專利名稱：具有混合鋅粉的堿性電化學(xué)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及堿性電化學(xué)電池。更具體而言，本發(fā)明涉及具有含混和鋅粉的陽(yáng) 極的堿性電池。
背景技術(shù)：
圓柱形電化學(xué)電池適合消費(fèi)者廣泛用于各種裝置如手電、收音機(jī)和照相機(jī)中。在 這些裝置中所使用的電池一般都采用圓柱形金屬殼體，以裝載兩個(gè)電極、隔膜、一定量的電 解質(zhì)以及包括集流體的封蓋組件(closure assembly)。普通電極材料包括作為陰極的二氧 化錳和作為陽(yáng)極的鋅。氫氧化鉀的水溶液為常用電解質(zhì)。隔膜通常由一張或多張紙形成， 被設(shè)置在電極之間。電解質(zhì)易于被隔膜和陽(yáng)極吸收。市售圓柱形堿性電池使用含顆粒形式鋅的陽(yáng)極。該陽(yáng)極為已吸收含水電解質(zhì)的凝 膠。鋅顆粒均勻分布于凝膠中，因此顆粒與顆粒之間的接觸在整個(gè)陽(yáng)極中形成了導(dǎo)電基質(zhì)。 集流體與鋅接觸，并在陽(yáng)極和電池的其中一個(gè)端子之間提供導(dǎo)電途徑。由于一直希望給消費(fèi)者提供性能更好的電池，電池工程師一直致力于延長(zhǎng)電池給 消費(fèi)者的裝置提供動(dòng)力的時(shí)間。同時(shí)，降低電池費(fèi)用并維持電池的使用性能的需要變得極 為重要。現(xiàn)有的提高使用壽命的嘗試包括鋅合金的改變、鋅顆粒形狀的變化、鋅粉顆粒尺寸 分布的改變以及將自由流動(dòng)的鋅顆粒形成鋅聚集體。例如，US 6，022，639描述了將鋅片結(jié) 合到在堿性電化學(xué)電池中所使用的鋅粉中。不幸的是，已知鋅片的使用顯著提高了含有鋅 片的凝膠陽(yáng)極的粘度。粘度的提高會(huì)引起加工方面的問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)降低電池制備方法的 效率。US6，284，410描述了將鋅細(xì)粉或鋅粉塵加入到鋅粉中。鋅細(xì)粉或鋅粉塵的加入被認(rèn) 為有利于電池的整體性能。但是，已知加入鋅細(xì)粉或鋅粉塵會(huì)提高凝膠陽(yáng)極的粘度，這在電 池制備過(guò)程中會(huì)引起加工方面的問(wèn)題。已經(jīng)做了很多努力以提高電池的運(yùn)行時(shí)間，這些努 力是通過(guò)將一種或多種元素如鉍、銦、鋁、鉛、錫或錳與鋅制成合金。將這些元素與鋅制成合 金被證明在提高電池的使用壽命上是有效的，但是合金方法在鋅制備設(shè)備上引起額外的費(fèi) 用，這最終會(huì)提高電池的費(fèi)用。美國(guó)公開的專利申請(qǐng)2004/0013940A1描述了將自由流動(dòng)的 鋅粉制備成鋅聚集體。盡管鋅聚集體在某些使用壽命測(cè)試中的確提高了電池的運(yùn)行時(shí)間， 但是形成聚集體所需要的方法步驟也提高了鋅的費(fèi)用，由此提高了電池的費(fèi)用。所有上述 對(duì)鋅的改變總體上來(lái)說(shuō)可以描述為工業(yè)界致力于通過(guò)改變鋅粉的某些物理和/或化學(xué)特 征來(lái)對(duì)鋅粉進(jìn)行設(shè)計(jì)以改善電池性能。但是，在鋅粉的研制中仍繼續(xù)需要進(jìn)一步的進(jìn)步，這 種進(jìn)步能提高使用壽命，同時(shí)將任何額外的電池費(fèi)用降到最低，或者說(shuō)，減少鋅的費(fèi)用，同 時(shí)維持電池的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了具有鋅粉的電化學(xué)電池，該電化學(xué)電池制備成本經(jīng)濟(jì)，并且在裝置 中使用時(shí)提供了所需的運(yùn)行時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的電化學(xué)電池包括第一電極，該電極為至少第一粉末 和第二粉末的混合物。第一粉末和第二粉末均具有共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒。共有顆粒 尺寸范圍內(nèi)的第一粉末的顆粒的粗糙度指數(shù)值比共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的第二粉末的顆粒 的粗糙度指數(shù)值至少高2. 0%。本發(fā)明還涉及含有鋅粉混合物的電化學(xué)電池。該混合物包括來(lái)自第一粉末和至少 第二粉末的鋅顆粒。第一粉末中的顆粒尺寸范圍和第二粉末中的顆粒尺寸范圍并不重疊。本發(fā)明還涉及含有通過(guò)如下方法獲得的鋅粉混合物的電化學(xué)電池以顆粒尺寸為 基礎(chǔ)將第一粉末分為至少兩組，以顆粒尺寸為基礎(chǔ)將第二粉末分為至少兩組，其中來(lái)自第 一粉末的至少一組和來(lái)自第二粉末的一組具有共有顆粒尺寸范圍，并且第一粉末的共有顆 粒尺寸范圍中的組的平均粗糙度指數(shù)值比第二粉末的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的組的平均粗 糙度指數(shù)值至少高2. 0%。然后將來(lái)自第一粉末的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的組和來(lái)自第二粉 末的至少一組相混合。本發(fā)明還涉及生產(chǎn)混合鋅粉的方法。該方法包括如下步驟。以顆粒尺寸為基礎(chǔ)將 第一粉末分為至少兩組。以顆粒尺寸為基礎(chǔ)將第二粉末分為至少兩組。將來(lái)自第一粉末的 至少一組與來(lái)自第二粉末的至少一組混合，由此形成混合鋅粉。來(lái)自第一粉末的至少一組和 來(lái)自第二組的一組具有共有顆粒尺寸范圍。第一粉末的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒的平均粗 糙度指數(shù)值比第二粉末的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒的平均粗糙度指數(shù)值至少高2. 0%。


圖1為本發(fā)明的電化學(xué)電池的橫截面圖；圖2為兩種鋅粉的粗糙度指數(shù)和顆粒尺寸范圍的關(guān)系圖；圖3為兩種鋅粉的延長(zhǎng)指數(shù)和顆粒尺寸范圍的關(guān)系圖；圖4為兩種顆粒尺寸分布的圖；圖5為顆粒尺寸分布的圖；和圖6為示出三種使用壽命測(cè)試的測(cè)試結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖，更具體而言參照?qǐng)D1，該圖示出本發(fā)明的組裝電化學(xué)電池的橫截面 圖。從電池外面開始，電池的部件為殼體10、設(shè)置成與殼體10的內(nèi)表面相鄰的第一電極50、 與第一電極50的內(nèi)表面56相接觸的隔膜(separator) 20、位于由隔膜20和固定到殼體10 的封蓋組件70所形成的腔室中的第二電極60。殼體10具有開放端12、封閉端14以及介 于兩者之間的側(cè)壁16。封閉端14、側(cè)壁16和封蓋組件70限定了裝載電池電極的容積。第一電極50含有二氧化錳、石墨和含氫氧化鉀的水溶液的混合物。通過(guò)如下方 法制備電極將一定量含二氧化錳的混合物放入具有開放端的殼體中，然后使用沖壓裝置 (ram)將混合物組成型成的固體管狀，該管狀限定了腔室，該腔室與殼體的側(cè)壁同心。第一 電極50具有凸出部分(ledge)52和內(nèi)表面56?；蛘?，可由如下方法制備電極將含有二氧化錳的混合物預(yù)先形成多個(gè)環(huán)，然后將這些環(huán)插入殼體中形成管狀第一電極。第二電極60為含水堿性電解質(zhì)、兩種或多種鋅粉的混合物以及膠凝劑如交聯(lián) 的聚丙烯酸的均一混合物。含水堿性電解質(zhì)含有堿金屬氫氧化物如氫氧化鉀、氫氧化鈉 或其混合物。優(yōu)選氫氧化鉀。適用于本發(fā)明的電池的膠凝劑可為交聯(lián)的聚丙烯酸，如 Carbopol 940 (從 B. F. Goodrich，Performance Materials Division, Cleveland, Ohio, USA獲得)。羧甲基纖維素、聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉為其它適用于堿性電解質(zhì)溶液的膠凝 劑的實(shí)例?；旌箱\粉可為純鋅或含適量的一種或多種選自銦、鉛、鉍、鋰、鈣和鋁的金屬的合 金。合適的陽(yáng)極混合物含重量百分比為67%的鋅粉、重量百分比為0. 50%的膠凝劑和重量 百分比為32. 5%的堿性電解質(zhì)(具有重量百分比為40%的氫氧化鉀)。鋅的量可以介于以 重量計(jì)為陽(yáng)極的63%到以重量計(jì)為陽(yáng)極的70%之間。任選地，可在上述成分中加入其它組 分如析氣抑制劑、有機(jī)或無(wú)機(jī)防腐劑、粘合劑或表面活性劑。析氣抑制劑或防腐劑的實(shí)例可 包括銦鹽(如氫氧化銦)、全氟烷基銨鹽、堿金屬硫化物等。表面活性劑的實(shí)例可包括聚環(huán) 氧乙烷、聚乙烯烷基醚(polyethylene alkylether)、和全氟烷基化合物等。第二電極可通過(guò)如下方法制備將上述成分轉(zhuǎn)入螺帶混合機(jī)或鼓式混合機(jī)中，然 后將混合物加工成濕料漿。適用于本發(fā)明的電池的電解質(zhì)為37重量％的氫氧化鉀水溶液?？赏ㄟ^(guò)將一定量 的流體電解質(zhì)放入由第一電極限定的腔室中將電解質(zhì)結(jié)合到電池中。也可通過(guò)在制備第二 電極的過(guò)程中使凝膠介質(zhì)吸收氫氧化鉀水溶液而將電解質(zhì)導(dǎo)入電池內(nèi)。將電解質(zhì)引入電池 所使用的方法并不關(guān)鍵，只要電解質(zhì)與第一電極50、第二電極60以及隔膜20相接觸即可。封蓋組件70包括封蓋件72和集流體76。封蓋件72被成型成含有通風(fēng)口 (vent) 82，若電池內(nèi)壓變得過(guò)大，該出口可使封蓋件72破裂。封蓋件72可由Nylon6，6或 其它材料如金屬制備，前提是集流體76與作為第一電極的集流體的殼體10電絕緣。集流 體76是由黃銅制成的長(zhǎng)釘狀部件件。集流體76通過(guò)位于封蓋件72中心的孔被插入。隔膜由無(wú)紡纖維制成。隔膜的一個(gè)功能是在第一和第二電極的界面提供阻擋層。 該阻擋層必須是電絕緣的，并且是離子可透性的。合適的隔膜在WO 03/043103中公開。在本發(fā)明的電池中所使用的混合鋅粉為至少第一鋅粉和第二鋅粉的組合。必須對(duì) 第一和第二鋅粉的特征進(jìn)行選擇，以提供使用普通鋅粉所不易獲得的使用壽命和/或價(jià)格 上的優(yōu)勢(shì)，這種普通鋅粉由鋅粉生產(chǎn)方法生產(chǎn)，其中鋅粉顆粒尺寸分布中的全部范圍的鋅 顆粒是隨機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的。在該方法中，顆粒具有由方法的類型和用于控制該方法的特定條 件所決定的基本物理特征。由方法賦予顆粒的物理性質(zhì)已被發(fā)明人看作是能顯著影響鋅在 電化學(xué)電池中放電的有效性的特征之一。例如，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)鋅顆粒的特征如顆粒粗糙度和/ 或顆粒伸長(zhǎng)度與其它物理參數(shù)如顆粒尺寸分布相結(jié)合，可以用于選擇第一鋅粉或第一鋅粉 中的特定顆粒尺寸分布，它們可與第二鋅粉或第二鋅粉中的特定顆粒尺寸分布相結(jié)合，以 形成可提供所需使用壽命或者價(jià)格優(yōu)勢(shì)的混合鋅粉。如上所述，電池工業(yè)使用鋅粉作為具 有電化學(xué)活性的材料，并且提供鋅粉的鋅制造商正盡力提高電池的使用壽命亦即電池的運(yùn) 行時(shí)間，這通過(guò)改變鋅的物理或化學(xué)特征如顆粒尺寸分布、顆粒形狀以及與鋅合金化的化 學(xué)元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，顆粒的粗糙度(以粗糙度指數(shù)測(cè)量)和顆粒的伸長(zhǎng)度(以伸長(zhǎng)度指 數(shù)測(cè)量)并沒(méi)有被用作選擇鋅粉的標(biāo)準(zhǔn)，該鋅粉可被混合在一起以形成可提供使用壽命和 /或價(jià)格優(yōu)勢(shì)的混合鋅粉。
圖2是在本文被稱為A粉和B粉的兩種鋅粉的粗糙度的圖。A粉購(gòu)自比利時(shí)布魯 塞爾的N. V. UMICORE，S.A.，被稱為BIA115。該鋅粉是含有IOOppm鉍、200ppm銦和IOOppm 鋁的合金。該粉末的D5tl-用于表征該粉末的顆粒尺寸的度量值-約為115。在2000年8月 17日公布的WO 00/48260中被全面描述的離心霧化法被用于生產(chǎn)該鋅粉。B粉具有與A粉 相同的合金組成并且也購(gòu)自UMICORE。B粉由氣體霧化法生產(chǎn)，該方法是用于從熔融鋅流生 產(chǎn)粉末的常規(guī)制備方法。用于生產(chǎn)鋅粉的第三種方法是脈沖霧化法，在WO 2004/012886中 描述。通過(guò)使用篩子篩選由離心霧化法或氣體霧化法生產(chǎn)的鋅粉得到了圖2中的數(shù)據(jù)。將 從制造商獲得的粉末進(jìn)行篩選，藉此基于顆粒尺寸范圍將每種粉末分為四組。該范圍為45 到75微米、75到105微米、105到150微米以及超過(guò)150微米。然后使用二維圖像分析對(duì)每 個(gè)所分組的粗糙度進(jìn)行表征。圖像分析技術(shù)使用與數(shù)碼相機(jī)相聯(lián)合的Olympus SZX12顯微 鏡，以拍出足夠放大倍數(shù)的鋅顆粒照片，使得單個(gè)顆粒的周長(zhǎng)可被精確測(cè)量。該技術(shù)包括將 很多顆粒均勻分布在玻璃片上，然后將該玻璃片放置在顯微鏡的視野當(dāng)中，使透射光照亮 該顆粒。對(duì)顆粒進(jìn)行排布以使顆粒與顆粒的接觸最小化或者將其清除。選擇顯微鏡的放大 倍數(shù)使小顆粒至少占據(jù)十個(gè)像素。然后對(duì)樣品不同區(qū)域進(jìn)行數(shù)碼拍照。每張照片必須含有 至少兩個(gè)沒(méi)有與其它顆粒相接觸的顆粒。拍下多張照片以獲得1000張沒(méi)有與其它顆粒相 _角蟲白勺ISf立白勺JM>t。 New York, Melville 白勺 Olympus America Inc. Ijf^zfeW Microsuite 軟件可用于處理這些數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)1000個(gè)顆粒的圖像進(jìn)行分析可確定每組的粗糙度指數(shù)。 就每個(gè)顆粒而言，通過(guò)用顆粒圖像的周長(zhǎng)除以與該顆粒等價(jià)橢圓的周長(zhǎng)確定粗糙度，該橢 圓被定義為面積與該顆粒的面積相等、并且長(zhǎng)軸與顆粒圖像的最長(zhǎng)尺寸相同的橢圓。通過(guò) 將1000個(gè)顆粒的粗糙度值進(jìn)行平均化以計(jì)算每組的粗糙度指數(shù)。較高的粗糙度指數(shù)意味 著該顆粒比具有較低粗糙度指數(shù)的顆粒更粗糙。如圖2所示，A粉的四組中有三組的平均粗 糙度指數(shù)值比B粉相應(yīng)組的要高。具體而言，A粉中被分為105到150微米范圍內(nèi)的顆粒的 平均粗糙度指數(shù)值(1.220)比B粉中相應(yīng)組的平均粗糙度指數(shù)值(1.180)高約3.4%。同 樣，A粉中被分到由大于150微米的顆粒組成的組的顆粒的平均粗糙度指數(shù)值(1.245)比 B粉中相應(yīng)組的平均粗糙度指數(shù)值(1.210)高約2.9%。優(yōu)選地，用于本發(fā)明的電池中的兩 種粉末之間的平均粗糙度指數(shù)差異為至少2. 0%，更優(yōu)選為3. 0%，更優(yōu)選為3. 5%。圖3為在前文被稱為A粉和B粉的兩種鋅粉的伸長(zhǎng)度指數(shù)值。使用上文所述二維 圖像分析設(shè)備對(duì)來(lái)自A粉和B粉的每組的1000個(gè)顆粒的伸長(zhǎng)度進(jìn)行表征。通過(guò)用等價(jià)橢 圓的長(zhǎng)軸除以顆粒圖像的Heywood直徑計(jì)算每個(gè)顆粒的伸長(zhǎng)度指數(shù)值。Heywood直徑是具 有與顆粒圖像的面積相等的面積的圓的直徑。通過(guò)將該組樣品中的1000個(gè)顆粒的單個(gè)伸 長(zhǎng)度值進(jìn)行平均化以確定每組的平均伸長(zhǎng)度指數(shù)值。圖3中的數(shù)據(jù)點(diǎn)清楚地表明A粉的 四組中有三組由平均伸長(zhǎng)度指數(shù)比B粉中相應(yīng)組的高至少4%的顆粒組成。優(yōu)選地，用于本 發(fā)明的電池中的兩種粉末之間的平均伸長(zhǎng)度指數(shù)差異為至少3. 0%，更優(yōu)選為3. 5%，更優(yōu) 選為4.0%。除了以其平均粗糙度指數(shù)值和平均伸長(zhǎng)度指數(shù)值為基礎(chǔ)選擇第一鋅粉和第二鋅 粉、或?qū)︿\粉進(jìn)行分組外，已知通過(guò)混合所選的第一粉末和第二粉末所獲得的混合鋅粉的 顆粒尺寸分布顯著影響含有混合鋅粉的電池的加工性和放電效率。具有單峰的顆粒尺寸 分布的鋅粉在本文中稱為單峰顆粒尺寸分布鋅粉。在圖4中，線80為單峰顆粒尺寸分布的 實(shí)例。若鋅粉的顆粒尺寸分布具有兩個(gè)或多個(gè)在其問(wèn)限定波谷的峰，那么該鋅粉在本文中被稱為多峰顆粒尺寸分布顆粒。在圖4中，線82為多峰顆粒尺寸分布的實(shí)例。具有單峰顆 粒尺寸分布的鋅粉通常比具有多峰顆粒尺寸分布的鋅粉更為優(yōu)選，因?yàn)閱畏宸勰└菀准?工。含有較高百分比鋅細(xì)粉的多峰粉末必然會(huì)提高含多峰粉末的凝膠陽(yáng)極的粘度。粘度的 升高會(huì)在陽(yáng)極分布以及用于傳遞和安置陽(yáng)極的安置設(shè)備中引起加工方面的問(wèn)題。優(yōu)選地，本發(fā)明的電池中所使用的第一和第二鋅粉為鋅合金。該合金含有相同的 化學(xué)元素如鉍、銦和鋁，并且每種合金中的化學(xué)元素的量是相同的。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的電池包括具有單峰顆粒尺寸分布的第一鋅粉，但是 該分布的至少一個(gè)被選部分被來(lái)自第二鋅粉的鋅顆粒的相似分布所替換。來(lái)自第二鋅粉的 顆粒的平均粗糙度值比第一粉末中被替換的粉末的要高。例如，圖5示出被分為三個(gè)被選 部分的鋅粉的分布。第一部分包括能通過(guò)具有75微米孔的篩子的顆粒。第二部分包括能 通過(guò)具有150微米孔的篩子但是不能通過(guò)具有75微米孔的篩子的顆粒。第三部分包括不 能通過(guò)具有150微米孔的篩子的顆粒。通過(guò)用具有較高平均粗糙度指數(shù)值的不同鋅粉的被 選部分替換具有較低平均粗糙度值的鋅粉的被選部分，可獲得本發(fā)明的電池中所使用的混 合鋅粉。優(yōu)選地，鋅粉被選部分的顆粒尺寸分布并不和與之混合的鋅粉的顆粒尺寸分布相 重疊。如果使用現(xiàn)有技術(shù)中可商購(gòu)的方法基于篩選前后的鋅粉重量對(duì)第一顆粒尺寸分布 進(jìn)行篩選或分離，且該方法在將粉末的顆粒尺寸限制在所需顆粒尺寸范圍方面至少98%有 效，那么第一顆粒尺寸分布被認(rèn)為不與第二顆粒尺寸分布相重疊。盡管希望粉末的分離度 為100%，但是一些方法并不能阻止較小的鋅顆粒粘附在較大的顆粒上，因此在較大顆粒的 分布中保留了一些較小的顆粒?；蛘?，可通過(guò)用具有較低平均粗糙度指數(shù)值的不同鋅粉的 被選部分替代具有較高平均粗糙度指數(shù)值的鋅粉的被選部分，獲得另一種用于本發(fā)明的電 池中的混合鋅粉。不管哪種粉末被分為隨后與來(lái)自另一粉末的一組或多組混合的一組或多 組，最終結(jié)果是得到了混合鋅粉，該混合鋅粉的被選部分鋅顆粒(以顆粒尺寸分布和表面 粗糙度為基礎(chǔ))由來(lái)自另一種鋅粉的被選部分的顆粒所替換。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)將來(lái)自第一粉末的被選組與第二粉末混合可生產(chǎn)混合 鋅粉，所述第二粉末尚未以表面粗糙度和顆粒尺寸范圍為基礎(chǔ)進(jìn)行分組。第一粉末的被選 組中的顆粒的平均粗糙度指數(shù)值比相同顆粒尺寸范圍(在本文中稱為“共有”顆粒尺寸范 圍)的第二粉末中的顆粒的平均粗糙度指數(shù)值至少高2%。例如，如果來(lái)自第一粉末的被選 組的顆粒的顆粒尺寸范圍介于75微米和105微米之間，并且第二粉末具有至少一些在75 到105微米范圍內(nèi)的顆粒，那么第一粉末和第二粉末就具有共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒。 該實(shí)施方案提供了將來(lái)自第一粉末的被選“共有”組與第二粉末的混合，所述第二粉末具有 與第一粉末相同的“共有”顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒，前提是來(lái)自第一粉末的顆粒比第二粉末 的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒更粗糙。在另一個(gè)實(shí)施方案中，可通過(guò)混合具有基本相同顆粒尺寸分布的兩種鋅粉獲得在 本發(fā)明的電池中所使用的混合鋅粉，但是第一粉末的被選部分的平均粗糙度和/或伸長(zhǎng)度 指數(shù)值比第二鋅粉中的相同被選部分的平均粗糙度和/或伸長(zhǎng)度指數(shù)值要高。在該實(shí)施方 案中，混合鋅粉的顆粒尺寸分布與兩種被混合粉末的顆粒尺寸分布相同，但是混合粉末含 有比其中一種粉末中的顆粒更粗糙和/或伸長(zhǎng)度更大的顆粒。將具有不同粗糙度和/或伸長(zhǎng)度指數(shù)值的鋅粉混合使得電池制造商有能力定制 混合鋅粉的性價(jià)比特征。例如，如果已知第一鋅粉在電化學(xué)電池中能提供更長(zhǎng)的使用壽命，但是該粉比另一種提供較短運(yùn)行時(shí)間的鋅粉更昂貴，那么電池制造商可選擇除去較為便宜 的粉末的被選部分，并用較為昂貴的粉末的一部分替換。其結(jié)果是混合鋅粉比較為昂貴的 粉末更便宜，并且如圖6所示，含有混合鋅的電池的使用性能可能與僅含較為昂貴的鋅的 電池的使用性能相同或者較之更佳。定制混合鋅粉的性價(jià)比的能力提供給電池設(shè)計(jì)者使用 未混合鋅粉所不能獲得的選擇。可用于生產(chǎn)用于本發(fā)明的電池中的混合鋅粉的方法包括如下步驟。以顆粒尺寸為 基礎(chǔ)將第一鋅粉分為至少兩組。以顆粒尺寸為基礎(chǔ)將第二鋅粉分為至少兩組。其中至少來(lái) 自第一粉末的一組和來(lái)自第二粉末的一組具有共有顆粒尺寸范圍，并且第一粉末的共有顆 粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒的平均粗糙度指數(shù)值比第二粉末的共有顆粒尺寸范圍內(nèi)的顆粒的平 均粗糙度指數(shù)值至少高2.0%。然后將來(lái)自第一粉末的至少一組與來(lái)自第二組的至少一組 混合，由此形成混合鋅粉。在短語(yǔ)“混合鋅粉”中所使用的術(shù)語(yǔ)“混合”旨在描述被混合、翻滾、攪拌或通過(guò)其 它物理方式攪動(dòng)的兩種或多種鋅粉，以提供來(lái)自這兩種或多種鋅粉的鋅顆粒的均一分布。為闡述可通過(guò)使用本發(fā)明的混合鋅粉所獲得的使用壽命優(yōu)點(diǎn)，制備了具有同圖1 中所示以及上述電池構(gòu)造相似的八批AA電池，并在三次高速率(rate)放電測(cè)試中進(jìn)行放 電。除了鋅粉外，每個(gè)電池中所使用的陰極、隔膜、電解質(zhì)、封蓋組件和陽(yáng)極形式都是相同 的。每一批中所使用的鋅粉通過(guò)如下方式獲得。在上文中被稱為A粉的第一鋅粉從UMIC0RE 獲得。如前文所述，該粉末是含IOOppm鉍、200ppm銦和IOOppm鋁的鋅合金。該粉末由離 心霧化法生產(chǎn)，D50為115微米。篩選A粉產(chǎn)生稱為A-I的第一組、稱為A-2的第二組以及 稱為A-3的第三組，其中A-I具有通過(guò)具有75微米孔的篩子的顆粒，A-2具有通過(guò)具有150 微米孔的篩子、但是不能通過(guò)具有75微米孔的篩子的顆粒，而A-3具有不能通過(guò)具有150 微米孔的篩子的顆粒。在上文中被稱為B粉的第二鋅粉也從UMIC0RE獲得。該粉末是含 IOOppm鉍、200ppm銦和IOOppm鋁的鋅合金，由離心霧化法生產(chǎn)，D50為160微米。也篩選B 粉產(chǎn)生稱為B-I的第一組、稱為B-2的第二組以及稱為B-3的第三組，其中B-I具有通過(guò)具 有75微米孔的篩子的顆粒，B-2具有可通過(guò)具有150微米孔的篩子、但是不能通過(guò)具有75 微米孔的篩子的顆粒，而B-3具有不能通過(guò)具有150微米孔的篩子的顆粒。通過(guò)混合來(lái)自 這兩種鋅粉的組中的各種組合獲得八種不同的混合鋅粉，它們?cè)趫D6中表示為批次100到 107。批次100僅含有來(lái)自B粉的鋅粉。批次101含有組Α-1、Β-2和B-3。在該混合中，來(lái) 自A粉的顆粒的顆粒尺寸范圍比來(lái)自B粉的顆粒的顆粒尺寸范圍要窄。批次102含有組 Β-1、Α-2 和 B-3。批次 103 含有組 Β-1、Β-2 和 A-3。批次 104 含有組 B_l、A-2 和 A_3。Lot 105 含有組 Α-1、Β-2 和 A-3。Lot 106 含有組 A_1、A_2 和 B_3。Lot 107 含有組 A_1、A_2 和 A-3。在下述三組放電測(cè)試的每一組中，將每一批中的五塊電池放電可獲得圖6中的數(shù)據(jù)， 該放電測(cè)試在環(huán)境溫度為21°C時(shí)進(jìn)行。在第一組放電測(cè)試中，每塊電池以1安培連續(xù)放電， 直到電池的閉合電路電壓降到1.0伏特以下。在第二組放電測(cè)試中，每塊電池反復(fù)以1瓦 特放電三秒，然后停止七秒。連續(xù)重復(fù)該放電方案，直到電池的閉合電路電壓降低到0.9伏 特以下。在第三組放電測(cè)試中，每塊電池在1瓦特連續(xù)放電，直到電池的閉合電路電壓降低 到1.0伏特以下。記錄下每塊電池在測(cè)試中所維持超過(guò)截止電壓的時(shí)間，然后將其平均以 獲得在每組測(cè)試中每一批電池的平均運(yùn)行時(shí)間。將批次100中的電池的平均放電時(shí)間選作 所有其他電池放電時(shí)間進(jìn)行歸一化的標(biāo)準(zhǔn)。圖6中的數(shù)據(jù)清楚地表明含有混合鋅粉(批次101到106，包括端值)的電池提供了比僅含有B粉(批次100)的電池顯著更長(zhǎng)的使用壽 命，并且另外，在1安培連續(xù)測(cè)試和1瓦特連續(xù)測(cè)試中，含有混合鋅粉的電池提供了比僅含 有A粉的電池更多分鐘的運(yùn)行時(shí)間。很顯然，批次101到106的運(yùn)行時(shí)間的范圍表明混合 以顆粒尺寸分布分出的各組鋅粉為電池制造商提供了通過(guò)選擇哪些組組合成混合鋅粉來(lái) 選擇所需水平的運(yùn)行時(shí)間的能力。 上述描述僅被看作是優(yōu)選的實(shí)施方案。本領(lǐng)域的技術(shù)人員和做出或使用該發(fā)明的 人員可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)。因此，應(yīng)該理解的是附圖中所示出的和上文所述的實(shí)施方案僅 出于示例性目的，無(wú)意于限定本發(fā)明的范圍，該范圍由下述權(quán)利要求進(jìn)行限定，而該權(quán)利要 求根據(jù)包括等同原則在內(nèi)的專利法進(jìn)行解釋。
權(quán)利要求
電化學(xué)電池，包括含有鋅粉混合物的第一電極，所述混合物包括來(lái)自第一粉末的鋅顆粒和來(lái)自至少第二粉末的鋅顆粒，其中第一粉末的顆粒尺寸范圍和第二粉末的顆粒尺寸范圍不重疊。
2.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述第一粉末的顆粒的顆粒尺寸小于75微米，并且 所述第二粉末的顆粒的顆粒尺寸大于75微米。
3.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述第一粉末的顆粒的顆粒尺寸介于75微米和150 微米之間，并且所述第二粉末的顆粒含有顆粒尺寸大于150微米的第一組和顆粒尺寸小于 75微米的第二組。
4.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述第一粉末的顆粒的顆粒尺寸大于150微米，并且 所述第二粉末的顆粒的顆粒尺寸小于150微米。
5.權(quán)利要求1的電化學(xué)電池，其中所述鋅粉的混合物具有單峰顆粒尺寸分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有混合鋅粉的堿性電化學(xué)電池。該混合鋅粉包括第一鋅粉和第二鋅粉的被選部分。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，基于顆粒尺寸分布范圍將第一和第二粉末分組。顆粒特征如粗糙度和伸長(zhǎng)度被用于選擇兩種粉末的組，所述組被混合以生產(chǎn)混合鋅粉?；旌箱\粉使得電池制造商能將電池的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)化，同時(shí)將鋅的成本降到最低。
文檔編號(hào)H01M4/42GK101944622SQ20101028718
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者D·范 申請(qǐng)人:永備電池有限公司