CN104600375A - 高功率宽温带动力镍氢电池 - Google Patents

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周宴俊
王传胜
印涛
王彪
贺答
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Abstract

本发明公开了一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片和多个负极片，正极片主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，负极片主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；其中，所述正极物质中添加有钴粉、镍粉、二氧化钛及三氧化二钇，并且其分别占正极物质总质量的3.5～7wt％、5～8wt％、0.8～2wt％和0.3～1wt％；所述负极物质采用合金粉，并且负极物质中添加有镍粉，镍粉占负极物质总质量的8～12wt％。本发明能够在低温状态和高温状态下具有良好的充放电性能，工作温度范围较宽，并可实现高功率输入和输出，使用寿命长、储存性能好。

Description

高功率宽温带动力镍氢电池
技术领域
本发明涉及一种高功率宽温带动力镍氢电池，属于电池技术领域。
背景技术
目前，动力镍氢电池经过多年的发展已经基本成熟，其具有高容量比、高功率比、无污染、使用寿命长、工作温度范围宽等优点因而被广泛应用。现有技术的高温动力镍氢电池主要是正极采用高温球型亚镍，并在正极中添加钛、钇、铝元素，能在50℃以上环境下工作，但低温性能较差；低温动力镍氢电池主要是负极采用低温合金、低温电解液，低温性能较好，能在-40℃环境下工作，但高温性能较差。现有技术生产的常规动力镍氢电池，工作温度局限在-25℃～55℃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高功率宽温带动力镍氢电池，它能够在低温状态和高温状态下具有良好的充放电性能，工作温度范围较宽，并可实现高功率输入和输出，使用寿命长、储存性能好。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片和多个负极片，正极片主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，负极片主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；其中，所述正极物质中添加有钴粉、镍粉、二氧化钛及三氧化二钇，并且其分别占正极物质总质量的3.5～7wt％、5～8wt％、0.8～2wt％和0.3～1wt％；所述负极物质采用合金粉，并且负极物质中添加有镍粉，镍粉占负极物质总质量的8～12wt％。
进一步，所述正极片的厚度为0.3～0.6mm，密度为3.2～3.6g／cm3；所述负极片的厚度为0.2～0.4mm，密度为5.4～6.3g/cm3。
进一步，所述正极物质中还包括羧甲基纤维素和聚四氟乙烯，分别占正极物质总质量的0.2～0.4wt％和2～4wt％；
进一步，所述负极物质中还包括羟丙甲纤维素和聚四氟乙烯，分别占负极物质总质量的0.2～0.4wt％、2～4wt％。
进一步，所述负极物质采用的合金粉为功率型储氢合金粉。
进一步，它还包括隔膜袋、壳体、正极极柱、负极极柱、多组正极极耳和多组负极极耳，每组正极极耳电性连接在相应的正极片上端并与其组成正极片组件，每组负极极耳电性连接在相应的负极片上端并与其组成负极片组件，所述的多个正极片组件与多个负极片组件成相隔层叠状，负极片组件比正极片组件多1个，并且所述的隔膜袋套在正极片组件外，正极片组件、负极片组件以及隔膜袋均设置在壳体内，壳体内充有电解液，正极极柱的一端与多组正极极耳电性连接，另一端伸出壳体，负极极柱的一端与多组负极极耳电性连接，另一端也伸出壳体。
进一步，所述的壳体上设置有填充或放出电解液的安全阀。
进一步，所述的正极极柱与壳体之间以及负极极柱与壳体之间设置有密封组件。
进一步，所述的电解液为由氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂组成的三元电解液；其中，氢氧化钾的百分比浓度为25～35％；氢氧化钠的百分比浓度为0.5～5％；氢氧化锂的百分比浓度为0.5～5％。
进一步，所述的正极极耳和负极极耳为镀镍钢带或镍片，厚0.08～0.2mm，至少一片正极极耳与泡沫镍正极基体采用滚焊连接，至少一片负极极耳与泡沫镍负极基体采用滚焊连接。多片极耳的作用主要是提高极耳的引流面积及极耳与泡沫镍的接触面积，降低电池的欧姆内阻，提高电池大电流充放电能力。
采用了上述技术方案后，本发明的正极片主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，并且所述正极物质中添加有钴粉、镍粉、二氧化钛及三氧化二钇，并限定了其质量的范围，这些特性使本电池能在高温状态下具有良好的充放电性能；本发明的负极片主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成，负极物质采用功率型合金粉，并且负极物质中添加有镍粉，并限定了镍粉的质量范围，这些特性使本电池能在低温状态下具有良好的充放电性能，这样就使得本发明电池的工作温度较宽，电池能在-40℃～65℃环境下进行充放电；另外，本发明使用寿命长，其充放循环寿命大于1500次，可实现高功率输入输出，比功率可达1000W／kg以上。
附图说明
图1为本发明的高功率宽温带动力镍氢电池的结构示意图；
图2为本发明的负极片组件的结构示意图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为本发明的正极片组件的结构示意图；
图5为图4的D-D剖视图；
图6为图4的B-B剖视图；
图7为图4的C-C剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片10和多个负极片11，正极片10主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，正极片10重6.3g/片，正极片10厚0.52mm，密度为3.5g/cm3，正极片共19片，正极组总的重量119.7g／组；负极片11主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；负极片11重6.8g/片，负极片11厚0.33mm，密度5.88g／cm3，负极片11共20片，负极组总的重量136g/组；整个极组重量300克／组(含隔膜袋和相应的极耳)。
其中，正极物质配比：
Ni(OH)2：Co：镍粉(T255)：TiO2：Y2O3：CMC(羧甲基纤维素)：PTFE(聚四氟乙烯)=83.03：5.5：6.67：1：0.5：0.3：3。
负极物质配比：
储氢合金粉(MH，功率型)：镍粉(T255)：HPMC(羟丙甲纤维素)：PTFE：=88.4：10：0.4：1.2。
如图1所示，壳体1上设置有填充或放出电解液的安全阀2。
如图1～7所示，高功率宽温带动力镍氢电池还包括隔膜袋12、壳体1、正极极柱31、负极极柱32、多组正极极耳13和多组负极极耳14，每组正极极耳13电性连接在相应的正极片10上端并与其组成正极片组件，每组负极极耳14电性连接在相应的负极片11上端并与其组成负极片组件，多个正极片组件与多个负极片组件成相隔层叠状，外用隔膜包裹固定，负极片组件比正极片组件多1个，并且隔膜袋12套在正极片组件外，正极片组件、负极片组件以及隔膜袋12、外包隔膜均设置在壳体1内，壳体1内充有电解液，正极极柱31的一端与多组正极极耳13电性连接，另一端伸出壳体1，负极极柱32的一端与多组负极极耳14电性连接，另一端也伸出壳体。隔膜袋12为日本磺化隔膜。
如图1所示，正极极柱31与壳体1之间以及负极极柱32与壳体1之间设置有密封组件，壳体1由外壳和密封垫7组成，密封组件包括均安装在相应的正极极柱31或负极极柱32上的螺母4、外绝缘垫5、密封圈6和绝缘垫8，螺母4、外绝缘垫5和密封圈6依次压在密封垫7的上方，绝缘垫8在密封垫7的下方，绝缘垫8为高温、阻燃尼龙，密封圈6为三元乙丙橡胶。
电解液为由氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂组成的三元电解液；其中，氢氧化钾的百分比浓度为29％；氢氧化钠的百分比浓度为3.3％；氢氧化锂的百分比浓度为1.5％，加注量为极组重量的20％。
正极极耳13和负极极耳14为镀镍钢带或镍片，厚0.08～0.2mm，至少一片正极极耳13与泡沫镍正极基体采用滚焊连接，至少一片负极极耳14与泡沫镍负极基体采用滚焊连接。
本实例的正、负极片均采用湿法涂浆、烘干、碾压、裁切工艺，相应的极耳与相应的极片上端白边泡沫镍滚焊，正极片组件外套隔膜袋12，隔膜袋12口高出正极片10上端4～7mm，隔膜袋12上端贴6～10mm耐碱胶带15。
电池化成采用0.2C小电流充放，四步化成。第一步充额定容量100％，休息1h，0.2C放至0.8V；第二步充额定容量110％，休息1h，0.2C放至0.8V；第三步充额定容量115％，休息1h，0.2C放至0.8V；第四步充额定容量120％，休息1h，0.2C放至1.0V。
实施例二
如图1所示，一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片10和多个负极片11，正极片10主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，正极片10重6.3g/片，正极片10厚0.52mm，密度为3.5g／cm3，正极片共19片，正极组总的重量119.7g／组；负极片11主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；负极片11重6.8g／片，负极片11厚0.33mm，密度5.88g／cm3，负极片11共20片，负极组总的重量136g/组；整个极组重量300克／组(含隔膜袋套和相应的极耳)。
其中，正极物质配比：
Ni(OH)2：Co：镍粉(T255)：TiO2：Y2O3：CMC(羧甲基纤维素)：PTFE(聚四氟乙烯)=82.54：5.5：6.67：1.33：0.66：0.3：3。
负极物质配比：
储氢合金粉(MH，功率型)：镍粉(T255)：HPMC(羟丙甲纤维素)：PTFE=88.4：10：0.4：1.2。
如图1所示，壳体1上设置有填充或放出电解液的安全阀2。
如图1～7所示，高功率宽温带动力镍氢电池还包括隔膜袋12、壳体1、正极极柱31、负极极柱32、多组正极极耳13和多组负极极耳14，每组正极极耳13电性连接在相应的正极片10上端并与其组成正极片组件，每组负极极耳14电性连接在相应的负极片11上端并与其组成负极片组件，多个正极片组件与多个负极片组件成相隔层叠状，外用隔膜包裹固定，负极片组件比正极片组件多1个，并且隔膜袋12套在正极片组件外，正极片组件、负极片组件以及隔膜袋12、外包隔膜均设置在壳体1内，壳体1内充有电解液，正极极柱31的一端与多组正极极耳13电性连接，另一端伸出壳体1，负极极柱32的一端与多组负极极耳14电性连接，另一端也伸出壳体。隔膜袋12为日本磺化隔膜。
如图1所示，正极极柱31与壳体1之间以及负极极柱32与壳体1之间设置有密封组件，壳体1由外壳和密封垫7组成，密封组件包括均安装在相应的正极极柱31或负极极柱32上的螺母4、外绝缘垫5、密封圈6和绝缘垫8，螺母4、外绝缘垫5和密封圈6依次压在密封垫7的上方，绝缘垫8在密封垫7的下方，绝缘垫8为高温、阻燃尼龙，密封圈6为三元乙丙橡胶。
电解液为由氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂组成的三元电解液；其中，氢氧化钾的百分比浓度为35％；氢氧化钠的百分比浓度为5％；氢氧化锂的百分比浓度为5％，加注量为极组重量的20％。
正极极耳13和负极极耳14为镀镍钢带或镍片，厚0.08～0.2mm，至少一片正极极耳13与泡沫镍正极基体采用滚焊连接，至少一片负极极耳14与泡沫镍负极基体采用滚焊连接。
本实例的正、负极片均采用湿法涂浆、烘干、碾压、裁切工艺，相应的极耳与相应的极片上端白边泡沫镍滚焊，正极片组件外套隔膜袋12，隔膜袋12口高出正极片10上端4～7mm，隔膜袋12上端贴6～10mm耐碱胶带15。
电池化成采用0.2C小电流充放，四步化成。第一步充额定容量100％，休息1h，0.2C放至0.8V；第二步充额定容量110％，休息1h，0.2C放至0.8V；第三步充额定容量115％，休息1h，0.2C放至0.8V；第四步充额定容量120％，休息1h，0.2C放至1.0V。
实施例三
如图1所示，一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片10和多个负极片11，正极片10主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，正极片10重6.3g／片，正极片10厚0.52mm，密度为3.5g/cm3，正极片共19片，正极组总的重量119.7g/组；负极片11主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；负极片11重6.8g／片，负极片11厚0.33mm，密度5.88g/cm3，负极片11共20片，负极组总的重量136g/组；整个极组重量300克／组(含隔膜袋套和相应的极耳)。
其中，正极物质配比：
Ni(OH)2：Co：镍粉(T255)：TiO2：Y2O3：CMC(羧甲基纤维素)：PTFE(聚四氟乙烯)：去离子水=81.53：5.5：6.67：2：1：0.3：3。
负极物质配比：
储氢合金粉(MH，功率型)：镍粉(T255)：HPMC(羟丙甲纤维素)：PTFE：去离子水=86.4：12：0.4：1.2。
如图1所示，壳体1上设置有填充或放出电解液的安全阀2。
如图1～7所示，高功率宽温带动力镍氢电池还包括隔膜袋12、壳体1、正极极柱31、负极极柱32、多组正极极耳13和多组负极极耳14，每组正极极耳13电性连接在相应的正极片10上端并与其组成正极片组件，每组负极极耳14电性连接在相应的负极片11上端并与其组成负极片组件，多个正极片组件与多个负极片组件成相隔层叠状，外用隔膜包裹固定，负极片组件比正极片组件多1个，并且隔膜袋12套在正极片组件外，正极片组件、负极片组件以及隔膜袋12、外包隔膜均设置在壳体1内，壳体1内充有电解液，正极极柱31的一端与多组正极极耳13电性连接，另一端伸出壳体1，负极极柱32的一端与多组负极极耳14电性连接，另一端也伸出壳体。隔膜袋12为日本磺化隔膜。
如图1所示，正极极柱31与壳体1之间以及负极极柱32与壳体1之间设置有密封组件，壳体1由外壳密封垫7组成，密封组件包括均安装在相应的正极极柱31或负极极柱32上的螺母4、外绝缘垫5、密封圈6和绝缘垫8，螺母4、外绝缘垫5和密封圈6依次压在密封垫7的上方，绝缘垫8在密封垫7的下方，绝缘垫8为高温、阻燃尼龙，密封圈6为三元乙丙橡胶。
电解液为由氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂组成的三元电解液；其中，氢氧化钾的百分比浓度为25％；氢氧化钠的百分比浓度为0.5％；氢氧化锂的百分比浓度为0.5％，加注量为极组重量的20％。
正极极耳13和负极极耳14为镀镍钢带或镍片，厚0.08～0.2mm，至少一片正极极耳13与泡沫镍正极基体采用滚焊连接，至少一片负极极耳14与泡沫镍负极基体采用滚焊连接。
本实例的正、负极片均采用湿法涂浆、烘干、碾压、裁切工艺，相应的极耳与相应的极片上端白边泡沫镍滚焊，正极片组件外套隔膜袋12，隔膜袋12口高出正极片10上端4～7mm，隔膜袋12上端贴6～10mm耐碱胶带15。
电池化成采用0.2C小电流充放，四步化成。第一步充额定容量100％，休息1h，0.2C放至0.8V；第二步充额定容量110％，休息1h，0.2C放至0.8V；第三步充额定容量115％，休息1h，0.2C放至0.8V；第四步充额定容量120％，休息1h，0.2C放至1.0V。
经过检测，三个实施例制备的电池实测性能比较如下：
实施例1容量 实施例2容量 实施例3容量
容量 16.32(Ah) 16.31(Ah) 16.31(Ah)
常温12C放电 14.4(Ah) 14.42(Ah) 14.41(Ah)
-20℃放电性能 13.72(Ah) 13.62(Ah) 13.31(Ah)
-40℃放电性能 11.5(Ah) 11.2(Ah) 10.9(Ah)
-20℃充放电性能 14.3(Ah) 14.15(Ah) 13.97(Ah)
60℃充放电性能 14.15(Ah) 14.36(Ah) 14.4(Ah)
65℃充放电性能 13.24(Ah) 13.46(Ah) 13.45(Ah)
以上各性能检测充放电制度：
1、容量：常温0.5C充2h转0.1C充1h，休息30min，1C放电至1.0V；
2、常温12C放电：常温0.5C充2h转0.1C充1h，休息30min，12C放电至0.7V；
3、-20℃放电性能：常温0.5C充2h转0.1C充1h，-20℃环境下搁置20h，-20℃环境下1C放电至1.0V；
4、-40℃放电性能：常温0.5C充2h转0.1C充1h，-40℃环境下搁置20h，-40℃环境下0.2C放电至1.0V；
5、-20℃充放电性能：-20℃环境下搁置20h，-20℃环境下0.5C充2h转0.1C充1h，休息30min，-20℃环境下1C放电至1.0V；
6、60℃充放电性能：60℃环境下搁置5h，60℃环境下1／3C充3h，休息30min，60℃环境下1C放电至1.0V；
7、65℃充放电性能：65℃环境下搁置5h，65℃环境下1／3C充3h，休息30min，65℃环境下1C放电至1.0V；
综合上述：电池容量相差不大，常温12C放电性能，均能达额定容量的90％以上；低温状态下放电性能实施例一相对较好，实施例二次之；高温性能下放电性能实施例三较好，实施例二次之，高低温综合放电性能实施例二较好，-20℃放电性能达额定容量的85.12％，65℃充放电效率达84.1％。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率宽温带动力镍氢电池，它具有多个正极片(10)和多个负极片(11)，其特征在于：正极片(10)主要由泡沫镍正极基体和附在上面的正极物质组成，负极片(11)主要由泡沫镍负极基体和附在上面的负极物质组成；其中，所述正极物质中添加有钴粉、镍粉、二氧化钛及三氧化二钇，并且其分别占正极物质总质量的3.5～7wt％、5～8wt％、0.8～2wt％和0.3～1wt％；所述负极物质采用合金粉，并且负极物质中添加有镍粉，镍粉占负极物质总质量的8～12wt％。 
2.根据权利要求1所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述正极片(10)的厚度为0.3～0.6mm，密度为3.2～3.6g/cm3；所述负极片(11)的厚度为0.2～0.4mm，密度为5.4～6.3g／cm3。 
3.根据权利要求1所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述正极物质中还包括羧甲基纤维素和聚四氟乙烯，分别占正极物质总质量的0.2～0.4wt％和2～4wt％。 
4.根据权利要求1或3所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述负极物质中还包括羟丙甲纤维素和聚四氟乙烯，分别占负极物质总质量的0.2～0.4wt％、2～4wt％。 
5.根据权利要求1所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述负极物质采用的合金粉为功率型储氢合金粉。 
6.根据权利要求1所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：它还包括隔膜袋(12)、壳体(1)、正极极柱(31)、负极极柱(32)、多组正极极耳(13)和多组负极极耳(14)，每组正极极耳(13)电性连接在相应的正极片(10)上端并与其组成正极片组件，每组负极极耳(14)电性连接在相应的负极片(11)上端并与其组成负极片组件，所述的多个正极片组件与多个负极片组件成相隔层叠状，负极片组件比正极片组件多1个，并且所述的隔膜袋(12)套在正极片组件外，正极片组件、负极片组件以及隔膜袋(12)均设置在壳体(1)内，壳体(1)内充有电解液，正极极柱(31)的一端与多组正极极耳(13)电性连接，另一端伸出壳体(1)，负极极柱(32)的一端与多组负极极耳(14)电性连接，另一端也伸出壳体。 
7.根据权利要求6所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述的壳体(1)上设置有填充或放出电解液的安全阀(2)。 
8.根据权利要求6所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述的正极极柱(31)与壳体(1)之间以及负极极柱(32)与壳体(1)之间设置有密封组件。 
9.根据权利要求6所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述的电解液为由氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化锂组成的三元电解液；其中，氢氧化钾的百分比浓度为25～35％；氢氧化钠的百分比浓度为0.5～5％；氢氧化锂的百分比浓度为0.5～5％。 
10.根据权利要求6所述的高功率宽温带动力镍氢电池，其特征在于：所述的正极极耳(13)和负极极耳(14)为镀镍钢带或镍片，厚0.08～0.2mm，至少一片正极极耳(13)与泡沫镍正极基体采用滚焊连接，至少一片负极极耳(14)与泡沫镍负极基体采用滚焊连接。 
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