专利名称：电化学电池的被浸渍的隔板及其制造方法
背景技术：
本发明一般涉及电化学电池，即电池，尤其涉及电化学电池中的隔板以及制造和组装隔板的方法。
常规的碱性电化学电池一般包括具有正极(称作阴极)的圆柱钢壳，正极包括作为活性材料的二氧化锰。电化学电池还包括负极(称作阳极)，负极包括作为活性材料的锌粉末。在筒管型电池中，阴极通常紧靠钢壳内表面形成，而阳极通常中心地设置在阴极中心内形成的圆柱形腔室中。隔板位于阳极和阴极之间，含有氢氧化钾(KOH)的碱性电解液同时接触阳极、阴极和隔板。导电集电极通常插入到阳极活性材料中，包括聚合物密封件的密封组件对钢壳的开口端进行封闭，以密封在钢壳密封体积内的活性电化学材料。
在常规筒管型锌/二氧化锰碱性电池中，所提供的隔板通常为多层可离子透过的、非织造纤维织物，它将阳极与阴极分开。隔板使正极材料和负极材料保持物理的绝缘分离并允许在电极材料之间传送离子。此外，隔板充当KOH溶液的芯吸介质以及防止阳极凝胶失效的套管。常规隔板材料的例子包括两或三层纸，这使得湿隔板的总厚度在约11-18密耳。常规隔板通常由以下方式形成将隔板材料形成为杯形筐，随后在组装过程中插入阴极；或者通过将相对于彼此有角度地旋转90度的隔板材料的多层矩形板插入阴极腔室中，在电池组装过程中形成筐。常规形成的隔板一般由非织造织物的薄片制成，它们被卷成与阴极内壁相符并具有封闭底端的圆柱状。根据另一种方法，以下述方式设置封闭端在钢壳的底端以塞子的形式插入绝缘密封件，并紧靠塞子之上插入卷绕圆柱形隔板。
为了防止在阳极和阴极之间导电，常规隔板采用纤维多孔纸，它通常需要多个叠层。采用隔板用单层纸通常会出现开口，这种现象存在于多孔纸中，这种多孔纸允许在阳极和阴极之间形成导电路径。阴极中的石墨也可能会渗入隔板以形成与阳极的导电路径，由此导致电池短路。此外，在纸隔板的孔中形成的氧化锌也会形成导电路径，引起电池短路，导致过早放电。
多个纸层的采用增加了由隔板耗费的体积，由此对于活性电化学材料而言就剩下了更少的体积。此外，较厚的隔板通常增加了离子电阻，这导致了离子渗透的减少，限制了高速率放电性能。许多常规隔板没有最小化在电池中设置的隔板材料的量，这就导致了用于电化学活性材料的体积减小。因此，希望提供一种用于电化学电池的隔板，此隔板可有效地分隔正负极，同时使分隔电极所需的材料的量达到最少，由此增加离子渗透，使用于电化学活性材料的体积达到最大。
发明概述本发明利用增强的隔板改善了在电化学电池中电极的分隔，改善了制造隔板的方法以及在电化学电池中组装隔膜的方法。为了实现这些和其它优点，根据在此体现和描述的本发明的目的，本发明的一方面提供一种用于电化学电池的隔板，以隔开正极和负极。隔板包括能够吸收碱溶液的多孔基底。在存在碱溶液的情况下，隔板还具有应用于多孔基底中的聚合物溶液。聚合物溶液凝结成在多孔基底中的半固态填充物和/或在多孔基底上的半固态涂层，此多孔基底防止电短路，允许离子透过隔板。制成的隔板能够实现减少体积消耗并增加离子渗透。
根据本发明的另一方面，提供一种电化学电池中所用的将正极与负极分开的隔膜的形成方法。该方法包括以下步骤提供多孔基底，将凝结剂提供到多孔基底。该方法进一步包括以下步骤将液态聚合物溶液提供到多孔基底，允许聚合物溶液在存在凝结剂的情况下凝结以形成半固态材料。
根据本发明的另一方面，提供一种电化学电池和一种组装电化学电池的方法。该方法包括以下步骤提供具有底端、顶端以及设置其间的直壁的容器；在容器中设置正极；在容器中设置负极。该方法还包括提供多孔基底，将多孔基底形成为隔板，向隔板施加电解液。该方法进一步包括以下步骤在存在凝结剂的情况下向多孔基底中施加液态聚合物溶液，使得聚合物溶液凝结以形成半固态材料。优选在施加液态聚合物溶液之前，在正极和负极之间设置隔板。
参考下面的说明、权利要求书和附图，本领域的普通技术人员可以更好的理解和重视本发明的这些和其它特点、优点和目的。
附图的简要说明在
图1中图1是采用根据本发明的隔板的电化学电池的纵向横截面图；图2是描述电化学电池中隔板的组装的流程图；图3是在组装过程中被插入到电化学电池中的纸隔板的透视图；图4是描述将碱性电解液加入到纸隔板的步骤的局部组装电化学电池的纵向横截面图；图5是描述由隔板吸收碱性电解液的局部组装电池的纵向横截面图。
图6是描述聚合物溶液施加到隔板上的电化学电池的纵向横截面图；图7是描述阳极的插入和集电极组件的组装的纵向横截面图；图8A是描述在碱性溶液吸附和聚合物溶液浸渍之前多孔纸隔板的孔隙率的横截面图；图8B仍是在施加聚合物溶液之前，在碱溶液吸收之后隔板的横截面图；图9A是根据一个实施例，描述基本上完成聚合物溶液浸渍的隔板的横截面图；图9B是根据另一个实施例，描述聚合物溶液的浸渍和涂覆的隔板的横截面图；图9C是根据本发明再一个实施例，描述仅涂覆了聚合物溶液的表面的隔板的横截面图；图10是对照没有聚合物溶液的现有已知隔板和单层纸隔板、描述具有本发明的隔板的AA尺寸电池的性能的曲线；以及图11是在高放电速率下、对照现有已知的隔板，描述具有本发明的隔板的AA尺寸电池的性能的曲线。
最佳实施方式参考图1，其中示出了圆柱筒管型AA尺寸碱性电化学电池10。电化学电池10包括具有封闭底端14和开口顶端16的圆柱钢壳12。钢壳12的封闭底端还包括正极盖，它焊接或连接到钢壳12底部并且由包覆钢板形成，在它的中央区域具有凸块18，此凸块18形成电池10的正极接触端子。除了钢壳12的端部之外，在钢壳12的外表面周围形成金属化塑料膜标签20。在正极盖的外周边缘上形成膜标签20，可以部分地延伸到负极盖之上，如图所示。
在钢壳12的内表面周围形成阴极22，阴极22优选由二氧化锰、石墨、氢氧化钾溶液和添加剂的混合物组成。围绕阴极22的内表面设置隔板24。在隔板24中设置阳极26并且与集电极28接触，阳极26优选由锌粉末、凝胶剂和添加剂组成，集电极可包括导电钉，导电钉具有细长主体，并在一端具有扩大的头部。由此，阴极22构成正极，阳极构成负极。此外，设置优选包括氢氧化钾(KOH)的碱性电解液，与阴极22、阳极26和隔板24接触。
集电极28接触外负极盖30，盖30形成电池10的负极接触端子。外负极盖30优选由包覆钢板形成，可以通过压力接触或焊接与集电极28保持接触。环形尼龙密封件32设置在钢壳12的开口端中，以防止包容在钢壳12中的电化学活性材料泄漏。设置优选由刚性金属形成的内盖34，以增加刚度并支持尼龙密封件32的径向收缩，由此改善密封效果。将内盖34构造成与密封件32的中央衬套和外围竖直壁接触。集电极28、尼龙密封件32以及内盖34共同形成集电极和密封件组件，此组件可以作为一个整体插入钢壳12的开口端16，以密封在活性电池体积内的活性成分。应理解，外负极盖30通过尼龙密封件32的方式与钢壳12电绝缘。
根据本发明，电化学电池10采用具有高电阻(低导电性)和提高的离子渗透性的薄隔板24。根据在此示出并描述的实施例，卷绕的隔板24具有圆柱形侧壁36、开口顶端以及在绝缘盘38之上设置的开口底端，该绝缘盘38使阳极26与钢壳12的底端14绝缘。根据选择性实施例，隔板24可包括封闭底端代替绝缘盘38。正如在此所描述的那样，隔板24由多孔基底形成，例如纤维纸，优选将隔板24卷成圆柱形，在有少量重叠或没有少量重叠的条件下形成单层卷绕隔板。多孔纤维纸可包括纤维素，它是适用的可离子渗透材料。此外，隔板24采用聚合物溶液，将此溶液施加到多孔基底上并与氢氧化钾电解液反应，凝结并形成为半固态浸渍物和/或涂层。半固态填充物和/或涂层防止通过隔板24电短路，允许采用厚度更薄的纸。隔板24用于在阴极22和阳极26之间提供物理隔离，同时允许在电极之间离子的渗透和传输。
图2示出了在电化学电池中制造隔板和组装隔板的方法40，在图3-7中进一步描述了某些步骤。尤其参考图2，方法40包括形成卷绕纸隔板例如单圈(一层)纸隔板的步骤42。在步骤44中，利用现有的阴极成型技术例如冲压或环压成型法，阴极在钢壳中成型。在步骤46中，将单圈纸隔板插入钢壳的阴极中，使得隔板抵接阴极的内圆柱壁。如果隔板具有开口底端，就在隔板和钢壳的封闭底端之间设置绝缘盘。在步骤48中，将碱性电解液注入到钢壳中，优选注入隔板的内部，允许隔板吸收(即，芯吸)碱性电解液。在AA尺寸电池中，吸收可以在10至20分钟内完成。接着，在步骤50中，将聚合物溶液喷涂在隔板的内壁上，以提供浸渍物和/或涂层，它与氢氧化钾电解液相互作用，以在隔板中凝结并形成半固态浸渍物和/或纸隔板上凝结并形成半固态涂层。凝结花费大约1分钟或更少时间，以转变为半固态材料。接着，在步骤52中，阳极例如凝胶型阳极放入隔膜中，使得阳极抵接隔板的内壁。然后在步骤54中，将碱性电解液第二次注入到钢壳中，在步骤56中，装配集电极和密封组件，密封封闭钢壳的开口端，由此完成电池的组装。
参考图3，示出了卷绕纸隔板36，它被放入设置在钢壳12中阴极22内壁上的圆柱形开口中。正如所示，纸隔板36可以是具有轻微重叠的单层多孔纸。在图4中，示出了碱性电解液62向钢壳12中的第一次注入，一般通过碱溶液分配器60将碱性电解液注入到在隔板36中形成的中央腔室内。参考图5，示出了在吸收了至少一部分碱性电解液之后隔板36的膨胀，此电解液导致了纸隔板36浸渍了KOH液体并在厚度上膨胀。在吸收过程中隔板厚度可以增加至双倍。
在图6中，示出了聚合物溶液66经过喷嘴64喷射在浸渍后的纸隔板的内壁上。聚合物溶液66优选均匀地施加在隔板的内壁上。聚合物溶液与氢氧化钾碱性电解液反应，使得氢氧化钾碱性电解液凝结成非导电性的并且可离子透过的半固态材料。氢氧化钾碱性电解液用作凝结剂以提供聚集的半固态颗粒的薄膜。半固态材料浸渍到隔板36中和/或涂覆在隔板36之上。图7示出放入隔板36中的阳极26以及由集电极28和密封件32制成、设置在钢壳12的开口端中的集电极组件。一旦集电极组件放在开口端上，钢壳12的开口端就会在外壳上卷边以封闭钢壳12，之后可将标签设置在钢壳12的外侧壁上，以完成电化学电池的组装。
参考图8A，示出了纸隔板36的多孔基底，纸隔板由其中形成有孔70的纤维纸例如纤维素制成。当纸变干时，孔70典型地在形状和尺寸上变化并提供了孔隙体积。纸隔板36的多孔基底优选吸收氢氧化钾碱溶液，使得氢氧化钾碱溶液被吸入到孔70的孔隙体积中以增加厚度并提供液体填充孔71，如图8B所示。应用聚合物溶液引起了与氢氧化钾的反应，使得聚合物溶液凝结并形成半固态材料。根据一个实施例，凝结可以使基本上所有的半固态材料充满隔板36中，以至于半固态材料至少部分地填充液体填充孔71，如图9A所示。由半固态浸渍物浸渍后的隔板优选具有0.5-4.0密耳的厚度。如果喷射上的聚合物溶液比液体填充孔71能够吸收的还要多，那么除了在隔板中的浸渍物之外，多出来的聚合物溶液就会在纸隔板36的表面上形成半固态涂层74，参见图9B。半固态涂层(膜)74优选具有在0.1至4.0密耳范围内的厚度。如果隔板36的孔70全部填充氢氧化钾溶液，那么应用聚合物溶液就会导致薄半固态涂层74主要形成在纸隔板36的表面上，浸渍物非常少，如图9C所示。
本发明的隔板采用水聚合物溶液，在存在碱性电解液的情况下，它们从液相转化为半固态相。这种转化是已知的，在此称作凝结。凝结是由于聚合物溶液pH的变化引起的。
根据一个实例，聚合物溶液可包括甲基纤维素。选择性地，根据另一个实例，聚合物溶液可包括聚乙烯醇溶液，或者聚(4-苯乙烯磺酸钠)(poly(sodium 4-styenesulfonate))。应理解，在碱性电解液存在的情况下从液态转化为半固态介质的各种液体聚合物溶液都可以采用。
以下描述上述各种聚合物溶液的例子。根据第一实施例，形成单圈卷绕纸隔板并插入阴极腔室中。在氢氧化钾碱性电解液第一次加入到由卷绕隔板形成的腔室中并且由隔板和阴极吸收之后，将0.24克的聚合物溶液喷洒在卷绕隔板的表面上。聚合物溶液含有5wt％的甲基纤维素和95wt％去离子水，具有大约290厘泊(cps)的粘度(利用布式粘度剂LVDV-II测得，2轴，12转/分，在21℃)。然后将预定量的阳极凝胶浸渍到隔板筐中。根据第二实施例，除了聚合物溶液从5wt％的甲基纤维素溶液改变成5wt％的聚乙烯醇溶液之外，可以重复第一实施例中的上述过程。根据第三实施例，除了聚合物溶液从5wt％的甲基纤维素溶液改变成5-40wt％的聚(4-苯乙烯磺酸钠)之外，可以重复相同的过程。
提供到AA尺寸电池隔板的聚合物溶液的重量优选在0.05-0.5克的范围内，更优选在0.1-0.35克的范围内。液体聚合物溶液的粘度优选在50-1000cps的范围内，更优选在200-500cps的范围内。
参考图10，示出了AA尺寸电化学电池的放电曲线，在曲线80中利用没有聚合物溶液的单圈纸隔板；在曲线82中用常规双圈隔板，在曲线84中用根据本发明的带有凝结聚合物溶液的单圈隔板。在室温下、在43欧姆的负载下(每天四小时)以间歇和低速率放电，测试各电池。没有凝结聚合物溶液的单圈隔板出现短路，通过曲线80中的急剧电压降显示出。和曲线80和82相比，涂覆后的单圈隔板曲线84防止了在间歇和低范围放电时的短路，获得了提高的使用性能。
参考图11，在室温下，在持续1安培的负载下，在曲线82’中示出了利用没有凝结聚合物溶液的常规双圈隔板的AA尺寸电化学电池的放电曲线；曲线84’中示出了具有本发明的凝结聚合物溶液的单圈隔板。正如本图中所示，曲线84’中的凝结单圈纸隔板有利地增加了在高消耗率时的放电时间。
结合原地凝结方法描述隔板和组装方法，以此方法，在钢壳中实现聚合物溶液从液体向半固态相的形成过程。应理解，作为选择，隔板可以在插入钢壳中之前，以外部凝结的方法完成。根据选择性实施例，电解液可以在插入钢壳之前施加到隔板上并使之吸收。并且，在插入之前，可以把聚合物涂层喷洒在隔板的表面上以便凝结并形成半固态填充物和/或涂层。然后可以把隔板插入到钢壳中的阴极腔室内，之后提供电解液。此选择性实施例允许隔板的预组装，但当进行碱性溶液的最终浸渍时，隔板基本上需要更多的时间吸收电解液。
因此，本发明有利地提供了一种薄隔板，此隔板防止电短路，增加了离子从中穿过的渗透性，从而得到厚度更薄的隔板，这样就有更多的体积可用于活性电化学材料，由此增加了电化学电池的放电性能。还应当理解，本发明可用于包括酸性或非水电解质的电化学电池中。
实践本发明的技术人员和本领域的普通技术人员应理解，在不脱离所公开构思的精神实质的条件下，对本发明可以进行各种修改和完善。所要求的保护范围是由权利要求书和法律允许的解释宽度所确定的。
权利要求
1.一种用于电化学电池中以隔开正极和负极的隔板，所述隔板包括多孔基底；凝结剂；以及聚合物溶液，在存在凝结剂的情况下施加到所述多孔基底以凝结并形成半固态材料。
2.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔基底包括纤维纸。
3.根据权利要求2所述的隔板，其中所述纤维纸是以纤维素为基础的。
4.根据权利要求1所述的隔板，其中所述多孔基底包括卷成圆柱体形状的卷绕板。
5.根据权利要求1所述的隔板，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳范围内的干厚度。
6.根据权利要求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.根据权利要求1所述的隔板，其中所述聚合物溶液设置为在所述多孔基底的一侧上的涂层。
8.根据权利要求7所述的隔板，其中所述聚合物溶液形成半固态涂层，该涂层具有在0.1-4.0密耳范围内的厚度。
9.根据权利要求1所述的隔板，其中所述凝结剂包括碱溶液。
10.根据权利要求9所述的隔板，其中所述碱溶液包括氢氧化钾。
11.根据权利要求9所述的隔板，其中所述聚合物溶液包括甲基纤维素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种。
12.根据权利要求1所述的隔板，其中所述半固态材料防止电短路，允许离子透过隔板。
13.一种电化学电池，包括容器，具有底端和顶端以及设置在它们之间的竖直壁；设置在所述容器中的正极；设置在所述容器中的负极；电解液；以及放置在所述正极和所述负极之间的隔板，所述隔板包括多孔基底和聚合物溶液，在存在凝结剂的情况下施加所述聚合物溶液以凝结并形成半固态材料。
14.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述多孔基底包括纤维纸。
15.根据权利要求14所述的电化学电池，其中所述纤维纸是以纤维素为基础的。
16.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述多孔基底包括卷成圆柱体形状的卷绕板。
17.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳范围内的干厚度。
18.根据权利要求13所述的隔板，其中所述凝结剂包括碱溶液。
19.根据权利要求18所述的电化学电池，其中所述碱溶液包括氢氧化钾。
20.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述聚合物溶液包括甲基纤维素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种。
21.根据权利要求13所述的电化学电池，其中所述半固态材料防止电短路，允许离子透过隔板。
22.一种用于电化学电池中以隔开正极和负极的隔板的形成方法，所述方法包括以下步骤提供多孔基底；将凝结剂施加到所述多孔基底；将液体聚合物溶液施加到所述多孔基底；以及在存在所述凝结剂的条件下允许所述聚合物溶液凝结以形成半固态材料。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括将所述多孔基底的薄片卷绕成圆柱体形状的步骤。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括在所述电化学电池中在负极和正极之间设置隔板的步骤。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述隔板具有在0.5-4.0密耳范围内的干厚度。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述施加液体聚合物的步骤包括将所述液体聚合物注入到所述多孔基底中。
27.根据权利要求22所述的方法，其中所述施加液体聚合物的步骤包括形成厚度在0.1-4.0密耳范围内的半固态涂层。
28.根据权利要求22所述的方法，其中所述凝结剂包括电解液。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述碱性电解液包括氢氧化钾。
30.根据权利要求22所述的方法，其中所述聚合物溶液包括甲基纤维素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种。
31.根据权利要求22所述的方法，其中所述半固态材料防止电短路，允许离子透过隔板。
32.一种组装电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤提供具有底端和顶端以及设置在它们之间的竖直壁的容器；在所述容器中设置正极；在所述容器中设置负极；提供多孔基底；将所述多孔基底成形为隔板；向所述隔板施加电解液；在存在凝结剂的条件下向所述多孔基底施加液体聚合物溶液，使得所述聚合物溶液凝结，形成半固态材料；以及在所述正极和所述负极之间放置所述隔板。
33.根据权利要求32所述的方法，其中至少所述电解液的一部分由所述多孔基底吸收。
34.根据权利要求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触所述正极。
35.根据权利要求32所述的方法，其中所述多孔基底具有在0.5-4.0密耳范围内的干厚度。
36.根据权利要求32所述的方法，其中所述施加液体聚合物的步骤包括将所述液体聚合物注入到所述多孔基底中。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述施加液体聚合物的步骤包括形成厚度在0.1-4.0密耳范围内的半固态涂层。
38.根据权利要水32所述的方法，其中所述凝结剂包括电解液。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述碱性电解液包括氢氧化钾。
40.根据权利要求32所述的方法，其中所述聚合物溶液包括甲基纤维素、聚乙烯醇以及聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种。
41.根据权利要求32所述的方法，其中所述半固态材料防止电短路，允许离子透过隔板。
全文摘要
提供用于电化学电池的隔板和组装电化学电池的方法。隔板(24)包括浸渍和/或涂覆有聚合物溶液(66)的多孔纸基底，所述聚合物溶液凝结以防止电短路并允许离子渗透。方法包括以下步骤提供具有底端和顶端以及设置在它们之间的竖直壁的容器(12)；在容器中设置正极和负极；提供多孔纸基底的薄板；将多孔基底的薄板成形为隔板；将碱性溶液提供到隔板上；在碱溶液存在的条件下向多孔基底提供液体聚合物材料，使得聚合物溶液凝结成半固态材料；在正极和负极之间设置隔板。
文档编号H01M2/18GK1636287SQ01816486
公开日2005年7月6日 申请日期2001年9月28日 优先权日2000年9月29日
发明者黄维炜 申请人:永备电池有限公司