CN102956892A - 一种高温镍氢电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温镍氢电池，包括正极、负极以及电解液，所述正极的活性物质中含有氢氧化镍和钨酸钠，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～2。所述电解液由纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡组成，各组分重量比为100∶15～20∶2～5∶1～3∶0.5～2∶0.2～0.3。本发明还公开了一种所述高温镍氢电池的制备方法。本发明制备高温镍氢电池的方法简单，制备得到的高温镍氢电池在高温环境下仍能保持较高的充电效率。

Description

一种高温镍氢电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及镍氢电池技术领域，具体涉及一种在高温环境下仍能保持较高充电效率的镍氢电池及其制备方法。

背景技术

镍氢电池作为镍镉电池的替代品，与镍镉电池具有同样的外形，相同的电化学特性。但其安全环保，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境的污染。

现在，镍氢电池已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备，更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上。

镍氢电池具有较大的能量密度比，相同大小的镍氢电池电量比镍镉电池高大约1.5～2倍，这意味着相同型号的镍氢电池可以提供更长的工作时间。

镍氢电池通常由正极、负极、隔膜以及电解液等构成。正极通常为镍电极，镍电极由发泡镍做基体，经电化学浸渍而成；负极由储氢合金粉末附着在负极基体上制成；隔膜使正极、负极隔离，不允许电子通过，但允许隔膜中的离子搬运正极和负极反应时产生的电荷；电解液在镍氢电池中部消耗，主要起导电作用，电解液应具有尽可能高的电导率，以降低电池内阻，电解液的黏度和浓度都不易太高。

随着镍氢电池应用范围的扩大，出现了一些在极端环境下使用的镍氢电池。例如在高温环境下，用于太阳能路灯，道路指示灯等的镍氢电池，以及在一些常年处于高温环境的地区，如赤道附近等地区使用的镍氢电池。

在这些高温的使用环境中，对于镍氢电池在高温下的充电效率提出了更高要求。

申请号为200810027050.3的发明公开了一种镍氢高温电池，包括正极、负极、电解液和电池隔膜；所述正极包括活性物质、添加剂、粘结剂；所述活性物质为添加了重量比为1％-5％的铒、钇或镱元素的氧化物或氢氧化物的其中一种或几种作为添加剂的特殊氢氧化镍；所述添加剂为重量百分比为5％-8％的COO和重量百分比为1％-5％的铒或钇的氧化物；所述电解液包括氢氧化钠、氢氧化锂、水，还加入重量百分比为1％-5％的硼化合物作为添加剂。

现有技术中已经出现使用特殊的耐高温的球形氢氧化镍作为正极活性物质制成的高温镍氢电池，在75℃高温环境下能放出80％以上的电量。

但是，这些高温镍氢电池都普遍存在制作工艺复杂，或者制造成本较高的弊端，需要提供成本更低，工艺更简单的高温镍氢电池。

发明内容

本发明提供了一种高温镍氢电池，制备工艺简单，成本低廉，制备得到的镍氢电池在高温环境下能够保持较高的充电效率。

一种高温镍氢电池，包括正极、负极以及电解液，所述正极的活性物质中含有氢氧化镍和钨酸钠，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～2。

所述正极的活性物质中的氢氧化镍为普通的氢氧化镍，成本较低，同时，不改变现有的镍氢电池的结构，通过添加钨酸钠可以在一定程度上阻止氢氧化镍的失效，提高高温镍氢电池的循环寿命。

正极中添加钨酸钠需满足一定比例，如果添加量过少，达不到在高温环境中提高镍氢电池充电效率的目的，如果添加量过多，可能会降低镍氢电池的充电容量。

作为优选，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～1.5。进一步优选，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～1.2。

作为优选，所述正极的活性物质由氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠组成，所述氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠的重量比为100∶7～15∶1～2。

现有镍氢电池中正极的活性物质为氢氧化镍，但是，在氢氧化镍的粒子间以及氢氧化镍粒子与泡沫镍基体的间隙中存在较大的接触电阻，电子传递受到影响，因此，通常情况下，在正极中添加氧化亚钴，氧化亚钴在电解液中溶解、析出，覆盖在氢氧化镍表面，经过充电形成CoOOH，由于CoOOH具有良好的导电性，可以改善氢氧化镍与泡沫镍基体之间的导电性，降低电池的内阻，使氢氧化镍利用率提高。

进一步优选，所述氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠的重量比为100∶7～10∶1～2。

作为优选，所述电解液由纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡组成，各组分重量比为100∶15～20∶2～5∶1～3∶0.5～2∶0.2～0.3。

在电解液中添加钨酸钠，可以提高高温环境下，镍氢电池的吸氧过电位，有效提高镍氢电池的高温充电效率。

电解液中添加钨酸钠需满足一定比例，如果添加量过少，达不到在高温环境中提高镍氢电池充电效率的目的，如果添加量过多，可能会降低镍氢电池的充电容量。

进一步优选，所述电解液由纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡组成，各组分重量比为100∶15～20∶2～5∶1～3∶0.5～1.5∶0.2～0.3。

本发明还提供了一种所述的高温镍氢电池的制备方法，包括如下步骤：

(1)将正极活性物质混合均匀后，填充至正极基体泡沫镍中，经辊压和裁切，制成镍氢电池的正极极片；

(2)将储氢合金粉末辊压至负极基体铜网上，然后，在负极基体表面浸润聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压，得到负极极片；

(3)将氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡溶于纯净水中，冷却过滤，制备得到电解液；

(4)将正极、负极以及电解液组装成高温镍氢电池。

制作镍氢电池正极和负极均采用现有技术中的干法制作，工艺条件并无特殊要求。

将氢氧化镍、氧化亚钴以及钨酸钠按所述重量比混合，搅拌均匀，得到正极粉料。

将所得正极粉料通过机械填充泡沫镍基体上，经辊压和裁切，得到镍氢电池正极极片。

制作电解液时，可以先将氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠溶于纯净水，配成溶液后，再加入氢氧化钡混合均匀，也可以将所有物质全部溶于纯净水，配成电解液。

制备得到的正极极片、负极极片和现有技术中使用的隔膜依次层卷绕构成电极组，将电极组装入电池钢壳内，注入步骤(3)制备得到的电解液，密闭电池壳体，经过充放电化成，制造得到高温镍氢电池。

使用本发明方法制造的高温镍氢电池由于在正极以及电解液中添加了合适比例的钨酸钠，使得制备得到的镍氢电池在高温环境下仍能保持较高的充电效率。

具体实施方式

实施例1

正极制作：

将氢氧化镍、氧化亚钴及钨酸钠按92∶7∶1的重量比混合均匀，使用镍氢电池干法正极工艺填充到正极基体泡沫镍上，经辊压和裁切后，制成镍氢电池的正极极片；

负极制作：

将储氢合金粉末使用镍氢电池干法负极工艺辊压到负极基体铜网上，在其表面浸润一层聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压后，制成镍氢电池的负极极片；

电解液制作：

将纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠按80∶15∶3∶2∶1的重量比混合，并加入重量百分比为0.2％(以电解液总重量计)的氢氧化钡，冷却过滤后测试其比重，测试比重在1.20±0.02g/ml范围内，即可使用，如果比重不在1.20±0.02g/ml范围内，可以加入纯净水调节。

将正极极片、隔膜、负极极片依次层叠卷绕成电极组，将电极组装入电池钢壳内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充放电后，制成高温镍氢电池。

实施例2

正极制作：

将氢氧化镍、氧化亚钴及钨酸钠按91.9∶7∶1.1的重量比混合均匀，使用镍氢电池干法正极工艺填充到正极基体泡沫镍上，经辊压和裁切后，制成镍氢电池的正极极片；

负极制作：

将储氢合金粉末使用镍氢电池干法负极工艺辊压到负极基体铜网上，在其表面浸润一层聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压后，制成镍氢电池的负极极片；

电解液制作：

将纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠按80∶15∶3∶2∶0.9的重量比混合，并加入重量百分比为0.2％(以电解液总重量计)的氢氧化钡，冷却过滤后测试其比重，测试比重在1.20±0.02g/ml范围内，即可使用，如果比重不在1.20±0.02g/ml范围内，可以加入纯净水调节。

将正极极片、隔膜、负极极片依次层叠卷绕成电极组，将电极组装入电池钢壳内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充放电后，制成高温镍氢电池。

实施例3

正极制作：

将氢氧化镍、氧化亚钴及钨酸钠按91.8∶7∶1.2的重量比混合均匀，使用镍氢电池干法正极工艺填充到正极基体泡沫镍上，经辊压和裁切后，制成镍氢电池的正极极片；

负极制作：

将储氢合金粉末使用镍氢电池干法负极工艺辊压到负极基体铜网上，在其表面浸润一层聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压后，制成镍氢电池的负极极片；

电解液制作：

将纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠按80∶15∶3∶2∶0.8的重量比混合，并加入重量百分比为0.2％(以电解液总重量计)的氢氧化钡，冷却过滤后测试其比重，测试比重在1.20±0.02g/ml范围内，即可使用，如果比重不在1.20±0.02g/ml范围内，可以加入纯净水调节。

将正极极片、隔膜、负极极片依次层叠卷绕成电极组，将电极组装入电池钢壳内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充放电后，制成高温镍氢电池。

实施例4

正极制作：

将氢氧化镍、氧化亚钴及钨酸钠按91.7∶7∶1.3的重量比混合均匀，使用镍氢电池干法正极工艺填充到正极基体泡沫镍上，经辊压和裁切后，制成镍氢电池的正极极片；

负极制作：

将储氢合金粉末使用镍氢电池干法负极工艺辊压到负极基体铜网上，在其表面浸润一层聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压后，制成镍氢电池的负极极片；

电解液制作：

将纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠按80∶15∶3∶2∶1.1的重量比混合，并加入重量百分比为0.2％(以电解液总重量计)的氢氧化钡，冷却过滤后测试其比重，测试比重在1.20±0.02g/ml范围内，即可使用，如果比重不在1.20±0.02g/ml范围内，可以加入纯净水调节。

将正极极片、隔膜、负极极片依次层叠卷绕成电极组，将电极组装入电池钢壳内，注入电解液，密闭电池壳体，经过充放电后，制成高温镍氢电池。

对比例1

按照实施例1所述的方法制作镍氢电池，不同之处在于正极使用高温氢氧化镍，不添加钨酸钠，电解液为现有技术中使用的电解液。

对比例2

制作方法按照申请号为200810027050.3的发明中实施例1的制备方法。

对比例3

现有技术中的普通镍氢电池。

性能对比

测试镍氢电池在不同温度下的充放电效率的方法：

将镍氢电池分别在55℃、65℃，75℃，80℃环境下静置8h，使镍氢电池的温度与环境的温度相同，然后，使用0.1C的充电电流充电6h，用0.2C的放电电流放电至截止电压为1.0V，计算电池放电容量，并与镍氢电池在常温下的放电容量作比较，得到高温环境下镍氢电池的充电效率。

将各实施例和对比例得到的镍氢电池分别进行测试，测试结果取平均值，各实施例和对比例得到的镍氢电池在高温下的充电效率(即镍氢电池的放电容量与充电电量的比值，以百分数表示)，如表1所示：

表1

由表1可知，普通镍氢电池(即对比例3)随着环境温度的升高，充电效率急剧降低，环境温度为80℃时，已基本无法使用。

对比例2制作的镍氢电池相对普通镍氢电池在高温性能方面已有明显提升。

对比例1采用高温氢氧化镍制作的高温电池与对比例2相比，高温性能有进一步提高。

实施例1～4中正极活性物质使用普通氢氧化镍并添加钨酸钠，电解液中也添加了钨酸钠，制备得到的镍氢电池相比对比例1～3高温环境下性能显著提升，在80℃高温环境下，依然能够达到常温下80％以上的充电效率。

此外，相比对比例1～3，使用本发明方法制备得到的镍氢高温电池在成本上具有很大优势。

上述实施例通过在正极以及电解液中添加钨酸钠，改善镍氢电池在高温环境下的充电效率，钨酸钠的添加比例以及电解液的比重都需要经过实验反复验证，如果添加量过少，达不到预期的提高镍氢电池高温性能的理想效果，加入过多，可能会影响镍氢电池充电容量。

使用本发明方法制造的镍氢电池在正极及电解液中添加了钨酸钠，使镍氢电池在80℃高温环境下，充电效率仍能达到75％以上。

Claims (8)

1.一种高温镍氢电池，包括正极、负极以及电解液，其特征在于，所述正极的活性物质中含有氢氧化镍和钨酸钠，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～2。

2.如权利要求1所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～1.5。

3.如权利要求2所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述氢氧化镍和钨酸钠的重量比为100∶1～1.2。

4.如权利要求1所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述正极的活性物质由氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠组成，所述氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠的重量比为100∶7～15∶1～2。

5.如权利要求4所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述氢氧化镍、氧化亚钴和钨酸钠的重量比为100∶7～10∶1～2。

6.如权利要求1～5任一所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述电解液由纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡组成，各组分重量比为100∶15～20∶2～5∶1～3∶0.5～2∶0.2～0.3。

7.如权利要求6所述的高温镍氢电池，其特征在于，所述电解液由纯净水、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡组成，各组分重量比为100∶15～20∶2～5∶1～3∶0.5～1.5∶0.2～0.3。

8.一种如权利要求6或7所述的高温镍氢电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将正极活性物质混合均匀后，填充至正极基体泡沫镍中，经辊压和裁切，制成镍氢电池的正极极片；

(2)将储氢合金粉末辊压至负极基体铜网上，然后，在负极基体表面浸润聚四氟乙烯乳液，经烘干和辊压，得到负极极片；

(3)将氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、钨酸钠、氢氧化钡溶于纯净水中，冷却过滤，制备得到电解液；

(4)将正极、负极以及电解液组装成高温镍氢电池。