CN104393302A - 一种碱性电池的电极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱性电池的电极材料，其包含有阳极和阴极，位于阳极和阴极之间的隔板，碱性电解质，阳极集电器，凝胶；所述阴极包括阴极活性材料二氧化锰和羟基氧化镍及导电碳粒；所述阳极为锌或锌合金及石墨。

Description

一种碱性电池的电极材料
技术领域
本发明属于电池领域，特别是指一种碱性电池的电极材料。
背景技术
一次性碱性电池包括有阳极、阴极、阳极和阴极之间有电解质可渗透的隔板、以及碱性电解质。阳极包括阳极活性材料，现主要是锌或锌合金颗粒和常规的胶凝剂，胶凝剂用来将锌颗粒固定在悬浮液中，以使锌粒能互相接触，将阳极集电器插入胶凝的锌极中，碱性电解质典型的是氢氧化钾的水溶液，也可以是氢氧化钠或氢氧化锂水溶液，阴极包括阴极活性材料，其包含二氧化锰或羟基氧化镍或它们的混合物以及导电添加剂如石墨等。
现一次性碱性电池受商业型号的限制，其电池内的容量是固定的，为了增加电池容量即电池的使用寿命或电池的较高功率消耗以适应一些高功率用电器的需要，一般采用增加电极活性材料的界面表面积以及在电池中增加活性材料的方式来实现，这些一般是通过增加活性材料的密度的方式，而在活性材料的密度达到一定程度后，因密度增加导致在放电过程中电化学反应速率降低，从而不能满足高功率的需要。
现主要使用的锌锰一次性碱性电池的另一个问题是电池在特性上具有倾斜的电压特征，也就是说，电池在放电时平均运行电压逐渐降低，当电池以较高功率消耗时，电压的降低速度显著，因此锌锰电池在高功率下获得的实际电池容量小于低功率消耗时的电池容量，因此现锌锰电池不适用于高功率消耗的用电器比如相机等方面。为了实现能够在高功率下使用的一次性碱性电池，现主要采用的是以羟基氧化镍为阴极活性材料的碱性电池，或是采用羟基氧化镍和二氧化锰按重量比1∶1的比例来做阴极活性材料的方法来生产一次性碱性电池，但羟基氧化镍同二氧化锰相比的成本要高的多。
对于现有一次性碱性电池在使用后进行分析，不论是采用二氧化锰为阴极活性材料还是采用的羟基氧化镍为阴极活性材料，在电池的阳极中，有占原重量15-25％的锌没有反应而被废弃。研究发现，造成这一原因的问题并不是这一比例的锌不能进行反应放电而是当电池内的锌到达这一比例时，因电池内的阻力增加，化学反应速率降低，产生的电量已经不能实际应用，这类不能使用的电池内依然在进行缓慢的电化学反应而直到电池内的阳极活性材料或阴极活性材料全部反应完。
因此，需要一种能够在高功率时有更长的使用寿命和电池内各材料反应更彻底的一次性碱性电池。
发明内容
本发明的主要目的是在保证一次性碱性电池能够适用于高功率消耗并具有同羟基氧化镍为阴极活性材料类似的使用寿命的情况下，能够减少生产成本。
本发明的另一目的是使电池在使用寿命结束时，电池内的阴极和阳极活性材料反应的尽可能彻底，减少资源的消耗。
本发明是通过以下技术方案实现的：
在本发明中所指的百分比均为重量百分比。
一种碱性电池的电极材料，其包含有阳极和阴极，位于阳极和阴极之间的隔板，碱性电解质，阳极集电器，凝胶；所述阴极包括阴极活性材料二氧化锰、金属镍、羟基氧化镍及导电碳粒；所述阳极为锌或锌合金、氧或氧化铝及石墨；
所述石墨占阳极重量的12％-15％；所述阴极中，按重量百分比由50％-55％的二氧化锰，10％-15％的羟基氧化镍，1-3％的金属镍及30％-35％的导电碳粒组成；
所述碱性电解质水溶液的浓度为53％-60％；所述凝胶分别占阳极和阴极的3％；所述阳极集电器为空芯金属网，所述空芯金属网孔为700-1200目。
所述碱性电池的阳极中含有0.01％-0.03％用于防止产生氢的金属或金属氧化物，所述的金属或金属氧化物是指铋、铟、锗中一种或两种。
所述的铝或氧化铝为0.15-0.3％。
所述碱性电解质为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。
所述空芯金属网孔为800目。
本发明的有益效果是：
1，通过本发明的技术方案，通过在阳极中加入一定量的石墨，能够有效的防止在电池的电化学反应后期，因阳极中的锌在反应后所生成的氧化物表层阻碍反应速度和降低电子的传递速度，能够保证化学反应能够平稳的进行，保证电压的稳定。
2，通过在阴极活性材料中使用少量的羟基氧化镍及金属镍，能够提高一定量的反应速率的同时，降低了现有技术中的羟基氧化镍的使用量，并通过使用高浓度的电解质来提高反应的彻底。
具体实施方式
以下通过具体实施例来详细描述本发明的技术内容，本发明的具体实施例是示例性的，仅能用于解释本发明的内容而不能解释为是对本发明的限制。
本发明是通过以下实施方案实现的：
一种碱性电池的电极材料，其包含有阳极和阴极，位于阳极和阴极之间的隔板，碱性电解质，阳极集电器，凝胶；所述阴极包括阴极活性材料二氧化锰、金属镍、羟基氧化镍及导电碳粒；所述阳极为锌或锌合金、氧或氧化铝及石墨；
所述石墨占阳极重量的12％-15％；所述阴极中，按重量百分比由50％-55％的二氧化锰，10％-15％的羟基氧化镍，1-3％的金属镍及30％-35％的导电碳粒组成；
所述碱性电解质水溶液的浓度为53％-60％；所述凝胶分别占阳极和阴极的3％；所述阳极集电器为空芯金属网，所述空芯金属网孔为700-1200目。
所述碱性电池的阳极中含有0.01％-0.03％用于防止产生氢的金属或金属氧化物，所述的金属或金属氧化物是指铋、铟、锗中一种或两种。
所述的铝或氧化铝为0.15-0.3％。
所述碱性电解质为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。
所述空芯金属网孔为800目。
实施例一
在本发明的具体实施例中，阳极中的锌或锌合金采用颗粒形式，颗粒大致采用两种方式，一种为200目左右的颗粒，另一种为10-30目左右的颗粒，这两类颗粒的比例为3∶10-4∶10；所述的石墨占阳极重量的15％采用10-30纳米颗粒；在所述的锌或锌合金中包括有0.015％的铝或氧化铝；如果在实施例中采用的是金属锌则以铝粉或氧化铝粉的方式按前述铝的含量进行混合；如果在实施例中采用的是锌合金，则在生产锌合金中按比例添加。在锌或锌合金中添加铝的目的是用于抑制氢气的产生，按这一比例的目的是保证在电解质中铝的含量为30-75ppm，若电解质中铝的含量低于30ppm，虽然也会起到一定的抑制氢气的作用，但无法保证在电池的有效寿命内电池产生的氢气在准许范围内；若电解质中铝的含量高于75ppm，虽然能够抑制氢气的产生，但也会造成一部分的短路，影响电池的效率。在本发明的其它实施例中，选用的氢气抑制剂可以是铋、铟或锗金属或金属氧化物中一种或两种。在本实施例中，所选用的碱性电解质为53-60％的氢氧化钾水溶液，这一选择的碱性电解质溶液的浓度要高于现技术所使用的40％-50％的电解质溶液，通过发明人的分析，若使用的电解质的浓度低是造成在电池使用寿命的后期电压下降快的主要原因，若电解质的浓度过高会影响电池初期的效率，经过发明人的研究，当电解质的浓度在60％时能够使电池的效率发挥的最好。
在本发明中所使用的凝胶为现有技术及常规比例3％，在此就不进行过多的说明。
在发明所选用的阳极集电器采用空芯金属网，网孔为700-1200目，优选为800目，在本实施例及以下实施例中均选用的是800目空芯金属网。
所述隔板为用于分隔阳极和阴极的材料同现有技术没有改变。
所述阴极中，按重量百分比由51％的二氧化锰，15％的羟基氧化镍，1％的金属镍及33％的导电碳粒组成。在本发明中所使用的羟基氧化镍的量为现有技术的0.2-0.3倍，而这一部份的羟基氧化镍也能够实现提高阴极反应效率的目的，并配合本技术的阳极及电解质的技术改进实现电池能够适应于高功率用电器。
在本实施例中，所选用的阳极集电器，隔板，凝胶同以下实施例相同，在此不再进行重复。在本发明的以下实施例中同本实施例不同的仅是材料的不同比重，其余的均相同，以下就通过对不同比例的材料进行详细说明。
实施例二
在本实施例中，阳极活性材料选用的是金属锌或锌合金，阳极中石墨的比例为12％，所选用的铝或氧化铝占锌量的0.025％，也可以选用本技术方案中的所提到的铋、铟、锗中一种或两种金属或金属氧化物；所述阴极中，按重量百分比由55％的二氧化锰，12％的羟基氧化镍，3％的金属镍及30％的导电碳粒组成；在本实施例中，导电碳粒为石墨。所述的碱性电解质选用的55％氢氧化钾水溶液，当然也可以在此浓度下选择氢氧化钠或氢氧化锂均能实现本发明，但从电池的效能及经济方面考虑以氢氧化钾为优选。在本发明的实施例中选用铝作为氢抑制剂的原因在于经济。
实施例三
在本实施例中，阳极活性材料选用的是金属锌或锌合金，阳极中石墨的比例为13％，所选用的铝或氧化铝占锌量的0.018％，也可以选用本技术方案中的所提到的铋、铟、锗中一种或两种金属或金属氧化物；阴极活性材料中二氧化锰占52％，羟基氧化镍占13％，金属镍占2％，阴极中导电碳颗粒选用的是石墨占33％，也可以选用其它导电碳颗粒；所述的碱性电解质选用的53％氢氧化钾水溶液，当然也可以在此浓度下选择氢氧化钠或氢氧化锂均能实现本发明，但从电池的效能及经济方面考虑以氢氧化钾为优选。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种碱性电池的电极材料，其包含有阳极和阴极，位于阳极和阴极之间的隔板，碱性电解质，阳极集电器，凝胶；其特征在于：所述阴极包括阴极活性材料二氧化锰、金属镍、羟基氧化镍及导电碳粒；所述阳极为锌或锌合金、氧或氧化铝及石墨；
所述石墨占阳极重量的12％-15％；所述阴极中，按重量百分比由50％-55％的二氧化锰，10％-15％的羟基氧化镍，1-3％的金属镍及30％-35％的导电碳粒组成；
所述碱性电解质水溶液的浓度为53％-60％；所述凝胶分别占阳极和阴极的3％；所述阳极集电器为空芯金属网，所述空芯金属网孔为700-1200目。
2.根据权利要求1所述的碱性电池的电极材料，其特征在于：所述碱性电池的阳极中含有0.01％-0.03％用于防止产生氢的金属或金属氧化物，所述的金属或金属氧化物是指铋、铟、锗中一种或两种。
3.根据权利要求1所述的碱性电池的电极材料，按重量百分比，其特征在于：所述的铝或氧化铝为0.15-0.3％。
4.根据权利要求1所述的碱性电池的电极材料，其特征在于：所述碱性电解质为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。
5.根据权利要求1所述的碱性电池的电极材料，其特征在于：所述空芯金属网孔为800目。
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