專利名稱：大容量動(dòng)力電池用泡沫鎳電極材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及堿性蓄電池電極的制造。
Ni/Cd、Ni/MH、Ni/Fe、Ni/Zn等堿性蓄電池是由正極片、負(fù)極片、電解質(zhì)和隔膜在電池殼內(nèi)組合而成。將活性物質(zhì)、添加劑、粘合劑的混合物涂敷在導(dǎo)電基體上(內(nèi))制成正、負(fù)極片。涂敷方法隨基體不同而異，有刷涂、刮漿、真空吸入、擠壓等。導(dǎo)電基體先前一般采用鎳網(wǎng)、穿孔鎳帶、穿孔鍍鎳鋼帶等，后又采用泡沫鎳帶。由于泡沫鎳帶特殊的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、比表面積大、抗震強(qiáng)度好、孔隙率高、孔徑小、質(zhì)量均勻、優(yōu)良的滲透性和很大的可填充性能而被高比容量電池優(yōu)先選擇作為導(dǎo)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(cè)面直接焊接集流片不牢固和泡沫鎳電極強(qiáng)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復(fù)雜。小型圓柱電池(如A,AA,AAA等)一般采用泡沫鎳帶涂好漿料，碾軋裁片后，清洗一小塊面積活性物質(zhì)，點(diǎn)焊上集流片(極耳)。對于大容量動(dòng)力電池(如Sc、D、F、M或方型)，為了減少電池內(nèi)阻適應(yīng)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(cè)邊緣(約3-4mm)清洗掉活性物質(zhì)，點(diǎn)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，但工藝較復(fù)雜，且損失很多活性物質(zhì)，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(fā)出在制造泡沫鎳過程中采用在兩片低密度泡沫之中夾一層金屬網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合層壓材料，或者在焊接極耳區(qū)涂鎳漿料，在灼燒泡沫聚胺脂骨架時(shí)構(gòu)成高密度泡沫鎳區(qū)，這樣端面焊接集流片較為牢固(第二十三屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)會(huì)議論文集p209-210 1998.9)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本有所提高，至今也未能推廣應(yīng)用。為了增加泡沫鎳電極強(qiáng)度，減少電極充放電過程中斷裂，現(xiàn)在一般采用高密度泡沫鎳，這顯然降低了電極比容量。
本發(fā)明的目的是提供一種大容量動(dòng)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(jìn)行端面焊形成牢固結(jié)合，減少電池大電流充放時(shí)集流片脫落，可增加泡沫鎳帶強(qiáng)度，減少電池充放電過程中電極斷裂。
本發(fā)明是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設(shè)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?qū)?.8-1.5、厚0.1-1.0mm的鎳或鎳合金條構(gòu)成的變密位置。所述的邊緣變密位置一側(cè)或兩側(cè)，是焊極耳位置，用于直接端面焊接。所述的泡沫鎳帶變密位置采用下述方法制備(變密)在泡沫鎳帶邊緣或中間位置預(yù)先涂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；或在制造泡沫鎳過程中，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后，鎳或鎳合金絲或條與泡沫鎳粘結(jié)一體而變密。
本發(fā)明具體制備方法描述如下該方法(1)在泡沫鎳帶一側(cè)或兩側(cè)邊緣或中間位置涂入鎳(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(jié)劑為CMC、MC、HPMC等)，涂入寬度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℃)后變密；或在一側(cè)或兩側(cè)邊緣或中間位置進(jìn)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(cè)或兩側(cè)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)也可在制造泡沫鎳過程中，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后，鎳絲(或條)與泡沫鎳粘結(jié)一體變密。上述泡沫鎳帶變密位置成為泡沫鎳帶增強(qiáng)筋。用此泡沫鎳帶制作電極組裝電池，可直接進(jìn)行端面焊，且焊接牢固。
本發(fā)明的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著效果可以從下述實(shí)例中得以體現(xiàn)，但它們不是對本發(fā)明作任何限制。
實(shí)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(cè)邊緣涂入金屬鎳粉漿料，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(diào)制漿料，鎳粉與MC重量比為100∶0.5。
第Ⅱ條，長10000mm，寬47mm，一側(cè)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(jī)進(jìn)行拉漿、烘干，碾壓成型，極帶寬度不變(47mm)，厚為0.7mm。漿料由NiOH、CoO、Ni、CMC、H2O配制，它們的重量比為350∶20∶40∶1∶140 。
將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條極帶一側(cè)面(Ⅰ、Ⅱ?yàn)樘幚磉^側(cè)面)進(jìn)行清洗掉電極材料(清洗深度＜0.5mm)。Ⅳ極帶一側(cè)邊緣用超聲波清洗機(jī)清洗掉電極材料(寬4mm)。在露出泡沫鎳上點(diǎn)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(chǔ)氫合金負(fù)極(長600，寬47，厚0.38mm，鍍鎳鋼帶為基體)卷繞，裝進(jìn)D型電池殼，進(jìn)行端面焊。然后在相同條件下采取拉脫力(相對比較)測定，結(jié)果如表1表1集流片端面焊拉脫力(相對比較)測定
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅳ(點(diǎn)焊鎳帶)焊接最牢，Ⅱ(嵌鎳絲)與Ⅳ相近，Ⅰ(涂鎳粉)次之，Ⅲ(泡沫鎳未處理)最差。但損失活性物質(zhì)(以不同極帶邊緣為端面焊所占寬度除以極帶寬)為Ⅳ(8.5％)＞Ⅰ(4.3％)＞Ⅲ(3.2％)＞Ⅲ(2.1％)。
實(shí)施例2完全按實(shí)施例1方法，注入堿液23ml(KOH濃度5mol/l，每升加5g LiOH)，組裝成D型電池。經(jīng)三次充放電活化(0.2C充電7.5hr，靜置30min，0.2C放電至1.0V)后，進(jìn)行電池放電容量和放電電壓平臺(tái)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(jié)果如表2表2D型電池放電容量(C)和中值電壓(E)
本實(shí)驗(yàn)組裝各類D型電池所用負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明兩種泡沫鎳基體處理(涂鎳粉和嵌鎳絲)后所制造正極，組裝電池(Ⅰ、Ⅱ)，性能略優(yōu)于Ⅳ(點(diǎn)焊鎳帶)。Ⅲ(泡沫鎳未處理)性能最差。說明本發(fā)明泡沫鎳基體實(shí)用于動(dòng)力電池制造電極。
實(shí)施例3將實(shí)例2所制作D型電池進(jìn)行充放電循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件是7.0A充電至ΔV=-10mV，立即轉(zhuǎn)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后，再用0.7A充電16hr，靜置30min后，用7.0A放電至1.0V，為第50周期的放電容量。以后每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(jié)果如表3表3 充放電循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)
測試結(jié)果表明，除Ⅲ(泡沫鎳未處理)外，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ充放電循環(huán)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(huán)壽命不到150次電池失效。
實(shí)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(cè)邊緣各嵌入鎳絲(直徑0.4mm)一條。
第Ⅲ條，兩側(cè)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(jìn)行拉伸破斷力(相對比較)測定，其結(jié)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(shí)，鎳絲未斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入鎳絲后，增加泡沫鎳帶抗拉強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種大容量動(dòng)力電池用泡沫鎳電極材料，其特征在于它是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設(shè)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?qū)?.8-1.5、厚0.1-1.0mm的條構(gòu)成的變密位置。
2.權(quán)利要求1所述的大容量動(dòng)力電池用泡沫鎳電極材料的制備方法，其特征在于它是采用下述步驟在泡沫鎳帶一側(cè)或兩側(cè)邊緣或中間位置涂入鎳、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(jié)劑為CMC、MC、HPMC，涂入寬度0.5-1.5mm，深度為泡沫鎳厚度，在惰性氣氛下800-1300℃熱處理后變密；或在一側(cè)或兩側(cè)邊緣或中間位置進(jìn)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(cè)或兩側(cè)邊緣或中間位置嵌入直徑為0.2-1.5mm鎳或鎳合金絲，或?qū)?.8-1.5mm、厚0.1-1.0mm的鎳或鎳合金條變密；或在制造泡沫鎳過程中，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后，鎳絲或條與泡沫鎳粘結(jié)一體變密。
3.按照權(quán)利要求1所述的大容量動(dòng)力電池用泡沫鎳電極材料，其特征在于所述泡沫鎳帶的邊緣變密位置是焊極耳位置，用于直接端面焊接。
4.按照權(quán)利要求1所述的大容量動(dòng)力電池用泡沫鎳電極材料，其特征在于所述泡沫鎳帶的邊緣或中間變密位置是泡沫鎳帶增強(qiáng)筋位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及堿性蓄電池電極的制造,它是在泡沫鎳帶的邊緣或中間設(shè)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?qū)?.8－1.5、厚0.1－1.0mm條構(gòu)成的變密位置,使制成電極后,可直接進(jìn)行端面焊,不僅增加電極強(qiáng)度,而且改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,有利于大電流充放電。
文檔編號(hào)H01M4/26GK1310486SQ01110328
公開日2001年8月29日 申請日期2001年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月4日
發(fā)明者曲金秋, 高學(xué)平, 吳鋒, 袁華堂, 宋德瑛 申請人:南開大學(xué)