CN110911633A - β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料和包含所述材料的电池 - Google Patents

β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料和包含所述材料的电池 Download PDF

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Abstract

β‑脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料和包含所述材料的电池。本发明涉及电化学活性阴极材料。电化学活性阴极包含β‑脱锂层状氧化镍。所述β‑脱锂层状氧化镍具有X射线衍射图案。β‑脱锂层状氧化镍的X射线衍射图案包括约14.9°2θ‑约16.0°2θ的第一峰；约21.3°2θ‑约22.7°2θ的第二峰；约37.1°2θ‑约37.4°2θ的第三峰；约43.2°2θ‑约44.0°2θ的第四峰；约59.6°2θ‑约60.6°2θ的第五峰；和约65.4°2θ‑约65.9°2θ的第六峰。

Description

β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料和包含所述材料的 电池
本申请是申请日为2015年3月19日的发明名称为“β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料和包含所述材料的电池”的PCT/US2015/021381号发明专利申请的分案申请，原申请进入中国国家阶段获得的国家申请号为201580016736.0。
技术领域
本发明涉及电化学活性阴极材料，且更具体而言，涉及β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料。
背景技术
电化学单电池或电池，通常用作电力能源。电池包含负极，通常称为阳极；和正极，通常称为阴极。阳极包含可以被氧化的电化学活性阳极材料。阴极包含可以被还原的电化学活性阴极材料。电化学活性阳极材料能够还原电化学活性阴极材料。分隔物布置在阳极和阴极之间。电池部件布置在通常由金属制得的罐或壳体中。
当电池用作电子设备中的电能源时，使阳极和阴极电接触，让电子流动通过设备并允许出现相应氧化和还原反应以提供电功率到电子设备。电解质与阳极、阴极和分隔物接触。电解质包含流动通过阳极和阴极之间的分隔物的离子以保持整个电池在放电期间的电荷平衡。
对制备更好适用于向现代电子设备供电的电池的需要一直在增长，所述电子设备例如玩具；遥控器；音频设备；闪光灯；数码照相机和外围摄影装备；电子游戏；牙刷；无线电设备；和时钟。为了满足该需要，电池可以包括较高载量的电化学活性阳极和/或阴极材料以提供提高的容量和服务寿命。然而，电池还以通用尺寸出现，例如AA、AAA、AAAA、C和D电池尺寸，具有固定的外部尺寸和受限的内部体积。因此限制单独提高电化学活性材料载量以获得表现更好的电池的能力。
电池的电化学活性阴极材料为另一种设计特点，可以调节以便提供提高的性能。例如，具有较高的体积和重量容量的电化学活性材料会产生表现较好的电池。类似地，具有较高氧化态的电化学活性材料也会产生表现较好的电池。然而，所选择的电化学活性材料必须提供可接受的闭路电压，或运行电压、电池可以供电的设备的范围。如果电池的OCV或运行电压太高，该设备可能会损坏。相反，如果电池的运行电压太低，该设备完全不会运行。另外，电化学活性材料，例如高氧化态过渡金属氧化物，可以具有高反应性。当电化学活性材料在电池内结合且使其与电解质接触时，这种电化学活性材料的高反应性性质会导致产气。放出的任何气体会导致电池内的结构问题，例如阴极内的连续性和/或电解质从电池泄露。高氧化态过渡金属氧化物可以与其他电池组分有害反应，例如碳添加剂，例如石墨；其他添加剂，例如表面活性剂；和/或分隔物。高氧化态过渡金属氧化物还会具有消耗电解质的趋势，这会导致电池内的其他结构问题，例如电池内的阴极膨胀和不利的水平衡。还有，当电池储存一段时间时，包含高氧化态过渡金属氧化物作为电化学活性阴极材料的电池可以例如呈现不稳定性和提升的自放电速率。
对提供用于电池的电化学活性阴极材料存在需要，以解决上文讨论的需要。本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料尤其解决这些需要。
发明内容
在一个实施方案中，本发明涉及电化学活性阴极材料。电化学活性阴极包含β-脱锂层状氧化镍。β-脱锂层状氧化镍具有X射线衍射图案。β-脱锂层状氧化镍的X射线衍射图案包括约14.9°2θ-约16.0°2θ的第一峰；约21.3°2θ-约22.7°2θ的第二峰；约37.1°2θ-约37.4°2θ的第三峰；约43.2°2θ-约44.0°2θ的第四峰；约59.6°2θ-约60.6°2θ的第五峰；和约65.4°2θ-约65.9°2θ的第六峰。
在另一个实施方案中，本发明涉及电池。所述电池包括阴极；阳极；在阳极和阴极之间的分隔物；和电解质。所述阴极包含导电添加剂和电化学活性阴极材料。所述电化学活性阴极材料包含β-脱锂层状氧化镍。所述阳极包含电化学活性阳极材料。所述电化学活性阳极材料包含锌。所述β-脱锂层状氧化镍具有X射线衍射图案。所述β-脱锂层状氧化镍的X射线衍射图案包括约14.9°2θ-约16.0°2θ的第一峰；约21.3°2θ-约22.7°2θ的第二峰；约37.1°2θ-约37.4°2θ的第三峰；约43.2°2θ-约44.0°2θ的第四峰；约59.6°2θ-约60.6°2θ的第五峰；和约65.4°2θ-约65.9°2θ的第六峰。
附图说明
虽然说明书结尾是特别指出和明确要求保护认为形成本发明的主题的权利要求，但应当认为结合附图，本发明从以下描述将更好理解。
图1为包含本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的实施方案的一次碱性电池的横截面。
图2包括本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的实施方案的粉末X射线衍射图案连同其他材料的粉末X射线衍射图案。
图3为包括电压指示器的本发明的一次碱性电池的透视图。
具体实施方案
电化学单电池，或电池，可以为一次或二次。一次电池表示例如放电到耗尽，只有一次且随后丢弃。例如在David Linden，Handbook of Batteries (2011年第4版)中描述了一次电池。二次电池旨在再充电。二次电池可以放电和再放电许多次，例如，超过五十次、一百次或更多。例如在David Linden，Handbook of Batteries (2011年第4版)中描述了二次电池。因此，电池可以包括各种电化学电对和电解质组合。尽管文中提供的描述和实施例一般涉及一次碱性电化学单电池或电池，应当了解本发明适用于水性、非水性、离子液体和固态体系的一次和二次电池两者。上述体系的一次和二次电池因此在本申请的范围内，且本发明并不限于任何具体实施方案。
参考图1，显示一次碱性电化学单电池或电池10，包括阴极12、阳极14、分隔物16和壳体18。电池10还包括集电体20、密封件22和端盖24。端盖24充当电池10的负极端。正极突起(pip)26与端盖24在电池10的相对端。正极突起26可以充当电池10的正极端。电解质溶液分散在整个电池10中。阴极12、阳极14、分隔物16、电解质、集电体20和密封件22包括在壳体18内。电池10例如可以为AA、AAA、AAAA、C或D碱性电池。
壳体18可以为通常用于一次碱性电池的任何常规类型的壳体且可以由任何合适基材制备，例如冷轧钢或镀镍冷轧钢。壳体18可以具有圆筒形状。壳体18可以为任何其他合适的非圆筒形状。壳体18，例如，可以具有包括至少两个平行板的形状，例如矩形、正方形或棱柱形状。壳体18可以，例如，由基材例如冷轧钢或镀镍钢的片深拉成形。壳体18可以，例如，拉成圆筒形状。壳体18可以具有至少一个开口端。壳体18可以具有封闭端和开口端以及在其间的侧壁。壳体18的侧壁的内部表面可以用材料处理，所述材料提供壳体18的侧壁的内部表面和电极例如阴极12之间的低电接触电阻。壳体18的侧壁的内部表面可以例如用镍、钴镀覆，和/或用碳负载涂料涂抹以降低例如壳体18的侧壁的内部表面和阴极12之间的接触电阻。
阴极12包含至少一种电化学活性阴极材料。电化学活性阴极材料可以为β-脱锂层状氧化镍。β-脱锂层状氧化镍可以具有化学通式LixAyNi1+a-zMzO2∙nH2O，其中x为约0.02-约0.20；y为约0.03-约0.20；a为约0-约0.2；z为约0-约0.2；n为约0-约1；A包括碱金属；且M包括碱土金属、过渡金属、非过渡金属及其任何组合。
来自元素周期表的1A族的元素通常称为碱金属。碱金属可以包括来自元素周期表的1A族的元素或元素的任何组合。碱金属可以包括，例如，钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)及其任何组合。
来自元素周期表的IIA族的元素通常称为碱土金属。碱土金属可以包括来自元素周期表的IIA族的元素或元素的任何组合。碱土金属可以包括，例如，镁(Mg)。
来自元素周期表的IB-VIIIB族的元素通常称为过渡金属。过渡金属可以包括来自元素周期表的IB-VIIIB族的元素或元素的任何组合。过渡金属可以包括，例如，钴(Co)、锰(Mn)、锌(Zn)、钇(Y)、钛(Ti)及其任何组合。
非过渡金属可以包括，例如，铝(Al)、镓(Ga)、锗(Ge)、铟(In)、锡(Sn)及其任何组合。
碱金属可以例如为钾(K)。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为LixKyNi1+a-zMzO2∙nH2O，其中x为约0.02-约0.20；y为约0.03-约0.20；a为约0-约0.2；z为约0-约0.2；n为约0-约1。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为Li0.11K0.11NiO2∙0.5H2O或Li0.06K0.12NiO2∙0.53H2O。
碱土金属可以例如为镁(Mg)。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为LixKyNi1+a- zMgzO2∙nH2O，其中x为约0.02-约0.2；y为约0.03-约0.2；a为约0-约0.2；z为约0-约0.2；且n为约0-约1。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为Li0.15K.10Ni1.05Mg0.04O2∙0.24H2O。
过渡金属可以例如为钴(Co)。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为LixKyNi1+a- zCozO2∙nH2O，其中x为约0.02-约0.2；y为约0.03-约0.2；a为约0-约0.2；z为约0-约0.2；且n为约0-约1。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为Li0.04K0.11Ni0.97Co0.03O2·nH2O。
非过渡金属可以例如为铝(Al)。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为LixKyNi1+a_zAlzO2∙nH2O，其中x为约0.02-约0.2；y为约0.03-约0.2；a为约0-约0.2；z为约0-约0.2；且n为约0-约1。β-脱锂层状氧化镍的化学式可以例如为Li0.12K0.09Ni1.08Al0.02O2∙0.18H2O。
β-脱锂层状氧化镍内的碱金属、碱土金属、过渡金属和/或非过渡金属的含量可以通过本领域已知的任何可接受的方法测定。例如，β-脱锂层状氧化镍内的碱金属和过渡金属的含量可以通过电感耦合等离子体原子发射(ICP-AE)光谱和/或原子吸收(AA)光谱测定。ICP-AE和/或AA分析可以例如使用例如由J.R. Dean，Practical Inductively CoupledPlasma Spectrometry，第65-87页(2005)和B. Welz和M.B. Sperling，Atomic AbsorptionSpectrometry，第221-294页(1999年第3版)描述的标准方法完成。得自HORIBA Scientific(Kyoto，Japan)的Ultima 2 ICP光谱仪可以用于完成对样品材料例如β-脱锂层状氧化镍的ICP-AE分析。β-脱锂层状氧化镍的ICP-AE分析可以在变化波长下进行，取决于β-脱锂层状氧化镍内包含的元素。
β-脱锂层状氧化镍内的水含量可以通过本领域已知的任何可接受方法测定。例如，β-脱锂层状氧化镍内的水含量可以通过热重分析(TGA)测定。TGA通过测量样品的重量变化与提高温度的函数，测定例如样品材料的吸收和吸附水；样品材料的晶格内的水含量；和样品材料内的全部水含量。TGA例如由R. F. Speyer，Thermal Analysis of Materials(1994)描述。Q5000分析仪得自TA Instruments (Newcastle，DE，USA)，可以用于完成对样品材料例如β-脱锂层状氧化镍的TGA。
粉末X射线衍射(XRD)为用于表征样品材料例如结晶粉末的晶格结构的分析技术。结晶样品材料的XRD分析将产生特征衍射图案，其由对应于样品材料的结晶结构中的衍射平面的不同强度的峰、宽度和衍射角(峰位置)组成。XRD图案可以用X射线衍射仪使用CuKα辐射通过例如由B. D. Cullity和S. R. Stock，Elements of X-ray Diffraction (2001年第3版)描述的标准方法测量。D-8 Advance X射线衍射仪，得自Bruker Corporation(Madison，WI，USA)，可以用于完成样品材料例如β-脱锂层状氧化镍的粉末XRD分析。
单位晶胞参数，例如样品材料的单位晶胞长度和角度可以例如通过XRD图案的Rietveld精细化测定。Rietveld精细化例如由H. M. Rietveld, A Profile RefinementMethod for Nuclear and Magnetic Structures，2 J. Appl. Cryst.，第65-71页(1969)描述。
样品材料的微晶尺寸可以通过包含硅(Si)标准物的样品材料的XRD图案的峰加宽测定。峰加宽分析可以例如通过例如由H. P. Klug和L. E. Alexander X-rayDiffraction Procedures for Polycrystalline and Amorphous Materials，第618-694页(1974)讨论的单峰Scherrer方法或Warren-Averbach方法完成。Warren-Averbach方法还可以用于测定样品材料的残留应变和应力。
半高宽度(FWHM)可以用于表征样品材料的衍射图案中的线的相对锐度或宽度。FWHM可以通过测量峰强度测定；使测量的强度除以2以计算半强度(半高度)；且测量经计算的半高度处按2θ表示的峰宽度。
可以使用归一化的强度，连同峰位置，以比较与样品材料的晶格内的具体衍射平面相关的衍射相对效率。可以计算在相同XRD图案内的峰的归一化强度。XRD图案的所有峰可以相对于具有最高强度的峰(参考峰)进行归一化。归一化（以百分数报道）通过将归一化的峰的强度除以参考峰的强度并乘以100进行。例如，参考峰可以具有425的强度且归一化的峰可以具有106的强度。峰的归一化强度为25%，例如，[(106/425)∙100]。参考峰将具有100%的归一化强度。
所得XRD图案可以与已知XRD图案比较。对比XRD图案可以由已知样品材料产生。另外，所得XRD图案可以与已知XRD图案比较，所述已知XRD图案在例如得自InternationalCentre for Diffraction Data (Newton Square, PA, USA)的粉末衍射文件(PowderDiffraction File (PDF))数据库或得自FIZ Karlsruhe (Eggenstein-Leopoldshafen，Germany)的无机晶体结构数据库(Inorganic Crystal Structure Database (ICSD))内。与已知样品材料或PDF比较确定样品材料的所得XRD图案是否不同、类似或等价于材料的已知XRD图案。用于与例如β-脱锂层状氧化镍比较的PDF数据库内的已知XRD图案包括对于β-羟基氧化镍的PDF #00-06-0141；对于γ-羟基氧化镍的PDF #00-00675；对于氧化镍的PDF#00-059-0463；对于β-氢氧化镍的PDF #00-059-0463；和对于氢氧化钾的PDF #00-036-0791。
β-脱锂层状氧化镍可以具有特征XRD图案。XRD图案可以包括指示β-脱锂层状氧化镍的数个峰，或峰的组合。XRD图案可以包括数个β-脱锂层状氧化镍峰的特征FWHM值。XRD图案还可以包括数个β-脱锂层状氧化镍峰的特征归一化强度。
β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第一峰。第一峰可以具有在XRD图案上约14.9°2θ-约16.0°2θ的峰位置。第一峰可以例如在约15.4°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第二峰。第二峰可以具有在XRD图案上约21.3°2θ-约22.7°2θ的峰位置。第二峰可以例如在约22.1°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第三峰。第三峰可以具有在XRD图案上约37.1°2θ-约37.4°2θ的峰位置。第三峰可以例如在约37.3°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第四峰。第四峰可以具有在XRD图案上约43.2°2θ-约44.0°2θ的峰位置。第四峰可以例如在约43.6°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第五峰。第五峰可以具有在XRD图案上约59.6°2θ-约60.6°2θ的峰位置。第五峰可以例如在约60.1°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第六峰。第六峰可以具有在约65.4°2θ-约65.9°2θ的XRD图案上的峰位置。第六峰可以例如在约65.7°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第七峰。第七峰可以具有在XRD图案上约10.8°2θ-约12.0°2θ的峰位置。第七峰可以例如在约11.2°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第八峰。第八峰可以具有在XRD图案上约47.2°2θ-约47.4°2θ的峰位置。第八峰可以例如在约47.3°2θ。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案可以包括第九峰。第九峰可以具有在XRD图案上约48.1°2θ-约48.6°2θ的峰位置。第九峰可以例如在约48.3°2θ。
β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第一峰可以具有FWHM (FWHM)。第一峰的FWHM可以为约1.01-约2.09。第一峰的FWHM可以例如为约1.37。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第二峰可以具有FWHM。第二峰的FWHM可以为约0.86-约1.95。第二峰的FWHM可以例如为约1.37。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第三峰可以具有FWHM。第三峰的FWHM可以为约0.23-约0.41。第三峰的FWHM可以例如为约0.28。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第四峰可以具有FWHM。第四峰的FWHM可以为约0.40-约0.75。第四峰的FWHM可以例如为约0.60。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第五峰可以具有FWHM。第五峰的FWHM可以为约0.57-约1.45。第五峰的FWHM可以例如为约0.92。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第六峰可以具有FWHM。第六峰的FWHM可以为约0.27-约0.53。第六峰的FWHM可以例如为约0.36。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第七峰可以具有FWHM。第七峰的FWHM可以为约0.56-约1.73。第七峰的FWHM可以例如为约1.13。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第八峰可以具有FWHM。第八峰的FWHM可以为约0.08-约0.21。第八峰的FWHM可以例如为约0.15。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的第九峰可以具有FWHM。第九峰的FWHM可以为约0.33-约0.58。第九峰的FWHM可以例如为约0.45。
β-脱锂层状氧化镍的XRD图案的峰可以归一化。XRD图案的峰可以归一化，例如，到XRD图案的第三峰。XRD图案的第一峰的归一化强度可以为约13%-约37%。XRD图案的第一峰的归一化强度可以例如为约24%。XRD图案的第二峰的归一化强度可以为约6%-约16%。XRD图案的第二峰的归一化强度可以例如为约10%。XRD图案的第三峰的归一化强度可以例如为100%。XRD图案的第四峰的归一化强度可以为约45%-约73%。XRD图案的第四峰的归一化强度可以例如为约58%。XRD图案的第五峰的归一化强度可以为约7%-约17%。XRD图案的第五峰的归一化强度可以例如为约11%。XRD图案的第六峰的归一化强度可以为约41%-约61%。XRD图案的第六峰的归一化强度可以例如为约48%。XRD图案的第七峰的归一化强度可以为约2%-约18%。XRD图案的第七峰的归一化强度可以例如为约6%。XRD图案的第八峰的归一化强度可以为约8%-约20%。XRD图案的第八峰的归一化强度可以例如为约10%。XRD图案的第九峰的归一化强度可以为约6%-约20%。XRD图案的第九峰的归一化强度可以例如为约12%。
当使材料与水性电解质接触时，电化学活性材料，例如β-脱锂层状氧化镍，可以产生气体，例如氧气。当使电化学活性材料与电解质接触时，气体产生速率可以定性观察且可以定量测定。
电化学活性材料的气体产生速率(GER)的定性速率可以通过目视观察测定。例如，一定量的电化学活性材料，例如β-脱锂层状氧化镍可以放在容器（例如皮氏培养皿）内。一定量的电解质，例如氢氧化钾的9当量浓度(9N)水性溶液，可以随后加到包含电化学活性材料的皮氏培养皿。当电解质接触电化学活性材料时，气泡可以开始形成。气泡的形成可以例如缓慢、快速，且在一些情形下剧烈。对于一种电化学活性材料的气泡的视觉形成可以与一种或多种其他电化学活性材料定性比较。当与具有高氧化态的其他电化学活性材料（例如高氧化态过渡金属氧化物，例如α-脱锂氧化镍）比较时，β-脱锂层状氧化镍可以呈现较低的定性GER。
气体产生的定量速率可以通过产气速率(GER)监控器测定。例如，一定量的电化学活性材料，例如β-脱锂层状氧化镍，可以与一定量的电解质，例如氢氧化钾的9当量浓度(9N)水性溶液混合。该混合物可以放在可以密封闭合的容器例如玻璃罐内。玻璃罐可以随后密封且可以在室内条件下或在提升温度下储存在例如烘箱内。压力传感器可以例如连接到玻璃罐的盖。压力传感器可以监控玻璃罐内的气压变化，所述气压变化产生自当电解质接触电化学活性材料时可以产生的任何气体。得自Valcom S.r.l. (Milan，Italy)的27A系列压力传感器可以为合适的压力传感器。数据采集单元可以连接到压力传感器以记录玻璃罐内的气压随时间的变化。得自Agilent Technologies，Inc. (Santa Clara，CA，USA)的34970A数据采集/数据记录器转换单元为合适的数据采集单元。当与具有高氧化态的其他电化学活性材料（例如高氧化态过渡金属氧化物，例如α-脱锂氧化镍）比较时，β-脱锂层状氧化镍可以呈现较低的定量GER。
电化学活性材料，例如β-脱锂层状氧化镍的稳定性可以使用等温微量热法(IMC)评估。IMC测量和记录到样品材料或来自样品材料的热流，所述样品材料的热流由动态化学和/或物理方法随时间产生。IMC还测量和记录通过化学和/或物理方法吸收或产生的累积热量。例如在M. E. Brown，Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry, 第1卷,Principles and Practice (1998)中描述IMC。当将一定量的电化学活性材料，例如β-脱锂层状氧化镍连同电解质例如9当量浓度(9N)水性氢氧化钾电解质放到样品储器，例如塑料样品储器中时，可以进行并记录IMC测量。样品储器可以密封并放到例如约40℃的温度控制浴中。例如β-脱锂层状氧化镍和电解质之间的反应可以为放热的。由放热反应过程产生的热可以例如使用得自TA Instruments (Newcastle，DE，USA)的TAM III等温微量热仪测量并记录。β-脱锂层状氧化镍可以呈现改进稳定性，例如，较低的热产生，当与具有高氧化态的其他电化学活性材料比较时，例如高氧化态过渡金属氧化物，例如，α-脱锂氧化镍。
阴极12还可以包含至少一种或多种另外的电化学活性阴极材料。另外的电化学活性阴极材料可以包括氧化锰、二氧化锰、电解质二氧化锰(EMD)、化学二氧化锰(CMD)、高功率电解质二氧化锰(HP EMD)、λ二氧化锰、γ二氧化锰、β二氧化锰及其混合物。其他电化学活性阴极材料包括，但不限于，氧化银；氧化镍；羟基氧化镍；氧化铜；铜盐，例如碘酸铜；氧化铋；高化合价镍化合物；氧；及其混合物。氧化镍可以包括氢氧化镍、羟基氧化镍、羟基氧化钴涂覆的羟基氧化镍、α-脱锂层状氧化镍及其组合。氢氧化镍或羟基氧化镍可以包括β-羟基氧化镍、γ-羟基氧化镍和/或β-羟基氧化镍和/或γ-羟基氧化镍的共生物。羟基氧化钴涂覆的羟基氧化镍可以包括羟基氧化钴涂覆的β-羟基氧化镍、羟基氧化钴涂覆的γ-羟基氧化镍和/或羟基氧化钴涂覆的β-羟基氧化镍和γ-羟基氧化镍的共生物。
阴极12可以包括导电添加剂例如碳和粘结剂。阴极12还可以包括其他添加剂。碳可以通过促进在阴极12的固体结构内的电子流动来提高阴极12的导电率。碳可以为石墨，例如膨胀石墨和天然石墨；石墨烯、单壁纳米管、多壁纳米管、碳纤维；碳纳米纤维；及其混合物。优选阴极中的碳的量相对低，例如，小于约12%，小于约10%，小于约9%，小于约8%，小于约6%，小于约3.75%，或甚至小于约3.5%，例如约2.0%-约3.5%。较低的碳水平使得能够在阴极12内包含较高载量的电化学活性阴极材料而不提高阴极12的体积或降低电池10内的空隙体积(必须保持在一定水平或高于一定水平以避免当气体在单电池内产生时内部压力上升太高)。电池内使用的合适石墨可以例如为BNB-90和/或BNC-30，得自TIMCAL Carbon &Graphite (Bodio，Switzerland)。
一般优选阴极基本上不含非膨胀石墨。虽然非膨胀石墨颗粒为阴极球粒形成过程提供润滑性，但该类型的石墨相对于膨胀石墨导电性显著较低，且因此有必要使用更多的非膨胀石墨以便获得包含膨胀石墨的阴极的相同阴极导电率。阴极12可以包含低水平的非膨胀石墨。然而，由于非膨胀石墨的较低导电率，包含非膨胀石墨会损害在保持足够水平的阴极导电率的同时可获得的石墨浓度降低。
可以用于阴极12的任选粘结剂的实例包括聚乙烯、聚丙烯酸或氟烃树脂，例如PVDF或PTFE。在电池内使用的任选粘结剂可以例如为COATHYLENE HA-1681，得自E. I. duPont de Nemours and Company (Wilmington，DE，USA)。其他阴极添加剂的实例例如在美国专利号5,698,315、5,919,598、5,997,775和7,351,499中描述。
在阴极12内的电化学活性阴极材料的量可以称为阴极载量。阴极12的载量可以随电池10内使用的电化学活性阴极材料和电池10的尺寸而变化。例如，具有β-脱锂层状氧化镍的AA电池可以具有至少约6克的β-脱锂层状氧化镍的阴极载量。阴极载量可以例如为至少约7克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以例如为约7.2克-约11.5克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约8克-约10克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约8.5克-约9.5克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约9.5克-约11.5克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约10.4克-约11.5克的β-脱锂层状氧化镍。对于AAA电池，阴极载量可以为至少约1.4克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约1.4克-约2.3克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约1.6克-约2.1克的β-脱锂层状氧化镍。阴极载量可以为约1.7克-约1.9克的β-脱锂层状氧化镍。对于AAAA电池，阴极载量可以为约0.7克-约1.2克的β-脱锂层状氧化镍。对于C电池，阴极载量可以为约27.0克-约40.0克，例如约33.5克的β-脱锂层状氧化镍。对于D电池，阴极载量可以为约60.0克-约84.0克，例如约72.0克的β-脱锂层状氧化镍。
阴极组分，例如活性阴极材料、碳颗粒、粘结剂和任何其他添加剂，可以与液体例如水性氢氧化钾电解质结合、共混且压制成用于电池10的组件的球粒。对于最佳阴极球粒加工，一般优选阴极球粒具有约2.5%-约5%、更优选约2.8%-约4.6%范围的水分水平。在组装电池10期间将球粒放到壳体18内之后，通常重新压缩球粒以在壳体18内形成均匀的阴极组件。
阴极12将具有可以在阴极制造时计算的孔隙度。阴极12的孔隙度可以为约20%-约40%，约22%-约35%，且例如为约26%。阴极12的孔隙度可以在制造时计算，例如在阴极球粒加工之后，由于电池10内的阴极12的孔隙度可以随时间变化，尤其由于与阴极的电解质润湿和电池10的放电相关的阴极膨胀。阴极12的孔隙度可以如以下计算。可以从参考书采用各种固体阴极组分的真实密度，例如Lange’s Handbook of Chemistry (2005年第16版)。各种阴极组分的固体重量通过电池设计来限定。各种阴极组分的固体重量可以除以各种阴极组分的真实密度以测定阴极固体体积。被电池10内的阴极12占据的体积再次通过电池设计来限定。被阴极12占据的体积可以通过计算机辅助设计(CAD)程序计算。孔隙度可以通过下式测定：
阴极孔隙度=[1-(阴极固体体积÷阴极体积)] x 100
例如，AA电池的阴极12可以包含作为阴极12内的固体的约9.0克的α-脱锂层状氧化镍和约0.90克的石墨(BNC-30)。α-脱锂层状氧化镍和石墨的真实密度可以分别为约4.9g/cm3和约2.15g/cm3。使固体的重量除以相应的真实密度产生约1.8cm3的α-脱锂层状氧化镍占据的体积和约0.42cm3的石墨占据的体积。总固体体积为约2.2cm3。电池设计者可以选择被阴极12占据的体积为约3.06cm3。根据以上公式[1-(2.2cm3 ÷ 3.06cm3)]计算阴极孔隙度得到约0.28或28%的阴极孔隙度。
阳极14可以由至少一种电化学活性阳极材料、凝胶剂和较少量的添加剂例如有机和/或无机产气抑制剂形成。电化学活性阳极材料可以包含锌；氧化锌；氢氧化锌；镉；铁；金属氢化物，例如AB5(H)、AB2(H)和A2B7(H)；其合金；及其混合物。
阳极14内的电化学活性阳极材料的量可以称为阳极载量。阳极14的载量可以随电池内使用的电化学活性阳极材料和电池的尺寸而变化。例如，具有锌电化学活性阳极材料的AA电池可以具有至少约3.3克锌的阳极载量。阳极载量可以例如为至少约3.5克、约3.7克、约3.9克、约4.1克、约4.3克或约4.5克锌。阳极载量可以为约4.0克-约5.2克锌。阳极载量可以为约4.2克-约5.0克锌。例如，具有锌电化学活性阳极材料的AAA电池可以具有至少约1.8克锌的阳极载量。例如，阳极载量可以为约1.8克-约2.2克锌。阳极载量可以例如为约1.9克-约2.1克锌。例如，具有锌电化学活性阳极材料的AAAA电池可以具有至少约0.6克锌的阳极载量。例如，阳极载量可以为约0.7克-约1.1克锌。例如，具有锌电化学活性阳极材料的C电池可以具有至少约9.5克锌的阳极载量。例如，阳极载量可以为约10.0克-约19.0克锌。例如，具有锌电化学活性阳极材料的D电池可以具有至少约30.0克锌的阳极载量。例如，阳极载量可以为约30.0克-约45.0克锌。阳极载量可以例如为约33.0克-约39.5克锌。
可以使用的凝胶剂的实例包括聚丙烯酸；与二乙烯基二醇的聚烯基醚交联的聚丙烯酸；接枝的淀粉材料；聚丙烯酸的盐；羧甲基纤维素；羧甲基纤维素的盐(例如羧甲基纤维素钠)；或其组合。阳极14可以包含产气抑制剂，其可以包括无机材料，例如铋、锡或铟。或者，产气抑制剂可以包括有机化合物例如磷酸酯、离子表面活性剂或非离子表面活性剂。
电解质可以分散遍布阴极12、阳极14和分隔物16。电解质在水性溶液中包含离子导电组分。离子导电组分可以为氢氧化物。氢氧化物可以例如为氢氧化钾、氢氧化铯及其混合物。离子导电组分的浓度可以根据电池设计及其需要性能选择。水性碱性电解质可以包含氢氧化物作为具有水的溶液中的离子导电组分。电解质内的氢氧化物的浓度可以为约0.20-约0.40，或约20%-约40%，基于电池10内的全部电解质的重量。例如，电解质的氢氧化物浓度可以为约0.25-约0.32或约25%-约32%，基于电池10内的全部电解质的重量。水性碱性电解质还可以包含氧化锌(ZnO)。ZnO可以用于抑制阳极内的锌腐蚀。电解质内包含的ZnO的浓度可以为小于电池10内的全部电解质的约5%重量。ZnO浓度，例如，可以为电池10内的全部电解质的约1%重量-约3%重量。
AA碱性电池内的水性碱性电解质的总重量例如可以为约3.0克-约4.4克。AA电池内的电解质的总重量优选可以例如为约3.3克-约3.8克。AA电池内的电解质的总重量可以例如为约3.4克-约3.65克。AAA碱性电池内的水性碱性电解质的总重量例如可以为约1.0克-约2.0克。AAA电池内的电解质的总重量可以例如为约1.2克-约1.8克。AAA电池内的电解质的总重量可以例如为约1.4克-约1.6克。AAAA电池内的电解质的总重量可以为约0.68克-约0.78克，例如，约0.70克-约0.75克。C电池内的电解质的总重量可以为约12.3克-约14.1克，例如，约12.6克-约13.6克。D电池内的电解质的总重量可以为约26.5克-约30.6克，例如，约27.3克-约29.5克。
分隔物16包含可润湿或被电解质润湿的材料。当液体和材料表面之间的接触角小于90°时或当液体倾向于自发跨材料表面铺展时（两个条件通常共存），认为材料被液体润湿。分隔物16可以包括织造或非织造的纸或织物的单层或多层。分隔物16可以包括例如与非织造材料的层结合的玻璃纸的层。分隔物16还可以包括非织造材料的另外的层。分隔物16还可以在电池10内原位形成。美国专利6,514,637例如公开了这种分隔物材料，及其应用的潜在合适方法。分隔物材料可以为薄的。分隔物16，例如，可以具有小于250微米的干材料厚度。分隔物16可以具有约50微米-约175微米的干材料厚度。分隔物16可以具有约70微米-约160微米的干材料厚度。分隔物16可以具有约40g/m2或更小的基重。分隔物16可以具有约15g/m2-约40g/m2的基重。分隔物16可以具有约20g/m2-约30g/m2的基重。分隔物16可以具有一定的空气渗透率值。分隔物16可以具有如在国际标准化组织(ISO)标准2965中限定的空气渗透率值。分隔物16的空气渗透率值可以为约2000cm3/cm2·min @ 1kPa至约5000cm3/cm2·min @ 1kPa。分隔物16的空气渗透率值可以为约3000cm3/cm2·min @ 1kPa至约4000cm3/cm2·min @ 1kPa。分隔物16的空气渗透率值可以为约3500cm3/cm2·min @ 1kPa至约3800cm3/cm2·min @ 1kPa。
集电体20可以通过本领域的任何已知方法制备成用于具体电池设计的任何合适形状。集电体20可以具有，例如，钉状形状。集电体20可以具有柱状主体且头位于柱状主体的一端。集电体20可以由金属例如锌、铜、黄铜、银或任何其他合适材料制得。集电体20可以任选用锡、锌、铋、铟或另一种合适材料镀覆，在集电体20和例如阳极14之间呈现低电-接触电阻。当集电体20被阳极14接触时，镀覆材料还可以呈现抑制气体形成的能力。
密封件22可以通过使聚合物（例如聚酰胺、聚丙烯、聚醚氨基甲酸酯等）、聚合物复合材料及其混合物注射模塑成具有预定尺寸的形状来制备。密封件22可以例如由Nylon 6,6、Nylon 6,10、Nylon 6,12、Nylon 11、聚丙烯、聚醚氨基甲酸酯、共聚物、复合材料及其混合物制得。例示性注射成型方法包括冷流道方法和热流道方法两者。密封件22可以包含其他已知的功能材料，例如增塑剂、结晶成核剂、抗氧化剂、脱模剂、润滑剂和抗静电剂。密封件22还可以用密封剂涂覆。密封件22可以在使用之前在电池10内增湿。密封件22，例如，可以具有约1.0重量%-约9.0重量%的水分含量，取决于密封件材料。集电体20可以插入并通过密封件22。
端盖24可以足以封闭相应电池的任何形状形成。端盖24可以具有，例如，圆筒或棱柱形状。端盖24可以通过将材料压制成具有合适尺寸的需要的形状形成。端盖24可以由任何合适材料制得，所述任何合适材料将在电池10的放电期间传导电子。端盖24可以例如由镀镍钢或镀锡钢制得。端盖24可以电连接到集电体20。端盖24可以例如通过焊接到集电体20电连接到集电体20。端盖24还可以包括一个或多个孔口，例如孔，用于使可以使在电池10内的产气事件期间在端盖24下积聚的任何气压通风，例如在设备内的电池10的深放电或反转期间，这会导致通风孔破裂。
包括包含β-脱锂层状氧化镍的阴极12的电池10可以具有以伏特测量的开路电压(OCV)。电池10可以具有约1.70V-约1.85V的OCV。电池10可以具有例如约1.78V的OCV。
相对于例如包含高氧化态过渡金属氧化物电化学活性阴极材料的电池，包含本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的电池可以具有对于低、中和高放出放电速率的改进放电性能。相对于例如包含高氧化态过渡金属氧化物电化学活性阴极材料的电池，包含本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的电池可以具有较低闭路电压。相对于例如包含高氧化态过渡金属氧化物电化学活性阴极材料的电池，包含本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的电池可以具有较低的产气。包含本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料的电池可以具有比例如包含高氧化态过渡金属氧化物电化学活性阴极材料的电池较大的阴极结构完整性、连续性和泄漏特征。相对于在电池内结合的例如高氧化态过渡金属氧化物电化学活性阴极材料，本发明的β-脱锂层状氧化镍电化学活性阴极材料在电池内结合时，可以消耗较少的水，导致较小的阴极膨胀和不利水平衡。
参考图2，显示数个样品材料的XRD图案。本发明的β-脱锂层状氧化镍110(Li0.06K0.12NiO2∙0.53H2O)的例示性XRD图案包括在图2内。β-脱锂层状氧化镍110的例示性XRD图案包括在约15.6°2θ的第一峰(111)；在约21.9°2θ的第二峰(112)；在约37.3°2θ的第三峰(113)；在约43.6°2θ的第四峰(114)；在约59.9°2θ的第五峰(115)；和在约65.8°2θ的第六峰(116)。β-脱锂层状氧化镍110的例示性XRD图案还包括在约11.2°2θ的第七峰(117)；在约47.3°2θ的第八峰(118)；和在约48.3°2θ的第九峰(119)。
仍参考图2，显示γ-羟基氧化镍120 (γ-NiOOH)的例示性XRD图案。γ-羟基氧化镍120的XRD图案包括在约12.8°2θ的第一峰(121)；在约25.5°2θ的第二峰(122)；在约37.8°2θ的第三峰(123)；在约42.9°2θ的第四峰(124)；在约66.3°2θ的第五峰(125)；和在约67.7°2θ (126)的第六峰。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于γ-羟基氧化镍的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约21.9°2θ (112)；和在约59.9°2θ (115)。γ-羟基氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约11.2°2θ (117)；在约47.3°2θ (118)；和在约48.3°2θ (119)。γ-羟基氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，显示α-脱锂层状氧化镍130 (Li0.06NiO2)的例示性XRD图案。α-脱锂层状氧化镍130的例示性XRD图案包括在约18.5°2θ的第一峰(131)；在约37.2°2θ的第二峰(132)；在约38.8°2θ的第三峰(133)；在约44.9°2θ的第四峰(134)；在约58.6°2θ的第五峰(135)；和在约64.1°2θ的第六峰(136)。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于α-脱锂层状氧化镍的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约21.9°2θ (112)；和在约43.6°2θ (114)。α-脱锂层状氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是在约11.2°2θ (117)。α-脱锂层状氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，显示氧化镍140 (NiO)的例示性XRD图案。氧化镍140的XRD图案包括在约37.2°2θ的第一峰(141)；在约43.3°2θ的第二峰(142)；和在约62.9°2θ的第三峰(143)。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于氧化镍的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约21.9°2θ (112)；在约59.9°2θ(115)；和在约65.8°2θ (116)。氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约11.2°2θ(117)；在约47.3°2θ (118)；和在约48.3°2θ (119)。氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，显示β-氢氧化镍150 (β-Ni(OH)2)的例示性XRD图案。β-氢氧化镍150的XRD图案包括在约19.2°2θ的第一峰(151)；在约33.1°2θ的第二峰(152)；在约38.5°2θ的第三峰(153)；在约52.2°2θ的第四峰(154)；在约59.2°2θ的第五峰(155)；和在约62.8°2θ的第六峰(156)。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于β-氢氧化镍的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约21.9°2θ(112)；在约43.6°2θ (114)；和在约65.8°2θ (116)。β-氢氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约11.2°2θ(117)；在约47.3°2θ (118)；和在约48.3°2θ (119)。β-氢氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，显示β-羟基氧化镍160 (β-NiOOH)的例示性XRD图案。β-羟基氧化镍160的XRD图案包括在约19.1°2θ的第一峰(161)和在约37.9°2θ的第二峰(162)。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于β-羟基氧化镍的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约21.9°2θ (112)；在约43.6°2θ(114)；在约59.9°2θ (115)；和在约65.8°2θ (116)。β-羟基氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约11.2°2θ(117)；在约47.3°2θ (118)；和在约48.3°2θ (119)。β-羟基氧化镍的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，氢氧化钾170(KOH)的例示性XRD图案。氢氧化钾170的XRD图案包括在约22.1°2θ的第一峰(171)；在约28.4°2θ的第二峰(172)；在约30.5°2θ的第三峰(173)；在约33.3°2θ的第四峰(174)；在约39.1°2θ的第五峰(175)；和在约45.8°2θ的第六峰(176)。β-脱锂层状氧化镍的XRD图案不同于氢氧化钾的XRD图案。例如，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是：在约15.6°2θ (111)；在约37.3°2θ (113)；在约43.6°2θ(114)；在约59.9°2θ (115)；和在约65.8°2θ (116)。氢氧化钾的XRD图案不包括这样的峰。另外，β-脱锂层状氧化镍的XRD图案包括在XRD图案内不同的峰，尤其是在约11.2°2θ(117)。氢氧化钾的XRD图案不包括这样的峰。
仍参考图2，β-脱锂层状氧化镍110、α-脱锂层状氧化镍130、氧化镍140、β-氢氧化镍150和氢氧化钾170的XRD图案包括在约28.5°2θ的峰(101)，指示NIST 640d硅标准物。硅标准物用于2θ衍射角校准。
参考图3，显示了包括具有指示器或测试器330的标签320的电池310，所述指示器或测试器330结合在标签320内以例如测定电池310的电压、容量、充电状态和/或功率。标签320可以为具有透明或半透明层的层压多层膜，所述透明或半透明层具有标签图像和文字。标签320可以由聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)及其他类似的聚合物材料制得。测试器330可以例如包括热变色或电变色指示器。在热变色电池测试器中，指示器可以与电池310的壳体和端盖电接触放置。消费者通过人工按压位于测试器330内包括的电路内的开关激活指示器。一旦开关被按压，消费者通过热变色测试器连接电池310的阳极（经由端盖）到电池310的阴极（经由壳体）。热变色测试器可以包括具有可变宽度的银导体从而导体的电阻还沿着其长度变化。电流产生热，当电流通过银导体行进时，热改变在银导体上的热变色油墨显示器的颜色。测试器330可以配置为用于例如指示电池310的相对容量的计量器。电流越高，产生越多的热，且计量器将改变更多以指示电池310良好。
实验试验
经由ICP-AE的元素分析
对电化学活性材料的样品完成经由ICP-AE的元素分析以测定样品材料的元素含量。ICP-AE分析使用HORIBA Scientific Ultima 2 ICP光谱仪完成。ICP-AE分析通过在光谱仪内放置样品溶液完成。样品溶液以取决于需要分析的元素的方式制备。
对于元素分析，通过将约0.15克的样品材料加到约20mL硝酸(HNO3)的8当量浓度(8N)溶液中制备第一溶液。在约210℃下加热第一溶液，直到几乎所有液体蒸发出。随后让第一溶液冷却到约100℃-约150℃。通过在第一溶液冷却之后将约10mL浓盐酸(HCl)加到第一溶液中形成第二溶液。第二溶液在约210℃下加热，直到几乎所有液体蒸发出。随后让第二溶液冷却。通过在第二溶液冷却到约100℃-约150℃之后将约10mL浓HCl加到第二溶液中形成第三溶液。在约210℃下加热第三溶液，直到几乎所有液体蒸发出。随后将第三溶液放到约110℃的烘箱中1小时。在储存在烘箱内之后，让第三溶液冷却。通过将5mL浓HCl加到第三溶液中形成第四溶液。将第四溶液加热到约210℃，直到样品材料溶解在第四溶液内。让第四溶液冷却。通过将第四溶液转移到100mL容量瓶中并将蒸馏水加到第四溶液中直到容量瓶的100mL刻度线形成第五溶液。第五溶液用于使用ICP-AE光谱仪对锂(Li)、钾(K)和铷(Rb)进行元素分析。第六溶液通过以下步骤形成：将1mL第五溶液转移到50mL离心管中；将约2.5mL浓HCl加到离心管中；将蒸馏水加到离心管中从而第六溶液的总重量为50克；且混合离心管的组分。第六溶液用于使用ICP-AE光谱仪对镍(Ni)进行元素分析。
β-脱锂层状氧化镍的ICP-AE分析在对钾(K)、锂(Li)、镍(Ni)和铷(Rb)特定的不同波长下进行。例如，用于分析β-脱锂层状氧化镍内的钾(K)的波长(λ)可以设定在约766nm。例如，用于分析β-脱锂层状氧化镍内的锂(Li)的波长(λ)可以设定在约610nm。例如，用于分析β-脱锂层状氧化镍内的镍(Ni)的波长(λ)可以设定在约231nm。例如，用于分析β-脱锂层状氧化镍内的铷(Rb)的波长(λ) 可以设定在约780nm。
下表1包括α-脱锂层状氧化镍(材料A)和β-脱锂层状氧化镍(材料B)的经由ICP-AE结果的元素分析。报道了样品材料内的锂(Li)、镍(Ni)和钾(K)的重量%。经由ICP-AE数据的元素分析用于测定材料A和材料B的化学成分。经由ICP-AE的元素分析还用于确定材料A和材料B在其相应的化学成分内不具有不合乎需要的副产物或分解产物。
经由热重量分析(TGA)的水含量
对电化学活性材料的样品完成经由TGA的水含量，以测定样品材料内的吸收/吸附水、结晶水和总水含量。TGA分析使用TA Instruments Q5000分析仪完成。
TGA分析通过将约34mg样品放到TGA样品储器上进行。样品材料在5℃/min的速率下加热到约800℃的温度。加热样品在氮气存在下进行，氮气以例如约25mL/min的速率流动。测量样品重量作为时间和温度的函数。
表1包括α-脱锂层状氧化镍(材料A)和β-脱锂层状氧化镍(材料B)的经由TGA测量的水含量。经由TGA测量的水含量用于测定材料A和材料B的化学成分中存在的晶格水。经由TGA测量的水含量还用于测定吸附到材料A和材料B的表面的水以确定在相应材料中不存在过量水。
定性产气速率(GER)分析
对电化学活性材料的样品完成定性气体产生速率(GER)分析，以定性测定产气速率。定性GER分析通过目视观察完成。定性GER分析包括将约1克样品材料放在皮氏培养皿中并将约0.5克的9当量浓度(9N)水性氢氧化钾电解质加到皮氏培养皿内的样品材料中。随后目视观察并记录定性GER。
表1包括α-脱锂层状氧化镍(材料A)和β-脱锂层状氧化镍(材料B)的定性GER结果。α-脱锂层状氧化镍(材料A)呈现高定性GER。β-脱锂层状氧化镍(材料B)呈现低定性GER。
定量产气速率(GER)分析
对电化学活性材料的样品完成定量产气速率(GER)分析，以定量测定产气速率。定量GER分析使用连接到可密封的100mL玻璃罐的盖的Valcom Series 27A压力传感器完成。Agilent 34970A数据采集单元连接到压力传感器。将约2.5克的样品材料和约1.5克的9当量浓度(9N)水性氢氧化钾电解质的混合物放在玻璃罐内。玻璃罐随后用盖密封。密封玻璃罐随后放到约40℃的温度的烘箱中。通过样品材料与电解质接触随时间产生的任何气体的压力通过Agilent数据记录器记录。
表1包括α-脱锂层状氧化镍(材料A)和β-脱锂层状氧化镍(材料B)的定量GER结果。β-脱锂层状氧化镍(材料B)最初产生气体。在测量约20小时之后，材料B产生约65毫巴气体。在测量约40小时之后，材料B产生约69毫巴气体。在测量约80小时之后，材料B产生约74毫巴气体。
α-脱锂层状氧化镍(材料A)最初产生较大量的气体，且速率比材料B较快。在测量约20小时之后，材料A产生约137毫巴气体。在测量约40小时之后，材料B产生约150毫巴气体。在测量约80小时之后，材料B产生约169毫巴气体。对于每个测量点的通过材料A产生的气体大于在相同测量点的通过材料B产生的气体的量的两倍。
经由等温微量热法(IMC)分析的稳定性测定
对电化学活性材料的样品进行经由IMC的稳定性测定，以测定通过与电解质接触的样品材料产生的热的量和速率。稳定性测定使用TA Instruments TAM III等温微量热仪完成。混合物通过将约1.5克的9当量浓度(9N)水性氢氧化钾电解质加到玻璃烧杯内的约2.5克的样品材料中制备。将约1克混合物转移到1.5mL塑料小瓶中。将包含混合物的塑料小瓶放到TA Instruments 4mL玻璃安瓿中。随后将玻璃安瓿密封并放到约40℃的温度的等温微量热仪中。随后测量并记录通过样品材料产生的热相对于时间。
表1包括α-脱锂层状氧化镍(材料A)和β-脱锂层状氧化镍(材料B)的经由IMC结果的稳定性测定。材料A和材料B两者初始分别产生热，分别为约7×10-3W/g和约1×10-3W/g。通过材料A产生的热稳定并保持相对恒定，在测量约两小时之后为约1×10-3W/g。然而，在该相同时间点，通过材料B产生的热降低到约7×10-5W/g。通过材料A产生的热（约1×10-3W/g）和通过材料B产生的热（约6×10-5W/g）在测量的约一天之后保持相对恒定。通过材料A产生的热（约4×10-5W/g）和通过材料B产生的热（约2×10-5W/g）在测量约三天之后降低。
当存在9当量浓度(9N)水性氢氧化钾电解质时，材料B在初始的热产生峰值之后产生比材料A少的热。当存在9N水性氢氧化钾电解质时，材料B因此比材料A更稳定。稳定性测量确定上文讨论的定性和定量GER实验中发现的材料A和材料B的相对反应性。
表1. 材料A和材料B的ICP-AE、TGA、GER和IMC数据
Figure DEST_PATH_IMAGE001
粉末X射线衍射分析
对结晶粉末样品进行粉末X射线衍射(XRD)分析，以测定结晶粉末样品的特征XRD衍射图案。XRD分析使用Bruker D-8 Advance X射线衍射仪完成。对β-脱锂层状氧化镍以及数个对比样品进行XRD分析。将约1克-约2克的样品材料放在Bruker样品储器内。随后将包含样品材料的样品储器放在X射线衍射仪的旋转样品台中且随后通过衍射仪的CuKαX射线源辐射样品材料。通过得自Baltic Scientific Instruments (Riga，Latvia)的Sol-x检测器测量经衍射的X射线。各个样品的XRD图案随后使用通过Bruker Corporation供应的Diffrac-plus软件使用0.02°步长在2秒/步下从10°2θ到80°2θ收集。样品材料的XRD图案随后使用EVA和Topas数据分析软件包分析，两个软件包得自Bruker Corporation。将样品材料的XRD图案与对于已知材料测量的参考XRD图案比较。
表2总结所分析的样品和已知材料以及在各种材料的XRD图案内的特征峰。
表2：样品和已知材料的XRD图案中的主要衍射峰的总结
Figure 372219DEST_PATH_IMAGE002
组装的AAA碱性一次电池的性能试验
组装例示性AAA电池，在下表3中称为电池A。电池A在圆筒壳体内包括阳极、阴极、分隔物和水性碱性电解质。阳极包含阳极浆料，所述阳极浆料包含1.96克锌；具有在水中溶解的约30%重量的KOH和2%重量的ZnO的0.875克氢氧化钾碱性电解质；0.02克聚丙烯酸胶凝剂；和0.01克腐蚀抑制剂。阴极包含α-脱锂层状氧化镍、石墨和氢氧化钾水性电解质溶液的共混物。阴极具有3.35克α-脱锂层状氧化镍载量、0.40克Timcal BNC-30石墨载量和0.21克电解质。分隔物布置在阳极和阴极之间。将阳极、阴极和分隔物插入到圆筒壳体中。随后密封壳体以完成电池组装过程。电池A随后经受如下所述的老化和性能试验。
组装实验AAA电池，在下表3中称为电池B。电池B在圆筒壳体内包括阳极、阴极、分隔物和水性碱性电解质。阳极包含阳极浆料，所述阳极浆料包含1.96克锌；具有在水中溶解的约30%重量KOH和2%重量ZnO的0.875克氢氧化钾碱性电解质；0.02克聚丙烯酸胶凝剂；和0.01克的腐蚀抑制剂。阴极包括β-脱锂层状氧化镍、石墨和氢氧化钾水性电解质溶液的共混物。阴极包括3.35克的β-脱锂层状氧化镍载量、0.40克的Timcal BNC-30石墨载量和0.21克电解质。分隔物布置在阳极和阴极之间。将阳极、阴极和分隔物插入到圆筒壳体中。壳体随后密封以完成电池组装过程。电池B随后经受如下所述的老化和性能试验。
表3. AAA电池A和电池B的设计特征
Figure DEST_PATH_IMAGE003
性能试验包括放电性能试验，其可以称为功率特性试验。功率特性试验方案包括对电池顺序施加高速率、中速率和低速率放电方式，在每种放电方式之间具有恢复或静置时间。首先对电池施加高速率放电方式。高速率放电方式包括对电池施加0.5瓦的恒定功率放出直到达到0.9伏的截止电压。随后让电池恢复4小时的时间。随后对电池施加中速率放电方式。中速率放电方式包括对电池施加0.125瓦的恒定功率放出直到达到0.9伏的截止电压。随后让电池恢复4小时的时间。随后对电池施加低速率放电方式。低速率放电方式包括对电池施加0.025瓦的恒定功率放出直到达到0.9伏的截止电压。对于每种单独放电方式，以安时(Ah)报道测量的电池容量。另外，对于所有放电方式，还报道电池的累计测量容量，以安时(Ah)表示。
性能试验包括放电性能试验，其可以称为30毫安持续放电试验(持续30mA)。30mA持续方案包括对电池施加30mA的恒定电流放出直到达到0.9伏的截止电压。以安时(Ah)报道电池的测量总容量。30mA持续放电试验为低速率放电试验。
在性能试验之前，在约20℃下将电池老化四天。在老化四天之后，测量电池的开路电压(OCV)。电池的OCV通过将例如跨电池的正极端和负极端放置伏特计来测量。报道了电池的测量开路电压(V)。OCV试验不消耗来自电池的任何容量。
在老化四天之后，测量电池的短路电流(SCC)。SCC方案包括对电池施加6安培(安)的恒定电流0.1秒的时间。在6安放出下测量电池的电压并报道。如果电池完全短路，电池将具有零(0)伏的测量电压。电池短路的电流通过将测量OCV和在放出下的测量电压的坐标之间的线外推到电流-电压的x,y图上的X轴的截距来计算。测量的OCV具有(0安，OCV)的(x,y)坐标。在放出下的测量电压具有(6安，负载电压)的(x,y)坐标。SSC试验不从电池消耗显著容量，由于试验的极短持续时间。SSC通过下式计算：
SSC(安) = [(OCV∙6安)/(OCV-负载电压)]
性能试验结果
电池A和电池B经受OCV、SSC、功率特性和30mA持续性能试验。下表4总结了性能试验结果。表4的%差的列包括电池B相对于电池A的性能的百分比差。
当与包含α-脱锂层状氧化镍的电池A比较时，包含β-脱锂层状氧化镍的电池B提供改进整体性能。当与电池A比较时，电池B的OCV稍微降低。当电池B结合在电设备中时，相对于电池A的较高OCV，电池B的较低OCV降低损坏的可能性。电池B的SSC显著高于电池A。电池B的较高SSC指示携带比电池A更高的放电电流的更大能力。在功率特性试验的高放电速率和中放电速率方式下，电池B的容量显著高于电池A。电池B的较高放电容量指示在这些放电条件下相对于电池A提供改进的性能的更大能力。在功率特性试验的低速率放电方式下，电池B的容量低于电池A。电池B的较低放电容量归因于在功率特性试验的高和中放电方式下比电池A更大的容量消耗。电池B的累计放电容量大于电池A。电池B的较大的累计放电容量指示比电池A更高的总可释放容量。在30mA持续试验下电池B的容量也高于电池A。电池B的较高放电容量指示在低速率放电条件下相对于电池A提供改进性能的更大能力。
表4. 电池A和电池B的性能试验结果和比较
Figure 227043DEST_PATH_IMAGE004
组装的AA碱性一次电池的性能试验
组装例示性AA电池，在下表5中称为电池C。电池C在圆筒壳体内包括阳极、阴极、分隔物和水性碱性电解质。阳极包含阳极浆料，所述阳极浆料包含5.04克锌；具有在水中溶解的约28%重量KOH和1.8%重量ZnO的2.32克氢氧化钾碱性电解质；0.04克聚丙烯酸胶凝剂；和0.01克腐蚀抑制剂。阴极包含α-脱锂层状氧化镍、石墨和氢氧化钾水性电解质溶液的共混物。阴极包含8.99克的α-脱锂层状氧化镍载量、0.92克的Timcal BNC-30石墨载量和0.49克电解质。分隔物布置在阳极和阴极之间。阳极、阴极和分隔物插入到圆筒壳体中。壳体随后密封以完成电池组装过程。电池C随后经受如下所述的老化和性能试验。
组装实验AA电池，在下表5中称为电池D。电池D在圆筒壳体内包括阳极、阴极、分隔物和电解质。阳极包含阳极浆料，所述阳极浆料包含4.83克锌；具有在水中溶解的约28%重量KOH和1.8%重量ZnO的2.287克氢氧化钾碱性电解质；0.04克聚丙烯酸胶凝剂；和0.01克腐蚀抑制剂。阴极包含β-脱锂层状氧化镍、石墨和氢氧化钾水性电解质溶液的共混物。阴极包含8.99克的β-脱锂层状氧化镍载量、0.92克的Timcal BNC-30石墨载量和0.49克电解质。分隔物布置在阳极和阴极之间。阳极、阴极和分隔物插入到圆筒壳体中。壳体随后密封以完成电池组装过程。电池D随后经受老化和如下所述的性能试验。
表5. AA电池C和电池D的设计特征
Figure 131414DEST_PATH_IMAGE005
性能试验包括根据上文的组装的AAA碱性一次电池的性能试验章节内描述的方案的OCV、SSC和30mA持续试验。在性能试验之前在约20℃下使电池老化四天。
性能试验结果
电池C和电池D经受OCV、SSC和30mA持续性能试验。下表6总结了性能试验结果。表6的%差的列包括电池D相对于电池C的性能百分比差。
当与包含α-脱锂层状氧化镍的电池C比较时，包含β-脱锂层状氧化镍的电池D提供改进的总体性能。当与电池C比较时，电池D的OCV稍微降低。当电池D结合在电设备中时，相对于电池C的较高OCV，电池D的较低的OCV降低损坏的可能性。电池D的SSC显著高于电池C。电池D的较高SSC指示携带比电池C更高的放电电流的更大能力。在30mA持续试验下电池D的容量也高于电池C。电池D的较高放电容量指示在低速率放电条件下提供相对于电池C改进性能的较大能力。
表6. 电池C和电池D的性能试验结果和比较
Figure 526623DEST_PATH_IMAGE006
文中所公开的尺寸和值不应当理解为严格限于所叙述的实际数值。相反，除非另有说明，各个这种尺寸旨在表示所叙述的值和该值附近的功能等价范围两者。例如，所公开的“40mm”尺寸旨在表示“约40mm”。
文中所引用的每一篇文献，包括任何交叉引用或相关的专利或申请以及该申请要求保护其优先权或益处的任何专利申请或专利，由此通过引用以其整体结合到文中，除非明确排除或另外限制。引用的任何文献并不承认其为关于文中所公开或要求保护的任何发明的现有技术，或其单独或与任何其他一篇参考文献或多篇参考文献组合教导、建议或公开任何这样的发明。而且，在本文献中的术语的任何意义或限定与通过引用结合的文献中的相同术语的任何意义或限定冲突的情况下，应当以指定到本文献中的意义或限定为准。
虽然已说明和描述了本发明的具体实施方案，本领域技术人员显而易见的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他改变和修改。因此，旨在在随附权利要求中涵盖本发明的范围内的所有这种改变和修改。

Claims (27)

1.一种电池（10），其包括：
阴极（12），其包含任选的导电添加剂和电化学活性阴极材料，该电化学活性阴极材料包含β-脱锂层状氧化镍；
阳极（14），其包含电化学活性阳极材料，所述电化学活性阳极材料选自锌、氧化锌、氢氧化锌、镉、铁、金属氢化物、其合金、和其混合物；
在所述阴极（12）和所述阳极（14）之间的分隔物（16）；和
电解质；
其中所述β-脱锂层状氧化镍具有X射线衍射图案，其包括14.9°2θ-16.0°2θ的第一峰（111）；21.3°2θ-22.7°2θ的第二峰（112）；37.1°2θ-37.4°2θ的第三峰（113）；43.2°2θ-44.0°2θ的第四峰（114）；59.6°2θ-60.6°2θ的第五峰（115）；和65.4°2θ-65.9°2θ的第六峰（116）。
2.权利要求1的电池（10），其中第一峰（111）在15.4°2θ；第二峰（112）在22.1°2θ；第三峰（113）在37.3°2θ；第四峰（114）在43.6°2θ；第五峰（115）在60.1°2θ；且第六峰（116）在65.7°2θ。
3.权利要求1或权利要求2的电池（10），所述X射线衍射图案还包括约10.8°2θ-约12.0°2θ的第七峰（117）；约47.2°2θ-约47.4°2θ的第八峰（118）；和约48.1°2θ-约48.6°2θ的第九峰（119）。
4.权利要求3的电池（10），其中第七峰（117）在约11.2°2θ；第八峰（118）在约47.3°2θ；和第九峰（119）在约48.3°2θ。
5.权利要求1-4中任一项的电池（10），其中所述电池还包括：
壳体（18），所述壳体包括外表面；和
标签（320），所述标签（320）包括电压测试器（330）；
其中所述标签（320）粘到所述壳体（18）的外表面。
6.前述权利要求1-5中任一项的电池（10），所述β-脱锂层状氧化镍具有化学式，LixAyNi1+a-zMzO2·nH2O
其中x为约0.02-约0.20；
y为约0.03-约0.20；
a为约0-约0.2；
z为约0-约0.2；
n为约0-约1；
A包括钾；和
M包括碱土金属、过渡金属、非过渡金属及其任何组合。
7.权利要求6的电池（10），其中所述β-脱锂层状氧化镍包括水。
8.电化学活性阴极材料，其包括：
β-脱锂层状氧化镍，所述β-脱锂层状氧化镍具有X射线衍射图案，其包括约14.9°2θ-约16.0°2θ的第一峰；约21.3°2θ-约22.7°2θ的第二峰；约37.1°2θ-约37.4°2θ的第三峰；约43.2°2θ-约44.0°2θ的第四峰；约59.6°2θ-约60.6°2θ的第五峰；和约65.4°2θ-约65.9°2θ的第六峰；和
另外的电化学活性阴极材料，其选自氧化锰、二氧化锰和其混合物。
9.权利要求8的电化学活性阴极材料，其中另外的电化学活性阴极材料是二氧化锰，其选自电解质二氧化锰（EMD）、化学二氧化锰（CMD）、高功率电解质二氧化锰（HP EMD）、λ二氧化锰、γ二氧化锰、β二氧化锰及其混合物。
10.权利要求8的电化学活性阴极材料，所述X射线衍射图案还包括约10.8°2θ-约12.0°2θ的第七峰；和约48.1°2θ-约48.6°2θ的第八峰。
11.权利要求8的电化学活性阴极材料，其中第一峰在约15.4°2θ；第二峰在约22.1°2θ；第三峰在约37.3°2θ；第四峰在约43.6°2θ；第五峰在约60.1°2θ；且第六峰在约65.7°2θ。
12.权利要求10的电化学活性阴极材料，其中第七峰在约11.2°2θ；第八峰在约48.3°2θ。
13.权利要求8的电化学活性阴极材料，第一峰具有约1.01-约2.09的FWHM；第二峰具有约0.86-约1.95的FWHM；第三峰具有约0.23-约0.41的FWHM；第四峰具有约0.40-约0.75的FWHM；第五峰具有约0.57-约1.45的FWHM；和第六峰具有约0.27-约0.53的FWHM。
14.权利要求9的电化学活性阴极材料，第一峰具有约1.01-约2.09的FWHM；第二峰具有约0.86-约1.95的FWHM；第三峰具有约0.23-约0.41的FWHM；第四峰具有约0.40-约0.75的FWHM；第五峰具有约0.57-约1.45的FWHM；第六峰具有约0.27-约0.53的FWHM；第七峰具有约0.56-约1.73的FWHM；和第八峰具有约0.33-约0.58的FWHM。
15.权利要求8的电化学活性阴极材料，所述X射线衍射图案包括约13-约37的第一峰相对于第三峰的归一化强度；约6-约16的第二峰相对于第三峰的归一化强度；约100的第三峰的归一化强度；约45-约73的第四峰相对于第三峰的归一化强度；约7-约17的第五峰相对于第三峰的归一化强度；和约41-约61的第六峰相对于第三峰的归一化强度。
16.权利要求8的电化学活性阴极材料，所述X射线衍射图案包括约24的第一峰相对于第三峰的归一化强度；约10的第二峰相对于第三峰的归一化强度；约100的第三峰的归一化强度；约58的第四峰相对于第三峰的归一化强度；约11的第五峰相对于第三峰的归一化强度；和约48的第六峰相对于第三峰的归一化强度。
17.权利要求8的电化学活性阴极材料，其中另外的电化学活性阴极材料包括二氧化锰，其选自电解质二氧化锰（EMD）、化学二氧化锰（CMD）、高功率电解质二氧化锰（HP EMD）、及其混合物。
18.权利要求8的电化学活性阴极材料，其中另外的电化学活性阴极材料包括电解质二氧化锰（EMD）。
19.权利要求8的电化学活性阴极材料，所述β-脱锂层状氧化镍包括化学式，所述化学式包括LixAyNi1+a-zMzO2·nH2O，其中：
x为约0.02-约0.20；
y为约0.03-约0.20；
a为约0-约0.2；
z为约0-约0.2；
n为约0-约1；
A包括钾、铷、铯或其任何组合；和
M包括碱土金属、过渡金属、非过渡金属或其任何组合。
20.权利要求19的电化学活性阴极材料，其中A包括钾。
21.权利要求19的电化学活性材料，其中a为约0.09-约0.20。
22.权利要求19的电化学活性材料，其中a为约0.09-约0.10。
23.权利要求19的电化学活性材料，其中所述β-脱锂层状氧化镍包括水，使得n大于0。
24.一种电池（10），其包括：
包含权利要求8的电化学活性阴极材料和任选地导电添加剂的阴极（12）；
包含电化学活性阳极材料的阳极（14），所述电化学活性阳极材料选自锌、氧化锌、氢氧化锌、镉、铁、金属氢化物、其合金、和其混合物；
在所述阴极（12）和所述阳极（14）之间的分隔物（16）；和
电解质。
25.权利要求24的电池（10），其中所述电池还包括：
壳体（18），所述壳体（18）包括外表面；和
标签（320），所述标签（320）包括电压测试器（330）；
其中所述标签（320）粘到所述壳体（18）的外表面。
26.权利要求24的电池（10），其中电解质包括水性电解质。
27.权利要求24的电池（10），其中电解质包括KOH。
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