專利名稱：電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電池。
電池，如堿性電池常用作電源。一般來說，電池含有負電極和正電極。負電極含有可被氧化的活性材料(例如鋅粒)；和正電極含有可被還原的活性材料(例如二氧化錳)。負電極的活性材料能還原正電極的活性材料。為了防止負電極的活性材料與正電極的活性材料直接反應，電極通過隔板彼此電分離。
當電池在器件，例如蜂窩式電話中用作電源時，使電極電接觸，從而允許電子流經(jīng)該器件并允許分別發(fā)生氧化和還原反應以提供電能。與電極接觸的電解質(zhì)含有流經(jīng)電極之間的隔板的離子以維持放電過程中整個電池的電荷平衡。
一方面，本發(fā)明的特征在于堿性電池，它包括具有銅材料(例如銅的氧化物)的正電極，和具有溶解的鋁材料(例如Al2O3、Al(OH)3、鋁金屬或堿金屬氧化鋁)的堿性電解質(zhì)。在一些情況下，銅材料可溶解在堿性電解質(zhì)內(nèi)，這可降低電池的電容和/或使用壽命。存在鋁離子可降低，例如抑制銅材料在堿性電解質(zhì)內(nèi)的溶解從而提高電池的儲存壽命和/或電容。
另一方面，本發(fā)明的特征在電池，它包括外殼，在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括銅材料，在外殼內(nèi)的負電極，在正電極和負電極之間的隔板，和在外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括溶解的鋁材料。
實施方案可包括一個或多個下述特征。銅材料包括銅的氧化物。銅材料包括氧化銅。正電極包括大于約86wt％的銅的氧化物。正電極進一步包括粘合劑和導電助劑。負電極包括鋅。電解質(zhì)溶液是堿性的。電解質(zhì)溶液包括選自氫氧化鉀和氫氧化鈉中的材料。電解質(zhì)溶液用鋁材料飽和。電解質(zhì)溶液包括大于約1wt％的鋁。
另一方面，本發(fā)明的特征在于，堿性原電池，它包括外殼，在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括大于約86wt％的銅的氧化物，在外殼內(nèi)的負電極，其中負電極包括鋅，在正電極和負電極之間的隔板，和在外殼內(nèi)的堿性電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括氫氧化物材料和溶解的鋁。電解質(zhì)溶液可包括約1至8wt％的鋁。
另一方面，本發(fā)明的特征在于電池，它包括外殼，在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括銅材料，在外殼內(nèi)的負電極，在正電極和負電極之間的隔板，和在外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括第一材料，其中相對于溶解在基本上不含第一材料的基本上相同的電解質(zhì)溶液內(nèi)的銅材料量，所述第一材料能減低在電解質(zhì)溶液內(nèi)溶解的銅材料量。
銅材料可包括銅的氧化物。第一材料可包括可溶的鋁。
本發(fā)明的特征還在于制造電池的方法。
另一方面，本發(fā)明的特征在于制造電池的方法，該方法包括在外殼內(nèi)提供含銅材料的正電極，溶解含鋁的材料到電解質(zhì)溶液內(nèi)，并將該電解質(zhì)溶液加入到外殼內(nèi)。
實施方案可包括一個或多個下述特征。正電極包括銅的氧化物。該方法包括用含鋁的可溶材料飽和電解質(zhì)溶液。含鋁的可溶材料選自金屬鋁、氧化鋁、氫氧化鋁和堿金屬氧化鋁。該方法進一步包括將含鋅的負電極加入到外殼內(nèi)。
另一方面，本發(fā)明的特征在于制造電池的方法，該方法包括提供含銅材料的正電極，添加第一材料到第一電解質(zhì)溶液內(nèi)，其中相對于溶解在基本上不含第一材料的基本上相同的電解質(zhì)溶液內(nèi)的銅材料量，第一材料能降低在第一電解質(zhì)溶液內(nèi)溶解的銅材料量，和將正電極與電解質(zhì)溶液摻入到電池內(nèi)。第一材料可包括可溶鋁。
另一方面，本發(fā)明的特征在于一種方法，該方法包括提供含活性材料的電極，和降低活性材料在該電解質(zhì)溶液內(nèi)的溶解度。電極可以是正電極，和活性材料可包括銅。降低溶解度可包括溶解鋁材料到電解質(zhì)溶液內(nèi)?；蛘呋蛄硗?，在電池的放電過程中可溶解鋁。
另一方面，本發(fā)明的特征在于操作電池的方法，該方法包括提供電池，所述電池包括含銅材料的正電極，電解質(zhì)溶液，和負電極，和在電池的放電過程中，將負電極溶解在電解質(zhì)溶液內(nèi)，其中銅材料在電解質(zhì)溶液內(nèi)的溶解度下降。負電極可包括鋁材料。
電池可以是原電池或二次電池。原電池是指僅僅一次放電到例如耗盡，然后棄置。原電池不打算被再充電。二次電池可再充電多次，例如大于50次，大于100次，或更多。在一些情況下，二次電池可包括相對結(jié)實的隔板，如具有許多層的那些和/或相對厚的隔板。也可設計二次電池以適應可能在電池內(nèi)出現(xiàn)的變化，例如溶脹。例如在Falk& Salkind，“Alkaline Storage Batteries”，John Wiley &Sons，Inc.1969；美國專利No.345124；和法國專利N0.164681中公開了二次電池，在此通過參考將其全部引入。
根據(jù)附圖
、說明書和權利要求，本發(fā)明的其它方面、特征和優(yōu)點將變得顯而易見。
該圖是電池的截面視圖。
優(yōu)選實施方案的詳細說明參考該圖，電池或電化學電池10包括圓柱形外殼18，所述圓柱形外殼18含有正電極12、負電極14，和在電極之間的隔板16。正電極12包括活性銅材料，如銅的氧化物，和負電極14包括活性鋅材料。電池10還包括電流繼電器20、密封墊22，和起到電池負極端作用的金屬頂蓋24。正電極12與外殼18接觸，和電池10的正極端處于與負極端相對的電池末端。電解質(zhì)溶液分散在整個電池10內(nèi)。
電解質(zhì)溶液或電解質(zhì)可以是在電池中使用的任何電解質(zhì)溶液。電解質(zhì)溶液可以是堿溶液，如氫氧化物水溶液，例如LiOH、NaOH、KOH，或氫氧化物溶液的混合物(例如NaOH/KOH)。例如，氫氧化物水溶液可包括約33至約40wt％的氫氧化物材料，例如約9N KOH(約37wt％KOH)。在一些實施方案中，電解質(zhì)也可包括最多約6wt％的氧化鋅，例如約2wt％的氧化鋅。
相對濃縮的堿性電解質(zhì)溶液可溶解存在于正電極內(nèi)的活性銅材料。在一些情況下，溶解的銅材料可擴散到鋅負電極上并形成銅金屬，同時消耗相應量的鋅。結(jié)果，正電極的活性材料和負電極的活性材料均被消耗，并可降低電池的電容。在一些情況下，所形成的銅金屬可引起在負電極14處氫氣逸出，從而增加電池內(nèi)的壓力，并潛在地引起電池排氣。此外，所形成的銅金屬可以以從負電極向正電極延伸的枝狀晶體形式沉積。枝狀晶體可穿透隔板并接觸正電極，從而使電池短路。因此，電池的儲存壽命尤其在升高的溫度下，可能變短和/或不可靠，其中所述升高的溫度可加速銅金屬的形成。
在一些實施方案中，電池10的電解質(zhì)溶液包括可溶材料，所述可溶材料降低(例如抑制)正電極中活性材料在電解質(zhì)溶液內(nèi)的溶解度。合適的材料包括可溶解在電解質(zhì)溶液內(nèi)的一種或多種鋁材料。在不希望受到理論束縛的情況下，認為可溶鋁材料可以形成在電解質(zhì)溶液內(nèi)不可溶的化合物，如銅-鋁化合物。鋁材料也可與電解質(zhì)溶液反應并降低電解質(zhì)溶液的增溶能力。合適的鋁材料的實例包括下述商購粉末鋁金屬、氧化鋁(例如Al2O3)、氫氧化鋁(Al(OH)3)、堿金屬氧化鋁(例如NaAlO2)、金屬氧化鋁(例如氧化鋁銅如CuAl2O4)，和其它含鋁材料?？墒褂娩X材料的混合物。電解質(zhì)溶液可用鋁材料飽和或者亞飽和。電解質(zhì)溶液可包括約1至約8wt％的鋁。例如，電解質(zhì)溶液可包括等于或大于約1、2、3、4、5、6或7wt％的鋁，和/或等于或小于約8、7、6、5、4、3或2wt％的鋁。對于相對未濃縮的堿性電解質(zhì)溶液來說，可使用較少的鋁材料，這是因為銅材料在電解質(zhì)溶液內(nèi)的溶解度下降。
正電極12包括具有銅材料的活性材料、導電助劑和粘合劑。
銅材料可以是銅的氧化物，如氧化銅(CuO)或氧化亞銅(Cu2O)。氧化物可以是化學計量(例如CuO)或者非化學計量(例如CuOx，其中0.5＜x＜1.5)的。在一些實施方案中，正電極12包括以重量計，約86至約92％，優(yōu)選約88至約91％，和更優(yōu)選約89至約91％的銅的氧化物。在電解質(zhì)溶液分散之后測量此處提供的所有重量百分數(shù)。其它合適的銅材料包括氯化銅(例如CuCl2)、高錳酸銅(例如Cu(MnO4)2)，或其它含銅活性材料。在正電極12內(nèi)的銅材料可包括僅僅銅的氧化物，或者銅材料的混合物。例如，在正電極12的銅材料當中，正電極可包括5-100wt％的氯化銅和/或高錳酸銅，和余量為例如氧化銅。
導電助劑可增加正電極12的導電率。導電助劑的實例是石墨顆粒。石墨顆粒可以是在正電極中使用的任何石墨顆粒。顆粒可以是合成或者非合成的，和它們可膨脹或未膨脹。在這些實施方案中，石墨顆粒的平均粒度可以小于約20微米，例如約2微米-約12微米，或約5微米-約9微米，這使用Sympatec HELIOS分析儀來測量。非合成、未膨脹的石墨顆?？衫绔@自Brazilian Nacional deGrafite(Itapecirica，MG Brazil(MP-0702X))?；蛘呋蛄硗猓绻餐D(zhuǎn)讓的2000年9月7日申請的U.S.S.N09/658042和2001年4月10日申請的U.S.S.N09/829709中所述，導電助劑可包括碳纖維。在一些實施方案中，正電極12包括約1至約10wt％的一種或多種導電助劑。
粘合劑的實例包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、卜特蘭水泥和氟烴樹脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。聚乙烯粘合劑的一個實例以商品名Coathylene HA-1681銷售(獲自Hoechst)。正電極12可包括例如0.1至約1wt％的粘合劑。
正電極12可包括其它添加劑。例如在美國專利No.5342712中公開了這些添加劑的實例，在此通過參考將其引入。正電極12可包括例如約0.2wt％-約2wt％的TiO2。可添加表面活性劑，例如聚乙烯醇(PVA)、乙烯-乙烯醇(EVOH)和聚乙烯醇縮丁醛。
可由在電池負電極中使用的任何鋅材料形成負電極14。例如，負電極14可以是鋅凝膠，所述鋅凝膠包括鋅金屬顆粒，膠凝劑，和小量添加劑，如產(chǎn)氣抑制劑。另外，一部分電解質(zhì)溶液分散在整個負電極中。
鋅?？梢允窃谀z負電極中使用的任何鋅粒。鋅粒的實例包括例如在U.S.S.N08/905254、U.S.S.N09/115867和U.S.S.N09/156915中所述的那些，它們均被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人且在此通過參考引入。鋅粒可以是鋅合金，例如含數(shù)百ppm銦和鉍的鋅合金。負電極14可包括例如67％至71wt％的鋅粒。
膠凝劑的實例包括聚丙烯酸，接枝淀粉材料，聚丙烯酸鹽，聚丙烯酸酯，羧甲基纖維素或其結(jié)合。這種聚丙烯酸的實例是Carbopol 940和934(獲自B.F.Goodrich)和Polygel 4P(獲自3V)，和接枝淀粉材料的實例是Waterlock A221(獲自Grain Processing Corporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸鹽的實例是Alcosorb G1(獲自CibaSpecialties)。負電極14可包括例如0.1-約1wt％的膠凝劑。
產(chǎn)氣抑制劑可以是無機材料，如鉍、錫、鉛和銦?；蛘?，產(chǎn)氣抑制劑可以是有機化合物，如磷酸酯，離子表面活性劑或非離子表面活性劑。在例如美國專利No.4777100中公開了離子表面活性劑的實例，在此通過參考將其引入。
負電極14可包括其它材料。例如，在其它實施方案中，負電極14可包括能還原含銅材料的正電極的金屬。合適的金屬包括例如，鋁、鎂、鈣、硅、硼、鈦、鋯、鉿、鑭、錳、鐵、鈷、鉻、鉭、或鈮。可使用這些金屬的二元、三元、四元和其它多元組分合金的結(jié)合，以及含鋅與這些金屬的那些結(jié)合。
隔板16可具有電池隔板的任何設計。在一些實施方案中，隔板16可由兩層非織造、非膜材料形成，其中一層沿著另一層的表面布置。為了降低(例如最小化)隔板16的體積，同時提供有效的電池，非織造、非膜材料的每一層可具有約54g/m2的基重，當干燥時約5.4mil的厚度，和當濕潤時約10mil的厚度。在這些實施方案中，隔板優(yōu)選不包括膜材料的層或在非織造、非膜層之間的粘合層。這些層可基本上不含填料，如無機顆粒。
在其它實施方案中，16包括賽璐玢的外層和非織造材料的層。隔板還包括非織造材料的額外層。賽璐玢層可以與正電極12或負電極14相鄰。優(yōu)選地，非織造材料含有約78wt％-約82wt％的PVA，和約18wt％-約22wt％的人造絲以及痕量的表面活性劑。這種非織造材料以商品名PA25獲自PDM。隔板的其它實例包括在美國專利Nos.143644、274110、542049、1017064、1207382、1255283、1282057、1295459、1316761、1386095、1415860、1532252、1564741、1624460和2157072中所述的纖維吸收劑材料或織物隔板。
外殼18可以是在電池，例如堿性原電池中常用的任何外殼。在一些實施方案中，外殼18包括內(nèi)部金屬壁和外部不導電的材料，如可熱收縮的塑料。任選地，導電材料的層可布置在內(nèi)壁和正電極12之間。該層可沿著壁的內(nèi)表面布置，沿著正電極12的圓周布置或者這二者。該導電層可例如由含碳材料形成。這種材料包括LB1000(Timcal)、Eccocoat 257(W.R.Grace & Co.)、Electrodag 109(Acheson ColloidsCo.)、Electrodag 112(Acheson)和EB0005(Acheson)。在例如加拿大專利No.1263697中公開了施加導電層的方法，在此通過參考將其引入。
電流繼電器20可由合適的金屬，如黃銅制造。密封墊22可例如由尼龍制造。
可使用常規(guī)方法組裝電池10。在一些實施方案中，可通過2000年8月24日申請的U.S.S.N09/645632中所述的填充和鉆孔方法形成正電極12。
許多其它實施方案是可能的。例如，在正電極12內(nèi)的銅材料可以是正電極的次要組分。例如，正電極12可包括大多數(shù)其它過渡金屬材料，例如氧化錳、氧化鎳或氧化鈷。銅材料可以是例如增加電容的添加劑。在美國專利No.6440181中公開了氧化錳基電池的實例。含以上所述的電解質(zhì)可降低電池內(nèi)銅材料的溶解度。
在其它實施方案中，在使用過程中，可將降低電解質(zhì)溶液內(nèi)正電極中活性材料溶解度的材料引入到電解質(zhì)溶液內(nèi)。例如，電池可包括含鋁的負電極。當電池放電，和電極溶解時，一種或多種鋁材料可摻入到電解質(zhì)溶液內(nèi)。負電極可包括例如鋁金屬或鋁合金，如Al-Mg、Al-Ti或Al-Zr。
在一些情況下，電池10可包括氫氣重組催化劑以降低在電池內(nèi)的氫氣含量，當電鍍銅金屬和氧化鋅時，可生成所述氫氣。在例如美國專利Nos.6500576和3893870中公開了合適的氫氣重組催化劑?；蛘呋蛄硗猓蓸嬙祀姵?0包括壓力活化閥門或出口，例如如美國專利No.5300371中所述。
電池10可包括aAA、AAA、AAAA、C、或D電池。在其它實施方案中，電池10可以是非圓柱形電池，如硬幣電池、鈕扣電池、棱柱電池，或跑道形狀電池。電池10可包括多葉(multi-lobed)電極，例如如1999年9月21日申請的U.S.S.N09/358578中所述。
此處援引的所有參考文獻，如專利申請、出版物和專利在此通過參考將其全文引入。
權利要求
1.一種電池，它包括外殼；在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括銅材料；在外殼內(nèi)的負電極；在正電極和負電極之間的隔板；和在外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括溶解的鋁材料。
2.權利要求1的電池，其中銅材料包括銅的氧化物。
3.權利要求1的電池，其中銅材料包括氧化銅。
4.權利要求1的電池，其中正電極包括大于約86wt％的銅的氧化物。
5.權利要求1的電池，其中正電極進一步包括粘合劑和導電助劑。
6.權利要求1的電池，其中負電極包括鋅。
7.權利要求1的電池，其中負電極包括含選自鋁、鎂、鈣、硅、硼、鈦、鋯、鉿、鑭、錳、鐵、鈷、鉻、鉭和鈮中的元素的材料。
8.權利要求1的電池，其中電解質(zhì)溶液是堿性的。
9.權利要求1的電池，其中電解質(zhì)溶液包括選自氫氧化鉀和氫氧化鈉中的材料。
10.權利要求1的電池，其中用可溶的鋁飽和電解質(zhì)溶液。
11.權利要求1的電池，其中電解質(zhì)溶液包括大于約1wt％的鋁。
12.權利要求1的電池，其中電池是原電池。
13.權利要求1的電池，其中電池是二次電池。
14.一種堿性原電池，它包括外殼；在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括大于約1wt％的銅的氧化物；在外殼內(nèi)的負電極，其中負電極包括鋅；在正電極和負電極之間的隔板；和在外殼內(nèi)的堿性電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括氫氧化物材料和溶解的鋁材料。
15.權利要求14的電池，其中電解質(zhì)溶液包括約1至約8wt％的鋁。
16.一種電池，它包括外殼；在外殼內(nèi)的正電極，其中正電極包括銅材料；在外殼內(nèi)的負電極；在正電極和負電極之間的隔板；和在外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液，其中電解質(zhì)溶液包括第一材料，其中相對于溶解在基本上不含第一材料的基本上相同的電解質(zhì)溶液內(nèi)的銅材料量，所述第一材料能降低在電解質(zhì)溶液內(nèi)溶解的銅材料量。
17.權利要求16的電池，其中銅材料包括銅的氧化物。
18.權利要求16的電池，其中第一材料包括可溶的鋁材料。
19.一種制造電池的方法，該方法包括在外殼內(nèi)提供含銅材料的正電極；溶解含鋁的材料到電解質(zhì)溶液內(nèi)；和將該電解質(zhì)溶液加入到外殼內(nèi)。
20.權利要求19的方法，其中正電極包括銅的氧化物。
21.權利要求19的方法，包括用含鋁的材料飽和電解質(zhì)溶液。
22.權利要求19的方法，其中含鋁的材料選自金屬鋁、氧化鋁、氫氧化鋁、堿金屬氧化鋁和金屬氧化鋁。
23.權利要求19的方法，進一步包括將含鋅的負電極加入到外殼內(nèi)。
24.一種制造電池的方法，該方法包括提供含銅材料的正電極；提供第一電解質(zhì)溶液；添加第一材料到第一電解質(zhì)溶液內(nèi)，其中相對于溶解在基本上不含第一材料的基本上相同的電解質(zhì)溶液內(nèi)的銅材料量，所述第一材料能降低在電解質(zhì)溶液內(nèi)溶解的銅材料量；和將正電極與電解質(zhì)溶液放入電池內(nèi)。
25.權利要求24的方法，其中第一材料包括鋁。
26.一種方法，它包括提供含活性材料的電極；和降低在電解質(zhì)溶液內(nèi)活性材料的溶解度。
27.權利要求26的方法，其中電極是正電極，和活性材料包括銅。
28.權利要求26的方法，其中降低溶解度包括將鋁溶解到電解質(zhì)溶液內(nèi)。
29.權利要求28的方法，其中在電池放電過程中溶解鋁。
30.一種操作電池的方法，該方法包括提供電池，所述電池包括含銅材料的正電極，電解質(zhì)溶液，和負電極；和在電池的放電過程中，將負電極溶解在電解質(zhì)溶液內(nèi)，其中銅材料在電解質(zhì)溶液內(nèi)的溶解度下降。
31.權利要求30的方法，其中負電極包括鋁材料。
全文摘要
公開了電池和制造電池的方法。在一些實施方案中，電池包括外殼，在外殼內(nèi)含銅材料的正電極，在外殼內(nèi)的負電極，在正電極與負電極之間的隔板，和在外殼內(nèi)含可溶鋁的電解質(zhì)溶液。制造電池的方法可包括在外殼內(nèi)提供含銅材料的正電極，將含鋁的材料加入到電解質(zhì)溶液內(nèi)，和將該電解質(zhì)溶液加入到外殼內(nèi)。
文檔編號H01M10/26GK1778005SQ200480006132
公開日2006年5月24日 申請日期2004年3月1日 優(yōu)先權日2003年3月6日
發(fā)明者C·埃勒姆, O·茂, S·M·達維斯 申請人:吉萊特公司