具有改進的陽極的鹼性電池的製作方法

2023-10-07 13:48:39 3

專利名稱：具有改進的陽極的鹼性電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於鹼性電池的鋅陽極。本發明涉及陽極，所述陽極通過使含水鹼性電解質加入到其中的含鋅粒的固體多孔物料預成形以形成最終陽極而製備。
常規的鹼性電化學電池具有含鋅的陽極和含二氧化錳的陰極。電池典型地由圓柱形外殼形成，但具有平坦表面的外殼或者盤狀鈕扣電池也是可能的。外殼最初形成有擴大的開放端和相反的閉合端。在供應電池內容物之後，將具有絕緣芯棒的端部蓋帽(cup)插入到開放端內。通常通過在絕緣芯棒的邊緣上捲曲外殼邊緣並繞絕緣芯棒徑向壓縮外殼，以提供緊密封接，從而密封電池。與陽極電接觸的端部蓋帽板可連接到芯棒上，形成負電端。在相反的閉合端處的電池外殼的一部分形成正電端。
初級鹼性電化學電池典型地包括含鋅陽極活性材料的陽極，鹼性電解質，含二氧化錳陰極活性材料的陰極，和在陽極與陰極之間的電解質可滲透的隔板膜。(陽極活性材料此處定義為一旦電池放電時經歷有用的電化學反應的陽極材料)。隔板可典型地包括例如與常規的膠凝劑(例如羧甲基纖維素鈉或丙烯酸聚合物的鈉鹽)和電解質混合的鋅粒。膠凝劑(當其與鹼性電解質接觸時被激活)起到在膠凝接枝內懸浮鋅粒並維持它們彼此接觸的作用。典型地，插入到陽極活性材料內的導電金屬釘(nail)充當陽極集電器，它電連接到負電端的端部蓋帽上。電解質可以是鹼金屬氫氧化物，例如氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰的水溶液。陰極典型地包括與導電添加劑，典型地石墨材料混合的粒狀二氧化錳作為電化學活性材料，以提高導電率。任選地，聚合物粘合劑和其它添加劑，例如含鈦化合物可加入到陰極中。
常規地以泵送到電池的陽極空腔內的淤漿形式製備用於鹼性電池的鋅陽極。典型地通過形成包括含水鹼性電解質的膠凝的電解質混合物，優選膠凝的含水氫氧化鉀，從而製備淤漿。可例如通過混合膠凝劑，例如聚丙烯酸膠凝劑與含水鹼性電解質，形成這種膠凝的電解質。然後含小量表面活性劑的鋅粉共混物典型地混合到膠凝的電解質內，形成陽極淤漿混合物。陽極淤漿混合物常規地通過淤漿泵泵送到電池的陽極空腔內。儘管設計淤漿泵，以免空氣進入淤漿混合物，但當將淤漿泵送到電池陽極空腔內時，泵典型地允許小量空氣進入淤漿內。這導致在泵送到陽極空腔內的陽極混合物中形成空氣空穴。這種空氣空穴的尺寸可以是細微的，但更典型地當通過簡單的X-射線照片，在沒有放大的情況下檢測陽極時，存在肉眼可見的許多這種空氣空穴，任選地，可添加一些額外的含水電解質，以便在淤漿泵送到陽極空腔內之後，調節在陽極混合物內電解質的組成。然而，這種額外的電解質沒有顯著降低在陽極淤漿內空氣空穴的數量。在陽極淤漿內這種空氣空穴的存在傾向於降低陽極總的傳導率，這是因為它降低在空氣空穴區域內鋅粒之間的接觸程度。
在商業電池組裝線中，這種鋅淤漿傾向於堵塞分配管，從而導致組裝線停工。此外，大批料的淤漿儲存傾向於導致隨著時間流逝某些鋅粒的沉降或者沉澱，這最終可導致鋅粒不均勻的分布。鋅粒沉降或沉澱也可發生於已經在電池上分配的膠凝的鋅淤漿上，例如在其中電池長時間儲存或者經歷某些搖動或振動的情況下。鋅粒的這種沉澱會引起鋅在陽極空腔內不均勻的分布和隨後電的連續性的損失。此外，難以泵送陽極淤漿到非常小尺寸，尤其小的不規則形狀的陽極空腔內。在這種情況下，必須更加注意鋅粒的形狀和淤漿的可流動性(稠度)，從而製備淤漿混合物，其中從總的傳導率的角度考慮，所述淤漿的可流動性可能犧牲最終陽極。在小尺寸電池，例如小型鈕扣電池中，可通過分配離散鋅粒和膠凝劑的混合物到電池的陽極空腔內和外加的含水鹼性電解質，形成膠凝的陽極，從而製備陽極。在商業生產中，這成為形成鋅/空氣電池用陽極的低效且速度受到限制的方法。它還可導致鋅粒在膠凝的陽極內不均勻的分散。
在陰極中使用的二氧化錳優選是電解二氧化錳(EMD)，它通過直接電解硫酸錳和硫酸浴而製造。EMD是理想的，因為它具有高的密度和高的純度。EMD的電阻率非常低。典型地將導電碳材料加入到陰極混合物中，以改進在單獨的二氧化錳顆粒之間的導電率。這種導電添加劑還改進二氧化錳顆粒與電池外殼(housing)之間的導電率，其中所述電池外殼還起到陰極集電器的作用。合適的導電添加劑可包括例如導電碳粉，例如炭黑，其中包括乙炔黑，片狀結晶天然石墨，片狀結晶合成石墨，其中包括膨脹或者頁狀石墨。石墨，例如片狀天然或者膨脹石墨的電阻率典型地可介於約3×10-3Ω-cm至4×10-3Ω-cm。
希望省去對製備陽極作為鋅的淤漿混合物的需要。相反需要製備預成形固體形式的陽極，它可作為乾燥固體插入到陽極空腔內，且不需要泵送淤漿混合物到陽極空腔內。
本發明涉及形成用於鹼性電池的含鋅陽極的方法。形成本發明陽極的方法適合於製備用於鹼性電池，尤其初級(不可再充電)的鹼性電池的鋅陽極。這種電池典型地具有含粒狀鋅的陽極，含二氧化錳的陰極和含水鹼性電解質，優選含氫氧化鉀的鹼性電解質。本發明的方法也可用於製備在具有除了二氧化錳以外的陰極的鹼性電池內含粒狀鋅的陽極，條件是這種電池使用含水鹼性電解質，例如包括含水氫氧化鉀的含水鹼性電解質。本發明的方法可用於製備用於鹼性電池的鋅陽極，而與電池總的形狀無關。例如，電池可以是圓柱電池，鈕扣電池或平板電池，條件是該電池使用含水鹼性電解質。可使用本發明的陽極，而與鹼性電池的陽極空腔的形狀無關。例如，本發明的陽極適合於在不規則形狀的陽極空腔，例如在U.S.6482543B1中所述的陽極空腔內使用。
本發明的方法也可用於製備適合於在鋅/空氣電池中使用的鋅陽極。這種電池典型地使用含粒狀鋅和含水鹼性電解質，通常含氫氧化鉀的含水鹼性電解質的陽極。這種鋅/空氣電池通常以例如在助聽器中使用的鈕扣電池形式使用。鋅/空氣電池也可以是延長的圓柱形電池形式。鋅/空氣電池用空氣去極化且典型地具有含二氧化錳的陰極。二氧化錳可充當陰極催化劑，或者部分作為在電池放電過程中經歷有用的電化學反應的活性陰極材料。
本發明的一個方面涉及製備鋅的含水溼糊劑和模塑該糊劑成鹼性電池用陽極空腔的大致形狀。這可方便地通過施加溼糊劑到其內具有空腔的鋼、陶瓷或塑料陰模內而進行，該空腔具有電池陽極空腔的大致形狀。糊劑在壓力下填充空腔，從而具有空腔的形狀。在環境溫度下，糊劑可以在模腔內壓塑短的時間，典型地2-3秒。按照這一方式模塑的糊劑形成可容易地從陰模中取出的鋅的溼物料(溼的預成形體)。鋅的溼物料(溼的預成形體)具有充足的結構完整性，結果它可單獨自立在陰模外側，同時保持其模塑形狀。然後加熱單獨自立的溼的預成形體，使水蒸發，從而導致固體、乾燥、多孔的鋅物料(固體預成形體)，其可一直儲存，直到電池準備用於組裝。
如下所述形成溼的鋅物料(溼糊劑)使用電/機械共混器，將鋅粒、表面活性劑、水凝膠粘合劑、聚乙烯醇粘合劑和水的混合物共混成糊劑，直到糊劑具有均勻的稠度。調節粘合劑和水在共混物內的用量，以控制糊劑稠度。鹼性電解質沒有加入到溼糊劑中。溼糊劑然後插入到在鋼、陶瓷或塑料陰模內的空腔中。模腔具有電池陽極空腔的大致形狀，但優選略微較小。溼糊劑可具有非常類似於溼膠粘劑(cement)的稠度，因此可便利地擠出到模腔內。在環境溫度下，可在模腔內壓塑溼糊劑短的時間段，典型地約2-3秒，以便它被壓實且完全具有空腔的形狀。例如，溼糊劑可填充到具有所需陽極空腔的大致形狀的模腔內。模腔的外端可毗鄰可拆卸的固體基板(base)。可使用杵子的第一次衝擊壓實在模腔內的溼糊劑，形成壓實的溼鋅物料(溼的預模塑體)。可除去陰模基板，和杵子的第二次衝擊迫使溼的鋅物料(溼的預模塑體)流出模腔。在溼的鋅物料內的粘合劑，尤其聚乙烯醇，有助於賦予溼物料充足的結構完整性，以便它尺寸穩定。聚乙烯醇充當膠水，將鋅粒把持在一起。溼物料的尺寸穩定，亦即，保持至少其大概的總體形狀，且可自立在陰模外側。當然，術語「尺寸穩定」還延伸到且包括當在陰模內成形時獲得，之後從模具中取出完全保持其形狀的溼物料。可使用使溼糊劑成型的其它方法，例如可將溼糊劑插入到開放的模具內；可施加壓力到模具內溼糊劑的表面上，壓實在其內的溼糊劑，形成壓實的溼鋅物料。然後可翻轉模具，釋放壓實的物料。從模腔或模具中排出的溼的鋅物料優選接近它將插入其內的模腔的形狀。
形成溼的鋅物料(溼的預成形體)的溼糊劑優選包括鋅粒、表面活性劑、水凝膠粘合劑，聚乙烯醇粘合劑和水的混合物。表面活性劑優選二壬基苯酚磷酸酯表面活性劑，例如以商品名「RM-510」商購於Rhone-Poulenc的表面活性劑。粘合劑包括a)一種或多種水凝膠粘合劑，它可以是可商購的膠凝劑形式，和b)聚乙烯醇粘合劑。優選的水凝膠粘合劑是以商品名「CARBOPOL C940」商購於B.F.Goodrich的交聯丙烯酸聚合物膠凝劑。可單獨使用CARBOPOL C940粘合劑。然而，優選地，添加以商品名「WATERLOCK A-221」商購於Grain ProcessingCo.的接枝到澱粉主鏈上的水解的聚丙烯腈，形成總的水凝膠粘合劑。添加聚乙烯醇以提供溼糊劑結構完整性，以便它可被模塑。
從模腔中取出的溼的鋅物料(溼的預成形體)可具有下述組成鋅(80-94wt％)，表面活性劑，例如二壬基苯酚磷酸酯RM-510表面活性劑(0.05-0.2wt％)，含例如CARBOPOL C940粘合劑(0.5-3wt％)和WATERLOCK A-221粘合劑(0.05-0.33wt％)和聚乙烯醇(0.2-1wt％)的全部粘合劑(0.5-3wt％)，水(3-18wt％)。聚乙烯醇的分子量優選介於約85000至146000。這種聚乙烯醇可以以固體形式商購獲得。在將它加入到鋅粒中之前，可方便地將它與水一起溶解。從模腔中取出的溼的鋅物料(溼的預成形體)當置於平坦表面上時至少保持它的大概的總體形狀。亦即，其尺寸穩定。任選地，可繞溼的鋅物料(溼的預成形體)包裹隔板材料。可通過將溼的鋅物料在有或無隔板材料繞其包裹的情況下，以自立形式放置在暴露於周圍空氣下的烘箱內，從而乾燥溼的鋅物料。所需地在介於約55℃至120℃的溫度下，例如在約55℃的溫度下，加熱在有或無隔板施加到其上的溼的鋅物料，蒸發在其內的至少一部分水。要理解，此處所使用的術語乾燥或乾燥的應當指通過加熱等處理溼的鋅物料，以便除去在其內的至少一部分游離水。優選地，包含在溼的鋅物料內的基本上所有的游離水在加熱步驟期間蒸發，從而形成乾燥、固體多孔鋅物料(固體預成形體)。
固體多孔鋅物料(固體預成形體)具有接近電池陽極空腔的形狀。若在乾燥之前，用隔板材料包裹溼的鋅物料，然後，所得固體多孔鋅物料還具有完整地繞所述固體多孔鋅物料且典型地粘合到其上的隔板。鋅粒保持懸浮在乾燥固體物料內的緊密網絡內。固體鋅物料(固體預成形體)可所需地具有下述組成鋅(96-99wt％)，表面活性劑，例如二壬基苯酚磷酸酯RM-510表面活性劑(0.06-0.25wt％)，含例如CARBOPOL C940粘合劑(0.5-3wt％)和WATERLOCK A-221粘合劑(0.05-0.37wt％)和聚乙烯醇(0.22-1.2wt％)的全部粘合劑(0.5-3wt％)。固體多孔鋅物料(固體預成形體)的孔隙度介於約25至50％，典型地介於約40至50％(孔隙度是在物料內的孔隙空間的體積除以物料總的表觀體積)。乾燥的固體鋅物料(固體預成形體)用出現在單獨的鋅粒之間的細微的孔隙空間的空穴來表徵，其導致固體預成形體介於約25至50％，典型地介於約40至50％的孔隙度。這些細微的孔隙空間最先用水填充，所述水從溼的鋅物料(溼的預成形體)中蒸發。令人驚奇地，聚乙烯醇充當膠水在固體多孔鋅物料(固體預成形體)內將鋅粒把持在一起。聚乙烯醇令人驚奇地提供充足的結構完整性，以防止固體多孔鋅物料(固體預成形體)坍塌並確保它把持其總體形狀。固體多孔鋅物料因此尺寸穩定，亦即，以其自立形式保持至少大概的總體形狀。當然，術語「尺寸穩定」還延伸到且包括當單獨地自立時，完全保持其形狀的固體多孔鋅物料。因此，它可儲存保持，直到準備用於電池中。在電池組裝過程中，固體預成形體可插入到鹼性電池的陽極空腔內。然後，添加含水鹼性電解質，優選含氫氧化鉀的含水鹼性電解質。固體預成形體立即吸收含水鹼性電解質，於是該物料優選膨脹為陽極空腔的全部形狀，從而形成最終的新鮮陽極。聚乙烯醇充當膠水，在溼的鋅物料(溼的預成形體)和乾燥的固體多孔鋅物料(固體預成形體)二者內將鋅粒粘合在一起。水凝膠粘合劑主要充當膠凝劑，亦即，它們吸收含水電解質溶液且還引起固體預成形體膨脹，當電解質溶液加入其中時。聚乙烯醇穩定且對鹼性化學電解質具有化學抗性。
將固體(或尺寸穩定的)多孔鋅物料插入到鹼性電池的陽極空腔內，然後向其中添加含水鹼性電解質形成陽極的本發明方法，於是不具有與現有技術的方法有關的缺點，現有技術的方法泵送膠凝的陽極淤漿到陽極空腔或者在沒有施加固體多孔鋅物料的情況下，在陽極空腔內首先混合離散的鋅粒、膠凝劑和含水電解質。


圖1是具有通過本發明方法製造的鋅陽極的鹼性電池的截面視圖。
圖2是具有通過本發明方法製造的鋅陽極的鹼性電池的圓柱形鈕扣電池的截面視圖。
圖3A是顯示用本發明的溼鋅糊劑填充的模腔的視圖。
圖3B是顯示在模腔內壓實溼的鋅物料之後，所得溼的鋅物料的示意圖。
圖3C是顯示在烘箱內乾燥壓實的溼鋅物料產生乾燥的固體多孔物料的示意圖。
圖3D是顯示乾燥的固體物料產品的示意圖。
圖4是顯示在水蒸發形成固體多孔鋅物料(固體預成形體)之後，在鋅粒之間的孔隙空間的掃描電子顯微照片。
圖1中示出了利用本發明陽極混合物的代表性鹼性電池。鹼性電池810是初級(不可再充電)電池。鹼性電池810包括具有閉合端814和開放端816的圓柱形鋼，優選鍍鎳鋼外殼820。製備預模塑的乾燥固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c(圖3D)並將其插入到在外殼820內的電池陽極空腔813中。固體預成形體是孔隙度介於約25至50％，典型地介於約40至50％的多孔預成形體。固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c優選具有硬質固體的稠度且尺寸穩定，亦即，它保持結構完整性，以便在電池外側時至少維持其大概形狀。固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c優選乾燥，並可儲存，一直到電池組裝的時刻，這是因為在其內的成分在乾燥環境內不具有反應性。固體多孔鋅物料815c預成形為陽極空腔的形狀，但具有稍微較小的直徑，以便它可容易插入到陽極空腔中。在優選的實施方案中，當固體預成形體815c最初插入到陽極空腔內時，選擇固體預成形體815c的外徑比陽極空腔813的內徑小約10至40％。在預成形的固體鋅物料(固體預成形體)815c插入到陽極空腔內之後，含水鹼性電解質，優選包括含水氫氧化鉀的鹼性電解質加入到陽極空腔813中。含水電解質被固體多孔鋅物料吸收，其膨脹到陽極空腔的直徑和全部形狀，從而形成最終的新鮮陽極815。
在預成形的固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c插入到陽極空腔813內之前，製備陰極混合物812。陰極混合物812含有導電材料，例如片狀結晶天然石墨或者片狀結晶合成石墨，其中包括膨脹和石墨碳納米纖維及其混合物。陰極混合物812包括KOH電解質水溶液，和可溼法製備該混合物，且在將該混合物插入到電池內之前，包括含水KOH。例如，外殼820可用陰極混合物填充，和陰極混合物的中心部分可挖空，留下圖1所示的環形陰極812。溼的陰極混合物可在電池內的同時壓實。優選地，陰極混合物812在插入到電池內之前，被壓實成多個表面溼潤的固體圓盤812a，然後可在電池內的同時另外壓實。
隔板片材890可貼著陰極圓盤812a的內表面放置。一般來說，在鋅/MnO2鹼性電池中常規地使用的隔板可用於具有本發明陽極815的本發明電池810內的隔板上890。隔板890可以是纖維素膜或者由含聚乙烯醇和人造絲纖維的非織造材料形成的膜。隔板890可具有單層的這種非織造材料或者可以是具有粘合到非織造材料上的玻璃紙外層的複合材料。非織造材料典型地可含有約60wt％-80wt％的聚乙烯醇纖維和介於約20至40wt％的人造絲纖維。可布置隔板890，以便玻璃紙層與或者陰極812或者陽極815相鄰。以上所述的隔板是已知的且在相關的常規在鋅/MnO2鹼性電池中使用且還適合於在本發明的鹼性電池810中使用。在隔板890置於合適位置之後，本發明的固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c可插入到陽極空腔813內。或者，固體多孔鋅物料815c可具有繞其包裹的隔板890，和在其上具有隔板的所述固體多孔物料然後可插入到陽極空腔813內。鹼性電解質，優選含氫氧化鉀的鹼性電解質，然後加入到如上所述的陽極空腔內。電解質立即被固體多孔鋅物料815c吸收，於是該物膨脹並形成具有陽極空腔813的全部形狀的最終新鮮的均勻陽極815。最終新鮮的陽極815典型地為柔軟、溼潤、海綿狀稠度。
在填充電池810之後，絕緣芯棒860插入到開放端816內。絕緣芯棒860可以是聚丙烯、滑石填充的聚丙烯、磺化聚乙烯或尼龍。芯棒860在其內可具有典型地為小的環形、橢圓或多邊形形狀的薄的部分865。薄的部分865充當可斷裂的膜，其中設計所述可斷裂的膜斷裂，從而釋放在電池內過多的氣體。這防止例如，若電池進行過度加熱或者錯誤的操作條件的話，在電池內氣體壓力的過度累積。芯棒860優選繞圖1所示的圓形臺階818扣配合，以便芯棒原地鎖定在開放端816內。外殼820的周邊827在絕緣芯棒860的預部上捲曲。絕緣墊圈880施加在外殼820的捲曲的周邊827上。絕緣墊圈880可以是聚乙烯塗布的紙墊圈。端部蓋帽830焊接到集電器840的頂部。延長的集電器840然後插入(受力適配)到絕緣芯棒860的孔隙844內，以便端部蓋帽830開始支撐絕緣墊圈880。集電器840可選自發現可用作集電器材料的各種已知的導電材料，例如黃銅、鍍錫黃銅、青銅、鍍銅或鍍銦的黃銅。在試驗電池中所使用的集電器840是黃銅。可繞集電器840預施加常規的瀝青密封劑，之後將其插入到孔隙844內。繞外殼820施加膜標籤870。端部蓋帽830變為鹼性電池810的負電端，和在外殼820的閉合端的尖頭825變為正電端。
圖1所示的電池810可以是AA電池。然而，該圖所示的鹼性電池不打算限制到任何特定的尺寸。因此，本發明的方法可用於製備AAA、AAA、C和D尺寸的圓柱形鹼性電池以及鈕扣形狀的鹼性電池或者稜柱形電池或者外殼具有平坦或曲線表面的電池用陽極。本發明的方法可用於製備用於鋅/空氣電池，例如在助聽器中常用的鋅/空氣鈕扣電池用的鋅陽極。
鹼性電池不打算限制到任何特定的陰極化學上，只要陽極815通過本發明方法製備即可，本發明的方法包括a)形成預成形的尺寸穩定的鋅物料，b)將預成形的物料插入到電池的陽極空腔813內，和c)添加含水電解質到陽極空腔內，形成最終新鮮的陽極815。上述電池(圖1)可以是AAAA、AAA、AA、C或D圓柱電池。這些標準的電池尺寸是本領域認可的且通過美國國家標準學會或者歐洲國際電工委員會(IEC)設定。此處參考的AA圓柱電池具有由美國國家標準學會(ANSI)電池規格ANSI C18.1M，Part 1-1999給出的如下所述的標準的總尺寸從正到負端的總長度介於49.2mm至50.5mm，和總的外部電池直徑介於13.5mm至14.5mm。電池也可以是平坦或者稜柱形狀的電池或最終新鮮的陽極815優選不含汞(小於50份汞/百萬份總的陽極金屬含量(通常鋅)，優選小於20份汞/百萬份陽極內的全部鋅)。本發明的電池810還優選不含外加量的鉛，因此可基本上不含鉛，亦即，總的鉛含量小於陽極內鋅的30ppm，所需地小於15ppm。最終新鮮的陽極815所需地含有用量介於約50至1000ppm鋅，優選介於約200至1000ppm，所需地介於約200至500ppm鋅的銦。
可以以圓柱形電池810(圖1)或(圖2)所示的鈕扣或者錢幣電池110形式製造例如鋅/二氧化錳鹼性電池。圓柱形電池810或者鈕扣電池110可分別包括含二氧化錳的常規鹼性電池陰極混合物812或170。這種陰極混合物可典型地包括例如MnO2，80-90wt％，石墨，例如膨脹石墨，約4至10wt％，和約5至10wt％的含水KOH電解質(含水KOH電解質是30-40wt％的KOH濃度，優選35至40wt％的KOH濃度)。含水KOH電解質優選還含有約2wt％的ZnO。陰極混合物也可任選地包括約0.1-0.5wt％的聚乙烯粘合劑。
最終新鮮的陽極組合物815(圖1)或150(圖2)包括鋅合金粉末62-80wt％，優選介於約66至70wt％(99.9wt％的鋅，其含有總量介於約200至1000ppm鋅，典型地介於約200至500ppm鋅的銦)；含38wt％KOH和約2wt％ZnO的KOH水溶液；聚乙烯醇粘合劑(介於約0.15至1.0wt％，優選介於約0.2至0.8wt％)；水凝膠粘合劑，其包括以商品名「CARBOPOLC940」獲自於B.F.Goodrich(例如0.25-2wt％)的交聯丙烯酸聚合物膠凝劑和優選澱粉接枝共聚物，例如以商品名「WATERLOCK A-221」獲自Grain Processing Co.的聚丙烯酸和聚丙烯醯胺的澱粉接枝共聚物(介於0.01至0.3wt％)；以商品名「RM-510」商購於Rhone-Poulenc的二壬基苯酚磷酸酯表面活性劑(0.025至0.15％)。鋅合金可典型地含有介於約200至500重量份的銦/百萬重量份的鋅。這種鋅合金的平均粒度介於約30至1000微米，所需地介於約30至400微米，典型地介於約100至400微米。要理解，在不規則形狀顆粒的情況下，粒度以顆粒的長尺寸為基礎。鋅粒可以是球形或者主要是球形或者可以是主要是非球形，例如多邊形或者環形。應當理解，此處所使用的術語鋅應當包括這種鋅合金粉末，因為該合金粉末幾乎全部由鋅組成且在電化學中起到與鋅一樣的作用。
儘管上述粘合劑，但命名為膠凝劑的CARBOPOL C940和WATERLOCKA-221優選結合聚乙烯醇粘合劑，形成本發明的陽極混合物，也可使用其它膠凝劑粘合劑結合聚乙烯醇。例如，用於鋅淤漿的膠凝劑可選自各種已知的膠凝劑。優選的膠凝劑基本上不溶於電池電解質中，結果膠凝劑不會在陽極和陰極之間遷移。當本發明的最終陽極靜置儲存時，優選的膠凝劑還不損失水。可用作粘合劑與聚乙烯醇結合用於本發明的陽極混合物的合適的膠凝劑可以是例如羧甲基纖維素或交聯羧甲基纖維素、甲基纖維素、交聯聚丙烯醯胺、交聯丙烯酸聚合物，例如獲自於B.F.Goodrich的CARBOPOL C940，澱粉接枝共聚物，例如獲自Grain Processing Co.的WATERLOCK A-221聚丙烯酸和聚丙烯醯胺的澱粉接枝共聚物，和鹼水解的聚丙烯腈，例如獲自Grain ProcessingCo.的WATER-LOCK A-400。儘管可單獨或結合使用任何這些膠凝劑，但至少一種膠凝劑可有利地選自交聯丙烯酸聚合物，例如CARBOPOLC940或SIGMA POLYGEL 4P膠凝劑，或澱粉接枝共聚物，例如WATERLOCKA-221共聚物。另外，如上所述地添加聚乙烯醇，優選M.W.介於約85000至146000的聚乙烯醇，形成本發明的溼的陽極混合物，然後可將其乾燥，並轉化成本發明的乾燥的固體多孔物料(乾燥的固體預成形體)，將其又插入到鹼性電池的陽極空腔內。含水鹼性電解質，優選含氫氧化鉀的含水鹼性電解質然後加入到固體多孔鋅物料中，於是電解質被吸收到固體物料內，從而引起該物料盤狀並轉化成最終的陽極。聚乙烯醇粘合劑以及丙烯酸聚合物CARBOPOL C940粘合劑在鹼性電解質中是非常化學穩定的，且尤其當與本發明的陽極結合使用時是所需的粘合劑。聚乙烯醇尤其提供外加的結構完整性並在緊密的網絡內保持鋅粒在一起，以便可形成自立的固體多孔物料(固體預成形體)。
根據本發明，首先製備溼的鋅糊劑815a並模塑，形成與陽極空腔的形狀接近的溼的預成形物料815b。這可常規地通過傾倒或擠出溼糊劑815a到圖3A的鋼或者塑料陰模600的模腔630內而進行。陰模600具有空腔630穿過其中的主體部分610。陰模主體位於可拆卸的基板620上(圖3A)。模腔630的形狀與電池陽極空腔接近。在壓力下，通過施加壓力到杵子頂部640上，將杵子645例如在2-3秒內注入到模腔630內，從而引起溼的鋅糊劑815a變得壓實並模塑成空腔630的形狀，從而模塑溼的鋅糊劑815a。典型地，可施加適中的力到杵子上，所需地約400磅的力，典型地介於約10至300磅。對於直徑介於例如約3至7mm的模腔630來說，通過杵子645的衝擊，以這一方式將這一力施加到溼的鋅糊劑815a的暴露表面上。取決於模腔630的直徑或寬度以及存在於陰模內的溼的鋅糊劑的含量來調節力的大小。與較大直徑的空腔和較大量的溼的鋅糊劑相比，較小直徑的空腔和較小量的溼的鋅糊劑要求較小的衝擊作用力。陰模基板620然後可從陰模主體610上拆卸。可通過杵子645的二次衝擊(如圖3B中的返回位置所示)，使模塑的溼的鋅物料(溼的預成形體)815b推過模腔630。從模腔630(圖3B)中排出的溼的預成形體815b(圖3B)尺寸穩定，亦即具有足夠強的結構完整性，以便它可自立在陰模外側，同時保持至少其大概的模塑形狀。
因此，在優選的實施方案中，溼的鋅物料815b(預成形體)可放置在平坦的託盤或者表面720上，然後可將其插入到烘箱700(圖3C)內。任選地，隔板890可繞溼的鋅物料815b包裹，以便在其上具有隔板890的溼的鋅物料815b置於烘箱700內。在這一情況下，隔板890可繞溼的鋅物料815b包裹，以便在例如圖1所示的結構內，它覆蓋至少所述溼的物料815b的底部和側部表面。這可通過繞溼的鋅物料815b的表面包裹單片隔板890而實現。或者，隔板890可以以長條形式施加，例如以彼此呈直角且在其中間部分相交的兩條長條形式施加。這一相交的長條可置於溼的鋅物料815b的下方，並向上摺疊長條，以覆蓋至少所述溼的鋅物料815b的側部和底部表面，從而導致例如圖1所示的結構。隔板890可以是在鹼性電池中常規地使用的電解質可滲透的材料。隔板890可粘合到溼的鋅物料815b上。具有繞溼的鋅物料815b包裹的隔板890避免在將陽極材料插入到陽極空腔內之前，將隔板插入到陽極空腔內的需要。
在烘箱700內，在升高的溫度下，所需地介於約55℃至120℃，典型地在約55℃下，在環境空氣(惰性氣體)中，加熱有或無隔板890繞其包裹的溼的鋅物料815b(溼的預成形體)。這種加熱蒸發包含在其內的至少一部分游離水，從而導致乾燥和多孔的鋅物料(固體預成形體)815c。若用隔板890包裹溼的鋅物料815b，則固體鋅物料815c也具有完整地繞所述固體鋅物料815b且典型地粘合到其上的隔板890。乾燥的鋅物料815c(圖3D)尺寸穩定，因此可在沒有改變至少其大概形狀的情況下自立。它可儲存在密封的容器內，直到電池組裝的時刻。有或無隔板890繞其包裹的鋅物料815c(固體預成形體)然後插入到電池的陽極空腔813內，並添加含水電解質，從而使鋅物料膨脹，形成最終的新鮮陽極815。
如下所述形成插入到模腔630內的溼的鋅糊劑815a使用電/機械共混器，將鋅粒、表面活性劑、水凝膠粘合劑、聚乙烯醇粘合劑和水的混合物經典型地約2-3分鐘的時間段共混成糊劑，直到糊劑具有均勻的稠度。調節粘合劑和水在共混物內的用量，以控制糊劑稠度。溼糊劑然後插入到與陽極空腔形狀接近，但優選略微較小的具有模腔630(圖3A)的鋼、陶瓷或塑料陰模內。例如，模腔630的直徑可典型地比陽極空腔813的內徑小約10至40％。在約2-3秒內，在壓力下，溼糊劑具有陰模的形狀。然後從陰模中完整地取出溼糊劑，並具有與陽極空腔的形狀接近的溼的鋅物料(溼的預成形體)形式。在溼物料內的粘合劑，尤其聚乙烯醇，賦予該物料充足的結構完整性，結果模塑的溼的預成形體可在陰模外側自立。
形成溼的鋅物料815b(溼的預成形體)的溼糊劑包括鋅粒、表面活性劑、水凝膠粘合劑、聚乙烯醇粘合劑和水的混合物。在沒有添加含水電解質的情況下形成溼糊劑。表面活性劑優選是二壬基苯酚磷酸酯表面活性劑，例如以商品名「RM-510」商購於Rhone-Poulenc的表面活性劑。粘合劑包括a)一種或多種水凝膠粘合劑(膠凝劑)，和b)聚乙烯醇粘合劑。優選的水凝膠粘合劑是以商品名「CARBOPOL C940」商購於B.F.Goodrich的交聯丙烯酸聚合物膠凝劑。可單獨使用CARBOPOLC940粘合劑。然而，優選添加以商品名「WATERLOCK A-221」商購於Grain Processing Co.的接枝在澱粉主鏈上的水解聚丙烯腈，形成總的水凝膠粘合劑。水凝膠粘合劑在溼的預成形體內更多地充當粘合劑，這是因為溼的預成形體不包括鹼性電解質(在鹼性電解質存在下，水凝膠變為膠凝劑)。
溼的預成形體815b具有下述組成鋅(80-94wt％)，表面活性劑，例如二壬基苯酚磷酸酯RM-510表面活性劑(0.05-0.2wt％)，含例如CARBOPOL C940粘合劑(0.5-3wt％)和WATERLOCK A-221粘合劑(0.05-0.33wt％)和聚乙烯醇(0.2-1wt％)的全部粘合劑(0.5-3wt％)和水(3-18wt％)。
在烘箱內，所需地在介於約55℃至120℃的溫度下，優選在約55℃下，在環境空氣(或者惰性氣體)中，加熱溼的預成形體815b約2-3小時或更少的時間段。這樣加熱使溼的預成形體內的至少一部分水蒸發，從而形成與陽極空腔的形狀接近的固體、多孔鋅物料(固體預成形體)815c。希望保持加熱溫度低於約120℃以避免在溼的預成形體815b內聚乙烯醇和/或膠凝劑降解。固體預成形體815c可所需地具有下述組成鋅(96-99wt％)，表面活性劑，例如二壬基苯酚磷酸酯RM-510表面活性劑(0.06-0.25wt％)，含例如CARBOPOL C940粘合劑(0.5-3.3wt％)和WATERLOCK A-221粘合劑(0.05-0.37wt％)和聚乙烯醇(0.22-1.2wt％)的全部粘合劑(0.5-3.3wt％)。鋅粒的平均粒度可以是約30至1000微米，典型地介於約100至400微米。固體多孔鋅物料(固體預成形體)可長時間地儲存，基本上數月或者甚至數年，這是因為在其內不存在彼此反應或者與鋅粒反應的組分。固體預成形體可儲存在環境條件下的空氣中，這是因為暴露於空氣下不引起在乾燥的預成形體內鋅粒或其它組分顯著的劣化。固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c用出現在單獨的鋅粒之間的細微的孔隙空間的空穴來表徵，其導致固體預成形體介於約25至50％，典型地介於約40至50％的孔隙度。在圖4所示的固體多孔鋅物料815c的掃描電子顯微照片中清楚地看到在鋅粒822之間的這些細微的孔隙空間823。這些細微的孔隙空間最先用水填充，所述水從物料中蒸發。圖4示出了在鋅粒822之間的粘合劑材料824，例如聚乙烯醇，和它們在固體多孔物料中將鋅粒822把持在一起。令人驚奇地，聚乙烯醇，優選分子量介於約85000至146000的聚乙烯醇，充當膠水，在固體多孔鋅物料(固體預成形體)內將鋅粒把持在一起。聚乙烯醇賦予結果完整性，以防止在成形之後以及在儲存過程中固體預成形體坍塌。在希望將固體預成形體插入到電池陽極空腔內之前，它可長時間儲存放置，例如數月或者甚至數年。
當希望鹼性電池負載有陽極材料時，將有或無隔板890繞其包裹的固體多孔鋅物料815b(固體預成形體)插入到電池的陽極空腔內。鹼性電解質，優選氫氧化鉀的水溶液，然後加入到陽極空腔內。所需地含氫氧化鉀(濃度介於約35至40wt％的KOH，2wt％的ZnO)的鹼性電解質水溶液加入到陽極空腔內，其用量使得含水電解質對固體多孔鋅物料(固體預成形體)的重量比介於約0.25至0.75。含水電解質被吸收到固體預成形體內，從而引起該預成形體膨脹並緊密填充陽極空腔。添加含水鹼性電解質還活化水凝膠粘合劑的膠凝特徵。鋅粒在比常規的鋅淤漿陽極更緊密的網絡內把持在一起，且當通過X-射線照相術，在正常尺寸內觀察陽極時，在最終陽極內不存在可視的空氣空穴。鋅粒的更加緊密的網絡傾向於改進陽極的傳導率和總的性能。聚乙烯醇充當膠水，將鋅粒粘結在一起，而水凝膠粘合劑主要起到膠凝劑的作用，亦即，當電解質加入其中時，它們吸收電解質水溶液且還引起乾燥的鋅物料膨脹。
在圖2所示的鈕扣電池110中，形成具有開放端132和閉合端138的圓盤狀圓柱形外殼130。由鍍鎳鋼形成外殼130。電絕緣組件140，優選具有真空芯的圓柱形膜插入到外殼130內，以便絕緣膜140的外表面毗鄰外殼130的內表面，並給其作襯裡。任選地，用聚合物材料或者瀝青密封劑和類似物塗布外殼130的內表面，它是在絕緣體140和外殼130的內表面之間的界面。絕緣體140可由抗鹼性電解質進攻的各種熱穩定的絕緣材料，例如尼龍或者聚丙烯形成。
參考圖2的鈕扣電池，通過在環境溫度下，在常規的共混器內，簡單混合，直到獲得均勻的混合物，從而製備含MnO2(EMD)、石墨、含水電解質的陰極混合物170。石墨可以是片狀天然結晶石墨、片狀結晶合成石墨、膨脹石墨或其任何混合物。陰極組合物可以是參考圓柱形電池(圖1)的以上所述的那些。陰極170作為毗鄰外殼130的閉合端138的內表面的一層或者壓制圓盤形式施加。隔板片材160可覆蓋陰極170施加。隔板160可以是以上相對於隔板890(圖1)所述的常規的離子多孔隔板。在圖2所示的具體實施方案中，隔板160可包括(毗鄰陽極150的)纖維素或玻璃紙的外層和由纖維素(人造絲)和聚乙烯醇細微組成的非織造材料的裡層組成。
可根據以上所述的本發明方法製備陽極150，其中製備溼的鋅物料(溼的預成形體)並模塑成接近圓盤狀陽極空腔153(圖2)的形狀然後乾燥溼的鋅物料(溼的預成形體)，形成固體、多孔的鋅物料(固體預成形體)。然後將固體預成形體插入到在隔板160上的陽極空腔內。然後將含水鹼性電解質加入到陽極空腔153內並被固體預成形體吸收，形成最終的新鮮的陽極150。將優選由鍍鎳鋼形成的陽極覆蓋層120插入到外殼130的開放端132內。含黃銅、鍍錫黃銅、青銅、鍍銅或鍍銦的黃銅的陽極集電器115可任選地焊接到陽極覆蓋層120的內表面上。外殼130的周邊135在絕緣元件140的暴露絕緣體邊緣142上捲曲。周邊135咬合到絕緣體邊緣142內，所述絕緣體邊緣142接近外殼130並緊密密封在其內的電池內容物。陽極覆蓋層120還充當電池的負電端，和在閉合端138處的外殼130充當電池的正電端。
使用常規的MnO2陰極、隔板和使用鋅淤漿以常規方式製備的陽極，製備對比的AA圓柱形電池810。用相同的陰極組合物、隔板製備一組AA試驗電池，所不同的是通過本發明方法製造陽極。用常規的陽極和陰極與隔板製備對比的AA電池810。由泵送到陽極空腔813內的常規的鋅淤漿混合物製備陽極。然後製備試驗圓柱形AA電池810。試驗電池的陰極和隔板與在對比電池中使用的相同。隔板890是常規的離子多孔隔板，其由纖維素(人造絲)和聚乙烯醇細微的非織造材料的裡層和玻璃紙的外層組成。然而，根據本發明的方法製備在試驗電池內的陽極815，其中將溼的鋅物料(溼的預成形體)模塑成接近陽極空腔的形狀。然後乾燥溼的預成形體，形成如上所述的固體多孔鋅物料(固體預成形體)。將固體預成形體插入到陽極空腔813內。將含水鹼性電解質加入到陽極空腔內並被固體預成形體吸收，形成最終的陽極。對比AA電池和試驗AA電池各自具有接近相同量的鋅，亦即4.6g。平衡電池，以便MnO2的理論mA-h電容(基於370mA-h/g MnO2)除以鋅的理論電容(基於820mA-h/g MnO2)為約1。通過在50mA和500mA的恆定電流消耗下放電至0.5伏特的截止電壓，測定電池的性能，使用壽命(mA-h)和能量輸出(mW-h)。
實施例1(對比試驗-常規陽極淤漿/常規MnO2陰極)製備圖1所示的通用結構的試驗圓柱形AA電池810。在對比AA電池和試驗AA電池中的陰極812具有下述代表性組成80-90wt％的電解MnO2(例如，獲自Kerr-McGee的Trona D)、4-10wt％的膨脹石墨(Timcal E-BNB90，BET表面積為24.3m2/g)、5-10wt％KOH濃度為約35-40wt％的KOH水溶液。下表報導的性能試驗所使用的對比AA電池和試驗AA電池的具體陰極組合物如下所述
備註1.可使用下述真實密度轉化成體積百分數MnO2(EMD)，4.48g/cc；膨脹石墨(Timcal E-BNB90)，2.25g/cc；和36wt％KOH水溶液，1.35g/cc。
按照常規的方式，通過製備以上在背景技術部分中所述的鋅陽極淤漿，製備對比試驗電池810的陽極。在將陽極淤漿加入到陽極空腔內之前，將約1.25g含38wt％KOH和約2wt％ZnO的KOH水溶液加入到電池外殼內，填充在MnO2陽極內的孔隙。隨後，使用在泵送陽極淤漿的操作中常用的常規淤漿泵，將陽極淤漿泵送到陽極空腔內。儘管仔細地防止空氣進入淤漿混合物，但當將其引入到陽極空腔內時，在最終的陽極淤漿內仍存在數個可視的空氣空穴。這種空氣空穴在沒有放大的情況下拍攝的X-射線照片中是肉眼可見的。填充陽極空腔813的鋅淤漿形成具有4.6g鋅的陽極815。最終的陽極815具有下述組成70wt％的鋅合金粉末(99.9wt％的鋅，其含有總量為500ppm的銦)，29.4wt％含38wt％KOH和約2wt％ZnO的KOH水溶液，0.44wt％的以商品名「CARBOPOL C940」商購於B.F.Goodrich的交聯丙烯酸聚合物膠凝劑，和0.032wt％以商品名「WATERLOCK A-221」商購於GrainProcessing Co.的接枝到澱粉主鏈上的水解聚丙烯腈，0.117wt％以商品名「RM-510」商購於Rhone-Poulenc的二壬基苯酚磷酸酯表面活性劑。鋅合金的平均粒度為約320微米。隔板890是常規的雙層纖維素隔板，其使用含人造絲和聚乙烯醇的外層(面向陰極812)和面向陽極815的玻璃紙的裡層。
在恆定的50mA的速度下，使實施例1的新鮮的AA電池放電。在獨立的試驗中，在恆定的500mA的速度下，使不同批次的實施例1的新鮮AA電池810放電。
在50mA的放電下，在0.5伏特的截止電壓時獲得的電容為3010mA-h。在50％電容時的平均電壓為1.22伏特。在0.5伏特的截止電壓時電池的能量輸出為3520mW-h。
在500mA的放電下，在0.5伏特的截止電壓時獲得的電容為1550mA-h。在50％電容時的平均電壓為1.06伏特。在0.5伏特的截止電壓時電池的能量輸出為1590mW-h。
當新鮮的鋅陽極置於密封袋內並在60℃下儲存4周時，通過測量從鋅陽極中生成的氣體量，進行電池的產氣試驗。產氣量為0.0120ml/g陽極。
實施例2(由固體多孔鋅物料得到的陽極/常規的MnO2陰極)以與實施例1相同的方式製備試驗AA電池810，所不同的是陽極815由溼的鋅物料(溼的預成形體)形成，所述溼的鋅物料模塑成接近陽極空腔813的形狀，然後乾燥以產生本發明的固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c。將固體多孔鋅物料815c插入到陽極空腔813內，然後添加含水氫氧化鉀電解質(介於約35至40wt％KOH和2wt％ZnO的濃度)。固體多孔鋅物料(固體預成形體)立即吸收鹼性電解質並膨脹，形成說明書以上所述的最終的新鮮溼陽極。含MnO2的陰極組合物與實施例1中使用的相同。電池具有與實施例1一樣的4.6g鋅，並平衡，以便鋅的理論電容除以MnO2的理論電容為約1。
溼的鋅物料(溼的預成形體)具有下述組成
將溼的鋅物料模塑成相接近的形狀，但比陽極空腔的尺寸稍微小點。然後，通過在烘箱內，在約55℃下加熱約2-3小時的時間段，蒸發水，乾燥模塑的溼的鋅物料(溼的預成形體)，從而得到孔隙度介於約40至50％的固體多孔鋅物料(固體預成形體)。該固體多孔鋅物料(固體預成形體)具有下述組成
在將固體多孔鋅物料(固體預成形體)插入到陽極空腔內之後，添加含38wt％KOH和約2wt％ZnO的含水氫氧化鉀電解質，其用量為相對於1重量份固體預成形體約0.7重量份的含水電解質。該固體預成形體立即被含水電解質吸收並膨脹，填充陽極空腔，形成最終的新鮮陽極。當拍攝的電池的X-射線照片的輔助下，在沒有放大的情況下觀察陽極時，最終的新鮮陽極在其內不具有任何可分辨的空氣空穴。在新鮮陽極內的聚乙烯醇在緊密的網絡內輔助把持單獨的鋅粒彼此緊密靠近。
在恆定的50mA的速度下，使實施例2的新鮮的AA電池放電。在獨立的試驗中，在恆定的500mA的速度下，使不同批次的實施例2的新鮮AA電池放電。
在50mA的放電下，在0.5伏特的截止電壓時獲得的電容為2930mA-h。在50％電容時的平均電壓為1.23伏特。在0.5伏特的截止電壓時電池的能量輸出為3450mW-h。
在500mA的放電下，在0.5伏特的截止電壓時獲得的電容為1530mA-h。在50％電容時的平均電壓為1.07伏特。在0.5伏特的截止電壓時電池的能量輸出為1630mW-h。
當新鮮的鋅陽極置於密封袋內並在60℃下儲存4周時，通過測量從鋅陽極中生成的氣體量，進行電池的產氣試驗。產氣量為0.0122ml/g陽極。
實施例3(由固體多孔鋅物料得到的陽極/常規的MnO2陰極)以與實施例1相同的方式製備試驗AA電池810，所不同的是陽極815由溼的鋅物料(溼的預成形體)形成，所述溼的鋅物料模塑成接近陽極空腔813的形狀，然後乾燥以產生本發明的固體多孔鋅物料(固體預成形體)815c。將固體多孔鋅物料815c插入到陽極空腔813內，然後添加含水氫氧化鉀電解質(介於約35至40wt％KOH和2wt％ZnO的濃度)。固體多孔鋅物料(固體預成形體)立即吸收鹼性電解質並膨脹，形成說明書以上所述的最終的新鮮溼陽極。含MnO2的陰極組合物與實施例1中使用的相同。電池具有與實施例1一樣的4.6g鋅，並平衡，以便鋅的理論電容除以MnO2的理論電容為約1。
溼的鋅物料(溼的預成形體)具有下述組成，其中包括比實施例2低的鋅組成
將溼的鋅物料模塑成相接近的形狀，但比陽極空腔的尺寸稍微小點。然後，通過在烘箱內，在約55℃下加熱約2-3小時的時間段，蒸發水，乾燥模塑的溼的鋅物料(溼的預成形體)，從而得到孔隙度介於約40至50％的固體多孔鋅物料(固體預成形體)。該固體多孔鋅物料(固體預成形體)具有下述組成
在將固體多孔鋅物料(固體預成形體)插入到陽極空腔內之後，添加含38wt％KOH和約2wt％ZnO的含水氫氧化鉀電解質，其用量為相對於1重量份固體預成形體約0.7重量份的含水電解質。該固體預成形體立即被含水電解質吸收並膨脹，填充陽極空腔，形成最終的新鮮陽極。當拍攝的電池的X-射線照片的輔助下，在沒有放大的情況下觀察陽極時，最終的新鮮陽極在其內不具有任何可分辨的空氣空穴。在新鮮陽極內的聚乙烯醇在緊密的網絡內輔助把持單獨的鋅粒彼此緊密靠近。
實施例3的新鮮的AA電池在恆定的500mA的速度下放電。
在50mA的放電下，在0.5伏特的截止電壓時獲得的電容為1400mA-h。在50％電容時的平均電壓為1.06伏特。在0.5伏特的截止電壓時電池的能量輸出為1470mW-h。
下表概述了試驗結果
表1在50mA下放電到0.5伏特的截止電壓下，AA尺寸的鋅/MnO2鹼性電池的性能比較
備註1.當新鮮的鋅陽極置於密封袋內並在60℃下儲存4周時，通過測量從鋅陽極中生成的氣體量，進行陽極產氣試驗。
表2在500mA下放電到0.5伏特的截止電壓下，AA尺寸的鋅/MnO2鹼性電池的性能比較
備註1.當新鮮的鋅陽極置於密封袋內並在60℃下儲存4周時，通過測量從鋅陽極中生成的氣體量，進行陽極產氣試驗。
上表報導的數據表明，使用通過本發明方法製造的模塑的鋅陽極的AA鋅/MnO2鹼性電池的總體性能通常與使用常規的鋅陽極淤漿的相同電池相當。通過本發明方法製造的新鮮的模塑鋅陽極的產氣試驗也與通過使用常規的陽極淤漿製造的新鮮的鋅陽極的產氣相當。
權利要求
1.形成用於鹼性電池的陽極的方法，該方法包括下述步驟a)形成含鋅粒、第一流體和粘合劑的混合物，所述粘合劑包括用以粘合鋅粒的膠粘劑；和b)至少部分乾燥該混合物，從而產生含所述鋅粒的尺寸穩定的物料。
2.權利要求1的方法，該方法包括下述額外的步驟c)將所述尺寸穩定的物料插入到鹼性電池內；和d)添加第二流體到在所述電池內的所述物料中，由此第二流體被吸收到所述物料中，形成陽極。
3.權利要求1的方法，其中所述第一流體包括水。
4.權利要求2的方法，其中所述第二流體包括含水鹼性電解質。
5.權利要求1的方法，其中用以粘合鋅粒的所述膠粘劑包括聚乙烯醇。
6.權利要求1的方法，其中所述尺寸穩定的物料是含鋅粒的固體多孔物料。
7.權利要求1的方法，其中在至少部分乾燥所述混合物之前，所述混合物至少基本上用隔板材料包裹。
8.權利要求1的方法，其中在至少部分乾燥所述混合物之前，將所述混合物模塑成尺寸穩定的形狀。
9.權利要求5的方法，其中在步驟(d)中添加所述第二流體之前，將固體多孔物料插入到鹼性電池的陽極空腔內。
10.權利要求9的方法，其中當所述第二流體在其內被吸收時，所述固體多孔物料膨脹。
11.權利要求4的方法，其中含水鹼性電解質包括氫氧化鉀。
12.權利要求1的方法，其中所述尺寸穩定的物料可在環境空氣內儲存。
13.權利要求5的方法，其中聚乙烯醇的分子量介於約85000至146000。
14.權利要求1的方法，其中通過加熱所述混合物進行在步驟b)中的所述乾燥。
15.權利要求1的方法，其中所述粘合劑進一步包括交聯丙烯酸聚合物膠凝劑。
16.權利要求1的方法，其中所述粘合劑進一步包括含聚丙烯酸和聚丙烯醯胺的澱粉接枝共聚物的膠凝劑。
17.權利要求1的方法，其中所述粘合劑進一步包括CARBOPOL C940交聯丙烯酸聚合物。
18.權利要求1的方法，其中所述粘合劑進一步包括CARBOPOL C940交聯丙烯酸聚合物和WATER-LOCK A-221澱粉接枝共聚物的混合物。
19.權利要求1的方法，其中所述混合物進一步包括總量為鋅的約200至1000ppm的銦。
20.權利要求1的方法，其中所述混合物進一步包括表面活性劑。
21.權利要求20的方法，其中所述表面活性劑包括有機磷酸酯。
22.權利要求8的方法，其中將所述混合物模塑成鹼性電池的陽極空腔的大致形狀。
23.形成用於鹼性電池的陽極的方法，該方法包括下述步驟a)形成含鋅粒、含醇如聚乙烯醇的粘合劑和水的混合物；b)乾燥該混合物以蒸發至少部分其內的水，從而產生含所述鋅粒的尺寸穩定的物料；c)將所述尺寸穩定的物料插入到鹼性電池的陽極空腔內；和d)添加流體到該陽極空腔內，由此所述流體被所述物料吸收，從而形成所述陽極。
24.權利要求23的方法，其中所述流體包括含水鹼性電解質。
25.權利要求23的方法，其中所述尺寸穩定的物料是含鋅粒的固體多孔物料。
26.權利要求25的方法，其中在步驟(d)中，當所述流體在其內被吸收時，所述固體多孔物料膨脹。
27.權利要求23的方法，其中在乾燥所述混合物之前，所述混合物至少基本上用隔板材料包裹。
28.權利要求23的方法，其中在乾燥所述混合物之前，將所述混合物模塑成指定形狀。
29.權利要求24的方法，其中含水鹼性電解質包括氫氧化鉀。
30.權利要求23的方法，其中通過加熱所述混合物進行在步驟b)中的所述乾燥。
31.權利要求23的方法，其中聚乙烯醇的分子量介於約85000至146000。
32.權利要求23的方法，其中所述粘合劑進一步包括膠凝劑。
33.權利要求23的方法，其中所述粘合劑進一步包括交聯丙烯酸聚合物膠凝劑。
34.權利要求23的方法，其中所述粘合劑進一步包括含聚丙烯酸和聚丙烯醯胺的澱粉接枝共聚物的膠凝劑。
35.權利要求23的方法，其中所述粘合劑進一步包括CARBOPOLC940交聯丙烯酸聚合物。
36.權利要求23的方法，其中所述粘合劑進一步包括CARBOPOLC940交聯丙烯酸聚合物和WATER-LOCK A-221澱粉接枝共聚物的混合物。
37.權利要求23的方法，其中在乾燥之前的所述混合物進一步包括總量為鋅的約200至1000ppm的銦。
38.權利要求23的方法，其中在乾燥之前的所述混合物進一步包括表面活性劑。
39.權利要求38的方法，其中所述表面活性劑包括有機磷酸酯。
40.權利要求25的方法，其中所述固體多孔物料在環境空氣中可儲存。
41.權利要求23的方法，其中在乾燥所述混合物之前，將所述混合物模塑成鹼性電池的陽極空腔的大致形狀。
42.一種電化學電池，它包括外殼，正電和負電端；含鋅和聚乙烯醇的陽極；鹼性電解質水溶液；隔板；和含陰極活性材料的陰極。
43.權利要求42的電池，其中所述電池是初級電池。
44.權利要求42的電池，其中含水電解質包括氫氧化鉀。
45.權利要求42的電池，其中聚乙烯醇的分子量介於約85000至146000。
46.權利要求42的電池，其中陰極包括二氧化錳。
47.權利要求42的電池，其中鋅包括平均粒徑介於約30至1000微米的鋅粒。
48.權利要求42的電池，其中鋅包括平均粒徑介於約30至400微米的鋅粒。
49.權利要求42的電池，其中所述陽極進一步包括粘合劑，所述粘合劑包括含交聯丙烯酸聚合物的膠凝劑。
50.權利要求42的電池，其中所述陽極進一步包括粘合劑，所述粘合劑包括含聚丙烯酸和聚丙烯醯胺的澱粉接枝共聚物的膠凝劑。
51.權利要求42的電池，其中所述陽極進一步包括表面活性劑。
52.權利要求51的電池，其中所述表面活性劑包括有機磷酸酯。
53.在其內具有陽極空腔的鹼性電池外殼和插入到所述陽極空腔內的多孔物料的結合體，其中所述物料包括粘結在一起的鋅粒，從而與在其間的孔隙空間形成鋅粒的網絡，所述物料尺寸穩定。
54.權利要求53的結合體，其中所述物料是固體多孔物料。
55.權利要求54的結合體，其中所述固體多孔物料至少基本上乾燥。
56.權利要求53的結合體，其中所述物料至少基本上用隔板材料包裹。
57.權利要求56的結合體，其中所述隔板材料粘合到所述固體物料上。
58.權利要求54的結合體，其中所述固體多孔物料至少基本上填充所述陽極空腔。
59.權利要求53的結合體，其中粘結的鋅粒的所述網絡至少基本上延伸到整個所述物料中。
60.權利要求59的結合體，其中所述鋅粒均勻分布在所述網絡內。
61.權利要求54的結合體，其中所述物料的孔隙度介於約25至50體積％。
62.權利要求51的結合體，其中聚乙烯醇塗布所述鋅粒的一部分表面，從而將所述鋅粒粘結在一起，形成所述鋅粒的網絡。
63.權利要求62的結合體，其中所述聚乙烯醇的分子量介於約85000至146000。
64.權利要求53的結合體，進一步在所述鋅粒之間包括含丙烯酸聚合物的粘合劑。
65.權利要求53的結合體，進一步包括表面活性劑。
66.權利要求65的結合體，其中所述表面活性劑包括有機磷酸酯。
67.權利要求53的結合體，其中所述鋅粒的平均粒度介於約30至1000微米。
68.權利要求53的結合體，其中所述鋅粒的平均粒度介於約30至400微米。
69.權利要求53的結合體，其中所述物料進一步包括銦，其總量為約200至1000重量份銦/每百萬份鋅。
70.在其內具有陽極空腔的鹼性電池外殼和插入到所述陽極空腔內的含陽極活性材料的尺寸穩定物料的結合體。
71.權利要求70的結合體，其中所述物料至少基本上填充所述陽極空腔。
72.權利要求70的結合體，其中所述物料是固體多孔物料。
73.權利要求72的結合體，其中所述物料包括粘結在一起的鋅粒，從而與在其間的孔隙空間形成鋅粒的網絡。
74.權利要求73的結合體，其中粘結的鋅粒的所述網絡至少基本上延伸到整個所述物料中。
75.權利要求72的結合體，其中所述物料的孔隙度介於約25至50％。
全文摘要
形成陽極的方法，所述陽極包括用於鹼性電池(810)的鋅。該方法包括混合鋅粒與優選含聚乙烯醇的粘合劑、表面活性劑和水，形成溼糊劑(815c)。將該溼糊劑模塑成電池的陽極空腔(813)的大致形狀，然後加熱蒸發水。形成鋅粒之間具有細微孔隙空間的固體多孔鋅物料。可將固體物料插入到電池的陽極空腔內，然後添加含水鹼性電解質，優選含氫氧化鉀的電解質。固體物料吸收含水電解質並膨脹，填充陽極空腔，形成最終的新鮮陽極。
文檔編號H01M4/24GK1816935SQ200480019050
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年7月3日
發明者Z·姜, G·辛特拉 申請人:吉萊特公司