鹼錳電池的正極材料、鹼錳電池正極和鹼錳電池的製作方法

2023-06-10 12:59:41

專利名稱：鹼錳電池的正極材料、鹼錳電池正極和鹼錳電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及電化學領域，尤其涉及一種採用ニ氧化錳與羥基氧化鎳作為正極材料的鹼錳電池。
背景技術：
當前越來越多高耗電可攜式電子產品進入市場，如數位相機、電動牙刷、電動剃鬚刀、閃光燈和遙控電動玩具等。因此，消費者需要選擇大功率大容量電池來滿足需求。以數位照相機為例，數位照相機的電池一般都是一次性鹼錳原電池，因為與可充鎳氫二次電池相比，鹼錳原電池具有價格低、儲存壽命長的優點。不過鹼錳電池也有它的缺點，如脈衝放電能力較差，恆流放電時放電平臺過於傾斜。傾斜的放電平臺具有ー個致命的弱點，它表明在電量比較低的情況下電池的電壓已經很低，明顯低於開路電位。而數位照相機對電源的電壓做了限制以保護設備不會損壞。一旦電池電壓低於數位照相機的電壓，此時數位照相機便不再工作。尤其是當周圍環境的氣氛比較低時，此時，如果鹼錳電池的荷電狀態比較低，加上低溫引起的電池大電流放電能力的惡化，導致鹼錳電池在荷電狀態仍然比較高的情況下就不能再使用了。很多數位照相機使用過的鹼錳電池還可以作為其它設備的電源使用，原因就在於此。一般情況下，數碼設備設定的電池電壓下限是2. 3V。単體鹼錳電池恆流放電電壓平臺傾斜，從1.25V—直到0.95V。電壓1. 15V對應的電池荷電態高於50%。這意味著，如果兩節這樣的鹼錳電池作為上述數位照相機使用吋，只能利用50%的容量。考慮到在數位照相機中的瞬間放電脈衝所需要的動力學因素，一般，當開路電壓降到1. 2V吋，電池作為數位照相機電源使用的可能性就很小了，尤其是環境溫度比較低吋。大部分情況下，被數位照相機使用過的電池仍然有至少50%的容量。因此，針對上述技術問題，有必要提供ー種具有較好的脈衝放電能力的鹼錳電池， 以解決現有技術中的問題。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供ー種具有較好的脈衝放電能力的鹼錳電池，通過使用該鹼錳電池，增加了鹼錳電池作為相機電源時的使用次數。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案；一種用於鹼錳電池的正極材料，其包括主體材料及摻雜材料，所述主體材料為ニ 氧化錳，所述摻雜材料為羥基氧化鎳。一種鹼錳電池正扱，其包括基體和置於基體表面的塗覆材料，所述塗覆材料包括上述的正極材料、導電材料和粘接劑，在所述塗覆材料的合計量中所述羥基氧化鎳所佔的質量分數為10% -40%，在所述塗覆材料的合計量中所述ニ氧化錳所佔的質量分數為 60% -90%。一種鹼錳電池，其包括上述的鹼錳電池正極、負極、設置在正極和負極之間的隔膜和鹼性電解質。優選的，在上述鹼錳電池中，在一次脈衝放電開始前，所述正極的組成是ニ氧化錳與羥基氧化鎳，在一次脈衝放電結束後，所述正極的組成是ニ氧化錳、在脈衝放電期間由羥基氧化鎳還原產生的氫氧化鎳、由ニ氧化錳自身還原成的三氧化ニ錳以及殘餘的羥基氧化レ泉。優選的，在上述鹼錳電池中，所述負極材料為鋅粉。從上述技術方案可以看出，本發明實施例的鹼錳電池在傳統採用ニ氧化錳材料作為鹼錳電池正極材料的基礎上，摻入了羥基氧化鎳材料，羥基氧化鎳的放電動力學速度遠遠快於ニ氧化錳材料，因此，本發明實施例公開的鹼錳電池具有較好的脈衝放電能力，通過使用該鹼錳電池，增加了鹼錳電池作為相機電源時的使用次數。
具體實施例方式日常生活中，人們使用的數碼設備，如數位照相機，其使用的電池一般都是一次性鹼錳原電池，與可充鎳氫二次電池相比，鹼錳原電池具有價格低、儲存壽命長的優點。傳統脈衝輸出的特點是大電流、持續時間短，在脈衝放電條件下電池的極化比較大，電壓波動大。這种放電輸出要求電池的瞬時輸出電流能力大，電池極化要小。傳統的鹼錳電池的正極採用的是ニ氧化錳材料，ニ氧化錳在放電時被還原成三氧化ニ錳，這個反應的動力學速度比較慢，導致脈衝放電的瞬間電池電壓波動很大，如果波動幅度太大，使得脈衝放電瞬間電池電壓低於數位照相機所設定的保護電壓，一旦電池電壓低於數位照相機的保護電壓，此時數位照相機便不再工作，最終導致很多數位照相機使用過的鹼錳電池電カ沒有充分利用，造成資源浪費。針對上述技術問題，本發明公開了鹼錳電池的正極材料、使用該正極材料的鹼錳電池正極以及具有該鹼錳電池正極的鹼錳電池，其中，所公開的鹼錳電池通過在傳統採用 ニ氧化錳材料作為鹼錳電池正極材料的基礎上，摻入了羥基氧化鎳材料，利用羥基氧化鎳的放電動力學速度遠遠快於ニ氧化錳材料的特性，有效改進了鹼錳電池的脈衝放電能力， 提高了鹼錳電池作為相機乃至其他數碼設備電源時的使用次數。下面將對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。本發明公開的用於鹼錳電池的正極材料，其包括主體材料及摻雜材料，所述主體材料為ニ氧化錳，所述摻雜材料為羥基氧化鎳(NiOOH)。本發明公開的鹼錳電池正扱，其包括基體和置於基體表面的塗覆材料。具體的，塗覆材料包括上述的具有ニ氧化錳與羥基氧化鎳的正極材料、導電材料和粘接劑。在塗覆材料的合計量中，羥基氧化鎳所佔的質量分數為10%-40%。在塗覆材料的合計量中，ニ氧化錳所佔的質量分數為60% -90%。本發明公開的鹼錳電池，其包括正極、負極、設置在正極和負極之間的隔膜和鹼性電解質。其中，正極材料為上述的ニ氧化錳與羥基氧化鎳。負極材料為鋅粉。相較於傳統鹼錳電池採用ニ氧化錳材料作為鹼錳電池正極材料，本發明的鹼錳電池在具有ニ氧化錳材料的基礎上，摻入了羥基氧化鎳材料，羥基氧化鎳的放電動力學速度遠遠快於ニ氧化錳材料， 因此，本發明實施例公開的鹼錳電池具有較好的脈衝放電能力，通過使用該鹼錳電池，増加了鹼錳電池作為相機電源時的使用次數。進ー步的，在鹼錳電池正極中摻入的羥基氧化鎳材料可以放電還原成氫氧化鎳 (Ni (OH) 2)。進ー步的，在一次脈衝放電期間，羥基氧化鎳被放電還原成氫氧化鎳；在放電間歇期間，ニ氧化錳會將脈衝放電期間由羥基氧化鎳還原產生的氫氧化鎳重新氧化成羥基氧化鎳，而ニ氧化錳自身還原成三氧化ニ錳。進ー步的，根據以上描述，該鹼錳電池在一次脈衝放電開始前，正極的組成是ニ氧化錳與羥基氧化鎳，在一次脈衝放電結束後，正極的組成是ニ氧化錳、在脈衝放電期間由羥基氧化鎳還原產生的氫氧化鎳、由ニ氧化錳自身還原成的三氧化ニ錳以及殘餘的羥基氧化レ泉。具體講，該鹼錳電池中摻雜了羥基氧化鎳後，電池的能量密度基本不受影響，因為羥基氧化鎳本身具有放電能力，所以摻雜了羥基氧化鎳後，能夠提高脈衝放電能力，羥基氧化鎳起著催化劑的作用，而原來的ニ氧化錳材料則起著倉庫的作用，即作為電能儲存庫。脈衝放電的特點是放出的電量少，但是放電速度快，持續時間短，而且電流大。本發明公開的摻雜了羥基氧化鎳的鹼錳電池的工作原理是鹼錳電池中摻雜了羥基氧化鎳後，脈衝放電器件參與放電的主要物質是羥基氧化鎳，其動力學速度快的優點保證了脈衝放電的順利進行。當脈衝放電結束以後，此時正極的組成是ニ氧化錳、在脈衝放電期間由羥基氧化鎳還原產生的氫氧化鎳、由ニ氧化錳自身還原成的三氧化ニ錳以及殘餘的羥基氧化鎳。在放電間歇期間，由於ニ氧化錳的氧化性高於氫氧化鎳，因此，ニ氧化錳會將氫氧化鎳重新氧化成羥基氧化鎳，而ニ氧化錳自身則還原成三氧化ニ錳。在下次脈衝放電時，羥基氧化鎳負責脈衝放電的完成，再次重複前面的過程，從而實現了改進鹼錳電池脈衝放電條件下放電容量的效果。下面結合具體的實施例對本發明所提供的方案進行詳細描述。以下具體涉及四個實施例的描述，在描述中會提及商業化的ニ氧化錳、自製的ニ 氧化錳、商業化的羥基氧化鎳、自製的羥基氧化鎳這四個正極材料。四個實施例的鹼錳電池採用的正極材料分別是商業化的ニ氧化錳與商業化的羥
基氧化鎳、商業化的ニ氧化錳與自製的羥基氧化鎳、自製的ニ氧化錳與商業化的羥基氧化鎳、自製的ニ氧化錳與自製的羥基氧化鎳。其中，提及的商業化與自製材料的ニ氧化錳及羥基氧化鎳僅僅存在エ藝參數的差異，因為有不同的エ藝參數，所以得到了以下描述的四個實施例的四個結果，在此不具體贅述具體エ藝參數的數字，本發明採用商業化與自製的描述，_在通過具體描述表達羥基氧化鎳具有改進鹼錳電池的脈衝放電能力與提高鹼錳電池使用次數的優點。實施例一以現有的商業化的ニ氧化錳為鹼錳電池正極的主體材料，以商業化的羥基氧化鎳為鹼錳電池正極的摻雜材料，以鋅粉為鹼錳電池負極的材料。鹼錳電池正極中組成為 80wt. %商業化的ニ氧化錳與20wt. %的商業化的羥基氧化鎳，採用以上材料組裝成5號電池，測試連續的脈衝放電能力。實驗結果證實，在連續恆電流放電條件下，摻雜商業化的羥
5基氧化鎳的鹼錳電池的放電容量與未摻雜的基本相同，二者的放電平臺差別也不大，都比較傾斜。在間隔3分鐘的脈衝放電條件下(脈衝寬度1秒，電流大小為500毫安)，摻雜了商業化的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電能力明顯高於未摻雜的，以脈衝期間的電池電壓下限設定在1. 2V為準，在-20度條件下，未摻雜的使用次數為75次，摻雜以後使用次數為103次。實施例ニ 以現有的商業化的ニ氧化錳為鹼錳電池正極的主體材料，以自制的羥基氧化鎳為鹼錳電池正極的摻雜材料，以鋅粉為鹼錳電池負極的材料。鹼錳電池正極中組成為80wt. % 商業化的ニ氧化錳，20wt. %自製的羥基氧化鎳，採用以上材料組裝成5號電池，測試連續的脈衝放電能力。實驗結果證實，在連續恆電流放電條件下，摻雜自製的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電容量與未摻雜的基本相同，二者的放電平臺形狀基本相同，都比較傾斜。在間隔 3分鐘的脈衝放電條件下(脈衝寬度1秒，電流大小為500毫安)，摻雜了自製的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電能力明顯高於未摻雜的，以脈衝期間的電池電壓下限設定在1. 2V為準， 在-20度條件下，未摻雜的使用次數為87次，摻雜以後使用次數為121次。實施例三以現有的自製的ニ氧化錳為鹼錳電池正極的主體材料，以商業化的羥基氧化鎳為鹼錳電池正極的摻雜材料，以鋅粉為鹼錳電池負極的材料。鹼錳電池正極中組成為80wt. % 自製的ニ氧化錳，20wt. %商業化的羥基氧化鎳，採用以上材料組裝成5號電池，測試連續的脈衝放電能力。實驗結果證實，在連續恆電流放電條件下，摻雜商業化的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電容量與未摻雜的基本相同，二者的放電平臺形狀基本相同，都比較傾斜。在間隔3分鐘的脈衝放電條件下(脈衝寬度1秒，電流大小為500毫安)，摻雜了商業化的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電能力明顯高於未摻雜的，以脈衝期間的電池電壓下限設定在1. 2V 為準，在-20度條件下，未摻雜的使用次數為79次，摻雜以後使用次數為91次。實施例四以現有的自製的ニ氧化錳為鹼錳電池正極的主體材料，以自制的羥基氧化鎳為鹼錳電池正極的摻雜材料，以鋅粉為鹼錳電池負極的材料。鹼錳電池正極中組成為90wt. % 自製的ニ氧化錳，IOwt. %自製的羥基氧化鎳，採用以上材料組裝成5號電池，測試連續的脈衝放電能力。實驗結果證實，在連續恆電流放電條件下，摻雜自製的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電容量與未摻雜的基本相同，二者的放電平臺形狀基本相同，都比較傾斜。在間隔1 分鐘的脈衝放電條件下(脈衝寬度1秒，電流大小為1000毫安)，摻雜了自製的羥基氧化鎳的鹼錳電池的放電能力明顯高於未摻雜的，以脈衝期間的電池電壓下限設定在1. 2V為準， 在-30度條件下，未摻雜的使用次數為49次，摻雜以後使用次數為64次。本發明實施例的鹼錳電池在傳統採用ニ氧化錳材料作為鹼錳電池正極材料的基礎上，摻入了羥基氧化鎳材料，羥基氧化鎳的放電動力學速度遠遠快於ニ氧化錳材料，因此，本發明實施例公開的鹼錳電池具有較好的脈衝放電能力，通過使用該鹼錳電池，増加了鹼錳電池作為相機電源時的使用次數。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖
標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含ー個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為ー個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
權利要求
1.一種用於鹼錳電池的正極材料，其特徵在於包括主體材料及摻雜材料，所述主體材料為ニ氧化錳，所述摻雜材料為羥基氧化鎳。
2.一種鹼錳電池正扱，其特徵在於包括基體和置於基體表面的塗覆材料，所述塗覆材料包括權利要求1所述的正極材料、導電材料和粘接劑，在所述塗覆材料的合計量中所述羥基氧化鎳所佔的質量分數為10% _40%，在所述塗覆材料的合計量中所述ニ氧化錳所佔的質量分數為60% -90%。
3.ー種鹼錳電池，其特徵在於包括權利要求2所述的鹼錳電池正極、負極、設置在正極和負極之間的隔膜和鹼性電解質。
4.根據權利要求3所述的鹼錳電池，其特徵在於在一次脈衝放電開始前，所述正極的組成是ニ氧化錳與羥基氧化鎳，在一次脈衝放電結束後，所述正極的組成是ニ氧化錳、在脈衝放電期間由羥基氧化鎳還原產生的氫氧化鎳、由ニ氧化錳自身還原成的三氧化ニ錳以及殘餘的羥基氧化鎳。
5.根據權利要求3所述的鹼錳電池，其特徵在於所述負極材料為鋅粉。
全文摘要
本發明公開了一種鹼錳電池，其包括正極、負極、設置在正極和負極之間的隔膜和鹼性電解質，所述正極所採用的材料為二氧化錳與羥基氧化鎳。本發明實施例的鹼錳電池在傳統採用二氧化錳材料作為鹼錳電池正極材料的基礎上，摻入了羥基氧化鎳材料，羥基氧化鎳的放電動力學速度遠遠快於二氧化錳材料，因此，本發明能夠有效改進鹼錳電池的脈衝放電能力，從而提高鹼錳電池作為數碼設備電源時的使用次數。
文檔編號H01M4/06GK102544470SQ201210064410
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者徐豔輝 申請人:蘇州大學