電化學電池的被浸漬的隔板及其製造方法
2023-05-02 14:32:56 2
專利名稱：電化學電池的被浸漬的隔板及其製造方法
背景技術：
本發明一般涉及電化學電池，即電池，尤其涉及電化學電池中的隔板以及製造和組裝隔板的方法。
常規的鹼性電化學電池一般包括具有正極(稱作陰極)的圓柱鋼殼，正極包括作為活性材料的二氧化錳。電化學電池還包括負極(稱作陽極)，負極包括作為活性材料的鋅粉末。在筒管型電池中，陰極通常緊靠鋼殼內表面形成，而陽極通常中心地設置在陰極中心內形成的圓柱形腔室中。隔板位於陽極和陰極之間，含有氫氧化鉀(KOH)的鹼性電解液同時接觸陽極、陰極和隔板。導電集電極通常插入到陽極活性材料中，包括聚合物密封件的密封組件對鋼殼的開口端進行封閉，以密封在鋼殼密封體積內的活性電化學材料。
在常規筒管型鋅/二氧化錳鹼性電池中，所提供的隔板通常為多層可離子透過的、非織造纖維織物，它將陽極與陰極分開。隔板使正極材料和負極材料保持物理的絕緣分離並允許在電極材料之間傳送離子。此外，隔板充當KOH溶液的芯吸介質以及防止陽極凝膠失效的套管。常規隔板材料的例子包括兩或三層紙，這使得溼隔板的總厚度在約11-18密耳。常規隔板通常由以下方式形成將隔板材料形成為杯形筐，隨後在組裝過程中插入陰極；或者通過將相對於彼此有角度地旋轉90度的隔板材料的多層矩形板插入陰極腔室中，在電池組裝過程中形成筐。常規形成的隔板一般由非織造織物的薄片製成，它們被捲成與陰極內壁相符並具有封閉底端的圓柱狀。根據另一種方法，以下述方式設置封閉端在鋼殼的底端以塞子的形式插入絕緣密封件，並緊靠塞子之上插入卷繞圓柱形隔板。
為了防止在陽極和陰極之間導電，常規隔板採用纖維多孔紙，它通常需要多個疊層。採用隔板用單層紙通常會出現開口，這種現象存在於多孔紙中，這種多孔紙允許在陽極和陰極之間形成導電路徑。陰極中的石墨也可能會滲入隔板以形成與陽極的導電路徑，由此導致電池短路。此外，在紙隔板的孔中形成的氧化鋅也會形成導電路徑，引起電池短路，導致過早放電。
多個紙層的採用增加了由隔板耗費的體積，由此對於活性電化學材料而言就剩下了更少的體積。此外，較厚的隔板通常增加了離子電阻，這導致了離子滲透的減少，限制了高速率放電性能。許多常規隔板沒有最小化在電池中設置的隔板材料的量，這就導致了用於電化學活性材料的體積減小。因此，希望提供一種用於電化學電池的隔板，此隔板可有效地分隔正負極，同時使分隔電極所需的材料的量達到最少，由此增加離子滲透，使用於電化學活性材料的體積達到最大。
發明概述本發明利用增強的隔板改善了在電化學電池中電極的分隔，改善了製造隔板的方法以及在電化學電池中組裝隔膜的方法。為了實現這些和其它優點，根據在此體現和描述的本發明的目的，本發明的一方面提供一種用於電化學電池的隔板，以隔開正極和負極。隔板包括能夠吸收鹼溶液的多孔基底。在存在鹼溶液的情況下，隔板還具有應用於多孔基底中的聚合物溶液。聚合物溶液凝結成在多孔基底中的半固態填充物和/或在多孔基底上的半固態塗層，此多孔基底防止電短路，允許離子透過隔板。製成的隔板能夠實現減少體積消耗並增加離子滲透。
根據本發明的另一方面，提供一種電化學電池中所用的將正極與負極分開的隔膜的形成方法。該方法包括以下步驟提供多孔基底，將凝結劑提供到多孔基底。該方法進一步包括以下步驟將液態聚合物溶液提供到多孔基底，允許聚合物溶液在存在凝結劑的情況下凝結以形成半固態材料。
根據本發明的另一方面，提供一種電化學電池和一種組裝電化學電池的方法。該方法包括以下步驟提供具有底端、頂端以及設置其間的直壁的容器；在容器中設置正極；在容器中設置負極。該方法還包括提供多孔基底，將多孔基底形成為隔板，向隔板施加電解液。該方法進一步包括以下步驟在存在凝結劑的情況下向多孔基底中施加液態聚合物溶液，使得聚合物溶液凝結以形成半固態材料。優選在施加液態聚合物溶液之前，在正極和負極之間設置隔板。
參考下面的說明、權利要求書和附圖，本領域的普通技術人員可以更好的理解和重視本發明的這些和其它特點、優點和目的。
附圖的簡要說明在
圖1中圖1是採用根據本發明的隔板的電化學電池的縱向橫截面圖；圖2是描述電化學電池中隔板的組裝的流程圖；圖3是在組裝過程中被插入到電化學電池中的紙隔板的透視圖；圖4是描述將鹼性電解液加入到紙隔板的步驟的局部組裝電化學電池的縱向橫截面圖；圖5是描述由隔板吸收鹼性電解液的局部組裝電池的縱向橫截面圖。
圖6是描述聚合物溶液施加到隔板上的電化學電池的縱向橫截面圖；圖7是描述陽極的插入和集電極組件的組裝的縱向橫截面圖；圖8A是描述在鹼性溶液吸附和聚合物溶液浸漬之前多孔紙隔板的孔隙率的橫截面圖；圖8B仍是在施加聚合物溶液之前，在鹼溶液吸收之後隔板的橫截面圖；圖9A是根據一個實施例，描述基本上完成聚合物溶液浸漬的隔板的橫截面圖；圖9B是根據另一個實施例，描述聚合物溶液的浸漬和塗覆的隔板的橫截面圖；圖9C是根據本發明再一個實施例，描述僅塗覆了聚合物溶液的表面的隔板的橫截面圖；圖10是對照沒有聚合物溶液的現有已知隔板和單層紙隔板、描述具有本發明的隔板的AA尺寸電池的性能的曲線；以及圖11是在高放電速率下、對照現有已知的隔板，描述具有本發明的隔板的AA尺寸電池的性能的曲線。
最佳實施方式參考圖1，其中示出了圓柱筒管型AA尺寸鹼性電化學電池10。電化學電池10包括具有封閉底端14和開口頂端16的圓柱鋼殼12。鋼殼12的封閉底端還包括正極蓋，它焊接或連接到鋼殼12底部並且由包覆鋼板形成，在它的中央區域具有凸塊18，此凸塊18形成電池10的正極接觸端子。除了鋼殼12的端部之外，在鋼殼12的外表面周圍形成金屬化塑料膜標籤20。在正極蓋的外周邊緣上形成膜標籤20，可以部分地延伸到負極蓋之上，如圖所示。
在鋼殼12的內表面周圍形成陰極22，陰極22優選由二氧化錳、石墨、氫氧化鉀溶液和添加劑的混合物組成。圍繞陰極22的內表面設置隔板24。在隔板24中設置陽極26並且與集電極28接觸，陽極26優選由鋅粉末、凝膠劑和添加劑組成，集電極可包括導電釘，導電釘具有細長主體，並在一端具有擴大的頭部。由此，陰極22構成正極，陽極構成負極。此外，設置優選包括氫氧化鉀(KOH)的鹼性電解液，與陰極22、陽極26和隔板24接觸。
集電極28接觸外負極蓋30，蓋30形成電池10的負極接觸端子。外負極蓋30優選由包覆鋼板形成，可以通過壓力接觸或焊接與集電極28保持接觸。環形尼龍密封件32設置在鋼殼12的開口端中，以防止包容在鋼殼12中的電化學活性材料洩漏。設置優選由剛性金屬形成的內蓋34，以增加剛度並支持尼龍密封件32的徑向收縮，由此改善密封效果。將內蓋34構造成與密封件32的中央襯套和外圍豎直壁接觸。集電極28、尼龍密封件32以及內蓋34共同形成集電極和密封件組件，此組件可以作為一個整體插入鋼殼12的開口端16，以密封在活性電池體積內的活性成分。應理解，外負極蓋30通過尼龍密封件32的方式與鋼殼12電絕緣。
根據本發明，電化學電池10採用具有高電阻(低導電性)和提高的離子滲透性的薄隔板24。根據在此示出並描述的實施例，卷繞的隔板24具有圓柱形側壁36、開口頂端以及在絕緣盤38之上設置的開口底端，該絕緣盤38使陽極26與鋼殼12的底端14絕緣。根據選擇性實施例，隔板24可包括封閉底端代替絕緣盤38。正如在此所描述的那樣，隔板24由多孔基底形成，例如纖維紙，優選將隔板24捲成圓柱形，在有少量重疊或沒有少量重疊的條件下形成單層卷繞隔板。多孔纖維紙可包括纖維素，它是適用的可離子滲透材料。此外，隔板24採用聚合物溶液，將此溶液施加到多孔基底上並與氫氧化鉀電解液反應，凝結並形成為半固態浸漬物和/或塗層。半固態填充物和/或塗層防止通過隔板24電短路，允許採用厚度更薄的紙。隔板24用於在陰極22和陽極26之間提供物理隔離，同時允許在電極之間離子的滲透和傳輸。
圖2示出了在電化學電池中製造隔板和組裝隔板的方法40，在圖3-7中進一步描述了某些步驟。尤其參考圖2，方法40包括形成卷繞紙隔板例如單圈(一層)紙隔板的步驟42。在步驟44中，利用現有的陰極成型技術例如衝壓或環壓成型法，陰極在鋼殼中成型。在步驟46中，將單圈紙隔板插入鋼殼的陰極中，使得隔板抵接陰極的內圓柱壁。如果隔板具有開口底端，就在隔板和鋼殼的封閉底端之間設置絕緣盤。在步驟48中，將鹼性電解液注入到鋼殼中，優選注入隔板的內部，允許隔板吸收(即，芯吸)鹼性電解液。在AA尺寸電池中，吸收可以在10至20分鐘內完成。接著，在步驟50中，將聚合物溶液噴塗在隔板的內壁上，以提供浸漬物和/或塗層，它與氫氧化鉀電解液相互作用，以在隔板中凝結並形成半固態浸漬物和/或紙隔板上凝結並形成半固態塗層。凝結花費大約1分鐘或更少時間，以轉變為半固態材料。接著，在步驟52中，陽極例如凝膠型陽極放入隔膜中，使得陽極抵接隔板的內壁。然後在步驟54中，將鹼性電解液第二次注入到鋼殼中，在步驟56中，裝配集電極和密封組件，密封封閉鋼殼的開口端，由此完成電池的組裝。
參考圖3，示出了卷繞紙隔板36，它被放入設置在鋼殼12中陰極22內壁上的圓柱形開口中。正如所示，紙隔板36可以是具有輕微重疊的單層多孔紙。在圖4中，示出了鹼性電解液62向鋼殼12中的第一次注入，一般通過鹼溶液分配器60將鹼性電解液注入到在隔板36中形成的中央腔室內。參考圖5，示出了在吸收了至少一部分鹼性電解液之後隔板36的膨脹，此電解液導致了紙隔板36浸漬了KOH液體並在厚度上膨脹。在吸收過程中隔板厚度可以增加至雙倍。
在圖6中，示出了聚合物溶液66經過噴嘴64噴射在浸漬後的紙隔板的內壁上。聚合物溶液66優選均勻地施加在隔板的內壁上。聚合物溶液與氫氧化鉀鹼性電解液反應，使得氫氧化鉀鹼性電解液凝結成非導電性的並且可離子透過的半固態材料。氫氧化鉀鹼性電解液用作凝結劑以提供聚集的半固態顆粒的薄膜。半固態材料浸漬到隔板36中和/或塗覆在隔板36之上。圖7示出放入隔板36中的陽極26以及由集電極28和密封件32製成、設置在鋼殼12的開口端中的集電極組件。一旦集電極組件放在開口端上，鋼殼12的開口端就會在外殼上卷邊以封閉鋼殼12，之後可將標籤設置在鋼殼12的外側壁上，以完成電化學電池的組裝。
參考圖8A，示出了紙隔板36的多孔基底，紙隔板由其中形成有孔70的纖維紙例如纖維素製成。當紙變幹時，孔70典型地在形狀和尺寸上變化並提供了孔隙體積。紙隔板36的多孔基底優選吸收氫氧化鉀鹼溶液，使得氫氧化鉀鹼溶液被吸入到孔70的孔隙體積中以增加厚度並提供液體填充孔71，如圖8B所示。應用聚合物溶液引起了與氫氧化鉀的反應，使得聚合物溶液凝結並形成半固態材料。根據一個實施例，凝結可以使基本上所有的半固態材料充滿隔板36中，以至於半固態材料至少部分地填充液體填充孔71，如圖9A所示。由半固態浸漬物浸漬後的隔板優選具有0.5-4.0密耳的厚度。如果噴射上的聚合物溶液比液體填充孔71能夠吸收的還要多，那麼除了在隔板中的浸漬物之外，多出來的聚合物溶液就會在紙隔板36的表面上形成半固態塗層74，參見圖9B。半固態塗層(膜)74優選具有在0.1至4.0密耳範圍內的厚度。如果隔板36的孔70全部填充氫氧化鉀溶液，那麼應用聚合物溶液就會導致薄半固態塗層74主要形成在紙隔板36的表面上，浸漬物非常少，如圖9C所示。
本發明的隔板採用水聚合物溶液，在存在鹼性電解液的情況下，它們從液相轉化為半固態相。這種轉化是已知的，在此稱作凝結。凝結是由於聚合物溶液pH的變化引起的。
根據一個實例，聚合物溶液可包括甲基纖維素。選擇性地，根據另一個實例，聚合物溶液可包括聚乙烯醇溶液，或者聚(4-苯乙烯磺酸鈉)(poly(sodium 4-styenesulfonate))。應理解，在鹼性電解液存在的情況下從液態轉化為半固態介質的各種液體聚合物溶液都可以採用。
以下描述上述各種聚合物溶液的例子。根據第一實施例，形成單圈卷繞紙隔板並插入陰極腔室中。在氫氧化鉀鹼性電解液第一次加入到由卷繞隔板形成的腔室中並且由隔板和陰極吸收之後，將0.24克的聚合物溶液噴灑在卷繞隔板的表面上。聚合物溶液含有5wt％的甲基纖維素和95wt％去離子水，具有大約290釐泊(cps)的粘度(利用布式粘度劑LVDV-II測得，2軸，12轉/分，在21℃)。然後將預定量的陽極凝膠浸漬到隔板筐中。根據第二實施例，除了聚合物溶液從5wt％的甲基纖維素溶液改變成5wt％的聚乙烯醇溶液之外，可以重複第一實施例中的上述過程。根據第三實施例，除了聚合物溶液從5wt％的甲基纖維素溶液改變成5-40wt％的聚(4-苯乙烯磺酸鈉)之外，可以重複相同的過程。
提供到AA尺寸電池隔板的聚合物溶液的重量優選在0.05-0.5克的範圍內，更優選在0.1-0.35克的範圍內。液體聚合物溶液的粘度優選在50-1000cps的範圍內，更優選在200-500cps的範圍內。
參考圖10，示出了AA尺寸電化學電池的放電曲線，在曲線80中利用沒有聚合物溶液的單圈紙隔板；在曲線82中用常規雙圈隔板，在曲線84中用根據本發明的帶有凝結聚合物溶液的單圈隔板。在室溫下、在43歐姆的負載下(每天四小時)以間歇和低速率放電，測試各電池。沒有凝結聚合物溶液的單圈隔板出現短路，通過曲線80中的急劇電壓降顯示出。和曲線80和82相比，塗覆後的單圈隔板曲線84防止了在間歇和低範圍放電時的短路，獲得了提高的使用性能。
參考圖11，在室溫下，在持續1安培的負載下，在曲線82』中示出了利用沒有凝結聚合物溶液的常規雙圈隔板的AA尺寸電化學電池的放電曲線；曲線84』中示出了具有本發明的凝結聚合物溶液的單圈隔板。正如本圖中所示，曲線84』中的凝結單圈紙隔板有利地增加了在高消耗率時的放電時間。
結合原地凝結方法描述隔板和組裝方法，以此方法，在鋼殼中實現聚合物溶液從液體向半固態相的形成過程。應理解，作為選擇，隔板可以在插入鋼殼中之前，以外部凝結的方法完成。根據選擇性實施例，電解液可以在插入鋼殼之前施加到隔板上並使之吸收。並且，在插入之前，可以把聚合物塗層噴灑在隔板的表面上以便凝結並形成半固態填充物和/或塗層。然後可以把隔板插入到鋼殼中的陰極腔室內，之後提供電解液。此選擇性實施例允許隔板的預組裝，但當進行鹼性溶液的最終浸漬時，隔板基本上需要更多的時間吸收電解液。
因此，本發明有利地提供了一種薄隔板，此隔板防止電短路，增加了離子從中穿過的滲透性，從而得到厚度更薄的隔板，這樣就有更多的體積可用於活性電化學材料，由此增加了電化學電池的放電性能。還應當理解，本發明可用於包括酸性或非水電解質的電化學電池中。
實踐本發明的技術人員和本領域的普通技術人員應理解，在不脫離所公開構思的精神實質的條件下，對本發明可以進行各種修改和完善。所要求的保護範圍是由權利要求書和法律允許的解釋寬度所確定的。
權利要求
1.一種用於電化學電池中以隔開正極和負極的隔板，所述隔板包括多孔基底；凝結劑；以及聚合物溶液，在存在凝結劑的情況下施加到所述多孔基底以凝結並形成半固態材料。
2.根據權利要求1所述的隔板，其中所述多孔基底包括纖維紙。
3.根據權利要求2所述的隔板，其中所述纖維紙是以纖維素為基礎的。
4.根據權利要求1所述的隔板，其中所述多孔基底包括捲成圓柱體形狀的卷繞板。
5.根據權利要求1所述的隔板，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳範圍內的幹厚度。
6.根據權利要求1所述的隔板，其中所述聚合物溶液被注入到所述多孔基底的孔中。
7.根據權利要求1所述的隔板，其中所述聚合物溶液設置為在所述多孔基底的一側上的塗層。
8.根據權利要求7所述的隔板，其中所述聚合物溶液形成半固態塗層，該塗層具有在0.1-4.0密耳範圍內的厚度。
9.根據權利要求1所述的隔板，其中所述凝結劑包括鹼溶液。
10.根據權利要求9所述的隔板，其中所述鹼溶液包括氫氧化鉀。
11.根據權利要求9所述的隔板，其中所述聚合物溶液包括甲基纖維素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸鈉)中的一種。
12.根據權利要求1所述的隔板，其中所述半固態材料防止電短路，允許離子透過隔板。
13.一種電化學電池，包括容器，具有底端和頂端以及設置在它們之間的豎直壁；設置在所述容器中的正極；設置在所述容器中的負極；電解液；以及放置在所述正極和所述負極之間的隔板，所述隔板包括多孔基底和聚合物溶液，在存在凝結劑的情況下施加所述聚合物溶液以凝結並形成半固態材料。
14.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述多孔基底包括纖維紙。
15.根據權利要求14所述的電化學電池，其中所述纖維紙是以纖維素為基礎的。
16.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述多孔基底包括捲成圓柱體形狀的卷繞板。
17.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳範圍內的幹厚度。
18.根據權利要求13所述的隔板，其中所述凝結劑包括鹼溶液。
19.根據權利要求18所述的電化學電池，其中所述鹼溶液包括氫氧化鉀。
20.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述聚合物溶液包括甲基纖維素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸鈉)中的一種。
21.根據權利要求13所述的電化學電池，其中所述半固態材料防止電短路，允許離子透過隔板。
22.一種用於電化學電池中以隔開正極和負極的隔板的形成方法，所述方法包括以下步驟提供多孔基底；將凝結劑施加到所述多孔基底；將液體聚合物溶液施加到所述多孔基底；以及在存在所述凝結劑的條件下允許所述聚合物溶液凝結以形成半固態材料。
23.根據權利要求22所述的方法，進一步包括將所述多孔基底的薄片卷繞成圓柱體形狀的步驟。
24.根據權利要求22所述的方法，進一步包括在所述電化學電池中在負極和正極之間設置隔板的步驟。
25.根據權利要求22所述的方法，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳範圍內的幹厚度。
26.根據權利要求22所述的方法，其中所述施加液體聚合物的步驟包括將所述液體聚合物注入到所述多孔基底中。
27.根據權利要求22所述的方法，其中所述施加液體聚合物的步驟包括形成厚度在0.1-4.0密耳範圍內的半固態塗層。
28.根據權利要求22所述的方法，其中所述凝結劑包括電解液。
29.根據權利要求28所述的方法，其中所述鹼性電解液包括氫氧化鉀。
30.根據權利要求22所述的方法，其中所述聚合物溶液包括甲基纖維素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸鈉)中的一種。
31.根據權利要求22所述的方法，其中所述半固態材料防止電短路，允許離子透過隔板。
32.一種組裝電化學電池的方法，所述方法包括以下步驟提供具有底端和頂端以及設置在它們之間的豎直壁的容器；在所述容器中設置正極；在所述容器中設置負極；提供多孔基底；將所述多孔基底成形為隔板；向所述隔板施加電解液；在存在凝結劑的條件下向所述多孔基底施加液體聚合物溶液，使得所述聚合物溶液凝結，形成半固態材料；以及在所述正極和所述負極之間放置所述隔板。
33.根據權利要求32所述的方法，其中至少所述電解液的一部分由所述多孔基底吸收。
34.根據權利要求32所述的方法，其中在施加所述聚合物溶液之前放置所述隔板以接觸所述正極。
35.根據權利要求32所述的方法，其中所述多孔基底具有在0.5-4.0密耳範圍內的幹厚度。
36.根據權利要求32所述的方法，其中所述施加液體聚合物的步驟包括將所述液體聚合物注入到所述多孔基底中。
37.根據權利要求32所述的方法，其中所述施加液體聚合物的步驟包括形成厚度在0.1-4.0密耳範圍內的半固態塗層。
38.根據權利要水32所述的方法，其中所述凝結劑包括電解液。
39.根據權利要求38所述的方法，其中所述鹼性電解液包括氫氧化鉀。
40.根據權利要求32所述的方法，其中所述聚合物溶液包括甲基纖維素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸鈉)中的一種。
41.根據權利要求32所述的方法，其中所述半固態材料防止電短路，允許離子透過隔板。
全文摘要
提供用於電化學電池的隔板和組裝電化學電池的方法。隔板(24)包括浸漬和/或塗覆有聚合物溶液(66)的多孔紙基底，所述聚合物溶液凝結以防止電短路並允許離子滲透。方法包括以下步驟提供具有底端和頂端以及設置在它們之間的豎直壁的容器(12)；在容器中設置正極和負極；提供多孔紙基底的薄板；將多孔基底的薄板成形為隔板；將鹼性溶液提供到隔板上；在鹼溶液存在的條件下向多孔基底提供液體聚合物材料，使得聚合物溶液凝結成半固態材料；在正極和負極之間設置隔板。
文檔編號H01M2/18GK1636287SQ01816486
公開日2005年7月6日 申請日期2001年9月28日 優先權日2000年9月29日
發明者黃維煒 申請人:永備電池有限公司