CN104022265B - 一种廉价锌银电池极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锌银电池极板制备领域，特别是一种廉价锌银电池极板及其制备方法。锌银电池极板包括泡沫金属骨架和活性物质涂层组成，泡沫金属具有三维孔道结构、良好的导电性、耐碱性和耐氧化性，满足电池极板的刚性需求。活性材料、粘合剂、导电剂和溶剂混合成的浆料涂覆在泡沫金属表面及内部，经过干燥、辊压获得一定厚度和密度的电池极板。本发明以泡沫金属代替传统的银网骨架，可有效避免电极活性材料的脱落，降低电极的制造成本，且可以制备出更薄的极片，提高电池的能量密度。本发明方法制备电池极板具有工艺简单、易大规模大尺寸生产的特点。
Description
技术领域
本发明涉及锌银电池极板制备领域，特别是一种廉价锌银电池极板及其制备方法。
背景技术
锌银电池是20世纪40年代开始研制的一种实用的高比能量、高比功率电池，广泛应用在导弹、火箭、鱼雷上、卫星等军事设备上，在民用方面应用较少，主要集中在新闻摄影、电子手表、助听器和心脏起搏器等方面。
锌银单体电池由极板组、单体壳、单体盖、极柱、气塞等几部组成，极板组包括正极板、负极板和隔膜三部分，整个电池的性能由上述三种材料决定。其中，正、负极板对于电池的能量密度、放电性能和制造成本等方面具有关键影响。
如前所述，虽然锌银电池相对于其他种类电池具有优异的性能，但高成本的缺陷限制了其在民用领域的应用，如：美国Zpower工作一直在推广用于笔记本电脑的锌银电池系统，但是进展缓慢，无法与成本低、性能佳的锂离子电池抗衡。
降低锌银电池成本的关键在于降低电极板的成本，传统锌银电池的极板均是以高纯度银网为骨架，在其上附着高活性氧化银粉或锌粉制备出正极板或负极板，大量使用银网严重提高了电池成本。若能采用其他廉价材料代替银网，且可以保持银网的性能是一个降低锌银电池成本的有效方案，目前广泛使用的泡沫金属为此问题的解决带来了希望。
发明内容
本发明的目的在于提供一种廉价锌银电池极板及其制备方法，此极板包括泡沫金属骨架和活性物质涂层，用此方法制备的锌银电池极板具有制备成本低廉，电极活性材料不易脱落，极板厚度可控范围大的优点。
本发明的技术方案是：
一种廉价锌银电池极板，极板包括泡沫金属骨架和附着于其表面和内部的活性材料，由含有活性材料的浆料经涂布工艺涂覆于泡沫金属，经过干燥和辊压获得一定厚度和密度的电池极板；
所述的泡沫金属为孔隙率高、导电性、耐氧化性和耐碱性较强的金属材料，所述的活性材料为锌银电池的正极材料氧化银或过氧化银，负极材料锌粉，或者是能够代替上述材料满足电池放电性能的其它粉体材料。
所述的廉价锌银电池极板，泡沫金属骨架包括：泡沫镍、泡沫银或泡沫镍基泡沫银，或者其它具有较高导电性、耐碱性、耐氧化性、可以制备成泡沫状结构的金属材料。
所述的廉价锌银电池极板，所述的泡沫金属的孔隙率为35％～97％，厚度为100μm～5000μm，开孔尺寸为5μm～1000μm。
所述的廉价锌银电池极板，含有活性材料的浆料由以下质量份的原料组成：100～10000质量份溶剂、50～500质量份活性材料、20～200质量份导电剂、20～200质量份粘合剂；
所述的粘合剂为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素或丁苯橡胶乳液、具有粘性的有机高分子材料中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的导电剂为乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、石墨中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、水的一种或两种以上任意比例混合物。
所述的廉价锌银电池极板，含有活性材料的浆料还包括1～10质量份氧化汞。
所述的廉价锌银电池极板，辊压操作的压力为10MPa～2000MPa，操作温度20℃～200℃。
所述的廉价锌银电池极板的制备方法，包括泡沫金属处理、配置活性浆料、涂布活性材料、干燥、辊压过程，具体如下：
(1)泡沫金属处理，泡沫金属在使用前需经过辊压调整厚度，经过去离子水、乙醇或丙酮超声清洗；
(2)配置活性材料浆料，首先粘合剂在溶剂中完全溶解，再加入混合均匀的活性材料、导电极和溶剂，浆料的混合方式采用机械搅拌、球磨搅拌和超声处理方式中的一种或两种以上配合；
(3)涂布活性材料包括浸渍涂覆、辊涂、喷涂或刮涂可以使膏状材料附着在多孔材料表面及内部的工艺。
本发明的优点和有益效果是：
1、基于传统锌银电池制备成本高的问题，本发明提出以下想法：以泡沫金属代替传统电池极板的银网骨架，将活性材料涂覆于其表面和内部制备新型电池极板。泡沫金属具有三维孔道结构、良好的导电性、耐碱性和耐氧化性，满足电池极板的刚性需求和电学性能要求。本发明以泡沫金属代替传统的银网骨架，可有效避免电极活性材料的脱落，降低电极的制造成本，且可以制备出更薄的极片，提高电池的能量密度。
2、使用本发明工艺制备的锌银电池极板具有生产工艺简单、成本低廉、综合性能优异等特点，可实现大规模工业化生产。
总之，本发明廉价锌银电池极板包括泡沫金属骨架和粘附于其表面和内部的活性材料层。泡沫金属具有三维孔道结构、良好的导电性、耐碱性和耐氧化性，满足电池极板的刚性需求。活性材料、粘合剂、导电剂和溶剂混合成的浆料涂覆在泡沫金属表面及内部，经过干燥、辊压获得一定厚度和密度的电池极板。本发明以泡沫金属代替传统的银网骨架，可有效避免电极活性材料的脱落，降低电极的制造成本，且可以制备出更薄的极片，提高电池的能量密度。本发明方法制备电池极板具有工艺简单、易大规模大尺寸生产的特点。
具体实施方式
本发明廉价锌银电池极板包括泡沫金属骨架和附着于其表面和内部的活性材料，由含有活性材料、粘合剂、导电剂和溶剂的浆料经一定涂布工艺涂覆于泡沫金属，经过干燥和辊压获得一定厚度和密度的电池极板；
所述的泡沫金属为孔隙率高、导电性、耐氧化性和耐碱性较强的金属材料，所述的活性材料为锌银电池的正极材料氧化银或过氧化银，负极材料锌粉，也可以是能够代替上述材料满足电池放电性能的其它粉体材料。所述的泡沫金属骨架包括：泡沫镍、泡沫银、泡沫镍基泡沫银，以及其它具有较高导电性、耐碱性、耐氧化性、可以制备成泡沫状结构的材料。
所述的泡沫金属骨架的孔隙率为35％～97％，厚度为100μm～5000μm，开孔尺寸为5μm～1000μm。
所述的含有活性材料的浆料由以下质量份的原料组成：100～10000质量份溶剂、50～500质量份活性材料、20～200质量份导电剂、20～200质量份粘合剂。
所述的粘合剂为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素或丁苯橡胶乳液、具有粘性的有机高分子材料中的一种或两种以上任意比例混合物；所述的导电剂为乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、石墨中的一种或两种以上任意比例混合物；所述的溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、水的一种或两种以上任意比例混合物。
所述的辊压操作的压力为10MPa～2000MPa，操作温度20℃～200℃。
所述的廉价锌银电池极板的制备方法包括泡沫金属处理、配置活性浆料、涂布活性材料、干燥、辊压等过程。所述的泡沫金属在使用前需经过辊压调整厚度，经过去离子水、乙醇、丙酮等溶剂超声清洗。所述的活性材料浆料，首先粘合剂在溶剂中完全溶解，再加入混合均匀的活性材料、导电极和溶剂等材料。浆料的混合方式采用机械搅拌、球磨搅拌和超声处理方式中的一种或两种以上配合。所述的涂布活性材料包括浸渍涂覆、辊涂、喷涂、刮涂等可以使膏状材料附着在多孔材料表面及内部的工艺。
本发明中，除特别指明，涉及的百分数均为质量百分比。
下面通过实施例对本发明进一步详细描述。
实施例1
将克重为280g/m2的泡沫镍通过滚压调整厚度为250μm，在无水乙醇中浸泡1h后干燥备用。
制备锌银电池正极板，按质量比配置N-甲基吡咯烷酮：氧化银粉：乙炔黑：聚偏氟乙烯＝5：0.8：0.1：0.1的正极活性材料浆料，机械搅拌5h保证浆料混合均匀。通过辊涂工艺在泡沫镍骨架中涂覆活性材料，在120℃下干燥12h。最后，在100MPa下滚压调整极板厚度为100μm。
制备锌银电池负极板，按质量比配置N-甲基吡咯烷酮：锌粉：乙炔黑：聚偏氟乙烯：氧化汞＝5：0.8：0.15：0.1：0.02的负极活性材料浆料，氧化汞的作用为抑氢剂，球磨搅拌3h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫镍骨架中涂覆活性材料，在120℃下干燥12h。最后，在60MPa下滚压调整极板厚度为140μm。
从而，获得以泡沫镍为骨架的锌银电池正、负极板。
实施例2
将克重为420g/m2的泡沫镍通过滚压调整厚度为350μm，在丙酮中浸泡1h后干燥备用。
制备锌银电池正极板，按质量比配置水：氧化银粉：石墨：聚乙烯醇＝5：1.2：0.15：0.1的正极活性材料浆料，机械搅拌5h保证浆料混合均匀。通过刮涂工艺在泡沫镍骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在100MPa下滚压调整极板厚度为120μm。
制备锌银电池负极板，按质量比配置水：锌粉：乙炔黑：聚乙烯醇：氧化汞＝5：1.5：0.1：0.2：0.03的负极活性材料浆料，球磨搅拌3h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫镍骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在80MPa下滚压调整极板厚度为150μm。
从而，获得以泡沫镍为骨架的锌银电池正、负极板。
实施例3
将克重为240g/m2的泡沫镍基泡沫银通过滚压调整厚度为180μm，在乙醇中浸泡1h后干燥备用。
制备锌银电池正极板，按质量比配置水：氧化银粉：炭黑：聚乙烯醇＝5：1.2：0.15：0.1的正极活性材料浆料，机械搅拌5h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在100MPa下滚压调整极板厚度为90μm。
制备锌银电池负极板，按质量比配置水：锌粉：乙炔黑：聚乙烯醇：氧化汞＝5：1.5：0.1：0.2：0.03的负极活性材料浆料，球磨搅拌3h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在80MPa下滚压调整极板厚度为100μm。
从而，获得以泡沫镍基泡沫银为骨架的锌银电池正、负极板。
实施例4
将克重为320g/m2的泡沫镍基泡沫银通过滚压调整厚度为300μm，丙酮醇中浸泡1h后干燥备用。
制备锌银电池正极板，按质量比配置丙酮：氧化银粉：科琴黑：醋酸纤维素＝5：0.8：0.15：0.15的正极活性材料浆料，球磨搅拌5h保证浆料混合均匀。通过辊涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在150MPa下滚压调整极板厚度为80μm。
制备锌银电池负极板，按质量比配置丙酮：锌粉：碳纤维：羧甲基纤维素钠：氧化汞＝5：1.8：0.3：0.3：0.01的负极活性材料浆料，球磨搅拌3h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在100MPa下滚压调整极板厚度为120μm。
从而，获得以泡沫镍基泡沫银为骨架的锌银电池正、负极板。
实施例5
将克重为350g/m2的泡沫银通过滚压调整厚度为280μm，丙酮醇中浸泡1h后干燥备用。
制备锌银电池正极板，按质量比配置丙酮：氧化银粉：科琴黑：聚甲基丙烯酸甲酯＝5：0.50：0.10：0.10的正极活性材料浆料，球磨搅拌4h保证浆料混合均匀。通过辊涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在180MPa下滚压调整极板厚度为100μm。
制备锌银电池负极板，按质量比配置丙酮：锌粉：碳纤维：丁苯橡胶乳液：氧化汞＝5：1.2：0.25：0.25：0.02的负极活性材料浆料，球磨搅拌3h保证浆料混合均匀。通过浸涂工艺在泡沫骨架中涂覆活性材料，在100℃下干燥6h。最后，在180MPa下滚压调整极板厚度为120μm。
从而，获得以泡沫银为骨架的锌银电池正、负极板。
实施例结果表明，本发明锌银电池极板包括泡沫金属骨架和活性物质涂层组成，泡沫金属具有三维孔道结构、良好的导电性、耐碱性和耐氧化性，满足电池极板的刚性需求。活性材料、粘合剂、导电剂和溶剂混合成的浆料涂覆在泡沫金属表面及内部，经过干燥、辊压获得一定厚度和密度的电池极板。本发明以泡沫金属代替传统的银网骨架，可有效避免电极活性材料的脱落，降低电极的制造成本，且可以制备出更薄的极片，提高电池的能量密度。
Claims (4)
1.一种廉价锌银电池极板，其特征在于，极板包括泡沫金属骨架和附着于其表面和内部的活性材料，由含有活性材料的浆料经涂布工艺涂覆于泡沫金属，经过干燥和辊压获得一定厚度和密度的电池极板；
所述的泡沫金属骨架包括：泡沫镍、泡沫银或泡沫镍基泡沫银，所述的活性材料为锌银电池的正极材料氧化银或过氧化银，负极材料锌粉；
含有活性材料的浆料由以下质量份的原料组成：100～10000质量份溶剂、50～500质量份活性材料、20～200质量份导电剂、20～200质量份粘合剂；
所述的粘合剂为聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、醋酸纤维素或丁苯橡胶乳液中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的导电剂为乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、石墨中的一种或两种以上任意比例混合物；
所述的溶剂为甲苯、丙酮、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N-甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、水的一种或两种以上任意比例混合物；
在锌银电池负极板中，含有活性材料的浆料还包括1～10质量份氧化汞。
2.根据权利要求1所述的廉价锌银电池极板，其特征在于：所述的泡沫金属的孔隙率为35%～97%，厚度为100μm～5000μm，开孔尺寸为5μm～1000μm。
3.根据权利要求1所述的廉价锌银电池极板，其特征在于：辊压操作的压力为10MPa～2000MPa，操作温度20℃～200℃。
4.一种权利要求1-3之一所述的廉价锌银电池极板的制备方法，其特征在于：包括泡沫金属处理、配置活性浆料、涂布活性材料、干燥、辊压过程，具体如下：
（1）泡沫金属处理，泡沫金属在使用前需经过辊压调整厚度，经过去离子水、乙醇或丙酮超声清洗；
（2）配置活性材料浆料，首先粘合剂在溶剂中完全溶解，再加入混合均匀的活性材料、导电极和溶剂，浆料的混合方式采用机械搅拌、球磨搅拌和超声处理方式中的一种或两种以上配合；
（3）涂布活性材料包括浸渍涂覆、辊涂、喷涂或刮涂可以使膏状材料附着在多孔材料表面及内部的工艺。
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