CN103370828A - 碱性集电极阳极 - Google Patents

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Abstract

一种碱性电池，其包括阴极、碱性电解质和基于铜的阳极，所述阳极在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%。一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含0.01%至9.0%的锡，不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。另一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含1.0%至40%的锌，大约0.01%至5.0%的锡，不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。

Description

碱性集电极阳极
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2010年11月17日提交的美国临时申请第61/414,704号的优先权权益，将其通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开主要涉及电池，且更具体而言，涉及碱性电池，其包括阴极、集流阳极和碱性电解质。本公开进一步涉及可用于阳极的基于铜的合金。
背景技术
电池一般包括阳极、阴极和电解质。已知具有碱性电解质的电池易于发生氢析气(Hydrogen gassing)。氢气会因集流阳极材料的腐蚀而产生。过多析气会是不合需要的，这是因为其会引起电池穿孔并且使碱性电解质渗漏，这样会在贮藏和/或使用期间缩短电池的保存期限并且降低电池的安全性。为了减少析气，可以将保护涂层或镀层应用到阳极上。然而，进行这种处理会是昂贵的，因而需要（优选在没有引入保护涂层或镀层的情况下）进一步减少电极析气。
发明内容
发明概述
为了减少在使用基于铜的阳极的电池中的氢析气，可以使用锡或与锡相似的适于涂覆或电镀的其他元素电镀基于铜的阳极。然而，镀层的厚度通常小于5μm并且镀层易于出现如小孔、未电镀表面和裂缝的缺陷。氢而后会由这些缺陷产生，致使镀层无效。因此，需要一种能够在没有保护涂层或镀层的情况下减少氢析气的阳极材料。
在一个实施方式中，本发明提供了一种碱性电池，其包括阴极、碱性电解质和基于铜的阳极，所述基于铜的阳极在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%。
在另一个实施方式中，本发明提供了一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含0.01%至9.0%的锡，不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素(incidental element)和杂质，以及余量的铜。
在又一个实施方式中，本发明提供了一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含1.0%至40%的锌，0.01%至5.0%的锡，不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
鉴于下列详细说明，本发明的其他方面将变得明显。
发明详述
在详细说明本发明的任何实施方式之前，可以理解的是，本发明的应用不限于在下列说明中所提出的组成配置和构造细节。本发明能够采用其他实施方式并且能够以多种方式被实践或被实施。
在一些实施方式中，在本文中描述的涉及锡的组分还包含和包括作为全部锡或部分锡的替代物的相似元素(例如，铟)。
本发明的方面涉及一种包括阴极、基于铜的阳极和碱性电解质的电池，其减少了氢析气。在一些实施方式中，所述阴极可以用二氧化锰、氧化镍、氧化银等等制造。所述碱性电解质可以由本领域中通常已知的溶液(例如，氯化铵或氢氧化钾)制造。在一些实施方式中，所述电池是可再充电的。
在一些实施方式中，所述阳极由具有0.01%至9.0%的锡、不超过1%的磷、不超过1%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成（全部以重量百分比(“wt%”)表示）；除非特别指定，在本申请中显示的全部百分比均表示为重量百分比(“wt%”)。在另一些实施方式中，按wt%计，所述阳极由具有0.01%至9.0%的锡、0.001%至0.500%的磷、不超过0.5%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成。在又一些实施方式中，按wt%计，所述阳极由具有4.2%至5.8%的锡、不超过1%的磷、不超过0.1%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成；在还一些实施方式中，所述基于铜的合金含有不超过5.8%的锡，不超过5.5%的锡，不超过5.2%的锡，不超过4.9%的锡，不超过4.6%的锡，不超过4.3%的锡，不超过4.0%的锡，不超过3.7%的锡，不超过3.4%的锡，不超过3.1%的锡，不超过2.9%的锡，不超过2.6%的锡，不超过2.3%的锡，不超过2.0%的锡，不超过1.7%的锡，不超过1.4%的锡，不超过1.1%的锡，不超过0.8%的锡，不超过0.5%的锡，或不超过0.2%的锡；在又一些实施方式中，所述基于铜的合金含有至少0.01%的锡，至少0.1%的锡，至少0.3%的锡，至少0.5%的锡，至少0.6%的锡，至少0.7%的锡，至少0.8%的锡，至少0.9%的锡，至少1.0%的锡，至少1.2%的锡，至少1.5%的锡，至少1.8%的锡，至少2.0%的锡，至少2.1%的锡，至少2.4%的锡，至少2.5%的锡，至少2.7%的锡，至少3.0%的锡，至少3.3%的锡，至少3.5%的锡，至少3.6%的锡，至少3.7%的锡，至少3.8%的锡，至少3.9%的锡，至少4.0%的锡，或至少4.1%的锡。在所公开的合金中的杂质元素和杂质可以包括铝，锑，砷，钙，铁，锂，锰，硅，银，钛，锌，锆，或其混合物并且可以以合计不超过1%，不超过0.9%，不超过0.8%，不超过0.7%，不超过0.6%，不超过0.5%，不超过0.4%，不超过0.3%，不超过0.2%，不超过0.1%，不超过0.05%，不超过0.01%，或不超过0.001%的量存在于本文中所公开的合金中。所公开的合金中的磷的加入可以有助于改善所述合金的性能，包括其用于铸造的流动性。
在另一些实施方式中，按wt%计，所述阳极由具有1.0%至40%的锌、0.01%至5.0%的锡、不超过1%的磷、不超过1%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成。在还一些实施方式中，按wt%计，所述阳极由具有1.0%至40%的锌、0.05%至3.0%的锡、0.001%至0.100%的磷、不超过0.5%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成。在又一些实施方式中，所述基于铜的合金含有不超过40.0%的锌，不超过39.0%的锌，不超过38.0%的锌，不超过37.0%的锌，不超过36.0%的锌，不超过35.0%的锌，不超过34.0%的锌，不超过33.0%的锌，不超过32.0%的锌，不超过31.0%的锌，或不超过30.0%的锌；在还一些实施方式中，所述基于铜的合金含有至少1.0%的锌，至少5.0%的锌，至少10.0%的锌，至少15.0%的锌，至少20.0%的锌，至少22.0%的锌，至少24.0%的锌，至少26.0%的锌，至少28.0%的锌，至少30.0%的锌，至少31.0%的锌，至少32.0%的锌，至少33.0%的锌，至少34.0%的锌，至少35.0%的锌，至少36.0%的锌，至少37.0%的锌，至少38.0%的锌，或至少39.0%锌。这包括具有20%至40%的锌、0.5%的锡、不超过1%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金（按wt%计）。在又一些实施方式中，按wt%计，所述阳极由具有7.1%至10.7%的锌、0.3%至0.7%的锡、0.001%至0.100%的磷、不超过0.1%的杂质元素和杂质以及余量的铜的基于铜的合金制成。
所述公开的合金可被用作电池阳极材料，而无需添加保护涂层或镀层。260黄铜的标称成分大约为30%的锌，和不超过0.07%铅，不超过0.05%的铁，以及余量的铜；以及硅青铜的标称成分大约为1.8%的硅，不超过1.5%的锌，不超过0.8%的铁，不超过0.7%锰，不超过0.05%的铅，以及余量的铜。与经过镀层处理的这些合金相比，所公开的合金的未电镀的阳极能够将集流阳极处的析气减至小于一半。所公开的合金通常也是可成型的，且显示出用于本领域中已知的焊接技术(例如，点焊和对接焊)所要求的电阻。此外，所公开的合金显示出优异的延展性，允许后续加工成最终形状，能够被制成平滑表面，并且能够传输电流。
所公开的电池的阳极可以采用本领域技术人员已知的常规处理技术制成。在一些实施方式中，所述合金可以被铸造成近净成型阳极。在另一些实施方式中，所述阳极可以使用粉末冶金学技术而制成。在又一些实施方式中，所述阳极可以通过锻造、拔丝、条带制造(strip manufacturing)而制成。在本文中公开的多种示例性的合金中，所描述的组分的各种元素优选包括加上或减去标称值的百分之十的范围内的差异。
具体实施方式
实施例
以下为本发明的具体的实施例。在这些实施例中，遵照工业上公认的最佳实践，将所述合金熔体连续地铸造、辊压、退火和拉成线形。对所述线进行本领域中已知的刮平或刮光处理以除去污染物。析气的减少依赖于干净的、未被污染的表面。刮平或刮光是除去在加工过程中形成或沉积的表面材料和污染物而得到干净、明亮和均一的基体材料的机械过程。与表面处理结合的合金选择可以致使平均氢放出减少以及气体放出的标准偏差减小。在刮平或刮光之后，如本领域中已知的，连同利用陪替氏培养皿方法的快速测量法，使用公知文献记载的气体测量方法，对合金测量氢析气，但是还可以使用其他的测量析气的方法。另外，为了比较，还制备了和测试了反例(合金C26000和合金C65100)。
实施例1：合金A
制备包含如下成分的熔体：0.5%-0.8%Sn；0.01%-0.05%P；不超过0.05%Fe；不超过0.05%Pb；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金A制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的32%。
实施例2：合金B
制备包含如下成分的熔体：2.5%-3.8%Sn；0.03%-0.30%P；不超过0.30%Zn；不超过0.10%Fe；不超过0.05%Pb；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金B制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，例如，不超过使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的36%。
实施例3：合金C
制备包含如下成分的熔体：4.2%-5.8%Sn；0.03%-0.35%P；不超过0.30%Zn；不超过0.10%Fe；不超过0.05%Pb；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金C制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的48%。
实施例4：合金D
制备包含如下成分的熔体：7.1%-10.7%Zn；0.3%-0.7%Sn；不超过0.10%Pb；不超过0.05%Fe；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金D制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的48%。
实施例5：合金E
制备包含如下成分的熔体：28.3%-31.5%Zn；0.38%-0.60%Sn；0.02%-0.05%P；不超过0.05%Pb；不超过0.05%Fe；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金E制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的23%-24%。
实施例5：合金F
制备包含如下成分的熔体：16.4%-19.8%Zn；0.20%-0.50%Sn；不超过0.05%Pb；不超过0.05%Fe；和余量Cu（全部按wt%计）。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金F制造的未电镀的阳极显示出减少的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的23%-49%。
实施例6：合金C26000
制备包含如下成分的熔体：29%-30%Zn；不超过0.0025%Pb；不超过0.0025%Fe；和余量Cu（全部按wt%计）。合金C26000是一个反例。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金C26000制造的未电镀的阳极显示出增加的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的1,393%。
实施例7：合金C65100
制备包含如下成分的熔体：1.5%-1.9%Si；不超过0.0025%Pb；不超过0.5%Zn；不超过0.7%Mn；和余量Cu（全部按wt%计）。合金C65100是一个反例。相对于同样地被测试的镀锡260黄铜的气体生成，用合金C65100制造的未电镀的阳极显示出增加的气体生成，即，使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的236%。
可以理解的是，本公开在没有偏离其实质和中心特点的情况下可以具体表现为其他特定形式。因此，各方面和实施方式公开的内容应被视为是说明性的和非限制性的。尽管已经说明和描述了具体的实施方式，但是可以在没有明显偏离本发明的实质的情况下做出其他改进。

Claims (19)

1.一种碱性电池，其包括：
阴极；
碱性电解质；和
基于铜的阳极，所述阳极在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%。
2.权利要求1所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含0.01%至9.0%的锡，不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
3.权利要求2所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含0.5%至0.8%的锡，0.01%至0.05%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
4.权利要求2所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含2.5%至3.8%的锡，0.03%至0.30%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
5.权利要求2所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含4.2%至5.8%的锡，0.03%至0.35%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
6.权利要求1所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含1.0%至40%的锌；0.01%至5.0%的锡；不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
7.权利要求6所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含7.1%至10.7%的锌；0.3%至0.7%的锡；不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
8.权利要求6所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含28.3%至31.5%的锌；0.02%至0.05%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
9.权利要求6所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含16.4%至19.8%的锌；0.2%至0.5%的锡，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
10.权利要求6所述的碱性电池，其中，按wt%计，所述阳极包含20%至40%的锌，0.5%的锡，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
11.一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含：
0.01%至9.0%的锡；
不超过1%的磷；
不超过1%的杂质元素和杂质；和
余量的铜。
12.权利要求11所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含0.5%至0.8%的锡，0.01%至0.05%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
13.权利要求11所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含2.5%至3.8%的锡，0.03%至0.30%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
14.权利要求11所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含4.2%至5.8%的锡，0.03%至0.35%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
15.一种用于电池阳极的合金，其在没有保护涂层或镀层的情况下将氢析气减至小于使用镀锡260黄铜所观察到的产生气体的50%，按wt%计，所述合金包含：
1.0%至40%的锌；
0.01%至5.0%的锡；
不超过1%的磷；
不超过1%的杂质元素和杂质；和
余量的铜。
16.权利要求15所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含7.1%至10.7%的锌；0.3%至0.7%的锡；不超过1%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
17.权利要求15所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含28.3%至31.5%的锌；0.02%至0.05%的磷，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
18.权利要求15所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含16.4%至19.8%的锌；0.2%至0.5%的锡，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
19.权利要求15所述的合金，其中，按wt%计，所述合金包含20%至40%的锌，0.5%的锡，不超过1%的杂质元素和杂质，以及余量的铜。
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