CN109065972B - 一种能够高效释放电池容量的碱性电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高效释放电池容量的碱性电池，包括电池壳、隔离元件、正极环，隔离元件由多层筒形隔离纸同轴间隔套设而成，相邻隔离纸之间形成环形的电解液腔，正极环由固体原料和液体原料混合压制而成，该液体原料为正极区域用KOH电解液；电解液腔内为隔离纸区用KOH电解液；负极材料由固体原料和液体原料混合制得，该液体原料为负极区域用KOH电解液，正极区域用KOH电解液的浓度≤隔离纸区用KOH电解液的浓度，隔离纸区用KOH电解液的浓度≤负极区域用KOH电解液的浓度，其中，正极区域用KOH电解液为质量浓度为25～32％的KOH电解液，负极区域用KOH电解液为质量浓度为35～40％的KOH电解液。

Description

一种能够高效释放电池容量的碱性电池
技术领域
本实用新型涉及电池制造领域，尤其是一种能够高效释放电池容量的碱性电池。
背景技术
随着近年来各项技术的突飞猛进，用电器具对碱性电池的性能提出了越来越高的要求。提升碱性电池的综合电性能，特别是大电流或高功率脉冲模式下的放电性能成为各个电池厂家研究的方向。在大电流或高功率脉冲的放电模式下，碱性电池会出现电池极化现象，而电池极化会导致电池电压的损失，使得电池的容量无法充分发挥出来。
电池极化包括电极活性材料本身的电化学极化和电解液体系的浓差极化。现有的电池厂家大都是采用改进电极活性材料来缓解电极活性材料本身的电化学极化现象，从而使电池的容量得以发挥出来，但是，通过这种方式得到的碱性电池在大电流或高功率脉冲模式下的放电性能依然不太理想。
发明内容
本发明旨在提供一种能够高效释放电池容量的碱性电池。
一种能够高效释放电池容量的碱性电池，包括电池壳，电池壳内同轴套设隔离元件，电池壳与隔离元件之间的环形空腔内填入压制好的正极环，隔离元件由多层筒形隔离纸同轴间隔套设而成，相邻隔离纸之间形成环形的电解液腔，隔离元件内层隔离纸的内筒空腔中填充负极材料，隔离元件的上端开口处封装有与负极材料连接的负极集电体，该负极集电体向外延伸封闭隔离元件与电池壳之间环形空腔的上端开口，正极环由固体原料和液体原料混合压制而成，该液体原料为正极区域用KOH电解液；电解液腔内为隔离纸区用KOH电解液；负极材料由固体原料和液体原料混合制得，该液体原料为负极区域用KOH电解液，正极区域用KOH电解液的浓度≤隔离纸区用KOH电解液的浓度，隔离纸区用KOH电解液的浓度≤负极区域用KOH电解液的浓度，其中，正极区域用KOH电解液为质量浓度为25～32％的KOH电解液，负极区域用KOH电解液为质量浓度为35～40％的KOH电解液。
对于碱性电池而言，其化学反应式为：
电池的总反应：Zn+2MnO2+2H2O＝Zn(OH)2+2MnOOH、
电池负极反应：Zn+2OH-＝Zn(OH)2+2e-、
电池正极反应：2MnO2+2H2O+2e-＝2MnOOH+2OH-。根据碱性电池的化学反应原理，电池在放电过程中负极反应需要OH-，OH-主要的来源为KOH电解液，而正极反应需要水和e-生成OH-，而传统的碱性电池中正极环的原料配方中所采用的KOH电解液、隔离元件中所采用的KOH电解液、负极材料的原料配方中所采用的KOH电解液均为质量浓度为(38±0.5)％的KOH电解液，那么，在大电流或高功率脉冲模式下电池正极区域的OH-浓度越来越高，而负极区域的OH-浓度却越来越低，从而出现严重的浓差极化现象，正负极区域OH-浓度的差异所带来的电势能，会造成电池总电压的损失，使得电池性能不能有效发挥出来。本发明根据碱性电池的化学反应原理，正极区域用KOH电解液的浓度≤隔离纸区用KOH电解液的浓度，隔离纸区用KOH电解液的浓度≤负极区域用KOH电解液的浓度，正极区域用KOH电解液为质量浓度为25～32％的KOH电解液，负极区域用KOH电解液为质量浓度为35～40％的KOH电解液，可以减小电池在大电流高功率的放电模式下的浓差极化，提高电池材料的利用率，提高电池大电流高功率放电性能。
进一步的，所述正极区域用KOH电解液的浓度优选为质量浓度为25～30％的KOH电解液，可进一步提升电池大电流高功率放电性能。
进一步的，所述隔离纸区用KOH电解液优选为质量浓度为30～35％的KOH电解液，可进一步提升电池大电流高功率放电性能。
进一步的，所述正极区域用KOH电解液的浓度＜隔离纸区用KOH电解液的浓度＜负极区域用KOH电解液的浓度，可进一步提升电池大电流高功率放电性能。
附图说明
图1为本发明碱性电池的剖视结构图。
具体实施方式
现具体阐述本发明的实施方式：
如图1所示，一种能够高效释放电池容量的碱性电池，包括电池壳10，电池壳10内同轴套设隔离元件30，电池壳10与隔离元件30之间的环形空腔内填入压制好的正极环20电池壳，隔离元件30由两层筒形隔离纸(31、32)同轴间隔套设而成，相邻隔离纸(31、32)之间形成环形电解液腔33，隔离元件30内层隔离纸32的内筒空腔中填充负极材料40，隔离元件30的上端开口处封装有与负极材料40连接的负极集电体50，该负极集电体50向外延伸封闭隔离元件30与电池壳10之间环形空腔的上端开口，正极环20由固体原料(常见为二氧化锰、石墨、硬脂酸钙、粘结剂等的混合料)和液体原料混合压制而成，该液体原料为正极区域用KOH电解液；电解液腔33内为隔离纸区用KOH电解液；负极材料40由固体原料和液体原料混合制得，该液体原料为负极区域用KOH电解液，正极区域用KOH电解液的浓度≤隔离纸区用KOH电解液的浓度，隔离纸区用KOH电解液的浓度≤负极区域用KOH电解液的浓度，其中，正极区域用KOH电解液为质量浓度为25～32％的KOH电解液，负极区域用KOH电解液为质量浓度为35～40％的KOH电解液。
根据上述能够高效释放电池容量的碱性电池进行了8个实施例(即实施例1～实施例8)和5个对比例(即对比例1～对比例5)，上述各个实施例和对比例对应的原料参数如下表1所示：
表1
Figure GDA0002316517210000031
本发明人对上述各个实施例和对比例的碱性电池在1.5w高功率脉冲下的间放次数(具体操作为：在1.5w的恒功率下放电2秒；接着，在0.65w的恒功率下放电28秒，作为“一次放电”；5分钟按上述方式连续进行10次放电，然后休息55分钟；连续重复上述操作，直到电池的电压降至0.9伏为止)和在1000mA大电流脉冲下的连放次数(具体操作为：在恒电流1000mA下放电10秒，休息50秒，连续重复上述操作，直到电池的电压降至0.9伏为止)分别进行了测试，结果见下表2：
表2
Figure GDA0002316517210000041
从表2中的实施例1～实施例8与对比例5的测试结果可看出：本申请的碱性电池相对于现有的碱性电池来说，在1.5w高功率脉冲下的间放次数均有明显提高，同时，在1000mA大电流脉冲下的连放次数也有明显的提高，其在高功率和大电流脉冲下的充放电性能大大提升，同时，提高了正极环和负极材料中的活性材料的利用率。从表2中的对比例1、对比例2的测试结果可看出：当正极环的原料配方中的KOH电解液浓度小于25％时，正极粉料成型困难，打出的正电极环均匀性差，导致碱性电池在高功率和大电流脉冲下的充放电性能更差。从表2中的对比例3、对比例4的测试结果可看出：当负极材料的原料配方中的KOH电解液浓度高于40％时，负极区域的电解液电导率下降，高功率和大电流性能提升均不明显，甚至下降。
并且，从表2中的实施例1～实施例3与实施例4、实施例5的比较可看出：当正极区域用KOH电解液的浓度＜隔离纸区用KOH电解液＜负极区域用KOH电解液时，本申请的碱性电池在1.5w高功率脉冲下的间放次数可进一步提高，同时，在1000mA大电流脉冲下的连放次数也有进一步的提高。从表2中的实施例1～实施例3与实施例6可看出：当正极区域用KOH电解液的浓度为质量浓度为25～30％的KOH电解液时，对碱性电池在1.5w高功率脉冲下的间放次数和在1000mA大电流脉冲下的连放次数均有促进作用。从表2中的实施例1～实施例3与实施例7、实施例8的比较可看出：当隔离纸区用KOH电解液为质量浓度为30～45％的KOH电解液时，对碱性电池在1.5w高功率脉冲下的间放次数和在1000mA大电流脉冲下的连放次数均有促进作用。
另外，本申请人还进行了对比例6和对比例7(对比例6和对比例7中负极区域用KOH电解液为质量浓度为低于35％的KOH电解液，对比例6和对比例7的具体参数设置见下表3)，并对对比例6、对比例7和上述实施例1的碱性电池在60℃高温条件下贮存5天、10天的产气量分别进行测定，结果见下表4：表3
Figure GDA0002316517210000051
表4
Figure GDA0002316517210000052
从表3和表4可看出：当负极材料的原料配方中的KOH电解液浓度低于35％时，碱性电池的析气量明显增加，而电池析气量越高，电池防漏液性能就越差。
在碱性电池的制备过程中，正极环的原料配方中固体原料的总量与液体原料的质量比通常控制在33～35:1，负极材料的原料配方中固体原料的总量与液体原料的质量比通常控制在2～2.3:1。本申请的实施例1～实施例8和对比例1～对比例7均符合上述要求。
本发明的隔离元件30所包含的隔离纸层并不限于附图中的两层，也可以为三层或者多于三层。

Claims (4)

1.一种能够高效释放电池容量的碱性电池，包括电池壳，电池壳内同轴套设隔离元件，电池壳与隔离元件之间的环形空腔内填入压制好的正极环，隔离元件由多层筒形隔离纸同轴间隔套设而成，相邻隔离纸之间形成环形的电解液腔，隔离元件内层隔离纸的内筒空腔中填充负极材料，隔离元件的上端开口处封装有与负极材料连接的负极集电体，该负极集电体向外延伸封闭隔离元件与电池壳之间环形空腔的上端开口，正极环由固体原料和液体原料混合压制而成，该液体原料为正极区域用KOH电解液；电解液腔内为隔离纸区用KOH电解液；负极材料由固体原料和液体原料混合制得，该液体原料为负极区域用KOH电解液，其特征在于：正极区域用KOH电解液的浓度≤隔离纸区用KOH电解液的浓度，隔离纸区用KOH电解液的浓度≤负极区域用KOH电解液的浓度，其中，正极区域用KOH电解液为质量浓度为25～32％的KOH电解液，负极区域用KOH电解液为质量浓度为35～40％的KOH电解液。
2.根据权利要求1所述的一种能够高效释放电池容量的碱性电池，其特征在于：所述正极区域用KOH电解液的浓度为质量浓度为25～30％的KOH电解液。
3.根据权利要求1所述的一种能够高效释放电池容量的碱性电池，其特征在于：所述隔离纸区用KOH电解液为质量浓度为30～35％的KOH电解液。
4.根据权利要求1所述的一种能够高效释放电池容量的碱性电池，其特征在于：所述正极区域用KOH电解液的浓度＜隔离纸区用KOH电解液的浓度＜负极区域用KOH电解液的浓度。
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