CN1455965A - 电池 - Google Patents

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CN1455965A CN00810558A CN00810558A CN1455965A CN 1455965 A CN1455965 A CN 1455965A CN 00810558 A CN00810558 A CN 00810558A CN 00810558 A CN00810558 A CN 00810558A CN 1455965 A CN1455965 A CN 1455965A
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布朋德拉·K·帕泰尔
加利·M·西尔利
约汉·D·西莱斯基
加利·T·维维罗斯
维耶特·H·弗
道格拉斯·伍德诺斯
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Abstract

一种电池，包括一个壳体，一个第一电极和在第一电极中的非圆柱形的第二电极。

Description

电池
本发明涉及电池。
电池，例如碱性电池，通常用作能源。一般来说，碱性电池包括一个阴极、一个阳极、一个隔离层、以及一个电解液。阴极通常由一种活性物质(例如二氧化锰)、碳颗粒、和粘合剂形成。阳极可以是一种包含一种活性物质(例如锌颗粒)的凝胶体。隔离层通常位于阴极与阳极之间。电解液在电池中到处分散，可以是一种氢氧化物溶液。
碱性电池包括通常在商店里销售的常规的AA、AAA、AAAA、C和D电池。这些常规的碱性电池包括一个圆筒形容器，该容器内装一个中央的圆柱形锌凝胶体阳极，该阳极被一个环形的二氧化锰阴极所包围。
一般希望一个电池有长的使用寿命。电池的使用寿命的一种度量是在电压下降到不可接受的值之前电池在给定的负载下能够放电的时间长度。
本发明涉及当例如在1amp下连续放电时具有延长了的使用寿命的电池。
在一个方面，本发明的特征在于一种电池，具有一个壳体，一个在该壳体中的第1电极，一个在该第1电极中的第2电极，以及一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层。该第2电极是非圆柱形的，以便在该第1电极与该第2电极之间提供一个增加了的界面面积。由于该第2电极是非圆柱形的，所以它有以半径r1的第1圆形和半径r2的第2圆形为边界的表面。可取的是该内半径小于r1的90％，更可取的是小于r1的70％，最好是小于r1的60％。
在最佳实施例中，第2电极的外周可以是曲线的(即至少部分地以曲线形成、为边界或为特征)；第1电极可以是包含二氧化锰的阴极；第2电极可以是包含锌的阳极；壳体可以是圆筒形的；而且第2电极包括二、三或四叶。该电池可以是例如AA、AAA、AAAA、C或D电池。
电池的使用性能还取决于电池在放电期间利用阳极和阴极的活性物质的效率。本发明的另一个方面涉及一种电池，它包括一个第1电极和一个具有多个叶的第2电极。一个第1叶具有一个大体上直线的第1侧部，该侧部离开一个相邻叶的一个侧部(最好是大体上直线的侧部)一段距离d1。该第1叶至少离开该壳体一段最小距离d2，而比值d1∶d2对于该第1叶是在1.5∶1与2.5∶1之间。保持一个1.5∶1与2.5∶1之间的比值d1∶d2可提高电池利用活性物质的效率，因为第1叶与相邻叶之间的阴极物质将以在第1叶与壳体之间的阴极物质的大体上两倍的速率被消耗。可取的是该比值d1∶d2在1.7∶1与2.3∶1之间，更可取的是在1.8∶1与2.2∶1之间，最可取的是在1.9∶1与2.1∶1之间。
在最佳实施例中，该第1叶还有一个大体上直线的第2侧部，该侧部也是离开一个相邻叶的一个侧部(最好是大体上直线的侧部)一段距离d1。此外，包括大体上平行的侧部的该叶也是至少离开该壳体一段最小距离d2。
该最小距离(d1)可以在沿着电池长度的任何位置上通过测定在第1电极的邻接第1叶的大体上直线的侧部的中点的表面与第1电极的邻接相邻叶的大体上直线的侧部的中点的表面之间的最小距离来测量。该最小距离(d2)可以在沿着电池长度的同一位置上通过测定在第1电极邻接该叶的表面与第1电极的邻接壳体的表面之间的最小距离来测量。例如，d1和d2可以在沿着电池长度的中点处，或者在沿着电池长度的三分之一处，或者沿着电池长度的三分之二处来测量。在某些实施例中，比值d1∶d2是沿着电池长度的平均比值d1∶d2。
从其最佳实施例和从权利要求书的描述中，本发明的其他特征和优点将是显而易见的。
图1是包括具有四叶的中央阳极的电池的通过电池中心截取的侧剖视图；
图2是在图1中II-II处截取的电池的横剖视图；
图3以1amp连续放电的两个AA电池的电压对能量的曲线图；
图4是包括具有三叶的中央阳极的电池的横剖视图；
图5是包括具有二叶的中央阳极的电池的横剖视图；
图6～图8是包括具有五叶的中央阳极的电池的横剖视图。
参照图1和图2，电池10包括一个阴极12，一个阳极14，一个隔离层16和一个圆筒形壳体18。阳极14包括四个叶(20、22、24和26)。电池10还包括集电器28，密封件30和负金属顶盖32，该负金属顶盖用作电池的负端子。阴极与壳体接触，而电池的正端子位于电池的与负端子对峙的端。电解液在电池10中到处分散。为了说明下述例子的尺寸，电池10是一个AA电池。
阴极12包含二氧化锰、碳颗粒和粘合剂。
用于阴极的任何常规形式的二氧化锰均可使用。虽然也可以使用CMD，但是优选的二氧化锰是EMD。这种二氧化锰的分销商包括KerrMcGee，Co.(Trona D)，Chem Metals，Co.，Tosoh，Delta Manganese，Mitsui Chemicals和JMC。一般来说，阴极将包含80％至88％重量的二氧化锰。
碳颗粒也可以是用于阴极的任何常规碳颗粒。它们可以是合成的或非合成的，并且它们可以是膨胀的或非膨胀的。在某些实施例中，碳颗粒是非合成的、非膨胀的石墨颗粒。在这些实施例中，石墨颗粒，它用Sympatee HELIOS分析仪测量时可取的是具有小于大约20微米的平均颗粒尺寸，更可取的是从大约2微米至大约12微米，而最可取的是从大约5微米至大约9微米。非合成的、非膨胀的石墨颗粒可以从例如BrazilianNacional de Grafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X)获得。一般来说，阴极将包含5％至8％重量的碳颗粒。
粘合剂的例子包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、Portland胶泥以及诸如PVDF和PTEF之类碳氟化合物树脂。聚乙烯粘合剂的一个例子是以Coathylene HA-1681(Hoescht)的商品名销售的粘合剂。一般来说，阴极包含0.1％至大约1％重量的粘合剂。
阴极12可以包含其他添加剂。这种添加剂的例子在美国专利№5342712中公开，因而该专利通过引用包括在本文中。例如，阴极12可以包含从大约0.2重量％到大约2重量％的TiO2。
电解液也在阴极12中到处分散，并且在电解液已经分散后测定以上给出的重量％。
阳极14有一个以5.35mm半径r1的第1圆形和2.49mm半径r2的第2圆形为边界的扩展表面。阳极14中的每个叶有两个直线侧部和一个曲线外部。相邻叶上的直线侧部平行，并在它们的中点处离开2.49mm的距离(d1)。此外，叶离开壳体一段1.3mm的最小距离(d2)。
阳极14可以由用于电池阳极的任何标准的锌材料来形成。例如，阳极14可以是一种包含锌金属颗粒、胶凝剂和少量诸如放气抑制剂之类的添加剂的锌凝胶体。此外，一部分电解液在阳极中到处分散。
锌颗粒可以是常规上用于凝胶体阳极的任何锌颗粒。用于阳极的锌颗粒的其他例子包括U.S.S.N.08/905,254；U.S.S.N.09/115,867和U.S.S.N.09/156,915中所述的那些颗粒，这几份文件在本申请中转让给受让人，借此通过引用包括在本文中。一般来说，阳极包含67％至71％重量的锌颗粒。
可以用于阳极14的胶凝剂包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素或它们的组合。这种聚丙烯酸的例子是Carbopol 940和934(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)；而接枝淀粉材料之一例是Waterlock A221(Grain加工公司，马斯卡廷，路易斯安那)。聚丙烯酸盐之一例是Alcosorb G1(Ciba Specialties)。阳极通常包含从0.1％到大约1％重量的胶凝剂。此一重量％相当于当电解液在阳极中到处分布时。
放气抑制剂可以是无机材料，诸如铋、锡、铅和铟之类。要不然，放气抑制剂可以是有机化合物，诸如磷酸酯、离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂之类。离子型表面活性剂的例子在例如美国专利№4777100中公开，该专利借此通过引用包括在本文中。
隔离层16可以有用于电池隔离层的任何常规的设计。在某些实施例中，隔离层16可以由两层不织的非薄膜材料来形成，其中一层沿着另一层的表面布置。为了在提供有效的电池的同时把隔离层16的体积减至最小，每层不织的非薄膜材料可以具有大约54克每平方米的标称重量，大约5.4密耳的干燥时厚度和大约10密耳的湿润时厚度。在这些实施例中，隔离层最好是在不织的非薄膜材料层之间不包括一层薄膜材料或一层粘合剂。一般来说，诸层大体上可以由诸如无机颗粒之类填充物来构成。
在其他实施例中，隔离层16包括一个有不织材料的玻璃纸外层。隔离层还包括不织材料的附加层。玻璃纸层可以邻接阴极12或阳极。最好是，不织材料含有从大约78重量％到大约82重量％的PVA和从大约18重量％到大约22重量％的人造纤维加上痕量的表面活性剂。该不织材料可以以PA36的商品名从PDM获得。
在电池10中到处分散的电解液可以是任何用于电池的常规的电解液。一般来说，电解液是一种含水氢氧化物溶液。该含水氢氧化物溶液包括例如含有33％至38％重量的氢氧化钾的氢氧化钾溶液，和氢氧化钠溶液。
壳体18可以是通常用于原始碱性电池的任何常规的壳体。壳体一般来说包括一个内金属壁和一个诸如热缩塑料之类的外部不导电材料。可选地，在内壁与阴极12之间可以布置一层导电材料。此层可以沿着壁的内表面，沿着阴极12的外周或者沿着两者布置。此一导电层可以由例如含碳材料来形成。该材料包括LB1000(Timcal)、Eccocoat 257(W.R.Grace& Co.)，Electrodag 109(Acheson Industries，Inc.)，Electrodag 112(Acheson)和EB0005(Acheson)。涂布导电层的方法在例如加拿大专利№1 263 697中公开，该专利借此通过引用包括在本文中。
集电器28由诸如黄铜之类的适当的材料来形成。密封件30可以由例如尼龙来制造。
根据以下程序制备了一例电池10(AA)。通过把85.5％的EMD(来自Kerr McGee)、7.3％的石墨(来自Hoescht的Coathylene HA1681)、0.3％的聚乙烯粘合剂(来自Nacional de Graphite的MP-0702X)、以及6.9％的电解液混合而制备一种MnO2阴极混合物。然后在带有四个叶腔的开缝模中用以下设备和程序在压力下压制MnO2混合物：
设备：Carver自动压机，3888，1DI0A00，制块模组件(制块模套，下冲模和中心销，29.88mm，高度表，上冲模和挤芯器，底板)，天平(小数点3位)，数字式卡尺(0.01mm)。
程序：
1.通过把中心销置于下冲模内部而组装制块模具。使制块模套滑到中心销和下冲模上方并把该组件置于底板上。
2.称出成粒的MnO2混合物并均匀地倒入该组件。
3.把上冲模置于芯路之上并压下直到该冲模到位。绕冲模杆滑动高度表。
4.把芯取出器置于该组件的顶部并把该组件装入Carver自动压机内。
5.把压机设定成5000psi压缩强度和75％压缩速度。停留时间设定成4秒。
6.按下两个起动按钮把该组件提升，直到读出700psi的记录值为止。让压机结束其循环。
7.取下该组件并把芯取出器置于制块模组件的底部。把中心销取出器插入该组件并放回压机中。
8.按下两个起动按钮，直到上冲模接近到制块模套大约1cm。如果读数超过400psi，则抛弃该压制块。
9.取下芯杆并再次插入该组件。把芯取出器置于该组件上方并放入压机。
10.按下起动按钮直到制块模套已经从所形成的压制块分离。
11.测量每个压制块的高度。抛弃不合格(10.85±0.15mm为合格)的任何压制块。把所有合格的材料放入防潮加热可密封袋中并为再压制程序贴标签。
四个压制块插入一个壳体(一个带有平边缘区的BDB容器)并在壳体内用以下设备和程序再压制：
设备：Carver自动压机，3888IDI0A00，压制块再压制组件(容器套，PIP背撑板，再压制模和三个分叉容器取出器，中心销，冲压框，以及底板)，天平(小数点3位)，数字式卡尺(0.01mm)。
程序：
1.把再压制模滑入冲压框。
2.选择四个压制块并测量和记录每个合格压制块的高度和重量。
3.把每个压制块滑入中心销。抛弃过高或开裂或碎裂的任何压制块。
4.在DBD容器中放入底隔离层并在成叠的压制块上滑动。确保该容器一直牢固地压下。
5.把容器套置于容器上方并把PIP支撑置于组件的顶部。把三个分叉容器取出器插入冲压框的孔中。把该组件置于Carver自动压机内。
6.把压机切换到人工模式并设定成1500psi压缩强度和30％压缩速度。
7.按下两个起动按钮把该组件提升，直到读出1500的记录值为止。当停留时间读出4秒时按下停止按钮。
8.从该组件取下容器套和PIP支撑。
9.把两个支撑块柱(3英寸高/两叠)放入压机。把再压制容器，连同冲压框和再压制模置于两柱之间和支撑块的边缘上方。
10.按下两个起动按钮把该组件提升，直到容器自由地滑动而离开中心销组件。
11.保持再压制模就位以便有利于隔离层的插入。
把隔离层(P.G.I.Nonwoven 7638)置于四个叶腔内。通过组合70％(按重量％)的锌粉末(Zinc Corp.of America 1216)，胶凝剂(来自BF Goodrich的Carbopol940)，以及30％的电解液(包含98.6％的电解液和1.4％的溶解胶凝剂)制备阳极混合物。然后使该阳极混合物分散于诸腔中。把包括上盖32、集电器28、和密封件30的上部组件置于壳体上方并机械加压以便密封电池。在组装前把密封胶(Spec Seal)涂布于壳体的侧面。
在电池10中，阴极12和阳极14具有因为四叶而增加的界面面积。结果参照图3，电池10与具有相同的零件和组成但用圆柱形阳极的AA电池相比具有在例如以1amp连续放电时延长了的使用寿命。
再者，在使用电池10期间，最靠近阳极外表面的阴极材料通常最先消耗，而且随着时间的推移，消耗了的阴极材料的区域从阳极表面逐渐向外扩展。由于d1是d2的两倍，所以随着消耗了的阴极材料的区域的扩展，它将倾向于几乎同时达到壳体20和从相邻叶扩展的消耗了的阴极材料的区域。结果，阴极材料的消耗效率成为最高的，从而延长电池的寿命。
权利要求书中有其他实施例。例如，参照图4，电池33包括阴极34和包括三叶的阳极36。阳极有以第1圆形(C1)和第2表面(C2)为边界的外表面。每个叶包括两个直线侧部。诸相邻叶上的相邻侧部平行并隔开一段距离d1，而每个叶离开壳体一段距离d2。像在电池10中那样，在电池33中d1大体上是d2的两倍。
同样，参照图5，电池38包括阴极40和包括二叶的阳极42。阳极有以第1圆形(C1)和第2表面(C2)为边界的外表面。每个叶包括两个直线侧部。两个叶上的相邻侧部隔开一段距离d1，而每个叶离开壳体一段距离d2。像在电池10和电池33中那样，在电池38中d1大体上是d2的两倍。
同样，参照图6，电池44包括阴极46和包括五叶的阳极48。阳极有以第1圆形(C1)和第2表面(C2)为边界的外表面。每个叶包括五〖原文如此，10页29行〗个大体上直线的侧部。诸相邻叶上的侧部隔开一段距离d1而每个叶离开壳体一段距离d2。像在电池10、电池33和电池38中那样，d1大体上是d2的两倍。
参照图7和图8，电池52和54分别包括阴极56和58，并分别包括阳极阳极60和62。阳极60和62有五叶，但是与电池44中的阳极48造型不同。每个阳极有以第1圆形(C1)和第2表面(C2)为边界的外表面。
在任何一个实施例中，阴极和阳极的位置可以相反。此外，集电器可以包括多个分叉，例如用于中心电极中的每个叶的一个分叉。
此外，阴极可以通过使用挤出杆的挤出工艺来制备。此一工艺例如在U.S.S.N.09/054,939中描述，该文件在本申请中转让给同一受让人并借此通过引用包括在本文中。

Claims (51)

1.一种电池，包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极有以半径r1的第1圆形和半径r2的第2圆形为边界的外表面；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层；
其中该第1电极或该第2电极中的某一个是一个含锌的阳极。
2.一种电池，包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极有以半径r1的第1圆形和半径r2的第2圆形为边界的外表面；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层；
其中该第1电极或该第2电极中的某一个是一个含二氧化锰的阴极。
3.一种电池，包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极有以半径r1的第1圆形和半径r2的第2圆形为边界的外表面；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层。
4.根据权利要求1、2或3的电池，其中r2小于r1的90％。
5.根据权利要求1、2或3的电池，其中r2小于r1的80％。
6.根据权利要求1、2或3的电池，其中r2小于r1的60％。
7.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极包括多个叶。
8.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极包括三个叶。
9.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极包括四个叶。
10.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极包括五个叶。
11.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极包括不多于二个叶。
12.根据权利要求1、2或3的电池，其中该电池是一个AA电池。
13.根据权利要求1、2或3的电池，其中该电池是一个AAA电池。
14.根据权利要求1、2或3的电池，其中该电池是一个AAAA电池。
15.根据权利要求1、2或3的电池，其中该电池是一个C电池。
16.根据权利要求1、2或3的电池，其中该电池是一个D电池。
17.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极是一个含锌的阳极。
18.根据权利要求17的电池，其中该第1电极是一个含二氧化锰的阴极。
19.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第1电极是一个含二氧化锰的阴极。
20.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极是一个阳极。
21.根据权利要求1、2或3的电池，其中该第2电极是一个阴极。
22.根据权利要求1、2或3的电池，其中该壳体是圆筒形的。
23.一种电池，包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极包括多个叶，每个叶具有
一个大体上直线的第1侧部，该侧部离开相邻叶的一个大体上直线的侧部一段距离d1，和
一个大体上直线的第2侧部，该侧部也离开相邻叶的一个大体上直线的侧部一段距离d1；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层；
其中每个叶离开该壳体一段最小距离d2，而且其中每个叶的每个比值d1∶d2皆在1.5∶1与2.5∶1之间。
24.根据权利要求23的电池，其中每个叶的每个比值d1∶d2皆在1.7∶1与2.3∶1之间。
25.根据权利要求23的电池，其中每个叶的每个比值d1∶d2皆在1.8∶1与2.2∶1之间。
26.根据权利要求23的电池，其中每个叶的每个比值d1∶d2皆在1.9∶1与2.1∶1之间。
27.根据权利要求23的电池，其中该第2电极包括三个叶。
28.根据权利要求23的电池，其中该第2电极包括四个叶。
29.根据权利要求23的电池，其中该第2电极包括五个叶。
30.根据权利要求23的电池，其中该第2电极包括不多于二个叶。
31.根据权利要求23的电池，其中该第1电极是一个含二氧化锰的阴极。
32.根据权利要求23的电池，其中该第2电极是一个含锌的阳极。
33.根据权利要求23的电池，其中该壳体是圆筒形的。
34.根据权利要求23的电池，其中该电池是一个AA电池。
35.根据权利要求23的电池，其中该电池是一个AAA电池。
36.根据权利要求23的电池，其中该电池是一个AAAA电池。
37.根据权利要求23的电池，其中该电池是一个C电池。
38.根据权利要求23的电池，其中该电池是一个D电池。
39.一种电池包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极包括一个第1叶和一个第2叶，该第1叶具有一个大体上直线的第1侧部，该侧部离开第2叶的一个侧部一段距离d1，该第1叶离开该壳体一段最小距离d2，比值d1∶d2在1.5∶1与2.5∶1之间；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层。
40.根据权利要求39的电池，其中该比值d1∶d2在1.7∶1与2.3∶1之间。
41.根据权利要求39的电池，其中该比值d1∶d2在1.8∶1与2.2∶1之间。
42.根据权利要求39的电池，其中该比值d1∶d2在1.9∶1与2.1∶1之间。
43.根据权利要求39的电池，其中该第1电极是一个含二氧化锰的阴极。
44.根据权利要求39的电池，其中该壳体是圆筒形的。
45.根据权利要求39的电池，其中该第2叶上的侧部是大体上直线的。
46.一种电池，包括：
一个壳体；
一个在该壳体中的第1电极；
一个在该第1电极中的第2电极，该第2电极包括具有曲线的外部的多个叶；以及
一个在该第1电极与该第2电极之间的隔离层。
47.根据权利要求46的电池，其中该第2电极包括三个叶。
48.根据权利要求46的电池，其中该第2电极包括四个叶。
59.根据权利要求46的电池，其中该第2电极包括五个叶。
50.根据权利要求46的电池，其中该壳体是圆筒形的。
51.根据权利要求46的电池，其中该第2电极包括不多于二个叶。
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