大容量動力電池用泡沫鎳電極材料的製作方法

2023-10-05 13:36:34 2

專利名稱：大容量動力電池用泡沫鎳電極材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及鹼性蓄電池電極的製造。
Ni/Cd、Ni/MH、Ni/Fe、Ni/Zn等鹼性蓄電池是由正極片、負極片、電解質和隔膜在電池殼內組合而成。將活性物質、添加劑、粘合劑的混合物塗敷在導電基體上(內)製成正、負極片。塗敷方法隨基體不同而異，有刷塗、刮漿、真空吸入、擠壓等。導電基體先前一般採用鎳網、穿孔鎳帶、穿孔鍍鎳鋼帶等，後又採用泡沫鎳帶。由於泡沫鎳帶特殊的三維網狀結構、比表面積大、抗震強度好、孔隙率高、孔徑小、質量均勻、優良的滲透性和很大的可填充性能而被高比容量電池優先選擇作為導電基體，特別是Ni(OH)2正極。但與其他基體相比，它也存在不足，如市售泡沫鎳電極側面直接焊接集流片不牢固和泡沫鎳電極強度稍差。因而在電池組裝中，為了克服焊接不牢固，使得泡沫鎳電極焊接金屬集流片的工藝比較複雜。小型圓柱電池(如A,AA,AAA等)一般採用泡沫鎳帶塗好漿料，碾軋裁片後，清洗一小塊面積活性物質，點焊上集流片(極耳)。對於大容量動力電池(如Sc、D、F、M或方型)，為了減少電池內阻適應大電流放電，泡沫鎳電極要焊四條或更多極片。也有將泡沫鎳電極一側邊緣(約3-4mm)清洗掉活性物質，點焊一條鎳帶，作為電池組裝端面焊接集流片使用。這種方法解決了焊接不牢固問題，但工藝較複雜，且損失很多活性物質，降低比容量。加拿大Inco公司為了解決泡沫鎳電極端面焊不牢固，開發出在製造泡沫鎳過程中採用在兩片低密度泡沫之中夾一層金屬網構成複合層壓材料，或者在焊接極耳區塗鎳漿料，在灼燒泡沫聚胺脂骨架時構成高密度泡沫鎳區，這樣端面焊接集流片較為牢固(第二十三屆全國化學與物理電源學術會議論文集p209-210 1998.9)，但製造工藝較為複雜，成本有所提高，至今也未能推廣應用。為了增加泡沫鎳電極強度，減少電極充放電過程中斷裂，現在一般採用高密度泡沫鎳，這顯然降低了電極比容量。
本發明的目的是提供一種大容量動力電池用泡沫鎳電極材料，在較少損失電極比容量下，可直接與集流片進行端面焊形成牢固結合，減少電池大電流充放時集流片脫落，可增加泡沫鎳帶強度，減少電池充放電過程中電極斷裂。
本發明是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設置寬0.5-1.5mm的鎳或鎳合金粉變密位置；或嵌入直徑為0.2-1.5mm的鎳或鎳合金絲或寬0.8-1.5、厚0.1-1.0mm的鎳或鎳合金條構成的變密位置。所述的邊緣變密位置一側或兩側，是焊極耳位置，用於直接端面焊接。所述的泡沫鎳帶變密位置採用下述方法製備(變密)在泡沫鎳帶邊緣或中間位置預先塗入鎳粉或鎳合金粉或鎳與其它金屬混合物粉的漿料，在惰性氣氛下(例如，氬氣)800-1300℃熱處理，使泡沫鎳帶充滿金屬粉變密；或高溫(1000-1300℃，惰性氣氛下)噴射鎳粉或鎳合金粉或鎳與其它金屬混合物粉變密；或在製造泡沫鎳過程中，將鎳或鎳合金絲或條嵌入已鍍鎳的泡沫聚胺脂骨架中，在灼燒泡沫聚胺脂骨架後，鎳或鎳合金絲或條與泡沫鎳粘結一體而變密。
本發明具體製備方法描述如下該方法(1)在泡沫鎳帶一側或兩側邊緣或中間位置塗入鎳(或鎳合金，或鎳與其它金屬混合物)粉漿料(金屬粉粒度＜300μm，粘結劑為CMC、MC、HPMC等)，塗入寬度0.5-1.5mm，深度為泡沫鎳厚度，在惰性氣氛下800-1300℃熱處理(最好1100-1200℃)後變密；或在一側或兩側邊緣或中間位置進行高溫噴射鎳(或鎳合金，或鎳與其它金屬混合物)粉變密(金屬粉粒度＜300μm，噴入寬度0.5-1.5mm，深度為泡沫鎳厚度)。(2)在泡沫鎳帶一側或兩側邊緣或中間位置嵌入鎳(或鎳合金)絲(直徑0.2-1.5mm)或鎳(或鎳合金)條(寬0.8-1.5mm，厚0.1-1.0mm)變密。(3)也可在製造泡沫鎳過程中，將鎳(或鎳合金)絲(條)嵌入已鍍鎳的泡沫聚胺脂骨架中，在灼燒泡沫聚胺脂骨架後，鎳絲(或條)與泡沫鎳粘結一體變密。上述泡沫鎳帶變密位置成為泡沫鎳帶增強筋。用此泡沫鎳帶製作電極組裝電池，可直接進行端面焊，且焊接牢固。
本發明的突出的實質性特點和顯著效果可以從下述實例中得以體現，但它們不是對本發明作任何限制。
實施例1取泡沫鎳帶(平均孔徑110PPI，厚度1.6mm)四條第Ⅰ條，長10000mm，寬47mm，一側邊緣塗入金屬鎳粉漿料，寬1mm，深度為泡沫鎳厚度(1.6mm)，在惰性氣氛下(氬氣)1100-1200℃熱處理，使鎳粉與泡沫鎳粘接。鎳粉粒度＜300μm，用2.8％MC水溶液調製漿料，鎳粉與MC重量比為100∶0.5。
第Ⅱ條，長10000mm，寬47mm，一側邊緣嵌入一條鎳絲(直徑0.4mm)。
第Ⅲ條，長10000mm，寬47mm。
第Ⅳ條，長10000mm，寬47mm。
四條鎳帶作為Ni(OH)2電極基體，在同一條件下，用拉漿機進行拉漿、烘乾，碾壓成型，極帶寬度不變(47mm)，厚為0.7mm。漿料由NiOH、CoO、Ni、CMC、H2O配製，它們的重量比為350∶20∶40∶1∶140 。
將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條極帶一側面(Ⅰ、Ⅱ為處理過側面)進行清洗掉電極材料(清洗深度＜0.5mm)。Ⅳ極帶一側邊緣用超聲波清洗機清洗掉電極材料(寬4mm)。在露出泡沫鎳上點焊4mm寬鎳帶(厚0.1mm)。
將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ極帶各裁三片，長500mm，作D型電池正極，與儲氫合金負極(長600，寬47，厚0.38mm，鍍鎳鋼帶為基體)卷繞，裝進D型電池殼，進行端面焊。然後在相同條件下採取拉脫力(相對比較)測定，結果如表1表1集流片端面焊拉脫力(相對比較)測定
實驗結果表明，Ⅳ(點焊鎳帶)焊接最牢，Ⅱ(嵌鎳絲)與Ⅳ相近，Ⅰ(塗鎳粉)次之，Ⅲ(泡沫鎳未處理)最差。但損失活性物質(以不同極帶邊緣為端面焊所佔寬度除以極帶寬)為Ⅳ(8.5％)＞Ⅰ(4.3％)＞Ⅲ(3.2％)＞Ⅲ(2.1％)。
實施例2完全按實施例1方法，注入鹼液23ml(KOH濃度5mol/l，每升加5g LiOH)，組裝成D型電池。經三次充放電活化(0.2C充電7.5hr，靜置30min，0.2C放電至1.0V)後，進行電池放電容量和放電電壓平臺中值電壓測定(0.7A充電16hr，靜置30min，再分別以1.4A、7.0A和14A放電，1.4A、7.0A放電至1.0V，14A放電至0.9V)，測試結果如表2表2D型電池放電容量(C)和中值電壓(E)
本實驗組裝各類D型電池所用負極性能相同，且電池是正極限量，所以所測電池容量、放電電壓可作為正極性能相對比較。實驗結果表明，本發明兩種泡沫鎳基體處理(塗鎳粉和嵌鎳絲)後所製造正極，組裝電池(Ⅰ、Ⅱ)，性能略優於Ⅳ(點焊鎳帶)。Ⅲ(泡沫鎳未處理)性能最差。說明本發明泡沫鎳基體實用於動力電池製造電極。
實施例3將實例2所製作D型電池進行充放電循環壽命實驗。實驗條件是7.0A充電至ΔV=-10mV，立即轉入7.0A放電至1.0V。第49周期用1.4A將電池積存的電量放盡後，再用0.7A充電16hr，靜置30min後，用7.0A放電至1.0V，為第50周期的放電容量。以後每50周期同上處理。每50周期的電池放電容量(C)和放電30分鐘的端電壓(E)測試結果如表3表3 充放電循環壽命實驗
測試結果表明，除Ⅲ(泡沫鎳未處理)外，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ充放電循環150次，放電容量略有增加，中值電壓略有減小。Ⅲ電池拆開觀察，端面焊裂開，因而造成在充放電循環壽命不到150次電池失效。
實施例4取泡沫鎳帶(平均孔徑110PPI，厚度1.6mm，寬47mm，長200mm)三條第Ⅰ條，未嵌入鎳絲。
第Ⅱ條，兩側邊緣各嵌入鎳絲(直徑0.4mm)一條。
第Ⅲ條，兩側邊緣和中央各嵌入鎳絲(直徑0.4mm)一條。
將以上三類泡沫鎳帶，在相同條件下進行拉伸破斷力(相對比較)測定，其結果如表4表4 泡沫鎳帶拉伸破斷力(相對比較)測定
*在嵌入鎳絲的泡沫鎳帶拉斷時，鎳絲未斷。實驗結果表明，嵌入鎳絲後，增加泡沫鎳帶抗拉強度。
權利要求
1.一種大容量動力電池用泡沫鎳電極材料，其特徵在於它是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設置有寬0.5-1.5mm的鎳或鎳合金的變密位置或嵌入直徑為0.2-1.5mm的鎳或鎳合金絲或寬0.8-1.5、厚0.1-1.0mm的條構成的變密位置。
2.權利要求1所述的大容量動力電池用泡沫鎳電極材料的製備方法，其特徵在於它是採用下述步驟在泡沫鎳帶一側或兩側邊緣或中間位置塗入鎳、鎳合金或鎳與其它金屬混合物的粉漿料，其中，金屬粉粒度＜300μm，粘結劑為CMC、MC、HPMC，塗入寬度0.5-1.5mm，深度為泡沫鎳厚度，在惰性氣氛下800-1300℃熱處理後變密；或在一側或兩側邊緣或中間位置進行高溫噴射鎳、鎳合金或鎳與其它金屬混合物粉變密，其中，噴射工藝條件是1000-1300℃和惰性氣氛下，金屬粉粒度＜300μm，噴入寬度0.5-1.5mm，深度為泡沫鎳厚度；或在泡沫鎳帶一側或兩側邊緣或中間位置嵌入直徑為0.2-1.5mm鎳或鎳合金絲，或寬0.8-1.5mm、厚0.1-1.0mm的鎳或鎳合金條變密；或在製造泡沫鎳過程中，將鎳或鎳合金絲或條嵌入已鍍鎳的泡沫聚胺脂骨架中，在灼燒泡沫聚胺脂骨架後，鎳絲或條與泡沫鎳粘結一體變密。
3.按照權利要求1所述的大容量動力電池用泡沫鎳電極材料，其特徵在於所述泡沫鎳帶的邊緣變密位置是焊極耳位置，用於直接端面焊接。
4.按照權利要求1所述的大容量動力電池用泡沫鎳電極材料，其特徵在於所述泡沫鎳帶的邊緣或中間變密位置是泡沫鎳帶增強筋位置。
全文摘要
本發明涉及鹼性蓄電池電極的製造,它是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設置寬0.5－1.5mm的鎳或鎳合金變密位置或嵌入直徑為0.2－1.5mm的鎳或鎳合金絲或寬0.8－1.5、厚0.1－1.0mm條構成的變密位置,使製成電極後,可直接進行端面焊,不僅增加電極強度,而且改善導電性和導熱性,有利於大電流充放電。
文檔編號H01M4/26GK1310486SQ01110328
公開日2001年8月29日 申請日期2001年4月4日 優先權日2001年4月4日
發明者曲金秋, 高學平, 吳鋒, 袁華堂, 宋德瑛 申請人:南開大學