尼龙封口板爆破压力的适应能力较差，若未发生则说明本发明电池正极壳体1对尼龙封口板爆破压力的适应能力较优良。

上述四组测试的测试结果如表三所示。表三中第一组测试结果为本发明碱性干电池的测试结果，第二组测试结果为市面上常见的LR20、LR40碱性干电池的测试结果。

表三

NO.	(a)	(b)	(c)	(d)
					1	不爆炸	不爆炸	不爆炸	不爆炸
2	不爆炸	不爆炸	爆炸	爆炸

从表三的测试结果可知，采用本发明的正极壳体1制备得到的碱性干电池的短路终止安全性能优异，可以杜绝短路使用后爆炸的发生。并且本发明的正极壳体1对尼龙制封口板爆破压力的适应性较强，可以提升碱性干电池的耐漏液性能，降低尼龙制封口板的生产成型难度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种碱性干电池用正极壳体，所述正极壳体由钢材及附着于钢材内外表面的镀镍层构成，其特征在于：所述钢材的各组分重量百分比为：碳：0.01％～0.03％，硅≤0.02％，锰：0.18％～0.23％，磷≤0.02％，硫≤0.018％，酸溶铝：0.005％～0.04％，余量为铁；所述正极壳体中靠近碱性干电池负极侧的端部向碱性干电池正极侧延伸8-12毫米的部分的钢材厚度为0.35至0.45毫米；其他部分的钢材厚度大于等于0.3毫米，正极壳体靠近碱性干电池负极侧的端部内侧表面粗糙度Ry≤14μm；

所述钢材内侧表面镀镍层厚度大于等于0.35μm，外侧表面镀镍层厚度大于等于2.3μm。

2.一种碱性干电池，其特征在于：包括权利要求1所述的正极壳体、填充于正极壳体内部的正极合剂粒料和凝胶状负极，底板以及封口板；所述正极合剂粒料和凝胶状负极被隔膜隔开，所述正极壳体开口端部隔着封口板的端部而敛缝在底板的周边部从而封闭碱性干电池。

3.如权利要求2所述的碱性干电池，其特征在于：所述正极合剂粒料包括电解二氧化锰、石墨和正极电解液；电解二氧化锰、石墨和正极电解液的重量比为：100∶(5-10)∶(2-5)。

4.如权利要求3所述的碱性干电池，其特征在于：所述电解二氧化锰的理化参数为：

粒径分布占比：粒径小于等于45μm的电解二氧化锰占比为60％-70％，粒径大于45μm小于等于75μm的电解二氧化锰占比为20％-22％，粒径大于75μm小于等于150μm的电解二氧化锰占比为8％-12％，粒径大于150μm的电解二氧化锰占比为1％-3％；

PH值为5-7；

电位为250-270mv；

体积平均粒径为30-40μm；

视比重为1.5-2.0g/ml。

5.如权利要求3或4所述的碱性干电池，其特征在于：所述正极电解液为氢氧化钾水溶液，所述氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比为30％-50％。

6.如权利要求2所述的碱性干电池，其特征在于：所述凝胶状负极包括锌合金粉末以及碱性电解液；所述碱性电解液包括交联型聚丙烯酸、交联型聚丙烯酸钠、负极电解液、氧化铟以及水；相对于100重量份的锌合金粉末，交联型聚丙烯酸的重量份数为1.1-1.2，交联型聚丙烯酸钠的重量份数为0.1-0.2，负极电解液的重量份数为50-60，氧化铟的重量份数为0.02-0.05，水的重量份数为1-4。

7.如权利要求6所述的碱性干电池，其特征在于：所述锌合金粉末中各元素的重量含量为：锌元素：大于等于98％，氧化锌：小于等于0.4％，铋元素：300ppm，铟元素：300ppm，铝元素：25ppm，钙元素：125ppm，汞元素、铜元素、镍元素、锑元素、砷元素、铬元素，钼元素，钒元素均小于等于1ppm，铁元素、锡元素小于等于2ppm，镉元素小于等于5ppm，铅元素小于等于30ppm。

8.如权利要求6或7所述的碱性干电池，其特征在于：所述负极电解液为氢氧化钾水溶液，所述氢氧化钾水溶液中氢氧化钾的重量百分比为30％-40％。

9.如权利要求2所述的碱性干电池，其特征在于：所述封口板为尼龙制封口板，所述尼龙制封口板的爆破压力为2.5MPa。