CN101984513A - 可充电电池的电池极片及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可充电电池的电池极片及制造方法，电池极片由活性物质填充或涂覆于导电基材中或表面上组成；极片在长度方向上分成头部、中部、尾部；正极片头部占极片总长5％-10％、厚度占最大厚度的50％-90％，尾部占极片总长10％-20％、厚度占最大厚度50％-90％；负极片头部占极片总长5％-10％、厚度占最大厚度40％-80％，尾部占极片总长10％-40％、厚度占最大厚度的40％-80％。本发明的整个极片的活性物质都充分参与电池内部的化学反应，减少活性物质的用量，降低制造成本，提高电池性能。

Description

可充电电池的电池极片及制造方法 
技术领域
本发明涉及一种可充电电池的电池极片及制造方法，尤其是正负极片通过卷绕方式组装的一种可充电电池的电池极片及制造方法。 
背景技术
可充电电池是近年来国内外大力研究和发展的一种新型电源，如镍氢电池、锂离子电池等。现今在通讯与数码产品、电动工具、仪器仪表、电动汽车等领域应用越来越广泛。 
传统的可充电电池的电池极片，极片的厚度在整个长度方向上基本一致，所含活性物质的密度也基本一致，我们称之为“对称电极”。这种“对称电极”存在以下问题：一、这种极片在卷绕过程中，起卷部分即极片头部由于曲率过大易出现裂纹甚至折断现象，不仅活性物质利用率降低，而且极片的毛刺和掉下的粉末会引起电池微短路甚至有安全隐患；二、一般的电池的负极片比正极片长，卷绕末端即极片尾部紧靠电池壳内壁的一面所含活性物质由于参加电池反应的路径长而利用率下降，占据了电池壳内有限的空间，尤 其是对于能量密度较大的电池，虽然达到了所需的储能密度，却降低了可充电电池的其它性能，如循环使用性能等。 
电池的电极片主要有两部分组成，一是导电基材，如泡沫镍、冲孔金属带、金属编织网、金属切拉网、金属箔等，二是通过发生电化学反应提供或储存电能的活性物质，以及促使反应发生完全的添加剂和便于电极片成型的粘接剂。目前，将活性物质与导电基材结合成型的方法主要有以下两种：第一种，导电基材为多孔类金属，如泡沫金属或切拉金属网等，通过装置将活性物质的干粉直接填充于基材中，然后通过外力压结使极片成型；或者先将活性物质与添加剂、粘接剂、溶剂等充分混合形成浆料，然后通过装置将活性物质的浆料填充于导电基材中，经过烘干、外力压结使极片成型；第二种，导电基材为金属箔，如锂离子电池极片常用的铜箔、铝箔等，先将活性物质与添加剂、粘接剂、溶剂等充分混合形成浆料，然后通过装置将活性物质的浆料涂覆于基材表面，经过烘干、外力压结使极片成型。 
发明内容
本发明的目的是：提出一种可充电电池的电池极片及制造方法，导电基材在极片长度方向上根据设计要求将头部、中部、尾部区域预压成不同的长度和厚度，在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域涂覆或填充活性物质的浆料，活性物质在极片头部、中部、尾部区域的填充量不同，整个极 片各个区域所含的活性物质都能充分参与电池内部的化学反应，得到最大的利用，减少活性物质的用量从而降低制造成本，提高电池性能。 
为实现上述目的，本发明的解决方案是：电池极片有两部分组成，一是导电基材，二是通过发生电化学反应提供或储存电能的活性物质，活性物质的浆料填充于导电基材中，或活性物质的浆料涂覆于导电基材表面；其特征在于：电池极片在长度方向上分成3个区域，分别是头部、中部、尾部；正极片头部占极片总长5％-10％，头部厚度为中部厚度的50％-90％，尾部占极片总长10-20％，尾部厚度为中部厚度的50-90％；负极片头部占极片总长5％-10％，头部厚度为中部厚度的40-80％，尾部占极片总长10-40％，尾部厚度为中部厚度的40-80％。 
其中，可充电电池的电池极片的制造方法包括以下步骤：首先，对导电基材进行预处理，使导电基材在极片长度方向上根据头部、中部、尾部区域预压成不同的长度和厚度；其次，通过间隙涂覆在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域涂覆活性物质的浆料，或通过填充模具在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域填充活性物质的浆料；最后，头部、中部、尾部区域被连续碾压成设计厚度和长度的电极片。 
本发明具有以下优点：1、导电基材在极片长度方向上根据设计要求将头部、中部、尾部区域预压成不同的长度和 厚度，在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域涂覆或填充活性物质的浆料，活性物质在极片头部、中部、尾部区域的填充量不同，为“不对称电极”；2、这种“不对称电极”的整个极片各个区域所含的活性物质都能充分参与电池内部的化学反应，得到最大的利用，可以减少活性物质的用量从而降低制造成本；3、由于减少了活性物质的用量，极片的有效体积减少，更利于电解液在电池内部的均匀分布，加速电池反应的发生，使电池性能大幅度提高；4、这种极片在卷绕过程中起卷部分密度较小，较为柔软，因而不易产生裂纹，所制造的电池微短路和安全隐患较少。 
附图说明
图1是本发明电极的截面示意图 
图2是现有电极的截面示意图 
图中：a极片头部，b极片中部，c极片尾部 
具体实施方式
以下举出实施例来说明本发明的电池极片的制造方法，并以比较例来说明与现有技术相比，本发明的电极和电池在制造成本和电池性能上的优势。需要说明的是，下面的实施例和比较例都以镍氢电池的制造来举例，对于其它种类的电池如锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池等，只要电极和电池隔膜是通过卷绕方式放入电池壳内的方式，本发明的电极结构和制造方法也是适用的。另外，本发明的电极并不限于下 属实施例中的结构和制造方法，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以进行若干简单推演或改变，都应当视为本发明的保护范围。 
比较例： 
本比较例说明的是现有技术制造的一种镍氢电池和性能评价。 
电池正极：市售球型氢氧化镍与氧化亚钴的粉末以94∶6的质量比例依机械方法充分混合，形成正极混合粉；市售宽度为90mm、厚度为1.6mm的连续带状泡沫镍，经过一对间隙均匀的圆柱形压辊预压成1.3mm厚度；将混合粉倒入含有2对上下排列的电动毛刷的上粉箱中，将预压过的泡沫镍带从粉箱底部穿过2对毛刷的中间，经牵引辊进入一油压对辊的间隙中，同时开动油压对辊和电动毛刷的电源，混合粉被均匀、连续填充到泡沫镍的三维网孔里，随后被连续碾压成0.71mm厚度；经过上述过程形成的电极带通过自动连续裁片机裁成宽度为43mm的电极片P：长×宽×厚＝90.0×43.0×0.71(mm3)，含混合粉量：8.13-8.15g；通过调整泡沫镍的预压厚度可以方便调整极片填充混合粉的量。 
电池负极：将市售含钴量为10％wt的AB5结构的储氢合金粉与导电碳黑以99∶1的质量比例充分混合，再加入适量的丁苯橡胶乳液(SBR)聚丙烯酸钠(PAAS)水溶液，用高速搅拌机混合成比重为3.3g/cm3的浆料；将上述浆料倒入 上浆料斗中，料斗的上方放置一对刮浆刀具，刮浆刀的间隙是均匀的；将厚度为0.045mm、宽度为125mm的冲孔镀镍钢带导引到料斗中并从下方穿过刮浆刀，进入烘箱并导引到油压对辊压结，随着对辊的匀速转动，钢带两面被均匀涂覆一定量的浆料，经烘干后连续滚压成电极带；上述电极带通过自动裁片机连续裁切成宽度为43mm的电极片N：长×宽×厚＝125×43×0.30(mm3)，含合金粉量：9.22-9.24g；通过调整浆料的密度和刮浆刀具的间隙，可以调整极片的含粉量。 
电池装配：将正极片P与负极片N各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.35g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H。 
电池活化：封装后的电池在室温下搁置24小时，以200mA的电流充电15小时，以400mA的电流放电到1.0V，循环3次。 
电池性能检测： 
电池容量：在室温下以400mA的电流充电7小时，搁置1小时，以400mA的电流放电到1.0V，放出的电量为电池容量；由于镍氢电池的容量受正极容量限制，将电池容量除以正极混合粉的含量，就可以计算出混合粉的比容量。 
过充性能：活化后的电池以400mA的电流放电至1.0V，以2000mA的电流充电90min，记录电池泄漏的时间。 
循环性能：在室温下以1000mA的电流充电138min，搁置10min，以1000mA的电流放电到1.0V，如此反复充放电循环，到某一循环的放电容量下降到最大放电容量的60％时，终止循环，记录循环周数。 
实施例1： 
电池正极：市售球型氢氧化镍与氧化亚钴的粉末以94∶6的比例依机械方法充分混合，形成正极混合粉；市售宽度为90mm、厚度为1.6mm的连续带状泡沫镍，经过一对间隙均匀的圆柱形压辊预压成1.3mm的厚度；上述泡沫镍再通过两对滚轮将两侧边缘也就是头部、尾部预压成规定的厚度和长度，本例中头部长度为4.5mm、厚度1.1mm，尾部长度为9mm、厚度为1.1mm，中部长度为76.5mm，厚度为1.3mm；将混合粉倒入含有2对上下排列的电动毛刷的上粉箱中，将预压过的泡沫镍带从粉箱底部穿过2对毛刷的中间，经牵引辊进入一油压对辊的间隙中，同时开动油压对辊和电动毛刷的电源，混合粉被均匀、连续填充到泡沫镍的三维网孔里，随后被连续碾压成一定厚度和长度的电极带，本例中泡沫镍经预压处理后3个区域的厚度不同，各区域所填充混合粉的密度也不同，经同一对辊碾压后的厚度也不同，本例中部厚度为0.71mm，头部和尾部的厚度为0.64mm；经过 上述过程形成的电极带通过自动连续裁片机裁成宽度为43mm的电极片P1，该电极片宽度方向上厚度均匀一致，长度方向上分为3个不同厚度的区域，头部长4.5mm，占总长5％，厚0.64mm，占极片厚度90％；尾部长9.0mm，占总长10％，厚0.64mm，占极片厚度90％；中部长76.5mm，占极片总长85％，厚0.71mm，每片电极含混合粉量：7.98-8.00g；通过调整泡沫镍的预压厚度可以方便调整极片填充混合粉的量以及头部、中部、尾部区域的填粉量和厚度。 
电池负极：取比较例中的负极N。 
电池装配：将正极片P1与负极片N各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.40g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H1。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例2 
电池正极：与实施例1的正极制造流程基本相同，不同的是控制滚轮的长度而改变正极片头部的长度，从而控制极片头部混合粉的填充量，制造出具备本发明所描述特征的电极片P2，头部长6.8mm，占极片总长7.5％，厚0.50mm，占极片厚度70％；尾部长13.5mm，占极片总长15％，厚0.50mm，占极片厚度70％；中部长72.0mm，占极片总长77.5％， 厚0.71mm。每片电极含混合粉量：7.82-7.84g。 
电池负极：取比较例中的负极N。 
电池装配：将正极片P2与负极片N各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.45g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H2。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例3 
电池正极：与实施例1的正极制造流程基本相同，不同的是控制滚轮的长度而改变正极片尾部的长度，从而控制极片尾部混合粉的填充量，制造出具备本发明所描述特征的电极片P3，头部长9.0mm，占极片总长10％、厚0.36mm，占极片厚度50％；尾部长18.0mm，占极片总长20％、厚0.36mm，占极片厚度50％；中部长63.0mm，占极片总长70％，厚0.71mm，每片电极含混合粉量：7.21-7.23g。 
电池负极：取比较例中的负极N。 
电池装配：将正极片P3与负极片N各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.50g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H3。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例4 
电池正极：取比较例中的正极P。 
电池负极：与比较例的负极制造流程基本相同，不同的是本实施例中调整刮浆刀具的定位片的厚度、宽度及在刀具上的位置，控制钢带通过刮浆刀后各区域的敷料量，从而制造出具备本发明所描述特征的电极片N1，头部长6.5mm，占极片总长5％，厚0.24mm，占极片厚度80％；尾部长12.5mm，占极片总长10％，厚0.24mm，占极片厚度80％；中部长106mm，占极片总长85％，厚0.30mm，含合金粉量：8.87-8.89g。 
电池装配：将正极片P与负极片N1各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.40g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H4。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例5 
电池正极：取比较例中的正极P。 
电池负极：与比较例的负极制造流程基本相同，不同的是本实施例中调整刮浆刀具的定位片的厚度、宽度及在刀具上的位置，控制钢带通过刮浆刀后各区域的敷料量，从而制 造出具备本发明所描述特征的电极片N2，头部长9.4mm，占极片总长7.5％，厚0.18mm，占极片厚度60％；尾部长31.3mm，占极片总长25％，厚0.18mm，占极片厚度60％；中部长84.3mm，占极片总长67.5％，厚0.30mm，含合金粉量：8.36-8.38g。 
电池装配：将正极片P与负极片N2各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.45g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H5。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例6 
电池正极：取比较例中的正极P。 
电池负极：与比较例的负极制造流程基本相同，不同的是本实施例中调整刮浆刀具的定位片的厚度、宽度及在刀具上的位置，控制钢带通过刮浆刀后各区域的敷料量，从而制造出具备本发明所描述特征的电极片N3，头部长12.5mm，占极片总长10％、厚0.12mm，占极片厚度40％；尾部长50mm，占极片总长40％，厚0.12mm，占极片厚度40％；中部长62.5mm，占极片总长50％，厚0.30mm，含合金粉量：7.45-7.47g。 
电池装配：将正极片P与负极片N3各一片，与一片聚 烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.45g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H6。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例7 
电池正极：取实施例1中的正极P1。 
电池负极：取实施例4中的负极N1。 
电池装配：将正极片P1与负极片N1各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.45g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H7。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例8 
电池正极：取实施例2中的正极P2。 
电池负极：取实施例5中的负极N2。 
电池装配：将正极片P1与负极片N1各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.50g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H8。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
实施例9 
电池正极：取实施例3中的正极P3。 
电池负极：取实施例5中的负极N3。 
电池装配：将正极片P2与负极片N2各一片，与一片聚烯烃无纺布隔膜一起卷绕成电极组放入直径14.0mm、高度49.6mm的镀镍圆柱钢壳中，注入比重为1.30g/cm3的碱性电解液2.50g，然后封装成容量为2000mAh左右的AA(5号)镍氢电池H9。 
电池活化和性能检测：与比较例完全相同。 
表1是实施例和比较例的主要设计参数和检测结果的对比总结。 
表1 
Figure DEST_PATH_GSB00000366404600131
从比较例来看，电池的填粉量较多，电池的内部空间较少，注碱量也较少。虽然电池的容量达到要求，但是电池的过充性能和循环寿命性能都有待提高，且活性粉的利用率不高，成本较大。 
从实施例1到实施例3可以看出，随着正极头尾比例增加、厚度减小(即填粉量的减少)，电池的内部空间增加，正极活性粉利用率，过充和循环寿命性能都有所增加，但是随着正极填粉量的进一步减少，电池的容量会达不到设计要求。 
从实施例4到实施例6可以看出，随着负极头尾比例增加、厚度减小(即填粉量的减少)，N/P值下降，电池的过充性能和循环寿命性能有所下降，当负极填粉量下降到一定比例时，电池充电时有泄漏的可能。 
从实施例7到实施例9可以看出，随着正负极头尾比例增加、厚度减小(即填粉量同时减少)，电池的过充和循环寿命性能稳步提升，电池的容量随着正极填粉量的减少而有所减少，在一定比例内，电池的整体性能达到一个比较理想的状态，表现在：满足容量需求；正负极活性物质利用率较高，成本降低；内部空间较大，过充性能好；碱液量合适，循环寿命较好。电池的综合性能都有提高。 

Claims (2)

1.一种可充电电池的电池极片，电池极片有两部分组成，一是导电基材，二是通过发生电化学反应提供或储存电能的活性物质，活性物质的浆料填充于导电基材中，或活性物质的浆料涂覆于导电基材表面；其特征在于：电池极片在长度方向上分成3个区域，分别是头部、中部、尾部；正极片头部占极片总长5％-10％，头部厚度为中部厚度50％-90％，尾部占极片总长10-20％，尾部厚度为中部厚度的50-90％；负极片头部占极片总长5％-10％，头部厚度为中部厚度的40-80％，尾部占极片总长10-40％，尾部厚度为中部厚度的40-80％。
2.可充电电池的电池极片的制造方法，其特征在于制造方法包括以下步骤：首先，对导电基材进行预处理，使导电基材在极片长度方向上根据头部、中部、尾部区域预压成不同的长度和厚度；其次，通过间隙涂覆在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域涂覆活性物质的浆料，或通过填充模具在极片长度方向上按头部、中部、尾部区域填充活性物质的浆料；最后，头部、中部、尾部区域被连续碾压成设计厚度和长度的电极片。
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