[发明专利]圆柱形锌/二氧化锰碱性电池

说明书

技术领域

本发明涉及电池。

发明背景

电池是通常使用的电能来源。电池包含一般称作阳极的负极和一般称作阴极的正极。阳极含有能被氧化的活性材料；阴极包含或消耗可被还原的活性材料。阳极活性材料能够还原阴极活性材料。电池包含离子导电性的电解质，所述电解质渗透到阳极和阴极中并且还占据介于这两个电极之间的空间。电解质通常包括由溶剂和溶解的离子物质组成的溶液。电池还包括设置在阳极和阴极之间的分隔体材料，该分隔体材料使阳极与阴极电绝缘但能够使电解质溶液和其中的离子通过。

当在装置中使用电池作为电能来源时，与阳极和与阴极实现电接触，使电子流过装置，发生各自的氧化和还原反应以提供电能。与阳极和阴极相接触的电解质包含流过位于电极之间的分隔体的离子，以在放电过程中保持电池整体的电荷平衡。

对适于高功率应用的电池的需要在增长。现代电子器件如蜂窝式电话、数字照相机和玩具、闪光装置、遥控玩具、可携式摄像机和高强度灯是此类高功率应用的实例。此类装置需要介于约0.5和2安培之间，通常介于约0.5和1.5安培之间的高电流耗用率。相应地，它们需要在介于约0.5和2瓦特之间的电量需求下进行操作。

商业一次碱性电池通常包括含有二氧化锰的阴极和含有锌的阳极。此类电池通常具有圆柱形外壳，并且以由国际电工委员会(International Electrotechnical Commission)标准所定义的标准的AA、AAA、AAAA、C、以及D尺寸出现。AA电池可具有50.5mm的最大长度和49.2mm的最小尖端至负触点距离，以及在13.5mm至14.5mm范围内的直径。AAA电池可具有44.5mm的最大长度和43.3mm的最小尖端至负触点距离，以及在9.5mm至10.5mm范围内的直径。AAAA电池可具有42.5mm的最大长度和41.4mm的最小尖端至负触点距离，以及在7.7mm至8.3mm范围内的直径。C电池可具有50.0mm的最大长度和48.5mm的最小尖端至负触点距离，以及在24.9mm至26.2mm范围内的直径。D电池可具有61.5mm的最大长度和59.5mm的最小尖端至负触点距离，以及在32.3mm至34.2mm范围内的直径。

在商业一次碱性电池中，阴极中二氧化锰的总毫安培-小时(mAh)容量通常超过阳极中锌的总毫安培-小时(mAh)容量。总阴极mAh容量对总阳极mAh容量的比率被称作电池“平衡”。当电池平衡大于1.00时，那么二氧化锰电化学容量要超过锌电化学容量，所述电池被称为“阳极受限的”。在此类设计中，当电池放电时，在二氧化锰通过还原反应耗尽之前，锌通过氧化反应被完全消耗掉。此类阳极受限的设计防止深度放电放气。当与锌容量相比二氧化锰容量不足时，即当电化学平衡小于1.00时，电池中可能发生深度放电放气。当这样的电池放电至完全耗尽二氧化锰的点时，还剩下一些未使用的锌。任何剩余锌的氧化能够通过外部电连接(例如负载)为耗尽的二氧化锰阴极供应电子。然后在耗尽的二氧化锰阴极上发生涉及水的还原反应并且产生氢气。此类深度放电放气可造成电池排气或泄漏。

发明概述

本发明一般涉及一次碱性电池，该一次碱性电池包括含有二氧化锰的阴极和含有锌的阳极。值得注意的是，所述电池具有较低的二氧化锰对锌的重量比，因为二氧化锰具有较高的氧含量提供，例如通过臭氧化作用。尤其是所述电池包括例如较少重量和/或体积的二氧化锰，其使得能够包括更多的其他活性物质如锌或电解质物质以优化电池性能。在每个电池中，二氧化锰和锌的总容量都增加了，同时使二氧化锰的总容量保持比锌的总容量高。此类电池显示出良好的排放性能并且提供长的使用寿命。

在一个方面，本发明的特征在于一次碱性电池包括含有锌的阳极和含有MnO_x的阴极，其中x大于1.97，例如大于1.98或1.99。当电池为AA电池时，所述电池具有小于2.30，例如小于2.25、2.20、2.10或2.09的MnO_x对锌的重量比。当电池为AAA电池时，所述电池具有小于2.36，例如小于2.30、2.25或2.23的MnO_x对锌的重量比。当电池为AAAA电池时，所述电池具有小于2.76，例如小于2.70、2.65、2.60、2.50、2.40、2.39或2.23的MnO_x对锌的重量比。当电池为C电池时，所述电池具有小于2.28，例如小于2.26、2.25、2.22或2.15的MnO_x对锌的重量比。当电池为D电池时，所述电池具有小于2.23，例如2.15或2.10的MnO_x对锌的重量比。