CN104882570A - 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 - Google Patents
一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104882570A CN104882570A CN201510320168.5A CN201510320168A CN104882570A CN 104882570 A CN104882570 A CN 104882570A CN 201510320168 A CN201510320168 A CN 201510320168A CN 104882570 A CN104882570 A CN 104882570A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- steel shell
- alkaline zinc
- graphene
- conductive coating
- steel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 160
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 160
- WJZHMLNIAZSFDO-UHFFFAOYSA-N manganese zinc Chemical compound [Mn].[Zn] WJZHMLNIAZSFDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 43
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 113
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 111
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 92
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 17
- 239000011268 mixed slurry Substances 0.000 claims description 15
- SZKTYYIADWRVSA-UHFFFAOYSA-N zinc manganese(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[Mn++].[Zn++] SZKTYYIADWRVSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 13
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 claims description 11
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 11
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 6
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 5
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 claims description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 4
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 3
- 238000000053 physical method Methods 0.000 claims description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 3
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000013530 defoamer Substances 0.000 claims 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 claims 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 16
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 10
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 7
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 6
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 5
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 5
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 5
- 229940105329 carboxymethylcellulose Drugs 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N zinc;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Zn+2] RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 4
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 4
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 4
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 239000002518 antifoaming agent Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 2
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 241000446313 Lamella Species 0.000 description 1
- 229910003174 MnOOH Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000221535 Pucciniales Species 0.000 description 1
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 239000002482 conductive additive Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
- H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
- H01M50/116—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material
- H01M50/124—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by the material having a layered structure
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Primary Cells (AREA)
- Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明公开了一种碱性锌锰电池的钢壳,包括集流体钢壳,集流体钢壳的内壁涂覆有石墨烯改性的导电涂层;该导电涂层的厚度为0.01微米~20微米,提高导电涂层与钢壳内表面的覆盖密度与粘接性能,降低电池径向电阻与正极环与钢壳间的界面电阻,进一步提高碱性锌锰电池的大电流放电性能的碱性锌锰电池的钢壳。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于碱性锌锰电池钢壳的导电涂层技术领域,尤其是涉及一种碱性锌锰电池的钢壳。
背景技术
碱性锌锰电池主要是由负极、隔膜纸、电解液、壳体五大部分组成;碱性锌锰电池负极主要由锌粉、吸水性聚合物为凝胶剂和溶有ZnO的KOH为电解液制成的浆状混合物。正极主要是二氧化锰(MnO2),石墨,加入适量粘合剂或脱模剂和KOH电解液,混合均匀经过压片、造粒、打环后制成环式结构的正极混合物。隔膜纸是一种特殊的多孔膜,电解液是由KOH溶液。壳体是由负极底、密封圈、以及钢壳共同形成一个密封装置。
其中碱性锌锰电池的钢壳不同于其他电池,其既是电池的容器,更是正极集流体:活性材料均匀分布于钢壳集流体表面,集流体通过与活性材料的物理接触将电化学反应产生的电子汇集并导出至外电路,从而实现化学能转化为电能的过程。集流体与活性材料间的接触是碱性锌锰电池放电性能的重要影响因素。因盲孔电镀的镍镀层口厚底薄,造成口部的内腔尺寸小于底部的内腔尺寸,因此即使正极环的尺寸完全相同,环分别与口部和底部的钢壳配合程度也是不同的。钢壳对电池大电流放电性能的影响主要来自于其内表面处理状况,钢壳内壁导电涂层可以增加环与壳体的配合均匀性与导电性,是提高正极活性物质利用率以及电池大电流放电性能的重要手段。另外,在现行的钢壳电镀生产工艺中,无论口部还是底部都存在电镀针孔,尤其是底部甚至存在漏底现象而露出铁基体。由于MnO2的电位较正(φoMnO2/MnOOH=0.415V),而钢壳内表面镍镀层尤其是钢壳基体的电位较负(φoFe/Fe(OH)3=-0.89V),所以钢壳内表面会受到正极物质化学的与电化学的氧化作用,使镍镀层氧化与基体(针孔、露底或撕裂处)氧化。常见的现象为钢壳内表面的麻点或锈点,降低钢壳的导电能力,进而影响到对正极的集流效果,降低电池的贮存放电性能。在钢壳内壁涂上一层导电涂层,可机械地隔离钢壳与正极的接触,从而防止或缓解正极物质MnO2对钢壳化学的与电化学的氧化。
导电涂层是由导电涂料在钢壳内壁喷涂得到的,目前没有专门针对碱性锌锰电池的而设计的导电涂料。目前的导电涂料从导电性能和成本综合考虑,主要选择导电性良好的石墨或碳黑作为导电涂料的碳材料,例如青岛天润、德国汉高、日本昭和电工、上海中兴派能等企业。我们通过大量的实验发现:要达到钢壳内表面的防腐与抗氧化要求,采用以上厂家导电涂料时涂层厚度需要不低于5~50μm,这一方面导致电池内阻增大,另一方面会致使电池容量降低;由于钢壳内表面憎水性保护膜的使用、电池长时间的贮存以及高分子粘结剂粘结性能的下降,普通碳材料基导电涂层与钢壳间的粘附性会逐渐降低并且导电涂层吸液产生不可逆膨胀,导电涂层脱落致使界面电阻进一步增大、电池各项贮存放电下降明显,目前一般厂家生产的碱锰电池在保质期内3-4年,电池内阻便增加3-4倍、大电流放电性能便下降30%~50%。
总之,目前的以石墨或碳黑作为导电基体的涂料/涂层被广泛用于碱锰电池钢壳,但我们发现因其对钢壳内表面的覆盖密度与保护能力有限,需要较高的厚度,而较高的涂层厚度(5~50μm)导致钢壳的径向电阻增加、电池容量降低,同时导电涂层对钢壳的粘接性能减低,最终导致电池大电流放电性能、贮存性能降低,不适应当前新型数码电器产品发展的需要,极大地制约了碱性锌锰电池市场的进一步拓展。本领域缺乏一种可以提高碱性锌锰电池的大电流放电、电池贮存性能的钢壳内壁导电涂层改进技术,本领域迫切需要开发这种可使得碱性锌锰电池大电流放电、电池贮存性能大幅度提升的技术。
本发明采用一种新型的具有二维纳米结构的导电材料—石墨烯,从其结构和物理性能分析,石墨烯改性的导电涂层,将具有较高的导电性能,除此以外,我们还意外的发现由于其特殊的片层以及高缺陷高官能团结构,使用该材料改性钢壳内表面时,导电涂层对钢壳内表面的覆盖密度与粘附性能将大大提升(如图1所示),可有效的抑制因常规碳材料涂层的覆盖致密度低或膨胀剥离产生的钢壳腐蚀生锈,涂层厚度只需要做到0.01~20μm,因此不损失容量,另外还提高导电性能,降低正极环与钢壳间的界面电阻与径向电阻,致使碱性锌锰电池的正极活性物质以及容量得到更好的发挥,改善碱性锌锰电池的大电流放电性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高导电涂层与钢壳内表面的覆盖密度与粘接性能,降低电池径向电阻与正极环与钢壳间的界面电阻,进一步提高碱性锌锰电池的大电流放电性能的碱性锌锰电池的钢壳。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于包括集流体钢壳,所述的集流体钢壳的内壁涂覆有石墨烯改性的导电涂层;该导电涂层的厚度为0.01微米~20微米。
所述的导电涂层包含以下质量配比的物质:石墨烯材料1份~98份、导电剂1份~98粉和粘结剂1份~10份。
所述的石墨烯通过氧化石墨还原法、物理法、机械剥离法、外延生长法、气相沉积法或原位自生模板法制备得到。
所述的石墨烯材料的厚度为0.5~100纳米。
所述的石墨烯材料的比表面积为10~2500㎡/g。
所述的石墨烯材料的面积为0.01~~1000μm。
所述的导电剂包括石墨、碳纳米管、碳纤维、活性碳、无定形碳、导电炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6中的一种或几种组合;所述的粘结剂包括聚偏氟乙烯、CMC、SBR、LA系列粘结剂中的一种或几种组合。
导电涂层的制备方法包含:
(a)将石墨烯、导电剂、粘结剂以及少量添加剂均匀分散于溶剂中,得到混合浆料;
(b)将上述混合浆料喷涂在钢壳内壁、然后干燥,最后得到石墨烯改性的导电涂层。所述的添加剂包括稳定剂、中和剂和消泡剂中的一种或多种。
与现有技术相比,本发明的优点:1、因钢壳的冲制以及电镀,内表面会存在一定的粗糙度,而石墨烯的柔韧性有利于导电涂层与钢壳内壁的凹凸不平表面的贴和。
2、由于常规碳材料粒径的限制,导电涂层对钢壳内表面的覆盖致密度较低,而本发明意外发现使用石墨烯作为导电涂层改性钢壳内表面,因其特殊的片层二维结构,导电涂层对钢壳内表面的覆盖密度将大大提升,可有效的抑制因常规碳材料涂层的覆盖致密度低产生的钢壳腐蚀生锈与电池性能下降;
3、石墨烯表面有大量的羟基、羧基等极性基团,具有较强的极性与较高的表面张力,本发明发现石墨烯的此项特性可根据相似相容原理,实现涂层对表面能较高的金属钢壳表面形成良好的相容性与润湿性,可从物理学角度提高导电膜与钢壳贴合紧密型;
4、石墨烯表面有大量的官能团,本发明意外发现其中的O原子或者N原子或者S原子与钢壳表面发生化学反应,从而产生化学键的连接,从化学角度提高导电膜与金属钢壳的粘接性能,化学附着具有更高的强度,可有效的抑制导电涂层因吸水以及电池过放电造成的常规碳材料涂层的膨胀剥离;
5、嵌环过程中,因过盈配合的正极环嵌入时会对导电涂层产生一个轴向的剪切力,常规导电涂层因与钢壳内壁结合不紧密、颗粒状碳材料涂层表面不平整,在正极环嵌入过程会对导电膜产生较明显的二次破坏性,被刮去部分涂层。而石墨烯改性的导电涂层与钢壳间具有较好的贴合力,而且二维片状的石墨烯表面光滑平整,显著降低了被正极环的刮擦量;
6、石墨烯具有极高的电子导电率,而且因石墨烯改性的涂层与钢壳间存在的较好的粘结性能,因此通过实验证实可降低导电涂料中有机绝缘粘结剂的用量,从而提高导电涂层的电子导电率,降低相关导电涂层的轴向电阻;
7、在保证覆盖密度的前提下,涂层厚度只需要做到0.01~20μm,极有效的降低了导电涂层改性钢壳的径向电阻,;
8、常规碳材料颗粒与钢壳的刚性表面间的接触为点与面的接触,两者的有效界面接触面积受到了限制,界面电阻较大,我们发现石墨烯将常规导电剂基导电涂层与钢壳内壁间的点面接触改进为面面接触,显著提高了有效接触面积,极大降低了钢壳与导电膜之间的界面电阻;
9、作为正极集流体,石墨烯改性涂层提高了钢壳导电能力与其内壁表面性质的均匀性,提高影响着正极的集流效果及正极区域内的电阻分布,进而影响到电流电位分布与放电性能电阻的降低,将有利于碱性锌锰电池的正极活性物质以及容量得到更好的发挥,改善碱性锌锰电池的大电流放电性能以及高压段的放分;
10、因涂层厚度降低,在钢壳内径一定的前提下可以适当提高活性物质的填充量,从而提高电池的容量;
附图说明
图1为现有技术中涂层钢壳构成示意图;
图2为本发明的涂层钢壳构成示意图;
图3为碱性锌锰电池1.5W/0.65W,2s/28s,5m/h,24h/d的电压放分曲线;
图4为碱性锌锰电池的1000mA,10s/m,1h/d的电压放分曲线。
图中1为常规导电涂层;2为常规钢壳;3石墨烯导电涂层;4钢壳。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明人经过广泛而深入的研究,通过改进制备工艺,意外地获得了可有效的抑制因常规导电涂层的膨胀剥离与覆盖致密度低产生的钢壳腐蚀生锈与电池性能下降、或常规导电涂层必需厚度高而导致电池内阻较高的限制的技术,可降低正极环与钢壳间的界面电阻与径向电阻,提高碱性锌锰电池的正极活性物质利用率与短路电流,延长电池高压端放分,在此基础上完成了本发明。
本发明的技术构思如下:
本发明人是针对常规涂层的限制,导电涂层对钢壳内表面的覆盖致密度较低,导电涂层厚度较高会引起电池内阻增大与容量降低;普通碳材料导电涂层与钢壳间的粘附性会逐渐降低,导电涂层脱落致使电池各项贮存放电下降等问题,提供一种碱性锌锰电池用的钢壳涂层改性技术。本发明人发现,若采用石墨烯改性导电涂层,石墨烯其特殊的片层二维结构,使用该材料改性钢壳内表面,导电涂层与钢壳内表面的粘接性能与覆盖密度将大大提升,可有效的抑制因常规碳材料涂层的膨胀剥离与覆盖致密度低产生的钢壳腐蚀生锈与电池性能下降,涂层厚度只需要做到0.01~20μm,在不损失容量的情况下,可提高导电性能,降低正极环与钢壳间的界面电阻与径向电阻,致使碱性锌锰电池的正极活性物质以及容量得到更好的发挥,改善碱性锌锰电池的大电流放电性能。
如无具体说明,本发明的各种原料均可以通过市售得到;或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明,本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
碱性锌锰电池的钢壳及其制备方法
本发明所述的碱性锌锰电池的钢壳是由石墨烯涂层改性的,其制备方法包含以下步骤:
a提供钢壳;
钢壳可以是预镀镍钢壳或者后镀镍钢壳,是由钢带冲制而成;其中预镀镍钢壳是先将钢带镀镍后冲制成固定形状的开口钢壳后经过清洗制得;后镀镍钢壳为线将钢带冲制为固定形状的开口钢壳,然后经过去油、电镀、清洗得到;本发明对钢壳种类与形状没有具体要求,只要不对本发明的发明目的产生限制即可;
b将石墨烯、常规导电剂、粘结剂以及少量添加剂例如稳定剂、中和剂、消泡剂均匀分散于溶剂中,得到混合浆料;
其中常规导电添加剂包括石墨、碳纳米管、碳纤维、活性碳、无定形碳、导电炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6中的一种或几种组合;粘结剂包括聚偏氟乙烯、CMC、SBR、LA系列粘结剂中的一种或几种组合;溶剂可以是丁酮等有机溶剂或者纯水;本发明对常规导电剂、粘结剂与添加剂或者溶剂没有具体要求,只要不对本发明的发明目的产生限制即可;
c将上述混合浆料在钢壳内壁通过喷涂、干燥,最后得到石墨烯涂层改性的碱性锌锰电池的钢壳;
混合浆料制备工艺、喷涂、干燥工艺是本领域技术人员已知的,没有具体要求,只要不对本发明的发明目的产生限制即可。
碱性锌锰电池
本发明还提供一种含有本发明所述的石墨烯涂层改性钢壳的碱性锌锰电池。所述碱性锌锰电池可以含有其他可允许的组分,例如密封圈、铜钉和负极底、锌膏负极、正极、电解液、隔膜纸等。这些组分没有具体要求,是本领域技术人员已知的,只要不对本发明的发明目的产生限制即可。
与现有的各种碱性锌锰电池的钢壳相比,本发明的特点在于:1、碱性锌锰电池的钢壳除了常规的碳材料,还添加有超高的导电性能、超强的柔韧性以及超薄的二维片层结构的石墨烯;
2、石墨烯改性的钢壳,比一般导电涂层改性的钢壳更有利于对钢壳内表面的覆盖与粘附,可有效的抑制因常规碳材料涂层的覆盖致密度低或膨胀剥离产生的钢壳腐蚀生锈与电池性能下降;
3、石墨烯改性的钢壳内壁涂层提高导电性能,降低正极环与钢壳间的界面电阻与径向电阻,致使碱性锌锰电池的正极活性物质以及容量得到更好的发挥,改善碱性锌锰电池的大电流放电性能,相对其它涂层更具有优势;
4、通过调整导电涂层中石墨烯与常规碳材料的比例,可获得针对放电以及成本最适合的碱性锌锰电池钢壳,进而碱性锌锰电池;
5、制备方法简单易行,材料易得,石墨烯用量少,只需在碱性锌锰电池成熟的生产线上稍作调整,适合大规模的工业生产。
本发明的其他方面由于本文的公开内容,对本领域的技术人员而言是显而易见的。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件进行。
除非另有定义或说明,本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
为进一步阐述本发明的内容、实质特点和显著进步,兹列举以下对比例和实施例详细说明如下,但不仅仅限于实施例。
图1所示,由于常规碳材料粒径的限制,常规涂层对钢壳表面的覆盖密度较低,存在无覆盖的针孔;为提高覆盖率只能增加涂敷厚度,导电涂层厚度一般为5~50μm,致使钢壳径向电阻增加以及电池能量密度受限,并且常规碳材料与钢壳内表面的接触为点到面的接触,有效接触面积受到了一定的损失。如图2所示,石墨烯改性涂层中二维片状结构的石墨烯对钢壳表面的覆盖致密度明显得到提高,降低了涂层厚度,与钢壳内表面的接触为面对面的接触,充分提高了导电接触有效面积。
对比例1:
将84wt%炭黑、15wt%CMC粘结剂以及1wt%的分散剂十二烷基磺酸钠分散于水中,经过超声分散得到混合浆料;将上述混合浆料在钢壳内壁经过喷涂、干燥,最后得到常规涂层改性的碱性锌锰电池的钢壳,钢壳的涂层厚度为10μm;
然后将正极环嵌入钢壳,依此插入隔膜纸,注入锌膏,插入由铜钉、负极底与密封圈组成的集电体,卷边整形封口得到LR6电池,测试用DM-2000一次电池性能测试系统对LR6电池的大电流放电性能进行测试,并测试电池的短路电流,结果如下表1所示。
为了验证导电涂层改性对钢壳保护能力以及钢壳导电性的影响,并为便于研究,我们把改进过的钢壳电阻分为径向电阻与轴向电阻。径向电阻是指沿钢壳半径方向上的电阻,在实验设计中主要反映其内表面与其接触物间的电阻,又可称为界面电阻;其轴向电阻是指钢壳平行于中轴线上的电阻,如果把钢壳看作是一个无限薄的平面,此电阻又可称为钢壳的面电阻,其值的变化大小则主要反映导电涂层的本征导电率,通过测定钢壳电阻的变化来判断导电涂层改性后钢壳内表面性质的变化。测定时,将钢壳一分为二来实现二电阻的测量,由于不同钢壳间性质的差异,以及涂复层可能的厚度差异,结果取多次实验的平均值。结果如表2所示。
实施例1
通过氧化石墨还原法得到石墨烯材料,石墨烯材料的厚度为10纳米,比表面积为2500㎡/g,面积为0.01微米,将49wt%石墨烯、50wt%炭黑、1wt%CMC粘结剂以及少量的分散剂十二烷基磺酸钠分散于水中,经过超声分散得到混合浆料;将上述混合浆料在钢壳内壁经过喷涂、干燥,最后得到石墨烯改性的导电涂层的碱性锌锰电池的钢壳,钢壳的石墨烯改性涂层负载量为0.6mg/只,导电涂层的厚度为1微米;然后将正极环嵌入钢壳,依此插入隔膜纸,注入锌膏,插入由铜钉、负极底与密封圈组成的集电体,卷边整形封口得到LR6电池。测试方法同对比例1,结果如表1、2所示。导电剂包括石墨、碳纳米管、碳纤维、活性碳、无定形碳、导电炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6中的一种或几种组合,粘结剂也可以为聚偏氟乙烯、SBR、LA系列粘结剂中的一种或几种组合。
实施例2
通过物理法得到石墨烯材料,石墨烯材料的厚度为100纳米,比表面积为10㎡/g,面积为10微米,将98wt%石墨烯、1wt%乙炔黑、1wt%聚偏氟乙烯粘结剂以及少量的分散剂十二烷基磺酸钠分散于水中,经过超声分散得到混合浆料;将上述混合浆料在钢壳内壁经过喷涂、干燥,最后得到石墨烯改性的导电涂层的碱性锌锰电池的钢壳,导电涂层的厚度为20微米;然后将正极环嵌入钢壳,依此插入隔膜纸,注入锌膏,插入由铜钉、负极底与密封圈组成的集电体,卷边整形封口得到LR6电池。测试方法同对比例1,结果如表1、2所示。
实施例3
通过气相沉积法得到石墨烯材料,石墨烯材料的厚度为0.5纳米,比表面积为1250㎡/g,面积为1000微米,将1wt%石墨烯、89wt%石墨、10wt%SBR粘结剂以及少量的分散剂十二烷基磺酸钠分散于水中,经过超声分散得到混合浆料;将上述混合浆料在钢壳内壁经过喷涂、干燥,最后得到石墨烯改性的导电涂层的碱性锌锰电池的钢壳,导电涂层的厚度为0.01微米;然后将正极环嵌入钢壳,依此插入隔膜纸,注入锌膏,插入由铜钉、负极底与密封圈组成的集电体,卷边整形封口得到LR6电池。石墨烯也可以用机械剥离法、外延生长法和原位自生模板法制备得到。
测试方法同对比例1,结果如表1、2所示。
表1本发明的石墨烯涂层改性钢壳前后的碱性锌锰电池的大电流放电性能与短路电流对比
通过表1的实验,可以发现本发明的新配方工艺可以提升大电流或高功率放电性能,短路电流也明显得到提高。表明石墨烯涂层对钢壳的覆盖密度更高,对提高正极环与钢壳间的接触更有利,电阻的降低将有利于碱性锌锰电池的正极活性物质以及容量得到更好的发挥,改善碱性锌锰电池的大电流放电性能以及高压段的放分。
表2本发明的石墨烯涂层改性钢壳前后的钢壳轴向电池与径向电阻对比
径向电阻 | 轴向电阻 | |
对比例1 | 0.6欧姆 | 1.4欧姆 |
实施例1 | 0.3欧姆 | 0.5欧姆 |
实施例2 | 0.25欧姆 | 0.6欧姆 |
实施例3 | 0.2欧姆 | 0.4欧姆 |
石墨烯具有极高的电子导电率,而且因石墨烯改性的涂层与钢壳间存在的较好的粘结性能,可有效降低导电涂料中有机绝缘粘结剂的用量,从而提高导电涂层的电子导电率,降低相关导电涂层的轴向电阻;石墨烯将常规导电剂基导电涂层与钢壳内壁间的点面接触改进为面面接触,显著提高了有效接触面积,另外在保证覆盖密度的前提下,涂层厚度只需要做到0.01~20μm,极大降低了钢壳与导电膜之间的界面电阻,进而径向电阻也得到降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用以限定本发明的实质技术内容范围,本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中,任何他人完成的技术实体或方法,若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同,也或是一种等效的变更,均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于包括集流体钢壳,所述的集流体钢壳的内壁涂覆有石墨烯改性的导电涂层;该导电涂层的厚度为0.01微米~20微米。
2.根据权利要求1所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的导电涂层包含以下质量配比的物质:石墨烯材料1份~98份、导电剂1份~98粉和粘结剂1份~10份。
3.根据权利要求2所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的石墨烯通过氧化石墨还原法、物理法、机械剥离法、外延生长法、气相沉积法或原位自生模板法制备得到。
4.根据权利要求2所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的石墨烯材料的厚度为0.5~100纳米。
5.根据权利要求2所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的石墨烯材料的比表面积为10~2500㎡/g。
6.根据权利要求2所述的石墨烯涂层改性的碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的石墨烯材料的面积为0.01~~1000μm。
7.根据权利要求2所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的导电剂包括石墨、碳纳米管、碳纤维、活性碳、无定形碳、导电炭黑、乙炔黑、Super-Li、KS-6中的一种或几种组合;所述的粘结剂包括聚偏氟乙烯、CMC、SBR、LA系列粘结剂中的一种或几种组合。
8.根据权利要求1所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于导电涂层的制备方法包含:
(a)将石墨烯、导电剂、粘结剂以及添加剂均匀分散于溶剂中,得到混合浆料;
(b)将上述混合浆料喷涂在钢壳内壁、然后干燥,最后得到石墨烯改性的导电涂层。
9.根据权利要求8所述的一种碱性锌锰电池的钢壳,其特征在于所述的添加剂包括稳定剂、中和剂和消泡剂中的一种或多种。
10.一种含有如权利要求1-9所述钢壳的碱性锌锰电池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510320168.5A CN104882570B (zh) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510320168.5A CN104882570B (zh) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN104882570A true CN104882570A (zh) | 2015-09-02 |
CN104882570B CN104882570B (zh) | 2018-04-06 |
Family
ID=53949977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510320168.5A Active CN104882570B (zh) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN104882570B (zh) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106558729A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-04-05 | 浙江超威创元实业有限公司 | 一种石墨烯作为正极浆料导电剂的锂离子电池 |
CN106684390A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-05-17 | 中银(宁波)电池有限公司 | 电池集电体及制备方法和碱性锌锰电池 |
WO2017153254A1 (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-14 | Tata Steel Uk Limited | Method for manufacturing a steel sheet for a battery case and battery case made according the method |
CN107293777A (zh) * | 2016-04-05 | 2017-10-24 | 现代自动车株式会社 | 锂二次电池及其制造方法 |
CN107658477A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-02-02 | 四川长虹新能源科技股份有限公司 | 碱性锌锰干电池正极钢壳及碱性锌锰干电池 |
CN107834002A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-03-23 | 惠州市德赛电池有限公司 | 一种便于更换的电池模组 |
CN109860515A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-06-07 | 苏州柔能纳米科技有限公司 | 柔性碱性一次电池正极的制备方法 |
CN115136393A (zh) * | 2020-10-27 | 2022-09-30 | 株式会社Lg新能源 | 具有在电池壳体的内表面上的导电层的硬币型二次电池 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN200990393Y (zh) * | 2006-09-04 | 2007-12-12 | 中银(宁波)电池有限公司 | 电池壳体以及由该电池壳体制成的电池 |
CN101207207A (zh) * | 2007-08-24 | 2008-06-25 | 嘉兴华荣电池有限公司 | 一种采用钢壳作为容器的碳性锌锰干电池及其制造工艺 |
CN103187576A (zh) * | 2011-12-28 | 2013-07-03 | 清华大学 | 集流体、电化学电池电极及电化学电池 |
CN103427087A (zh) * | 2012-05-17 | 2013-12-04 | 清华大学 | 集流体、电化学电池电极及电化学电池 |
CN104269560A (zh) * | 2014-09-10 | 2015-01-07 | 南昌大学 | 一种高能量锌锰电池 |
CN204668363U (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-23 | 中银(宁波)电池有限公司 | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 |
-
2015
- 2015-06-11 CN CN201510320168.5A patent/CN104882570B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN200990393Y (zh) * | 2006-09-04 | 2007-12-12 | 中银(宁波)电池有限公司 | 电池壳体以及由该电池壳体制成的电池 |
CN101207207A (zh) * | 2007-08-24 | 2008-06-25 | 嘉兴华荣电池有限公司 | 一种采用钢壳作为容器的碳性锌锰干电池及其制造工艺 |
CN103187576A (zh) * | 2011-12-28 | 2013-07-03 | 清华大学 | 集流体、电化学电池电极及电化学电池 |
CN103427087A (zh) * | 2012-05-17 | 2013-12-04 | 清华大学 | 集流体、电化学电池电极及电化学电池 |
CN104269560A (zh) * | 2014-09-10 | 2015-01-07 | 南昌大学 | 一种高能量锌锰电池 |
CN204668363U (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-23 | 中银(宁波)电池有限公司 | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017153254A1 (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-14 | Tata Steel Uk Limited | Method for manufacturing a steel sheet for a battery case and battery case made according the method |
CN108699685A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-10-23 | 塔塔钢铁英国有限公司 | 用于电池壳的钢片的制造方法和根据所述方法制作的电池壳 |
US10920314B2 (en) | 2016-03-07 | 2021-02-16 | Tata Steel Uk Limited | Method for manufacturing a steel sheet for a battery case and battery case made according the method |
CN107293777A (zh) * | 2016-04-05 | 2017-10-24 | 现代自动车株式会社 | 锂二次电池及其制造方法 |
CN106558729A (zh) * | 2016-11-10 | 2017-04-05 | 浙江超威创元实业有限公司 | 一种石墨烯作为正极浆料导电剂的锂离子电池 |
CN106558729B (zh) * | 2016-11-10 | 2018-12-14 | 浙江超威创元实业有限公司 | 一种石墨烯作为正极浆料导电剂的锂离子电池 |
CN106684390A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-05-17 | 中银(宁波)电池有限公司 | 电池集电体及制备方法和碱性锌锰电池 |
CN107658477A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-02-02 | 四川长虹新能源科技股份有限公司 | 碱性锌锰干电池正极钢壳及碱性锌锰干电池 |
CN107834002A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-03-23 | 惠州市德赛电池有限公司 | 一种便于更换的电池模组 |
CN109860515A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-06-07 | 苏州柔能纳米科技有限公司 | 柔性碱性一次电池正极的制备方法 |
CN115136393A (zh) * | 2020-10-27 | 2022-09-30 | 株式会社Lg新能源 | 具有在电池壳体的内表面上的导电层的硬币型二次电池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN104882570B (zh) | 2018-04-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104882570B (zh) | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 | |
US6399246B1 (en) | Latex binder for non-aqueous battery electrodes | |
CN112750976B (zh) | 锂电池电芯及锂离子电池 | |
KR101326623B1 (ko) | 프라이머가 코팅된 양극 집전체 및 이를 포함하는 마그네슘 이차전지 | |
CN103187576B (zh) | 集流体、电化学电池电极及电化学电池 | |
CN109560247B (zh) | 锂离子电池及其负极极片 | |
CN114079048A (zh) | 一种负极极片以及锂离子电池 | |
JP5736049B2 (ja) | 非水電解液二次電池 | |
CN112750975A (zh) | 锂电池正极片及卷绕式电芯及锂离子电池 | |
JP2000048822A (ja) | リチウム二次電池とその正極板の製造法 | |
CN105047418A (zh) | 一种钛酸锂基锂离子电容器 | |
CN108550800B (zh) | 一种复合电极及电池 | |
JP2018160387A (ja) | アルカリ蓄電池 | |
CN204668363U (zh) | 一种碱性锌锰电池的钢壳及碱性锌锰电池 | |
WO2017177960A1 (zh) | 电解液、电池和电池组 | |
CN110048119B (zh) | 电池用正极材料、正极和使用其的电池 | |
US10770725B2 (en) | Alkaline battery cathode structures incorporating multiple carbon materials and orientations | |
CN113839003B (zh) | 一种镍锌电池负极片的制备方法 | |
CN116230854A (zh) | 钠离子电池的负极极片及其制备方法、钠离子电池 | |
CN115295757A (zh) | 一种极片和电池 | |
CN115101722A (zh) | 一种磁控溅射法制备多孔银包覆硬碳复合材料的制备方法 | |
CN211530114U (zh) | 一种长寿命的锂离子电池 | |
WO1999062133A1 (fr) | Plaque d'accumulateur et batterie | |
CN112117443A (zh) | 一种改善锰沉积的负极及其锂离子二次电池 | |
JP2008159355A (ja) | コイン型リチウム電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |