CN102094225A - 多孔金属材料及制备方法 - Google Patents

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谢红雨
朱济群
龙文贵
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Abstract

本发明提供了一种多孔金属，具有三维网状通孔结构，由金属构成其骨架，材料的通孔呈椭圆状，且通孔的长轴与短轴长度之比为(4～20)∶1。上述材料的制备方法是在基体导电化后和电沉积前对基体进行纵横向双向拉伸，随后在硫酸盐体系中进行电沉积和热处理。本发明的多孔金属材料能有效改善纵横向面密度均匀性，提升了抗拉强度和延伸率，更适用于汽车动力电池领域。

Description

多孔金属材料及制备方法
技术领域
本发明涉及多孔金属材料及制备方法。
背景技术
目前多孔金属材料如泡沫镍、泡沫铜等多用于制作电池电极、过滤、催化剂载体等。作为多孔金属材料的基体材料，原始发泡聚胺酯海绵具有三维不规则孔径的网状结构，采用此种结构的基体所生产的泡沫金属，因不规则的孔径导致电沉积的不均匀性，造成所制备的多孔金属面密度的严重不一致和多孔金属材料的抗拉强度较低，专利200510136785.6描述了对聚胺酯海绵拉伸后，具有三维椭圆泡形孔网络骨架结构，可以使泡沫金属材料纵向抗拉强度提高，导电性增强，使泡沫镍产品纵向面密度严重不均得到空前改善，横向柔软性大大提高，虽然在其权利要求书中指出长短轴之比为(1.3∶1)-(10∶1)，但在说明书中却并未提供大于3∶1的材料的制备及性能情况，也未给出长短轴之比的变化对材料性有的影响的说明，因此实际该专利只研究了长短轴之比低于3∶1的材料情况，而我们也在实验中发现在这样的比例范围，仍无法有效改善整体性能，这种材料无法制备性能均一的单体电池，无法承受较大电流的冲击，特别是应用于纯电动汽车领域。
发明内容
本发明旨在提供一种进一步改善金属沉积均匀性、抗拉强度及延伸率，可承受较大电流冲击，提高电池容量及使用寿命，适合动力电池使用的多孔金属材料及制备方法。
本发明通过以下方案实现：
多孔金属材料具有三维网状通孔结构，由金属构成其骨架，材料的通孔呈椭圆状，且通孔的长轴与短轴长度之比为(4～20)∶1。
上述多孔金属材料可采用以下方法制备，多孔非金属基材经导电化处理后，对基材实施纵向或/和横向的拉伸操作，之后再其上电化学沉积金属，最后经热处理步骤制备得到多孔金属材料。
而为了保证材料的性能，采用15～120N的恒拉力对材料进行均恒拉伸为宜。
多孔非金属基材一般采用厚度为1.0-10.0mm厚，10-200PPI的聚胺酯海绵，基材导电化处理采用磁控溅射或化学镀或涂导电胶等方法。
与现有技术相比，本发明的优点体现于：
1.本发明的多孔金属材料可有效改善材料纵横双向的电沉积面密度均匀性，另一方面可在相同体积的基体上沉积更多的金属，增强了材料内部的孔连接结构的致密性和强度，由此不仅增强了材料的抗拉强度，更有效增强了材料的延伸性能；由此将材料应用于制作电池电极时，改善了电极制备过程中容易出现的内阻过大，电池容量均匀性不一致的问题，并且可使电极承受大电流的冲击，更能满足动力电池的需要。
2.本发明提供的方法，实现简单，与现有生产工艺匹配，易实现规模化生产。
附图说明
图1：本发明实施例1材料的单孔SEM图
图2：本发明实施例1的材料与现有材料的电池容量对比循环图
图3：本发明制备的具有不同长轴与短轴长度比例通孔多孔材料纵向和横向电沉积密度均匀性分布图
图4：本发明制备的具有不同长轴与短轴长度比例通孔多孔材料纵向和横向抗拉强度检测图
具体实施方式
实施例1
采用厚度为1.8mm的聚胺酯海绵材料为基体，按以下工艺流程进行制备：
首先采用物理气相沉积方式，在聚胺酯海绵基材上沉积一层镍层，镍沉积量为0.3g/m2。
第二步是采用25N恒拉力将导电化处理后的基体材料同时进行纵向和横向双向拉伸，纵横双向的拉伸值均为23％。
随后采用上述经拉伸后的基材作为电镀阴极，在普通的瓦特电镀体系下进行电沉积金属镍，并在600℃焚烧后，再于930℃，在含70％氢气和30％氮气的保护气氛中进行还原处理，制得多孔镍材料。
随后在普通的硫酸盐体系下对拉伸后的材料进行电沉积，并在600℃焚烧后，再于930℃，在含70％氢气和30％氮气的保护气氛中进行还原处理。
实施例2
实施例1方法制备的多孔镍材料，在电镜下观察并测量，如图1所示，材料的通孔呈椭圆状，且通孔的长轴与短轴长度之比为4.5∶1。
分别采用上述实施例1的多孔镍和现有普通多孔镍材料(对比例1)制作镍锌电池的正极极板材料，其他与常规镍锌电池相同，采用如下工艺进行检测对比：
恒流充电：1C充至1.9V
恒压充电：恒压1.9V，1C电流充限流50mA
恒流放电：1C放至1.2V
检测结果如图2所示。图中A曲线为采用本实施例1的多孔镍材料的电池性能曲线；B，C两条曲线为采用现有普通多孔镍材料的电池性能曲线。由图中可看出，采用本发明材料所制成的电池放电曲线平稳，循环寿命较常规电池有35％提升，同时在容量衰减性能上更加优异。
实施例3
采用基本与实施例1相同的方法制备不同长轴与短轴长度比例通孔的多孔镍材料，
将材料进行电沉积面密度均匀性和抗拉强度检测对比。检测结果如图3和图4所示。从图3中可以看出，材料拉伸后通孔的长轴与短轴长度比例在(4～20)∶1之间，面密度均匀性波动偏差稳定在±5水平；而在4％以下时，面密度实际值会偏高，波动偏差在±25；孔径比在20％以上时，面密度实际值会偏低，波动偏差在±20。由此可见，拉伸后材料的通孔的长轴与短轴长度比例在(4～20)∶1时，面密度均匀性能提升75％以上。而从图4更可以看出，拉伸后材料的通孔长轴与短轴长度比例在(4～20)∶1时，材料的抗拉强度和延伸率都有12％的提升。
实施例4
采用实施例1基本相同的方式制备多孔镍材料，与其不同的工艺条件如下：
1.原始聚氨脂海绵基材厚度为5mm；
2.材料纵横向拉伸采用50N恒拉力，拉伸变形量为35％；
3.电沉积后热处理的焚烧温度为400℃，还原温度为1000℃；
按上述方法制备的多孔镍材料，经测量，材料的通孔的长轴与短轴长度比例为10.5∶1。
实施例5
采用实施例1基本相同的方式制备多孔镍材料，与其不同的工艺条件如下：
1.原始聚氨脂海绵基材厚度为8.5mm；
2.材料纵横向拉伸采用80N恒拉力，拉伸变形量为55％；
3.电沉积后热处理的焚烧温度为350℃，还原温度为1050℃。按上述方法制备的多孔镍材料，经测量，材料的纵横向孔径比值为15.5∶1。

Claims (3)

1.一种多孔金属材料，具有三维网状通孔结构，由金属构成其骨架，其特征在于：材料的通孔呈椭圆状，且通孔的长轴与短轴长度之比为(4～20)∶1。
2.如权利要求1所述的多孔金属材料的制备方法，多孔非金属基材经导电化处理——电化学沉积金属——热处理步骤制备得到多孔金属材料，其特征在于：在多孔非金属基材导电化处理后和电沉积前对基材实施纵向或/和横向的拉伸操作。
3.如权利要求1所述的多孔金属材料的制备方法，其特征在于：采用15～120N的恒拉力对材料进行均恒拉伸。
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