FR2508710A1 - Manganese di:oxide zinc dry battery element - with higher proportion by wt. of manganese di:oxide to carbon black - Google Patents

Manganese di:oxide zinc dry battery element - with higher proportion by wt. of manganese di:oxide to carbon black Download PDF

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Abstract

The cathode is mfd. from a mixt. of synthetic (chemical or electrochemical) or naturally active MnO2 and a specific carbon black which absorbs a saline electrolyte soln. The specific acetylene black has a carbon content greater than 99%, an average particle dia. of the order of 275 Angstroms, a specific surface of 100 sq.m/g., an electrical resistivity less than 0.35 ohm-cm. at pressure of 630,000 Pa, and a dibutyl phthalate absorption index greater than 350 ml. per 100 g. of black. A pref. compsn. is formed by addn. in undisclosed optimum conditions of 12.5% dry NH4Cl, 8.5% dry ZnCl2 and 16% of water to a cathode mixture contg. 59 wt.% MnO2 and 4 wt.% acetylene black.

Description

La présente invention se rapporte à un élément électrochimique, élément de pile sèche, du couple bioxyde de manganèse-zinc dont la cathode est constituée d'un mélange comprenant essentiellement du bioxyde de manganèse synthétique ou naturellement actif et du noir de carbone, mélange dans lequel est absorbé un électrolyte formé d'une solution aqueuse saline concentrée composée principalement de chlorure de zinc et de chlorure d'ammonium. The present invention relates to an electrochemical cell, a dry cell cell, of the manganese dioxide-zinc couple, the cathode of which consists of a mixture essentially comprising synthetic or naturally active manganese dioxide and carbon black, a mixture in which an electrolyte formed by a concentrated aqueous saline solution composed mainly of zinc chloride and ammonium chloride is absorbed.

La présente invention a pour but d'améliorer les performances d'un tel élément de pile sèche sans en modifier la technique de réalisation et sans en augmenter le coût global des composants ; pour ce faire, l'invention porte sur une modification de la composition centésimale du mélange cathodique susceptible d'accroître la durée de décharge de la pile, cette modification n'entrainant pas de surcoût du mélange ou s'accompagnant même d'une baisse du coût de ce mélange. The object of the present invention is to improve the performance of such a dry cell element without modifying the technique for producing it and without increasing the overall cost of the components; to do this, the invention relates to a modification of the percentage composition of the cathode mixture capable of increasing the duration of discharge of the cell, this modification not causing additional cost of the mixture or even being accompanied by a decrease in the cost of this mixture.

La capacité d'une pile sèche, et donc sa durée de décharge, est en première approximation, dans les conditions les plus courantes d'utilisation, proportionnelle à la quantité de bioxyde de manganèse contenue dans la cathode. As a first approximation, under the most common conditions of use, the capacity of a dry cell, and therefore its discharge duration, is proportional to the quantity of manganese dioxide contained in the cathode.

La Demanderesse a donc cherché à augmenter cette quantité de bioxyde de manganèse en diminuant la quantité de l'autre constituant important de la cathode, à savoir -le noir de carbone.The Applicant has therefore sought to increase this quantity of manganese dioxide by decreasing the quantity of the other important constituent of the cathode, namely carbon black.

Ce résultat a été obtenu, suivant l'invention, en utilisant un noir de carbone spécifique présentant des propriétés de conductibilité électrique et de pouvoir d'absorption supérieures à celles des noirs de carbone normalement employés jusqu'à ce jour dans l'industrie des piles, tels que les noirs usuels d'acétylène ou de benzène. Un tel type de noir de carbone spécifique, aux performances améliorées, est maintenant connu et présent sur ke marché, iii mais jusqu'alors son emploi n'était envisagé dans les piles que dans les mêmes conditions de mélange que celles prévues pour les noirs traditionnels moins performants. This result has been obtained, according to the invention, by using a specific carbon black having electrical conductivity and absorption power properties superior to those of the carbon blacks normally used hitherto in the battery industry. , such as the usual acetylene or benzene blacks. Such a specific type of carbon black, with improved performance, is now known and present on the market, iii but hitherto its use was envisaged in batteries only under the same mixing conditions as those provided for traditional blacks. less efficient.

C'est donc la caractéristique de la présente invention de prévoir dans le mélange cathodique d'un élément de pile sèche un rapport en poids de bioxyde de manganèse au noir de carbone plus élevé que celui adopté dans la pratique connue, ceci grâce à l'emploi d'un noir de carbone spécifique, par exemple d'un noir d'acétylène spécifique, dont à la fois la teneur en carbone soit supérieure à 99 X, la résistivité électrique mesurée sous une pression de 6,3 . 105 Pa soit inférieure à 0,350 ohm-cm et l'indice d'absorption de phtalate de dibutyle (ou indice DBP) soit supérieur à 350 ml pour 100 g de noir.Un tel noir d'acétylène est décrit dans le brevet français n 77 06894, noir d'acétylène qui possède une résistivité électrique mesurée sous une pression de 6,3 . 105 Pa, de 0,270 - 0,350 ohm-cm et un indice d'absorption DBP de 400-500 ml pour 100 g de noir. It is therefore the characteristic of the present invention to provide in the cathode mixture of a dry cell element a higher weight ratio of manganese dioxide to carbon black than that adopted in known practice, this thanks to the use of a specific carbon black, for example a specific acetylene black, of which both the carbon content is greater than 99 X, the electrical resistivity measured under a pressure of 6.3. 105 Pa is less than 0.350 ohm-cm and the absorption index of dibutyl phthalate (or DBP index) is greater than 350 ml per 100 g of black. Such acetylene black is described in French Patent No. 77 06894, acetylene black which has an electrical resistivity measured under a pressure of 6.3. 105 Pa, from 0.270 - 0.350 ohm-cm and a DBP absorption index of 400-500 ml per 100 g of black.

La Demanderesse a donc mis à profit le fait que, grâce aux caractéris- tiques d'un tel type de noir de carbone, il était possible de remplacer une partie de la quantité de noir habituellement introduite dans les mélanges cathodiques par une part supplémentaire de bioxyde de manganèse, tout en obtenant une conductibilité du mélange et une quantité d'électrolyte absorbé équivalentes à celles des piles convnetionnelles connues jusqu'alors par l'homme de l'art. The Applicant has therefore taken advantage of the fact that, thanks to the characteristics of such a type of carbon black, it was possible to replace part of the amount of black usually introduced into cathode mixtures by an additional part of dioxide. of manganese, while obtaining a conductivity of the mixture and an amount of electrolyte absorbed equivalent to that of conventional batteries known hitherto by those skilled in the art.

La présente invention consiste donc dans sa conception la plus large à remplacer, dans un élément de pile sèche du couple bioxyde de manganèse-zinc à électrolyte salin, la teneur en noir d'acétylène de caractéristiques conventionnelles par une quantité moindre d'un noir de carbone spécifique aux caractéristiques spéciales cumulées mentionnées ci-dessus et à compenser cette diminution de poids et de volume par une quantité accrue de bioxyde de manganèse. The present invention therefore consists in its widest design of replacing, in a dry cell element of the manganese dioxide-zinc couple with saline electrolyte, the acetylene black content of conventional characteristics by a lesser amount of a black of carbon specific to the cumulative special characteristics mentioned above and to compensate for this reduction in weight and volume with an increased amount of manganese dioxide.

Avantageusement et toujours selon l'invention, le rapport en poids du bioxyde de manganèse à ce noir de carbone spécifique sera compris entre les valeurs 10 et 17, de préférence 14 et 15, alors que dans les piles conventionnelles ce rapport est compris entre 3 et 8. Advantageously and still according to the invention, the weight ratio of manganese dioxide to this specific carbon black will be between the values 10 and 17, preferably 14 and 15, while in conventional batteries this ratio is between 3 and 8.

Suivant l'invention, on obtient donc bien deux avantages
- en premier lieu une augmentation de la durée de décharge et de la capacité dans les conditions les plus courantes d'utilisation grâce à la teneur accrue en bioxyde de manganèse qui est le constituant réactif de la cathode,
- d'autre part, le coût matière de la cathode n'est pas augmenté et se trouve même sensiblement réduit lorsque l'on emploie certains types de bioxydes de manganèse dont le prix est très inférieur à celui du noir de carbone partiellement remplacé.
According to the invention, two advantages are therefore clearly obtained
- firstly an increase in the discharge time and in the capacity under the most common conditions of use thanks to the increased content of manganese dioxide which is the reactive constituent of the cathode,
- On the other hand, the material cost of the cathode is not increased and is even significantly reduced when certain types of manganese bioxides are used, the price of which is much lower than that of partially replaced carbon black.

Pour mieux faire comprendre l'invention, on donnera ci-après deux exemples d'application de l'invention qui apportent l'un un gain substantiel de capacité en décharge, l'autre un gain économique certain par un abaissement notable des coûts. To better understand the invention, two examples of application of the invention will be given below, one providing a substantial gain in landfill capacity, the other a definite economic gain through a significant reduction in costs.

Dans l'élément de pile sèche constituant le premier exemple d'application de l'invention, on utilise un mélange cathodique comportant un bioxyde de manganèse synthétique, c'est-à-dire chimique ou électrochimique, et un noir d'acétylène spécifique que nous appellerons noir N dont la teneur en carbone est supérieure à 99 %, le diamètre moyen des particules de l'ordre de 275 Ao, la surface spécifique voisine de 100 m2/g, la résistivité électrique, mesurée sous une pression de 6,3 . 105 Pa, proche de 0,300 ohm-cm, un indice filtre de 100 et un indice d'absorption DBP de 400 ml pour 100 g de noir. Les hommes de l'art ont la pratique des modes de mesure permettant de connaître pour les noirs d'acétylène les valeurs des caractéristiques ainsi données. In the dry cell element constituting the first example of application of the invention, a cathode mixture is used comprising a synthetic manganese dioxide, that is to say chemical or electrochemical, and a specific acetylene black that we will call black N whose carbon content is greater than 99%, the average diameter of the particles of the order of 275 Ao, the specific surface area close to 100 m2 / g, the electrical resistivity, measured under a pressure of 6.3 . 105 Pa, close to 0.300 ohm-cm, a filter index of 100 and a DBP absorption index of 400 ml per 100 g of black. Those skilled in the art have the practice of measurement modes making it possible to know the values of the characteristics thus given for acetylene blacks.

Avantageusement, on réalise donc un mélange cathodique comportant en poids 56 à 64 %, par exemple 59 % de bioxyde de manganèse synthétique, 3,8 à 6 %, par exemple 4 %:'de noir d'acétylène spécifique N et on ajoute respectivement dans les meilleures conditions retenues par la Demanderesse 12 à 15 % de chlorure d'ammonium sec, par exemple 12,5 %, 2 à 10 % de chlorure de zinc sec, par exemple 8,5 % et 16 à 20 % d'eau, par exemple 16 %. Advantageously, a cathodic mixture is therefore produced comprising by weight 56 to 64%, for example 59% of synthetic manganese dioxide, 3.8 to 6%, for example 4%: 'of specific acetylene black N and is added respectively under the best conditions selected by the Applicant 12 to 15% of dry ammonium chloride, for example 12.5%, 2 to 10% of dry zinc chloride, for example 8.5% and 16 to 20% of water , for example 16%.

Dans un élément de pile sèche suivant cet exemple d'application, on observe de manière surprenante une augmentation de capacité, dans certains régimes d'utilisation, supérieure à celle à laquelle on pourrait normalement s'attendre du seul fait de l'augmentation de la teneur en bioxyde de manganèse. In a dry cell element according to this example of application, there is surprisingly an increase in capacity, under certain operating conditions, greater than that which one would normally expect by the mere fact of the increase in the manganese dioxide content.

Ceci apparaît nettement sur les courbes des figures 1 et 2, courbes relatives à des éléments de module RD6, R12, R14 et R20 (références des normes CEI) et qui laissent apparaître des gains de capacité de 50 à 100 % pour les piles suivant l'invention (tracé continu) par rapport aux piles conventionnelles (tracé en pointillé).This appears clearly on the curves of FIGS. 1 and 2, curves relating to RD6, R12, R14 and R20 module elements (references of the IEC standards) and which reveal capacity gains of 50 to 100% for the batteries according to the invention (continuous line) compared to conventional batteries (dotted line).

D'autre part, le prix des constituants ainsi employés dans ce premier exemple d'application de l'invention est tel que le prix de la cathode est au maximum égal et même légèrement inférieur à celui des mélanges conventionnels qui comportent du bioxyde de manganèse et du noir d'acétylène usuel dans des proportions normales. Il en résulte donc que le rapport performance/prix des piles sèches suivant cet exemple de l'invention est particulièrement favorable. On the other hand, the price of the constituents thus used in this first example of application of the invention is such that the price of the cathode is at most equal and even slightly lower than that of conventional mixtures which contain manganese dioxide and usual acetylene black in normal proportions. It therefore follows that the performance / price ratio of dry cells according to this example of the invention is particularly favorable.

Dans l'élément de pile sèche constituant le deuxième exemple d'application de l'invention, on utilise un mélange cathodique comportant un bioxyde de manganèse naturellement actif (que l'on extrait de certaines mines du Gabon ou de Grèce par exemple) et un noir d'acétylène spécifique N déja décrit. In the dry cell element constituting the second example of application of the invention, a cathode mixture is used comprising a naturally active manganese dioxide (which is extracted from certain mines in Gabon or Greece for example) and a acetylene black specific N already described.

Avantageusement on réalise un mélange cathodique comportant en poids 54 à 64 %, par exemple 61 % de bioxyde de manganèse naturellement actif, 3,8 à 6 %, par exemple 4,3 % de noir d'acétylène N, auxquels on ajoute 12 à 15 % de chlorure d'ammonium sec, par exemple 14, 7 %, 2 à 10 % de chlorure de zinc sec, par exemple 5,5 % et 14 à 20 % d'eau, par exemple 14,5 %. Advantageously, a cathodic mixture is produced comprising by weight 54 to 64%, for example 61% of naturally active manganese dioxide, 3.8 to 6%, for example 4.3% of acetylene black N, to which 12 to 15% dry ammonium chloride, for example 14.7%, 2 to 10% dry zinc chloride, for example 5.5% and 14 to 20% water, for example 14.5%.

Dans un élément de pile sèche suivant ce deuxième exemple d'application, on utilise donc un bioxyde de manganèse naturellement actif dont le prix est très inférieur à celui des bioxydes de manganèse synthétiques. Par suite, comme selon l'invention, une partie de la teneur conventionnelle en noir dont le coût est élevé est remplacée par du bioxyde de manganèse à bas prix, on réalise donc une pile très économique dont les performances bénéficient cependant de la forte teneur en bioxyde de manganèse. On voit donc que l'invention permet dans ce cas de réaliser des piles dont le prix matières premières est
REVENDICATIONS
1.Elément de pile sèche du couple bioxyde de manganès#-zinc à électrolyte salin dont la cathode est constituée d'un mélange comprenant essentiellement du bioxyde de manganèse synthétique ou naturellement actif et un noir de carbone spécifique, mélange dans lequel est absorbé un électrolyte formé d'une solution aqueuse concentrée composée principalement de chlorure de zinc et de chlorure d'ammonium, élément caractérisé en ce que le noir de carbone spécifique utilisé possède une teneur en carbone supérieure à 99 %, une résistivité électrique mesurée sous une pression de 6,3.105 Pa inférieure à 0,350 ohm-cm et un indice d'absorption DBP supérieur à 350 ml pour 100 g de noir et en ce que le rapport en poids du bioxyde de manganèse au noir de carbone est compris entre les valeurs 10 et 17.
In a dry cell element according to this second application example, a naturally active manganese dioxide is therefore used, the price of which is much lower than that of synthetic manganese bioxides. Consequently, as according to the invention, part of the conventional black content, the cost of which is high, is replaced by manganese dioxide at low cost, a very economical battery is therefore produced, the performances of which, however, benefit from the high content of manganese dioxide. It can therefore be seen that the invention makes it possible in this case to produce batteries whose raw material price is 1.Dry cell element of the manganese dioxide # -zinc couple with saline electrolyte, the cathode of which consists of a mixture essentially comprising synthetic or naturally active manganese dioxide and a specific carbon black, mixture in which an electrolyte is absorbed formed of a concentrated aqueous solution composed mainly of zinc chloride and ammonium chloride, element characterized in that the specific carbon black used has a carbon content greater than 99%, an electrical resistivity measured under a pressure of 6 , 3.105 Pa less than 0.350 ohm-cm and a DBP absorption index greater than 350 ml per 100 g of black and in that the weight ratio of manganese dioxide to carbon black is between the values 10 and 17.

2. Elément de pile sèche selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noir de carbone spécifique utilisé est un noir d'acétylène. 2. Dry cell element according to claim 1, characterized in that the specific carbon black used is an acetylene black.

3. Elément de pile sèche selon la revendication 2, caractérisé en ce que le noir d' acétylène- possède une résistivité électrique mesurée sous une pression de 6,3.105 Pa, de 0,270 - 0,350 ohm-cm et un indice d'absorption DBP de 400-500 ml pour 100 g de noir. 3. Dry cell element according to claim 2, characterized in that the acetylene black has an electrical resistivity measured under a pressure of 6.3.105 Pa, from 0.270 - 0.350 ohm-cm and a DBP absorption index of 400-500 ml per 100 g of black.

4. Elément de pile sèche selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que le bioxyde de manganèse est du type synthétique, chimique et/ou électrochimi#que. 4. Dry cell element according to claim 1,2 or 3, characterized in that the manganese dioxide is of the synthetic, chemical and / or electrochemical # type.

5. Elément de pile sèche selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le bioxyde de manganèse est du type naturellement actif. 5. Dry cell element according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the manganese dioxide is of the naturally active type.

6. Elément de pile sèche selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le rapport en poids du bioxyde de manganèse au noir de carbone est compris entre les valeurs 14 et 15. 6. Dry cell element according to claim 4 or 5, characterized in that the weight ratio of manganese dioxide to carbon black is between the values 14 and 15.

7. Elément de pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les teneurs en poids en chlorure d'ammonium sec, en chlorure de zinc sec et en eau sont respectivement de 12-15 %, 2-10 % et 14-20 %. 7. cell element according to any one of the preceding claims, characterized in that the contents by weight of dry ammonium chloride, of dry zinc chloride and of water are respectively 12-15%, 2-10% and 14-20%.

8. Elément de pile sèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 6 et 7, caractérisé en ce que la cathode a la composition suivante, en poids : 59 % de bioxyde de manganèse synthétique, 4 % de noir d'acétylène, 12,5 % de chlorure d'ammonium, 8,5 % de chlorure de zinc et 16 % d'eau. 8. Dry cell element according to any one of claims 1 to 4, 6 and 7, characterized in that the cathode has the following composition, by weight: 59% of synthetic manganese dioxide, 4% of acetylene black , 12.5% ammonium chloride, 8.5% zinc chloride and 16% water.

9. Elément de pile sèche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 5 à 7, caractérisé en ce que la cathode a la composition suivante, en poids : 61 % de bioxyde de manganèse naturellement actif, 4,3 % de noir d'acétylène, 14,7 % de chlorure d'ammonium, 5,5 % de chlorure de zinc et 14,5 % d'eau.  9. Dry cell element according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 7, characterized in that the cathode has the following composition, by weight: 61% naturally active manganese dioxide, 4.3% black acetylene, 14.7% ammonium chloride, 5.5% zinc chloride and 14.5% water.

Claims (1)

le plus bas possible pour un niveau de performance acceptable. Le rapportas low as possible for an acceptable level of performance. The report performance/prix est donc particulièrement favorable dans ce deuxième exemple comme dans le premier.performance / price is therefore particularly favorable in this second example as in the first. Il est bien certain que la présente invention s'étend aussi bien aux éléments cylindriques qu'aux éléments plats, qu'ils soient pourvus d'un séparateur constitué par une feuille de papier enduite dtune légère couche de gel électrolytique (éléments dits paper lined) ou constitué d'un gel électrolytique dont la prise s'opère à froid (éléments dits paste lined). It is quite certain that the present invention extends to both cylindrical elements and flat elements, that they are provided with a separator constituted by a sheet of paper coated with a light layer of electrolytic gel (so-called paper lined elements) or consisting of an electrolytic gel which sets when cold (elements called paste lined). On pourra par ailleurs ajouter aux mélanges cathodiques qui viennent d'être décrits, les additifs classiques en matière de piles sèches à électrolyte salin tels que, par exemple, l'oxyde de zinc# ou le bichlorure de mercure, sans pour autant altérer en quoi que ce soit les performances des piles comportant ces mélanges cathodiques. It will also be possible to add to the cathode mixtures which have just been described, the conventional additives in the field of dry batteries with saline electrolyte such as, for example, zinc oxide # or mercury dichloride, without thereby altering how let it be the performance of the cells comprising these cathode mixtures. Quant à la fabrication des éléments de piles selon l'invention, les techniques habituelles restent parfaitement utilisables.  As for the manufacture of battery cells according to the invention, the usual techniques remain perfectly usable.
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