高放电的电解二氧化锰和电极及装有该电极的碱性电池制造技术

公开了一种碱性电化学电池，它具有正电极、负电极和一种电解质。正电极包含在ｐＨ值＝６时至少约有０．８６０伏电压的电解二氧化锰。这种电解二氧化锰也优选含有按重量计小于约２５０ｐｐｍ、更优选小于约１５０ｐｐｍ的钾杂质。具有这些性质的电解二氧化锰在高速工作方面呈现出明显协同的和未预料到的改善，它又转化为在其正电极中含有这种改进的电解二氧化锰的电化学电池的改进的高速工作寿命。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及电化学电池。更具体地，本专利技术涉及一种用于碱性电化学电池的改进的电解二氧化锰(EMD)。碱性电化学电池的制造者总是想增加电池的工作寿命，并且特别是使它们的电池满足用蓄电池操作的装置所需电流要求的高速放电下的工作寿命，这些装置从蓄电池中汲取日益增加的更大的电流水平。因为蓄电池的外部尺寸一般被各种标准所限定，所以蓄电池制造者不能任意增加蓄电池的外部尺寸以便在他们的蓄电池中容纳更多的电化学活性物质。这样，已经作出大量努力来更有效地利用蓄电池内部所提供的空间，使蓄电池内能包含更多的电化学活性物质。这类努力包括减少包含在蓄电池内部的电流集电器和绝缘物所占据的体积，以及在牺牲其它组件材料诸如电解质和导电剂的条件下增加电化学活性材料的密度。其它努力集中于通过利用电极构造来增加高速放电的效率，这种电极构造优化了正电极和负电极之间的界面表面积。此外，蓄电池制造者也已对电活性材料本身进行了研究以求增加它们的放电效率。像本领域技术人员明显看到的那样，本专利技术是致力于后一种方法，即通过导致EMD增加的高速放电效率的发现来达到目的，EMD是通常用于碱性电化学电池的正电极中的电化学活性物质。为更好地了解本专利技术，下面提供了EMD通常产生的方法的描述。适用于碱性电化学电池中的EMD一般包含约百分之92的二氧化锰(MnO2)。EMD其余部份占有效大百分比的是Mn2O3。此外EMD还包括许多浓度相对较低的不同杂质。理想地，EMD应包含尽可能主的MnO2百分比，以使电池工作性能最佳。MnO2是作为一种矿物采出的天然存在的化合物。这种矿物一般包含较高水平的杂质。具体的杂质及杂质的浓度可在大范围内变化。但无论如何，原矿石的典型分析结果表明它包含以下内容K 0.7-0.8％Mo 15-20ppmCo 1200ppmNi 600ppmAl2O36％SiO23％这种原矿石然后经过许多不同的提纯步骤加工来达到EMD的合适形式。第一步是煅烧过程。原矿石中的MnO2是不溶于酸的，这使原矿石很难进一步加工。这样，煅烧过程是用来把不溶性的MnO2转化为可溶于硫酸中的氧化锰(MnO)。为产生MnO(煅烧过的矿石)，在大量热量存在的条件下甲烷被用作使MnO2还原为MnO的试剂，如下式所示 经煅烧过的矿石典型分析结果如下MnO 60百分数(％)MnO21-2百分数(％)Fe3-4百分数(％)K 0.7-0.8百分数(％)Mo15-20ppmCo1200ppmNi600ppm然而，其中杂质浓度依赖于原矿石来源可在大范围内变化。煅烧工艺一般是在大约在1000℃温度条件下操作的衬砖旋转炉中进行。经过煅烧的矿石然后被冷却并转移到贮仓中。工艺中的第二步被称为沥滤过程。有一些不同的沥滤过程。在许多通常使用的沥滤过程中有一种被称为Jarosite方法。在Jarosite沥滤过程中，贮存的已煅烧过的矿石被溶解在硫酸中以除去铁(Fe)和钾(K)杂质。在沥滤过程中可能发生以下反应这种沥滤过程一般在一个或多个沥滤罐中发生。沥滤罐中最初的pH值约为0.9。煅烧过的矿石逐渐加入使pH值慢慢地升高到4.2。当pH值上升时混合物经受以下反应 上面三个反应中的第一个被称为Jarosite反应。在沥滤浴的末了，可往罐中加入高聚物来帮助沉降悬浮的固体。这些固体然后通过过滤除去。已将固体除去的清亮溶液然后用第三步所谓形成硫化物工艺来加工。形成硫化物工艺一般是在存贮槽中实施的。形成硫化物工艺是用来沉淀重金属杂质(M)、诸如钼(Mo)、钴(Co)和镍(Ni)的。在沥滤工艺中从滤器溢流的溶液与硫氢化钠(NaSH)混合。NaHS被转化为H2S，它然后以硫化物形式沉淀杂质。这样，溶液遭受到以下反应 固体的硫化物然后通过两台旋转真空转鼓过滤器滤出。过滤材料是硅藻土。得到的滤液构成所谓经过纯化的电池进料液。把电池进料液进料到一个或多个电镀槽中。每个电镀槽可包含许多负的和正的电镀电极。每个电镀槽至少需包括一个负电极和一个正电极。钛常被用作负电极，铜或铅可被用作正电极。电流流过每个电镀槽并把EMD沉积在负电极上。通过这一工艺，MnO2经过以下反应被电镀在钛负极上负极.(硫酸)正极电镀槽浴液被维持在所需温度和酸浓度条件下。整个工艺是一个闭合回路系统。电镀槽产生硫酸并电镀MnO2，同时沥滤过程消耗在电镀过程中产生的硫酸并溶解锰。在电镀结束后，EMD可从负极剥离。这种材料然后准备进行最后工序，它可能包括粉碎、洗涤和/或中和。洗涤和中和可以在粉碎操作之前、进行期间或之后来实施。例如，在一种最后工序中，EMD的厚块被碎裂为平均外部直径约3/4英寸(1.9厘米)的小块。这种材料然后被送往一只或多只中和罐。在这些罐中，一种碱性溶液诸如NaOH或KOH被用来增加材料的pH值，使之达到预定的水平以满足最终产品的规格。材料被中和后，再经粉碎和过筛以达到所需的颗粒大小分布。这种EMD然后准备用于电池制造中。这种EMD可能先和导电剂混合并直接经冲击塑模进入蓄电池的圆柱形罐中，或者和导电剂混合并预塑成环状，随后再插入电池中。期望能提供一种电化学电池，特别是碱性电化学电池，它具有改进的高速放电性能。我们已经发现，令人惊奇地，通过使用具有至少大约0.860伏的pH-电压的电解二氧化锰即可达到这一目的。进一步，我们也已发现高速放电性能可通过使用其钾杂质含量按重量计低于大约百万份之250份(ppm)的电解二氧化锰而进一步得到改善。因此，在第一方面，一专利技术提供一种为电化学电池用的电极，它包含具有至少0.860伏pH-电压的电解二氧化锰。在第二方面，本专利技术提供了一种电化学电池，它包括负电极、电解质和正电极，其中正电极含有其pH-电压至少为0.860伏的电解二氧化锰。在第三方面，本专利技术提供了用于电化学电池中的、其pH-电压至少为0.860伏的电解二氧化锰。在第四方面，本专利技术提供了使用具有至少0.860伏pH-电压的电解二氧化锰作为碱性电化学电池的正电极活性材料的方法。这种EMD具有pH-电压至少为0.860伏、更优选至少为0.870伏。我们已经发现通过维持EMD的pH-电压至少为约0.860伏，这种EMD、因而这种电极和电化学电池，将会提供改进的高速放电服务。我们也已发现，通过保证EMD中钾杂质含量低于约250ppm，这种EMD、从而这种电极和电化学电池将提供改进的高速放电服务。因此，这种EMD优选具有低于约250ppm的钾杂质、更优选低于约200ppm、还更优选低于约150ppm、尤其优选低于约75ppm、最优选低于约30ppm按重量计的钾杂质。在进一步的方面，本专利技术提供一种供电化学电池用的电极，它含有按重量计低于30ppm钾杂质的电解二氧化锰。我们进一步发现，其pH-电压至少约为0.860伏、并且钾杂质含量低于约250ppm的EMD，表现出令人惊奇的在高速放电服务方面的协同改进作用。按照本专利技术构建的电化学电池包括一个负电极、一个正电极和一种电解质。这种电池基本上可以有任何一种构造。例如，电极可以是筒管型的、螺旋缠绕(即凝胶卷)、叠式的或任何其它构造。优选的负电极包括锌或锌合金，电解质优选氢氧化钾。正电极包含EMD，考虑到二氧化锰本身不良的电导性，最好也包含一种导电剂。所谓“导电剂”是指任何能向阴极提供电子导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电化学电池的电极，它包括具有至少０．８６０伏ｐＨ－电压的电解二氧化锰。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D基拜，PJ斯勒扎克，
申请(专利权)人：永备电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]