电池隔板 本发明涉及电池。
电池，如碱性电池，通常被用作电源。一般地，碱性电池具有阴极、阳极、隔板、和电解溶液。阴极通常由二氧化锰、碳颗粒和粘结剂形成。阳极由包括锌颗粒的凝胶形成。隔板通常设在阴极和阳极之间。分散在整个电池中的电解溶液可以是氢氧化物溶液。
本发明涉及如碱性电池这样的电池，其具有不包括隔膜材料层的隔板。这些电池具有好的特性。例如，这些电池能以至少等于电池容量(单位为安培-小时)被在1小时内全部放电所对应的放电率的高放电率进行高能输出。电池有各种工业标准规格，如AA、AAA、AAAA、C或D。
“隔膜材料”具有最多约为0.5微米的平均孔尺寸，而“非隔膜材料”具有至少约为5微米的平均孔尺寸。
一方面，本发明的特征是提供一种电池隔板，其包括第一和第二无纺非隔膜材料。第一材料没有任何填料，第二材料沿第一材料的表面设置。电池隔板没有隔膜材料。
另一方面，发明的特征是提供一种电化学电池，其具有长轴和垂直于该长轴的至少一个短轴。该电化学电池包括阳极、阴极和设在阳极和阴极之间的隔板。隔板包括第一和第二无纺非隔膜材料。第二材料沿第一材料的表面设置。第一材料的纤维长度方向的至少60％在与该电化学电池的长轴平行的方向夹角约10度范围内。
无纺材料的纤维长度方向是指无纺材料的纤维通常取向所沿地轴的方向。应注意的是，然而这些无纺材料的单个纤维可沿任何方向取向。
第一和第二材料可吸收相近量的电解溶液。例如第一材料可吸收的电解溶液的量约是第二材料吸收的1.1至0.9倍。
阴极包括二氧化锰和具有约小于20微米的平均颗粒大小的非合成、无膨胀的石墨颗粒。所述颗粒大小用Sympatec HELIOS分析器测量。对于给定的石墨颗粒样品，平均颗粒大小是指该样品的一半体积具有较小颗粒大小的颗粒大小。
“非合成石墨颗粒”是指通过不包括工业或化学厂石墨化的处理而制备的石墨颗粒。
“无膨胀石墨颗粒”是指不经过任何工业或化学厂的膨胀处理的石墨颗粒。
与电解溶液的量相比，电池具有相当少量的二氧化锰和/或锌颗粒。例如，二氧化锰与电解溶液的重量比约为2.2至2.9，以及锌颗粒与电解溶液的重量比约为0.9至1.25。这是根据分散到整个电池中的电解溶液的量来计算的。
阴极的孔隙率约为21％至28％。阴极的孔隙率对应于未被固体材料，如二氧化锰、碳颗粒和粘结剂，所填充的阴极的量。
阳极的孔隙率为每立方厘米的阳极体积约有2克至2.45克锌，所述阳极体积被固体或液体材料填充。
电池可以是AA或AAA电池，根据cc光电测试、1瓦特持续放电测试、二分之一瓦特持续放电测试、脉冲测试、二分之一瓦特rm测试和/或四分之一瓦特rm测试来测试时，其具有好的结果。下面来描述这些测试。
通过其优选实施例的描述，本发明的其它特征和优点将更加明显。
图1是电池的断面图；
图2是隔板的断面图；以及
图3是无纺材料的正视图。
优选电池为具有隔板的碱性电池，该隔板不包括隔膜材料层。图1表示这样的电池10，其具有阴极12、阳极14、隔板16、与阴极12的外径接触的外壁18、和绝缘层26。电池10还包括通过密封件22并通入阳极14的阳极集电器20。阳极集电器20的上端被连接到作为电池10的负极外部端子的负极端帽24上。绝缘层26由非导电材料形成，如热收缩型塑料。另外，电解溶液分散到阴极12、阳极14和隔板16中。
如图2中所示，隔板16包括非隔膜材料层16a和沿层10a的表面布置的非隔膜材料层16b。层16a和16b可以是本身折叠或本身卷绕的单个材料薄片。可替换地，层16a和16b也可由分离的多个材料薄片形成。在任一实施例中，层16a都可由与层16b相同或不同的材料形成。在某些实施例中，层16a与16b吸收的电解液的量相近。在这些实施例中，层16a吸收的电解溶液的量约是层16b吸收的1.1至0.9倍。通常，层16a吸收的电解溶液的量约是层16a吸收的1.05至0.95倍。
适于在形成层16a和16b中使用的材料包括用于隔板的任何常规非隔膜材料。通常，这些材料不包括填料，如无机颗粒。
在一些实施例中，层16a和/或层16b可由纺织材料形成。这样的材料可由如纤维素、聚乙烯醇(PVA)、聚酰胺、聚砜和其混合物等形成。
在某些实施例中，层16a和/或16b可由无纺材料形成。无纺材料的例子包括纤维素、PVA、聚酰胺、聚砜和其混合物形成。例如，层16a和16b的每个可以是由PVA纤维、PVA粘结剂和纤维素纤维，如Tencel纤维(Courtaulds)、Lyocel纤维或人造纤维，的基体形成的无纺层。该纤维素纤维可以是约6毫米长，1.5登尼尔，以及PVA纤维可以是约6毫米长，0.5登尼尔。
在一些实施例中，层16a和16b的每个可以是由约20至40重量百分比的人造纤维、约55至65重量百分比的PVA纤维和约5至15重量百分比的PVA粘结剂形成的无纺层。在一个实施例中，层16a和16b的每个是由约57重量百分比的PVA纤维、约30重量百分比的纤维素纤维和约13重量百分比的PVA粘结剂形成的无纺层。
如果隔板16太薄，阴极12和阳极14可能被短路。然而，隔板16不应太厚，由于这可减小电池10中阴极12、阳极14和电解溶液的可用体积，从而降低电池10的电容量。因此，当干燥时，层16a和16b的每个优选具有至少约4密尔的厚度，更优选具有约4至6密尔的厚度，最优选具有约5.4密尔的厚度。当潮湿时，层16a和16b的每个具有至少约8密尔的厚度，更优选具有约8至12密尔的厚度，最优选具有约10密尔的厚度。
隔板16的基本重量不应太小，这是因为其可导致阴极12和阳极14之间短路，但是，如果隔板16的基本重量太大，可降低电池10的放电能力。因此，层16a和16b的每个优选由每平方米具有至少约20克基本重量的材料形成，更优选由每平方米具有约40克至60克基本重量的材料形成，最优选由每平方米具有约54克基本重量的材料形成。
可使用任何常规的处理将隔板16放置到电池10中。优选使用交叉放置技术将隔板16放置到电池10中。在该方法中，阴极12形成在电池10中，在形成阳极14之前，层16b被放置在层16a的一个表面上并使得层16b的纤维长度方向基本与层16a的纤维长度方向垂直。接着将层16a和16b压入电池10中并使得沿阴极12的内部圆周布置层16a的表面部分。
在无纺材料中，单个纤维通常可沿任何方向取向。然而，如图3中所示，在制造过程中，一些无纺材料可沿一个轴总体取向，这里将其称为如纤维长度方向。当层16a和16b由无纺材料形成并使用交叉放置技术时，优选层16a和16b的至少约60％的纤维长度方向在与平行于电池10的最长轴的方向夹角约10度的范围内，更优选层16a和16b的至少约85％在与平行于电池10的最长轴的方向夹角约10度的范围内，最优选16a和16b的至少约90％在与平行于电池10的最长轴的方向夹角约10度的范围内。
阴极12可由用于电池阴极的任何标准材料形成。通常，阴极12由二氧化锰、和碳颗粒的混合物形成，有时也可加入粘结剂。
阴极12可以包括其它添加剂。这些添加剂的例子被公开在美国专利No.5，342，712中，在此引入其以作参考。在一些实施例中，阴极12优选包括约0.2至2重量百分比的TiO2，更好约为0.8重量百分比的TiO2。
在一些实施例中，阴极12可以是单个材料片。可替换地，阴极12可以由互相堆叠的多个片形成。在任一情况下，阴极片可通过首先混合二氧化锰、碳颗粒制成，有时可加入粘结剂。对于其中使用多个片的实施例中，混合物被压制形成所述片。使用标准工艺将片置于电池10中。例如，在一个工艺中，在电池10的中心腔内放置一个芯棒，接着用冲压对最顶部的片加压。当使用该方法时，壁18的内部具有沿壁18圆周隔开的一个或多个竖直的脊。这些脊有助于将阴极12保持在电池10中。
在其中阴极12是由单个片形成的实施例中，可直接将粉末放置在电池10中。将一个固定环放置到位，挤压棒通过该环，压实粉末并形成阴极12。
在一些实施例中，导电材料层设在壁18和阴极12的外缘之间。该层沿壁18的内表面，或沿阴极12的外部圆周，或沿上述两种方式设置。通常，该导电层是由碳素物形成的。这样的材料包括LB1000(Timcal)、Eccocoat 257(W.R.Grace&Co.)、Electrodag 109(Acheson Industries，Inc.)、Electrodag112(Acheson)和EB0005(Acheson)。应用电解液材料的方法被公开在，如，加拿大专利No.1，263，697中，在此引入其用于参考。
包括这样的导电材料层，特别是EB005，可减少在电池10中形成阴极12时所用的压力。从而使得阴极12的孔隙率相当高而不会在电池10中形成阴极12时引起片被压碎或形成裂纹。但是，如果阴极12的孔隙率太低，不足量的电解液被分散到阴极12中，使得电池的效率下降。因此，在某些实施例中，阴极12具有约21％至约28％的孔隙率，更好约为25％至27％，最好约为26％。
在阴极12中，可使用用于电池阴极的任何常规形式的二氧化锰。所述二氧化锰的供应商包括Kerr McGee，Co.，Broken HillProprietary，Chem Metals，Co.，Tosoh，Delta Manganese，MitsuiChemicals and JMC。
在某些实施例中，阴极12约有8.9克至9.8克二氧化锰。在这些实施例中，阴极12优选包括约9.3克至9.75克的二氧化锰，更优选约为9.4克至9.65克的二氧化锰，最优选约为9.45克至9.6克的二氧化锰。
在其它实施例中，阴极12优选包括约4克至4.3克的二氧化锰，更优选约为4.05克至4.25克的二氧化锰，最优选约为4.1克至4.2克的二氧化锰。
在阴极12包括碳颗粒的实施例中，碳颗粒的平均颗粒大小仅由阴极12的尺寸限定。另外，碳颗粒可以是合成的或非合成的，并且其可以是膨胀的或无膨胀的。在某些实施例中，碳颗粒由非合成的、无膨胀的石墨颗粒形成，该石墨颗粒优选具有约小于20微米的平均颗粒大小，更优选约为2微米至12微米，最优选约为5微米至9微米，其用Sympatec HELIOS分析器测量。非合成的、无膨胀的石墨颗粒可通过如在位于Itapecirica，MG Brazil的Brazilian Nacional de Grafite获得。
阴极12中的碳颗粒量应当足够高以改善阴极12的导电性，同时对电池10的电容量影响最小。优选阴极12包括约为4至10重量百分比的碳颗粒，更优选约为5至9重量百分比的碳颗粒，最优选约为6至8重量百分比的碳颗粒。这些重量百分比对应于电解溶液没有分散到阴极12中时的情况。
在一些实施例中，阴极12还包括粘结剂。这样的粘结剂包括聚乙烯粉末、聚丙烯酰胺、波特兰水泥和碳氟树脂，如PVDF和PTFE。在一些实施例中，阴极12包括以cathyleneHA-1681(Hoescht)商品名出售的粘结剂。
当阴极12包括粘结剂时，粘结剂优选为小于阴极12的约1个重量百分比，更优选约为阴极12的0.1至0.5重量百分比，以及最优选约为阴极12的0.3重量百分比。这些重量百分比对应于阴极12中不包括电解溶液的情况。
阳极14可由阳极中使用的任何标准锌材料形成。通常，阳极14是由包括锌金属颗粒的锌凝胶、胶化剂和少量添加剂如汽化抑制剂形成。另外，部分电解溶液分散到阳极14中。
如果阳极14的孔隙率太高，电池10中的锌量减少，使得电池10的容量下降。然而，如果阳极14的孔隙率太低，不足量的电解溶液分散到阳极14中。因此，在一些实施例中，阳极14优选为每立方厘米的阳极体积约有2克至2.45克锌颗粒，更优选的孔隙率为每立方厘米的阳极体积约有2.1克至2.35克锌颗粒，最优选的孔隙率为每立方厘米的阳极体积约有2.15克至2.3克锌颗粒。
在一些实施例中，阳极14优选具有约为3.7至4.25克锌颗粒，更优选约为3.8至4.15克锌颗粒，最优选约为3.9至4.05克锌颗粒。
在其它实施例中，阳极14优选包括约为1.5至1.9克锌颗粒，更优选约为1.55至1.85克锌颗粒，最优选约为1.65至1.75克锌颗粒。
在一些实施例中，阳极14优选包括约为64至76重量百分比的锌颗粒，更优选约为66至74重量百分比的锌颗粒，以及最优选约为68至72重量百分比的锌颗粒。这些重量百分比对应于电解溶液已分散到阳极14中的情况。
用于阳极14中的胶化剂包括聚丙烯酸、接枝淀粉材料、聚丙烯酸盐、聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素或其混合物。这些聚丙烯酸的例子是Carbopol 940(B.F.Goodrich)和Polygel 4P(3V)，以及接枝淀粉材料的例子是Waterlock A221(Grain ProcessingCorporation，Muscatine，IA)。聚丙烯酸盐的例子是CL15(AlliedColloids)。在一些实施例中，阳极14优选包括约为0.2至1重量百分比的总胶化剂，更优选约为0.4至0.7重量百分比的总胶化剂，最优选约为0.5至0.6重量百分比的总胶化剂。这些重量百分比对应于电解溶液已分散到阳极14中的情况。
汽化抑制物可以是无机材料，如铋、锡、铅和铟。可替换地，汽化抑制物也可以是有机化合物，如磷酸酯、离子型表面活性剂、或非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂的例子公开在如美国专利No.4，777，100中，在此将引入其以作参考。
分散在整个电池10中的电解溶液可以是电池中使用的任何常规电解溶液。典型地，该电解溶液为氢氧化物水溶液。这些氢氧化物水溶液包括，如氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液。在一些实施例中，该电解溶液是包括约33至38重量百分比氢氧化钾的氢氧化钾水溶液。
在某些实施例中，电池10优选包括约3.4克至3.9克电解溶液，更优选约为3.45至3.65克电解溶液，最优选约为3.5至3.6克电解溶液。
在其它的实施例中，电池10优选包括约1.6至1.9克电解溶液，更优选约为1.65至1.85克电解溶液，最优选约为1.7至1．8克电解溶液。
二氧化锰与电解溶液的重量比约为2.2至2.9，锌颗粒与电解溶液的重量比约为0.9至1.25。在一些实施例中，二氧化锰与电解溶液的重量比优选约为2.5至2.9，锌颗粒与电解溶液的重量比优选约为1.1至1.25。在其它实施例中，二氧化锰与电解溶液的重量比约为2.5至2.65，锌颗粒与电解溶液的重量比约为0.9至1.2。
电池可以是AA或AAA电池，根据cc光电测试、1瓦特持续放电测试、二分之一瓦特持续放电测试、脉冲测试、二分之一瓦特rm测试和/或四分之一瓦特rm测试来测试时，其具有好的结果。以下来描述这些测试。
电池10可以是AA电池，根据1瓦特持续放电测试(下面将描述)测试时，其具有优良的特性。例如，根据1瓦特持续放电测试当放电至1伏时，所述AA电池可给出至少约0.6小时、至少约0.65小时、至少约0.7小时、或至少约0.75小时。根据1瓦特持续放电测试当放电至0.9伏时，所述AA电池可给出至少0.95小时、至少约1小时、至少约1.05小时、或至少约1.1小时。
电池10可以是AA电池，根据脉冲测试(下面将描述)测试时，其具有优良的特性。例如，根据脉冲测试当放电至1伏时，所述AA电池可给出至少约1.6小时、至少约1.75小时、至少约2小时、或至少约2.15小时脉冲。根据脉冲测试当放电至0.9伏时，所述AA电池可给出至少2.75小时、至少约3小时、至少约3.25小时、或至少约3.3小时。
电池10可以是AA电池，根据二分之一瓦特rm测试(下面将描述)测试时，其具有优良的特性。例如，根据二分之一瓦特rm测试当放电至1伏时，所述AA电池可给出至少约1.5小时、至少约2小时、至少约2.5小时、或至少约2.65小时。根据二分之一瓦特rm测试当放电至0.8伏时，所述AA电池可给出至少2.9小时、至少约3小时、至少约3.25小时、或至少约3.4小时。
电池10可以是AA电池，根据二分之一瓦特rm测试(下面将描述)测试时，其具有优良的特性。例如，根据二分之一瓦特rm测试当放电至1.1伏时，所述AA电池可给出至少约1.5小时、至少约2小时、至少约2.5小时、或至少约2.65小时。根据二分之一瓦特rm测试当放电至0.8伏时，所述AA电池可给出至少2.9小时、至少约3小时、至少约3.25小时、或至少约3.4小时。
电池10可以是AAA电池，根据二分之一瓦特持续放电测试(下面将描述)，其具有优良的特性。例如，根据二分之一瓦特持续放电测试当放电至1伏时，所述AAA电池可给出至少约0.65小时、至少约0.7小时、至少约0.75小时、或至少约0.8小时。根据二分之一瓦特持续放电测试当放电至0.9伏时，所述AAA电池可给出至少0.9小时、至少约0.95小时、至少约1小时、或至少约1.05小时。
电池10可以是AAA电池，根据脉冲测试(下面将描述)时，其具有优良的特性。例如，根据脉冲测试当放电至1伏时，所述AAA电池可给出至少约0.35小时、至少约0.4小时、至少约0.45小时、或至少约0.5小时。根据脉冲测试当放电至0.9伏时，所述AAA电池可给出至少0.65小时、至少约0.7小时、至少约0.75小时、或至少约0.8小时。
电池10可以是AAA电池，根据二分之一瓦特rm测试(下面将描述)，其具有优良的特性。例如，根据二分之一瓦特rm测试当放电至1.1伏时，所述AAA电池可给出至少约0.4小时、至少约0.45小时、至少约0.5小时、或至少约0.55小时。根据二分之一瓦特rm测试当放电至0.9伏时，所述AAA电池可给出至少0.9小时、至少约0.95小时、至少约1小时、或至少约1.05小时。
电池10可以是AAA电池，根据四分之一瓦特rm测试(下面将描述)，其具有优良的特性。例如，根据四分之一瓦特rm的测试当放电至1.1伏时，所述AAA电池可给出至少约2小时、至少约2.1小时、至少约2.2小时、或至少约2.3小时。根据四分之一瓦特rm的测试当放电至0.9伏时，所述AAA电池可给出至少3.1小时、至少约3.25小时、至少约3.4小时、或至少约3.5小时。
例子Ⅰ
用如下组分来制备AA电池。阴极包括约9.487克二氧化锰(Kerr-McGee，Co.)、约0.806克具有约7微米平均颗粒大小的非合成、无膨胀的石墨(Brazilian Nacional de Grafite)、以及约0.3重量百分比的coathylene HA-1681。阳极包括约3.976克锌颗粒、相对于锌约50ppm的表面活化剂(RM 510，Rhone Poulence)、以及约0.5重量百分比的总胶化剂(Carbopol 940和A221)。阴极的孔隙率约为26％，阳极的孔隙率为每立方厘米的阳极约有2.173克锌。隔板是双层结构，其每层由包括约57重量百分比的PVA纤维(约6毫米，0.5登尼尔)、约30重量百分比的人造纤维(约6毫米，1.5登尼尔)以及约13重量百分比的PVA粘结剂(binder)的无纺材料形成。每层干燥时约厚5.4密尔，潮湿时约厚10密尔。每层具有每平方米约54克的基本重量。隔板不包括粘接物(adhensive)，以及所述层基本没有任何填料。该电池还包括约3.598克的氢氧化钾水溶液(约35.5重量百分比的氢氧化钾)。在电池外壁和阴极外缘之间涂有一薄层EB005(Acheson)。
在约20.1℃至22.1℃的温度下，将AA电池存放五天。接着根据如下步骤存放所述AA电池。
用肉眼检查每个电池的泄漏或材料损坏并作标记从而在整个测试程序保持电池识别。在夹持盘中电池被定位在其侧面，从而电池互相不直接接触。使夹持盘耐热并耐电解液腐蚀。在室温下将该盘存放一天，随后将所述盘放置到预热过的腔中。盘被间隔放置从而在腔壁和盘下、盘上或相邻每个盘之间至少有约5厘米(2英寸)的间隔。重复14天表Ⅰ中所示的下述24小时测试过程。
表Ⅰ从腔中取出盘并且用肉眼检查每个电池的泄漏或材料损坏。
对每个AA电池顺序地执行如下测试。在约20.1℃至22.1℃的温度下进行每项测试。
AA电池从约1.6伏的开路电压开始在每分钟10秒恒电流的情况下每天1小时放电(“cc光电测试”)。203个脉冲后该AA电池达到1伏，443个脉冲后该A A电池达到0.8伏。
AA电池从约1.6伏的开路电压开始在1瓦特连续放电(“1瓦特持续放电测试”)。约0.75小时后该AA电池达到1伏，约1小时后该AA电池达到0.8伏。
AA电池从约1.6伏的开路电压开始以1瓦特(3秒宽的脉冲)和0.1瓦特(7秒宽的脉冲)交替的速率连续放电(“脉冲测试”)。约2.16小时后该AA电池达到1伏，约3.72小时后该AA电池达到0.8伏。
AA电池从约1.6伏的开路电压开始在0.5瓦特下每小时15分钟放电(“二分之一瓦特rm测试”)。约1.87小时后该AA电池达到1.1伏，约3.34小时后该AA电池达到0.9伏。
例子Ⅱ
制备AAA电池。阴极12包括约4.155克二氧化锰(Kerr-McGee，Co.)、约0.353克具有约7微米平均颗粒大小的非合成、无膨胀的石墨(Brazilian Nacional de Grafite)、以及约0.3重量百分比的coathylene HA-1681。阳极14包括约1.668克锌颗粒、相对于锌约50 ppm的表面活化剂(RM 510，RhonePoulence)、以及约0.5重量百分比的总胶化剂(Carbopol 940和A221)。阴极的孔隙率约为26％，阳极的孔隙率为每立方厘米的阳极14约有2.266克锌。隔板两层包括无纺材料层。隔板为双层结构，其每层由包括约57重量百分比的PVA纤维(约6毫米，0.5登尼尔)、约30重量百分比的纤维素纤维(约6毫米，1.5登尼尔)以及约13重量百分PVA粘结剂的无纺材料形成。每层干燥时约厚5.4密尔，潮湿时约厚10密尔。每层具有每平方米约54克的基本重量。隔板不包括粘接物，以及所述层基本没有任何填料。该电池还包括约1.72克的氢氧化钾(约35.5重量百分比)水溶液。在电池外壁和阴极外缘之间涂有一薄层EB005(Acheson)。
如例Ⅰ中所述存放AAA电池。每个AAA电池从约1.6伏的开路电压开始放电，并在例Ⅰ中所述的温度范围下进行测试。
AAA电池从约1.6伏的开路电压开始在二分之一瓦特下持续放电(“二分之一瓦特持续放电测试”)。约0.76小时后该AAA电池达到1伏，约0.96小时后该AAA电池达到0.8伏。
对于脉冲测试，AAA电池约在0.55小时后达到1伏，约0.84小时达到0.8伏。
对于二分之一瓦特rm测试，AAA电池在约0.57小时后达到1伏，约1.08小时后达到0.8伏。
AAA电池从约1.6伏开路电压在0.25瓦特每小时15分钟放电(“四分之一瓦特rm测试)。约2.4小时后该AAA电池达到1.1伏，约3.65小时后该AAA电池达到0.9伏。
其它的实施例都包括在权利要求的保护范围之内。