TW521452B - Battery cathode - Google Patents

Description

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 521452 五、發明説明（1 ) 本發明係關於一種電池陰極。 電池通常使用之電能量I^ ^ 、…… 里；，原。電池包含-個負極，一妒 _ 個正極，—般被稱爲陰極。陽極包本一 個可被氧化的活性物質；陰極本 " ,,,_ g "次消耗一個可被還原的 活性物貝。陰極活性物質能還原陽極活性物質。爲了避” 陽極物質及陰極物質的直接反應，陽極及陰極互： 器做電子上的隔離。 ^ 當電池被用做裝置-如.扞f 士 衣l 1 .仃動弘治·中的電能量來源時， 極及陰極做電子接觸，宕畔、、 响合泎％予况經孩裝置，並允許相對 應之氧化及還原反應發峰，卢/+f +丄 生以楗供電力。與陽極及陰極柱 觸的電解皙包厶λ rf7托問、六γ 、 任 、。口在兩極間流經分隔器的電子，以維持放而 期間流經電池的電荷平衡。 电 在金屬-空氣電化學電池中，氧在陰極被還原成氯氧離子 ，且金屬-例如：鋅-在陽極上被氧化。氧從電池外的大氣中 、經由在電池容器中的一或多個空氣進入開口而被 陰極上。 ^ 在鋅-空氣電池中用於氧氣還原的陰極物質包括：分散在碳 (支撑物）上的金屬氣化物觸媒（例如··二氧化錳）。相作碳^ 原氧（〇2)爲過氧化物（〇2Hi，同時該觸媒分解過氧 (〇2H )爲氧（02)及氫氧離子（〇H-)。因兩步還原製程牽涉到 過氧化物從碳擴散到觸媒上，通常—想要的是觸媒高度均勻 地分散在碳上。例如：在碳上的氧化物低分散度會降低陰極 的放電速率。然而，過氧化物的累積會降低陰極操作電壓 及限制電流。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS )八4規格（210X297公羡） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 線 521452 五、發明説明（2 本發明係關於由環境酸金屬鹽-如:環_-前趨物所形 陰1™物質。如:鈷及/或氧化鈷的觸媒被相信能還原 氫氧,难+ π,7典過氧化物的形成’並還原過氧化物爲 乳及氫氧離子。該前趨物提供成本有效之方法在支撑 Γ、碳-上形成高度分散、細分之金屬/金屬氧化物。再者 “皮加入電池中時，陰極活性物質通常提供高限制電流 咼操作電壓的電池。 〜方Φ^明的特色爲一種製造陰極的方法，包括 卿包含環炫酸金屬鹽的晶合物，並將經分解的混合物加 陰極中。該混合物可再包括碳及非水性的溶劑，如：丙酮 抵類。 本發明的具體會施例可白 例了包括—或多個下列特色。分解該 w &物可以’蒸發非水性的溶劑、力口#該混合㈣約筑 約7〇 C、及/或將環烷酸金屬鹽與化學還原劑接觸而進行 加以分解混合物到陰極中可包括加入碳及黏合劑-例如 四氣乙缔-到陰極中。 另-万面’本發明的特色爲—種製造電池的方法，包括 在溶劑中形成含料酸金屬鹽及碳的溶液、移除該溶劑、 並…衣纪酸金屬鹽，以形成分散在碳上的金屬氧化物。 經分解的環燒酸鹽可被加入陰極中，其可被加入金屬-空 電池中或燃料電池的電極中。 一 工 另-方面，本發明的特色爲一種製造陰極的方法，包括 一分㈣_屬鹽，並將經分解的環拔酸鹽加到陰極中。 該環坑酸金屬鹽可包括環烷酸鈷。 及 存 分 到 或 訂 至 :聚 氣 •5- 本紙張尺度適用中1]¾標準（CNS )八4祕（210X297^7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 521452 五、發明説明（3 本么明的其他特色、目的及 · 申請專利範圍中明瞭。 …-敘述'其圖示和從 圖不疋個金屬·空氣電池的正視剖面圖。 參照圖示，圓柱形的金屬-空氣電池1〇包括具有空氣進入 ㈣的外殼？、陰極管16、陽極18、在陰極管16及陽極 ^勺刀h备2 0。電池丨〇再包括陽極電流收集器U、封 口組合物24及金屬頂蓋26。 陰極官16爲觸媒、碳顆粒及黏合劑的摻合物。 觸媒是由高度分散在如碳之支撑物上的金屬及/或金屬氧 化物、田刀顆所製成。該金屬及/或金屬氧化物較佳地從有 機金屬前趨物形成。通常，有機金屬前趨物及支撑物（例如： 碳)與落劑混合，而形成溶液。溶劑可爲水性或非水性的。 較佳地’該溶劑可溶解該前趨物或與該前趨物互溶。溶液 被混合以容許該前趨物吸收到支撑物上。然後該溶劑被移 除，並所餘 < 前趨物/支撑物混合物被分解，提供金屬及/或 金屬氧化物/支撑物混合物，其可用於陰極丨6中。較佳的觸 媒疋由環坑酸結前趨物形成之鉛及/或氧化話，細細地分散 在碳上。陰極1 6包括在約1 %及約丨〇重量％之間的觸媒，較 佳是在約3%及約5%之間。 支撑在碳上的觸媒實例是根據下列的步驟製備的·。五十 克的環烷酸鈷[商業上可得自懸浮在-來自阿爾發·艾薩（Alfa Aesar)的礦物酒精中]在約50-60°C下、被溶解在1升的丙酮 中。一百克的碳[法爾坎（Vulcan) XC-72，卡柏公司（Cabot Corp·)]被攪拌到環烷酸鹽/丙酮溶液中。該溶液被覆蓋並攪 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ·--^--^^1 (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 521452 A7 B7 五、發明説明（4 ) 拌24小時，以容許環烷酸鈷分散到碳的孔洞中。在μ小時 後’蓋子被移除並㈣被容許緩慢地蒸發，直到丙酉同體積 減半所餘的/谷液被倒入不鏽鋼盤中，並置於70°c的熔爐 中加熱8小時，以移除所餘的丙酮。然後溫度被升到乇 8小時，以和除礦物酒精基底。所得之鈷/氧化鈷/碳餅在 瓦潤（Waring)摻合器中被打碎並被加入陰極16中。 碳不限於任何特別種類的碳。碳的實例包括黑珍珠 (Black Pearl) 2000、法爾坎（Vulcan) XC-72[麻州比瑞利卡 的卡柏公司（Cabot Corp·，Biiierica5 MA)、曉微尼根黑 (Shawinigan Black)[加州舊金山市的謝福龍（Chevr〇n，San Francisco，CA)、晋靈特克斯（Printex)、凱貞黑⑺叫⑶ Black)[伊利語州芝加哥市的艾克柔·諾貝爾（Akz〇 Nobel, Chicago，IL)]及卡爾根（Calgon) PWA[賓州匹茲堡的卡爾 根石反（Calgon Carbon，Pittsburgh，PA)]。通常，陰極 16 包 括約30%及約70重量％之間的總碳，較佳是約5〇%及約 60%之間。 冰占合彳的貝例包括聚乙缔粉末、聚丙缔基酿胺、波特蘭 (Portland)水泥及氟石炭樹脂，如：聚叉乙烯基氟及聚四氟乙締 。聚乙晞黏合劑的實例在商標名稱柯歐斯林 (Coathylene)HA-1681 下販賣[賀斯特（Hoechst)]。較佳黏合 劑的實例包括聚四氟乙晞（PTFE)顆粒。通-常陰極16包括在 約10%及40重量％之間的黏合劑，較佳是在約30%及約40% 之間。 如上述的活性陰極塗層混合物被塗覆在電流收集器（未顯 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） ^----I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 521452 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 、發明説明（5 示）上，例如：金屬篩網， 物硬化之後，陰極組合物被丨二卜16。在陰極塗層混合 殘餘揮發物。 ？ 皮加為而從陰極結構移除任何 陰極管16的外面，其面對 ^ .. 、 h 卞吧池開口 14，可以PTFE障礙膜 28覆盍。障礙膜28幫助在❿&】λ丄 早疋朕 匕 在电池10中維持恆定的渴度 石違膜2 8也避免電解皙：电、展山 里「早 貝戍屬出電池外及C02漏入電池中。 分隔器20被置於陰杯營k 士 ' μ 16中。分隔器2〇可以是多孔、絕 、，豕4合物，如：聚丙烯，1定 /、合泎電衅質接觸陰極。 爲了組合電池10，以障礙 、， — 疋腺—8包後亚且包括分隔器20的 陰極管1 6，被置於罐ρ中 、 嘴〜甲。馬了封住陰極，罐1 2可包括道 電熱溶（未顯示），例如.自番、人山 ^ ，、 ]如·男载於碳、石墨或鎳的聚醯胺。陰 極電流收集器必須電接觸#丨〇 、 祛觸％ 1 2的底邵。電接觸可在陰極電 流收集器及罐底部之間α P ^ , * & I〜间以柃供直接物理接觸而獲得，例如： 焊接電流收集器到罐的底邱。$ Λ 访Γι “ 1 * 本〜低4 〇另外，導電片被附於陰極電 流收集器及罐底部界者上。陰極管丨6及罐丨2一起界定出其 間的空氣空間3 0。 ' 在陰極官1 6被插入之後，然後以分隔器2〇形成之内部孔 洞及陰極管1 6以陽極膠1 8填入。 ㈣極如1 8包含鋅及電解質的混合物。該鋅及電解質的淚 合物可包括成膠劑，其可幫助避免電解質從電池洩漏出去 ，並且幫助鋅顆粒懸浮在陽極中。-鋅物質可以是鋅粉，其與鉛、銦、鋁或鉍成合金。例如. 鋅可以與在約400及約600百萬分之一份數間（例如：5〇〇百萬 分之一份數）的鉛、在約400及約600百萬分之一份數間（例如 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -------^---^Aw· — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 521452 五、發明説明（6 :5〇〇百萬分之一份數）的

Em 4在约）〇及9 0百筮八、 間（例如：70百萬分之一份 禺乃〈一份數 物質可包括鉛、銦及々·外各佳地，該鋅 工口久隹口 ·鉛及銦；戎 可包括鉛而無另外的全屬、、A 一 ’“ 。另外，該鋅 斗_ ，， 屬'泰加物。該鋅物質可以命鸟a山 或馬紡鋅（spun zinc)。谪本二乳1w出 H IQ )通*的鋅顆粒被敘述於例如·1 998$9 U.S.S.N. 08/905,254 及 19 迗件《 09/1 15 甘„ 月上日运件之U.S.S.N· π)，867,其整體皆被併於本文爲參考。 鋅顆粒可爲圓球形或非圓球形。例如:鋅顆粒可在形狀上 具有向位比率至少2)。該鋅物質包括大部份爲具 寸在約60師孔（meshm 325筛孔之間的顆粒 物質可具有下列的顆粒尺寸分佈： …鲜 訂 在60篩網上爲〇_3重量％ : 在100篩網上爲40-60重量0/〇 ; 在200篩網上爲30-50重量％ ; 在325篩網上爲〇_3重量％ ;及 在盤上爲0-0·5查量％。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 通當的鋅物質包括可得自Union Miniere(〇verpeit，比利 時）、Duracell(美國）、N〇randa(美國）、GrU1〇(德國）及 T〇h〇 Z i n c (曰本）的鋅。 成扣劑爲吸收性聚丙烯酸鹽。該1及收性聚丙烯酸鹽具有 每克成.蜊少於約3 〇克鹽水的一個吸收性外殼，如美國專 利4,54 1，87 1號所敘述地測量，其在此被併於本文爲參考。 在陽極混合物中的陽極膠包括少於1百分比之乾燥鋅重量的 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 521452 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 五、發明説明（7 ) 成膠劑。較佳地，成膠劑含量是在約〇·2 百 間，更佳是在約。.3及。.6重量百分比之間，並== 〇·33重量百分比。吸收性聚丙烯酸鹽可以是以懸浮聚合製 成之聚丙烯酸鈉。適當的聚丙晞酸鈉具有平均顆粒尺寸在 約1〇5及18〇微米之間，並且ρΗ約爲7·5。適當的成膠劑例如 被敘述於美國專利4554 1，871號、美國專利4,59〇,227號或美 國專利4,507,438號中。 . 在某些具體實施例中，陽極膠可包括非離子界面活性劑 。该界面活性劑可以是非離子磷酸鹽界面活性劑，如··塗覆 在鋅表面的非離子烷基磷酸鹽或非離子芳基磷酸鹽㈠列如 :RA600或RM510，可得自Rohm & Haas)。陽極膠可包括約 20 土 100 ppm么復於鋅材料表面之界面活性劑，該界面活性 劑可當做氣體處理抑制劑。 電解負可以是氫氧化鉀的水性溶液。該電解質可包括 在約30及40百分比之間的氫氧化鉀，較佳是在約35及4〇 百分比之間。該電解質也可包括在約1及2百分比之間的 氧化鋅。 在陽極膠18被置於罐12中之後，預先組合之頂部組合物 32被置於罐12的頂部。頂部組合物3 2包括封口 24、電流收 集备2 2及焊接到電流收集器2 2的頂蓋2 6。電流收集器2 2是 由適當的金屬-如··銅·所製成。计-口 24可以_例如尼龍製成。 另外的非導電熱溶（BiWax Corp·)被置於封口 24及陰極管16 之間’以將電解質及陽極物質的洩露減至最小。然後罐12 之較上的外邵週圍（即：蓋子）被鍛造到預先組合之頂部組合 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )六4^格（210X297公釐） -----：-----I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 521452 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 物32上，以在罐12的頂部封住頂部組合物32。 在儲存期間，兒池1 〇可以蓋住電池開口丨4的可移除片覆 蓋。該片是例如：氧、氣不滲透且氫氣可滲透的片狀物，限制 空氣在電池的内部及外部流動。使用者在使用之前從電池 上撕下咸片狀物，以客許氧氣從空氣中進到電池的内部。 電池也可儲存在經封閉之金屬袋中。使用者在使用之前從 該袋中移出電池。 金屬-空氣電池其他的具體實施例及其製造方法被敘述於 ••1 999 年 8 月 13 日送件之 U.S.S.N. 09/374,277 : 1999 年 8 月 13 日送件足U.S.S.N. 09/3 74,2 78 : 1999年10月13日送件之 U.S.S.N· 09/416,799 ; 1 999 年 1〇 月 26 日送件之 U S S N· 09/42 7,37 1 ;及 2000年 1 月 31 日送件tU S S N. 〇9/494,586， 其整體皆在此併於本文爲參考。 可預期其他的具體實施例。例如：可使用其他的環烷酸金 屬鹽，如··環烷酸錳、環烷酸鎳及環烷酸鐵。該環烷酸金屬 鹽可以化學還原分解成可被空氣氧化的金屬顆粒。還原劑 包括例如：聯氨、羥基胺、氫化硼鋁及氫化鋰鋁。再者，當 上述係關於金屬-2氣電池時，陰極1 6可應用於其他種類的 電池，包括：空氣恢復電池及燃料電池。 其他的具體實施例是在申請專利範圍内。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -----.— -^---^#.1 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

Claims (1)

1. 521452 第090119062號專利申請案 A8 級|之19 中文申請專利範圍替換本(91年I2月）S

   六、申請專利範圍 1 · 一種製造陰極的方法，該方法包含： 分解包含環烷酸金屬鹽（metal naphthenate)的混合物； 及 將該經分解的混合物加到陰極中。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該混合物再包祛雙 及非水性的溶劑。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該混合物包含： 約1至約10重量百分比的環烷酸金屬鹽；及 約30至約70重量百分比的碳。 4·如申請專利範圍第2項之方法，其中該非水性的溶劑是 選自包括丙酮及烷類。 5·如申請專利範圍第2項之方法，其中分解該混合物包含 蒸發非水性的溶劑。 6.如申請專利範圍第1項之方法，其中分解該混合物包含 加熱該混合物到約200°C至約300°C。 7·如申請專利範圍第1項之方法，其中分解該混合物包含 將環烷酸金屬鹽與化學還原劑接觸。 8 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中該化學還原劑是選 自包括氫化鋰鈉、氫化硼鋁、聯氨及羥基胺。 9·如申請專利範圍第1項之方法，其中該金屬包含話。 10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該金屬是選自包括 錳、鐵及鎳。 11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該分解的混合物 加到陰極中疋包含將碳及黏合劑加到陰極中。 O:\72\7290l-9l i2l9.d〇c/mg

   521452 A8 B8 C8 六、申請專利範圍 12·如申請專利範圍第11項之方法，其中該黏合劑包含聚 四氟乙婦。 13· —種製造電池的方法，該方法包含： 在溶劑中形成包含環烷酸金屬鹽及碳的溶液； 移除該溶劑；及 分解環烷酸金屬鹽，形成分散在碳上的金屬氧化物。 14·如申請專利範圍第13項之方法，其中該環烷酸金屬鹽 包含環烷酸鈷。 15.如申請專利範圍第13項之方法，其中分解該環烷酸金 屬鹽包含加熱該環烷酸鹽到大於約25(rc的溫度。 16·如申請專利範圍第13項之方法，再包含將經分解的環 垸酸鹽加到陰極中。 17.如申請專利範圍第16項之方法，再包含將該陰極加到 金屬-空氣電池中。 18·如申請專利範圍第16項之方法，再包含將包含鋅的陽 極加到金屬-空氣電池中。 .如申請專利範圍第13項之方法，再包含將經分解的環 烷酸鹽加到燃料電池的電極中。 20. —種製造陰極的方法，該方法包含· 分解環垸酸金屬鹽；及 將經分解的環烷酸金屬鹽加到陰極中。 21•如申請專利範圍第2〇項之方 長甲迓裱烷酸金屬隨 包含環烷酸鈷。 ^ ^ ® 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公茇） -2 -