CN1862851A - 供碱性电池用的离心雾化的锌合金粉末 - Google Patents

供碱性电池用的离心雾化的锌合金粉末 Download PDF

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Abstract

本发明涉及供碱性电池用的离心雾化锌合金粉末，它由以下组成：(a)0.005～2重量％的铟，和0.005～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或(b)0.005～2重量％的铟，和0.005～0.2重量％的Bi，和0.001～0.5重量％的Al和Ca之任一种或二种，或(c)0.005～2重量％的Bi和Al之任一种或二种，和0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌。这种粉末采用在保护气氛下的离心雾化法制得，在该保护气氛中的氧含量按体积计小于4％。在这种电池的电解质中的抗腐蚀性，尤其是在局部放电之后，明显地要好于由传统生产方法制备的相同合金的抗腐蚀性。含有这些粉末的电池的容量是非常的好。

Description

供碱性电池用的离心雾化的锌合金粉末
本申请是申请号为00803387.0、申请日为2000年2月3日、同题的专利申请的分案申请。
本发明涉及供碱性电池用的离心雾化的锌合金粉末。
锌合金粉末用作碱性电池的正极活性材料的配合剂。从US5,082,622和WO 94/19502中可知，含有选自In，Bi，Al，Ca和Pb的一种或多种元素的锌合金粉末。这类合金通常采用传统的粉末制造技术制备，例如用压缩空气喷射器使熔融合金流开。在上述气体喷射雾化方法中可以使用保护气氛，但是由于需要高的流动速率，所以十分昂贵，采用压缩空气雾化法制造的粉末，在电池的电解质中并不总是具有满意的抗腐蚀性，尤其是在后者局部放电之后。解决抗腐蚀性低的众所周知的方法是添加一定数量的有机或无机物。有机物的一个实例是聚乙二醇。然而，这种步骤也有某些缺点，例如，电池的容量可能会降低。
离心雾化是这样一种方法，它将熔融金属从喷嘴中喷射到高速旋转的，具有预定形状的圆盖或圆盘的平面上，通过离心力使金属碎裂。上面列举的文献只提到也可用离心雾化法制造粉末，无需规定任何工作条件.在这些文献中没有探讨使用离心雾化粉末的特定影响.
按照本发明，采用在含有氧含量降低了的保护气氛下的离心雾化法制备的锌合金粉末，比采用在空气流条件下的雾化法制备的粉末具有更好的抗腐蚀性。此外，采用在空气下雾化的方法制备的某些上述锌合金粉末，其不可接受的低的耐蚀值能转变成可接受值，只要上述合金采用在所述保护气氛下的离心雾化法制备的话。可以限制，或甚至省去使用有机和无杌缓蚀剂。含有按照本发明制备的粉末的电池的容量是高的。这种生产方法在经济上是合理的，因为在保护气氛中的气体消耗量是非常低的。
本发明的合金粉末由以下组成：
(a)0.005～2重量％的铟和优选0.01～2重量％的铟，和0.005～0.2重量％的，优选0.01～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或者
(b)0.005～2重量％的铟；和0.005～0.2重量％，优选0.01～0.2重量％的Bi，和0.001～0.5重量％的，优选0.003～0.5重量％的Al和Ca中的任一种或二种；或者
(c)0.005～2重量％的，优选0.01～2重量％的Bi和Al中的任一种或二种，且在每种情况下0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌。这里和下面所提到的锌指的是热或电解精制锌(特殊优质锌)。在SHG(特殊优质)锌中，Pb的含量通常限于小于30ppm。为了经济的原因，铟的含量可限于5000ppm，甚至限于1000ppm。
用离心雾化法制备的粉末，其特征在于这雾化方法是在主要由能控制氧化的惰性气体组成的保护气氛中进行的。更具体而言，在保护气氛中氧的含量按体积计小于4％。
为了防止过分氧化，氧含量限于4％而优选小于或等于3.5％。另一方面，最小量的氧对控制固化液滴的形状是有用的。同样地，氧含量太低意味着电池容量下降。据此，氧含量优选大于0％，尤其要大于或等于0.2％。
雾化器的旋转圆盘用如铝，碳或石英玻璃之类的材料制成，这类材料上可以有涂层以防止氧化或有结块出现。
本发明的另一个目的是提供一种包括离心雾化锌合金工序的上述锌合金粉末制造方法，且其特征在于这离心雾化方法是在一种保护气氛下进行的，在此气氛中，氧含量按体积计小于4％，优选大于0％。氧含量按体积计最优选0.2％～3.5％。
申请人已发现，当前面所述的粉末是采用在上述保护气氛下的离心雾化方法制备时，这种粉末与含有相同组合物的但采用空气喷射雾化方法制备的粉末相比，在电池局部放电之后，它们在电池的电解质中表现出了始终如一的较好的抗腐蚀性。按照本发明的组合物的和采用离心雾化法制备的粉末，其抗腐蚀性和容量均都可推荐实际用于碱性电池。进一步的实验表明，采用按照本发明的离心雾化法制备的粉末的电池，其容量好于采用在含有相同氧含量的保护气氛下的气体喷射雾化法制备的粉末的电池容量.假如所要求的粉末含有能凝结的(例如In)添加剂，那末，生产这种粉末的另一种方法是制备含有不能凝结的添加剂的粉末和任选合有部分按照上述离心雾化法能凝结的添加剂粉末，并用这样获得的制造正极。将上述正极引入所述电池，而对于能凝结的添加剂，或者将其添加到电池的电解质中，由此它们将凝结在正极的粉末上，或者在引入电池之前就使它们凝结了。也可采用下述方法获得用于碱性电池的粉末，该方法是将含有已知组成的、并用传统方法例如在空气流中雾化的方法制造的粉末，与按照本发明采用在保护气氛下的离心雾化法制备的粉末相混合。
本发明不仅与诸如引入电池的粉末有关，而且与存在于电池中的粉末有关，而所述粉末全部或部分用离心雾化法制备的粉末组成，其余部分用传统的粉末制造技术制备。
这粉末适用于任何类型的电池，例如LR6，LR14，LR20。
这里应注意如下：在“用于粉末生产和喷射沉积的金属的雾化”中讲述了离心雾化锌合金粉末，该论文由A.J.尤尔和J.J.邓克留著，1994年，牛津大学，卡尔伦当出版社，p.223～224。根据尤尔的论文，采用离心雾化，这会给出非常严密控制的粒径分布，它使粉末生产更经济。用控制雾化器内的气氛的方法来控制颗粒的形状，从而控制粉末的表面积和表观密度也是可能的，而粉末的表面积和表观密度二者对电池的应用均是重要的。可是，这刊物没有讲述那些合金可能对上述应用是有利的，也没有描述雾化器内部要控制的是何种气氛。另外，它没有描述离心雾化方法是否和在哪方面对由这些粉末制备的电池有影响。
实验1
在生产本发明的粉末的一个实例中，这些粉末是采用将要求数量的合金元素添加到熔融锌中的方法制备的，通过在温升下搅拌的方法使熔融锌均匀化。离心雾化方法是如下地进行的：使大约150kg的合金锌在480℃的保护气氛中熔融，然后喷射在旋转的圆盘上。旋转圆盘由碳制成，同心地放置在喷嘴下面25mm，高出雾化室中心的底面1.5m处。这雾化室充以氮气和0.4％～3.3％的氧(见表1)。圆盘的旋转速度约为5000rpm，其直径为170mm，而熔融金属的流动速率约为530kg/hr。
LR14型电池由这种合金粉末制成。这些电池通过2欧电阻放电达1hr或
Figure A20051013684400061
接着要确定当这些电池在71℃下保存7天后所放出的氢气量。产生的气体产物用每个电池的气体的ml表示。另外，在71℃下24hr后要测量局部放电正极的体积膨胀率，并用原始体积的百分率来表示体积的增量。这项测量技术是在US 5,364,715中所述的池出试验。池入和池出放气二者都是在局部放电后对放气的一种量度。
这些试验的结果与用传统的空气雾化方法制备的具有同样化学组成的粉末的试验结果作了对比。在这些实例中，所有粉末均过筛，通过了500微米，从而去除了当然所要除去的颗粒。实验1的结果概括在表1上。
表1：离心雾化粉末与在空气流中雾化的粉末的实验结果比较
  (18)(19)(20)(21)(22)(23)(24)   20050050060060090040   10050005000---40     180------     707070----   TTCTCCC   空气空气0.4空气0.40.40.4     2.426.230.187.642.125.928.5     4.0716.713.552.6325.0721.3811.63     na13.56.37(**)22.4315.98.57
(*)：“C”：离心雾化的粉末；“T”：用传统的空气喷射雾化法制备的粉末。
(**)：发现有泄漏，这表明放气过量，故不合格。
na：不适用
关于体积膨胀率，小于12％的值被认为是很好的，应优选膨胀率小于8％。
关于在 小时或1小时放电后的二种放气试验，在局部放电后的放气其值小于12ml是良好的，而优选小于8ml。
实例(1)～(9)与实例(10)～(18)的比较表明，按照本发明制备的粉末比传统制备的粉末具有较好的抗腐蚀性和膨胀系数。实例(10)，(14)，(15)和(16)的组成，当用传统方法制备时不能产生合格的结果，而当按照本发明制备时，正如实例(1)，(5)，(6)和(7)中所示的，恰具有极好的结果。实例(20)，(22)～(24)表明，对于由非本发明的组合物组成的锌粉末，离心雾化不能使其产生满意的结果。
已经注意到，与现今这些电池中所用的标准粉末，例如按照上面实例(12)的粉末相比，在本实验中用离心雾化法制备的并用于LR-6电池的粉末，其粉末容量是变化的，范围为90％～110％。
实验2
在实验2中，在只采用离心雾化法但保护气氛中的氧含量不同制得的粉末之间作了比较。使用这些粉末的LR-14电池的其它工艺参数和试验程序与实验1相同。所有结果示于表2。
                   表2：不同的离心雾化粉末的体积膨胀率
  实验序号              合金粉末添加剂(ppm)   O2体积％   体积膨胀率(％)
  In   Bi   Ca   Al   Pb
  (25)(26)(27)(28)   200150200150   100150100150   ----   100-100-   54405440   2.52.05空气   3.05.612.323.6
本实验的结果如下：
当离心雾化室内保护气氛中的氧含量超出本发明的限制范围时，测得的体积膨胀率便变得不合格，正如当把实例(25)和(26)与(27)和(28)对比时所显示的。
实验3
在实验3中，将采用在保护气氛下的常规空气喷射雾法制备的粉末与采用在同样的保护气氛下的离心雾化法制备的粉末作了对比。离心雾化的程序与实验1中的程序相同。这些粉末在LR-6电池中进行了试验，这类电池以1000mA的直流电进行放电。当今LR-6电池中所采用的标准空气雾化粉末，亦即表1实例(12)的粉末，被用作参考。对于不同粉末，放电至残余电压1.0V的放电时间，用参考粉末放电至1.0V的放电时间的百分率来表示。放电时间是表明被试电池的容量的一种量度。这些结果列于下表3中。
表3：用离心雾化的粉末制备的电池与用气体喷射雾化的粉末制备的电池的放电时间比较
    实验序号               合金粉末添加剂(ppm)     (***)     O2体积％     放电时间(％)
    In     Bi     Ca     Al     Pb
    (29)(30)(31)(32)     160160160160     230230230230     ----     ----     46464646     CCGG     2.350.62.350.6     102908761
(***)：“C”：离心雾化粉末；“G”：用气体喷射雾化法制备的粉末。
实验3的结果如下：
-离心雾化粉末两个的放电时间都在标准粉末放电时间范围的90～110％内。2.35％ O2产生的容量比0.6％ O2的要好。
-气体雾化粉末的两个放电时间都比在相同组成的粉末和保护气氛条件下利用气体离心雾化的粉末的放电时间低得多，且小于90％。
在表4中给出了按照本发明的离心雾化法制备的粉末的另外一些结果。它们已按照实验1的程序进行了制备和试验。
                 表4：不同的离心雾化粉末的体积膨胀率
     实验序号                  合金粉末添加剂(ppm)   O2体积％   体积膨胀率(％)
    In     Bi     Ca     Al     Pb
    (33)(34)(35)(36)(37)(38)(39)(40)(41)(42)(43)(44)(45)(46)(47)     250500500500500500150200200150150200150150200     250110110110110110230100100230230100230230100     150--------------     -3535353535-100100--100--100     -----------40385540   0.60.61.351.62.12.61.61.62.60222.450.253.5   3.31.92.52.16.77.65.54.02.95.67.32.76.75.03.7

Claims (10)

1.一种供碱性电池用的离心雾化的锌合金粉末，其由以下成分组成：或者
(a)0.005～2重量％的铟和0.005～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或者
(b)0.005～2重量％的铟和0.005～0.2重量％的Bi，和0.001～0.5重量％的Al和Ca之任一种或二种；或者
(c)0.005～2重量％的Bi和Al之任一种或二种，和0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌，
其特征在于这离心雾化方法是在保护气氛下进行的，在该保护气氛中氧含量按体积计小于4％。
2.权利要求1的离心雾化锌合金粉末，其由以下成分组成：要末是
(a)0.01～2重量％的铟和0.01～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或者
(b)0.005～2重量％的铟和0.01～0.2重量％的Bi，和0.003～0.5重量％的Al和Ca之任一种或二种；或者
(c)0.01～2重量％的Bi和Al之任一种或二种，和0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌。
3.权利要求1或2的碱性电池中的离心雾化锌合金粉末，其特征在于在保护气氛中的氧含量按体积计大于0％。
4.权利要求3的碱性电池中的离心雾化锌合金粉末，其特征在于在保护气氛中的氧含量按体积计为0.2％～3.5％。
5.一种由正极，负极和电解质组成的碱性电池，其特征在于该电池使用了权利要求1～4之任一项的离心雾化锌合金粉末。
6.权利要求5的碱性电池，其特征在于该粉末包括脱离电解质凝结的金属。
7.一种制造供碱性电池用的锌合金粉末的方法，它包括离心雾化由以下组成的锌合金的工序：
(a)0.005～2重量％的铟，和0.005～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或者
(b)0.005～2重量％的铟，和0.005～0.2重量％的Bi，和0.001～0.5重量％的Al和Ca之任一种或二种；或者
(c)0.005～2重量％的Bi和Al之任一种或二种，和0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌，其特征在于离心雾化方法是在保护气氛下进行的，而该保护气氛中的氧含量按体积计小于4％。
8.一种制造供碱性电池用的锌合金粉末的方法，它包括离心雾化由以下组成的锌合金工序：
(a)0.01～2重量％的铟，和0.01～0.2重量％的Al和Bi之任一种，或
(b)0.005～2重量％的铟，和0.01～0.2重量％的Bi，和0.003～0.5重量％的Al和Ca之任一种或二种；或
(c)0.01～2重量％的Bi和Al之任一种或二种，和0～0.5重量％的Pb，其余部分是锌，其特征在于离心雾化方法是在保护气氛下进行的，而该保护气氛中的氧含量按体积计小于4％。
9.权利要求7或8的方法，其特征在于在保护气氛中的氧含量按体积计大于0％。
10.权利要求7～9的方法，其特征在于在保护气氛中的氧含量按体积计为0.2％～3.5％。
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