CN107871856A - 一种可在极寒环境下使用的镍氢电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种可在极寒环境下使用的镍氢电池,包括正极基体、负极基体及电解液,所述负极基体具有添加剂组合体,所述的添加剂组合体的配方包括:28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉:50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉:1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉:0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管:0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3,其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。本发明还公开了可在极寒环境下使用的镍氢电池的制备方法。本发明的镍氢电池在极低温度下放电电量充足,稳定,使用时间长、可广泛用于极寒温环境下工作的设备或仪器。
Description
技术领域
本发明涉及镍氢电池领域,特别涉及一种可在极寒环境下使用的镍氢电池及其制作方法。
背景技术
镍氢电池由正极、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。
镍氢电池中氢氧化镍为正极的活性物质,但其充放电速率不高,为了改善性能,通常加入添加剂,添加剂可以是金属,也可以是氧化物或氢氧化物,应用较广泛的是钴、锂等的化合物。
镍氢电池作为一种环保的二次电池近年来在多个领域得到了广泛应用。尤其是作为镍镉电池的替代环保二次能源受到了关注,但是其在低温性能的表现一直没有镍镉电池优越。常规的镍氢电池使用温度一般在-20℃~+40℃之间。对于一些应用领域,军工产品如严寒地区的电动车用、野外作业的电动工具、通讯信号站及一些户外运动产品对电池的低温性能有较高的要求。
发明内容
本发明提供一种可在极寒环境下使用的镍氢电池及其制作方法,有效地改善了镍氢电池的低放电性能。
本技术方案是这样实现的:
本发明公开了一种可在极寒环境下使用的镍氢电池,包括正极基体、负极基体及电解液,所述负极基体具有添加剂组合体,所述的添加剂组合体的配方包括:28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉:50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉:1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉:0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管:0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3,其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。
进一步地,所述正极基体采用发泡金属镍,负极基体采用发泡金属铜。
进一步地,所述电解液的重量比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1~3:2~5:0.3~0.8:100。
本发明公开了一种可在极寒环境下使用的镍氢电池的制备方法,包括如下步骤:
S1.将正极基体的边缘区域压实,形成2~3mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.将28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉、50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉、1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉、0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管、0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片;其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。
S4.制备电解液及隔膜;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池。
进一步地,所述正极基体采用发泡金属镍,负极基体采用发泡金属铜。
进一步地,所述电解液的重量比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1~3:2~5:0.3~0.8:100。
实施本发明的一种可在极寒环境下使用的镍氢电池及其制作方法,具有以下有益的技术效果:
本发明弥补了现有技术中的镍氢电池在极低温度下放电的不足,本发明的镍氢电池在极低温度下放电电量充足,稳定,使用时间长、可广泛用于极寒温环境下工作的设备或仪器。
附图说明
图1为20±5℃下,0.1C充电16小时后,不同环境温度下以0.2C电流放电,分三个类别,每一类别取6组电池平均放电效率的比较图。
具体实施方式
本文中如没有特别声明,均为重量百分比。
本文中,各化学名词为:
A2B7储氢合金粉及AB5储氢合金粉中
A元素为:
容易形成稳定氢化物的发热型金属:如Ti、Zr、La、Mg、Ca等;
B元素为:
难于形成氢化物的吸热型金属,如Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al等;
T255超细金属镍粉中T255为产品的分类牌号;
Y2O3:三氧化二钇,白色略带黄色粉末;
Yb2O3:三氧化二镱(Ytterbium oxide),白色略带微绿色粉末;
Er2O3:氧化铒(Erbium oxide);
Tm2O3:氧化铥;
CsOH:氢氧化铯;
本发明公开的镍氢电池的实施例:一种可在极寒环境下使用的镍氢电池,包括正极基体、负极基体及电解液,负极基体具有添加剂组合体,所述的添加剂组合体的配方包括:28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉:50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉:1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉:0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管:0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3,其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。
目前市场上低温镍氢电池主要采用单一A2B7或单一AB5,实践证实,单一的添加剂不足以达到本发明专利的低温效果。
所述正极基体采用发泡金属镍,负极基体采用发泡金属铜。目前市场上低温镍氢电池无双发泡金属基体。实践证实,双发泡金属基体更耐寒及抗冻。
电解液的重量比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1~3:2~5:0.3~0.8:100。目前市场上低温镍氢电池的电解液组成主要为KOH、LiOH、H2O。实践证实,添加CsOH及甘油更耐寒及抗冻。
下面介绍一种可在极寒环境下使用的镍氢电池的制备方法。
实施例一,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成2mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将40%的A2B7储氢合金粉、56.2%的AB5储氢合金粉、3%的T255超细金属镍粉、0.3%的碳纳米管、0.5%的Yb2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:2:4:0.5:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得1#电池。
实施例二,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成2.2mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将28%的A2B7储氢合金粉、50%的AB5储氢合金粉、1%的T255超细金属镍粉、0.1%的碳纳米管、0.3%的Y2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1:2:0.3:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得2#电池。
实施例三,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成2.5mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将30%的A2B7储氢合金粉、51%的AB5储氢合金粉、1.2%的T255超细金属镍粉、0.15%的碳纳米管、0.35%的Er2O3 形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1.2:2.5:0.4:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得3#电池。
实施例四,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成2.6mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将35%的A2B7储氢合金粉、53%的AB5储氢合金粉、1.3%的T255超细金属镍粉、0.25%的碳纳米管、0.4%的Tm2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1.5:3:0.5:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得4#电池。
实施例五,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成2.6mm 宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将42%的A2B7储氢合金粉、60%的AB5储氢合金粉、1.8%的T255超细金属镍粉、0.35%的碳纳米管、0.42%的Yb2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:2.5:3.5:0.6:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得5#电池。
实施例六,
S1.取发泡金属镍作为正极基体,将正极基体的边缘区域压实,形成3.0mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.取发泡金属铜作为负极基体,将50%的A2B7储氢合金粉、70%的AB5储氢合金粉、2.9%的T255超细金属镍粉、0.5%的碳纳米管、0.49%的Yb2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片。
S4.制备电解液及隔膜,电解液的重量配比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:3:5:0.8:100;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池,制得6#电池。
我们取实施例1制作的电池作为样本,取通过实施例1的方法制得的8个同型号的电池作为参考,取8个市场低温电池作为比较例1,取8个常规电池作为比较例2,实验结果如下表所示:
43SC2500mAh(电池型号)的内阻/mΩ对比:如表一所示
编号 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# | 7# | 8# |
实施例 | 3.1 | 2.7 | 2.9 | 3.2 | 2.8 | 3.1 | 3.4 | 2.7 |
比较例1 | 5.7 | 6.3 | 5.5 | 6.4 | 6.1 | 5.5 | 5.8 | 6.0 |
比较例2 | 9.3 | 8.7 | 10.2 | 9.4 | 9.9 | 9.6 | 8.9 | 9.1 |
表一
我们取实施例1至6方法制作的多个1#~6#电池,各取其不同温度下放电性能的平均值作为样本参考,将多个市场低温电池取其不同温度下放电性能的平均值作为比较例1,将多个常规电池取其不同温度下放电性能的平均值作为比较例2,实验结果如下表所示:
不同温度下放电性能对比
20±5℃下,0.1C充电16小时后,不同环境温度下以0.2C电流放电,取6组平均放电效率,如图一及表二所示。
编号 | 1# | 2# | 3# | 4# | 5# | 6# |
类别 | +20℃ | 0℃ | -20℃ | -30℃ | -40℃ | -45℃ |
实施例 | 100% | 100% | 99% | 91% | 80% | 72% |
比较例1 | 100% | 96% | 86% | 70% | 46% | 20% |
比较例2 | 100% | 80% | 20% | 0% | 0% | 0% |
表二
本发明所提供的镍氢电池-20℃放电效率没有损失,-45℃下放电效率可以到达70%以上。
实施本发明的一种可在极寒环境下使用的镍氢电池及其制作方法,具有以下有益的技术效果:
本发明弥补了现有技术中的镍氢电池在极低温度下放电的不足,本发明的镍氢电池在极低温度下放电电量充足,稳定,使用时间长、可广泛用于极寒温环境下工作的设备或仪器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可在极寒环境下使用的镍氢电池,包括正极基体、负极基体及电解液,其特征在于,所述负极基体具有添加剂组合体,所述的添加剂组合体的配方包括:28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉:50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉:1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉:0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管:0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3,其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的镍氢电池,其特征在于,所述正极基体为发泡金属镍,负极基体为发泡金属铜。
3.如权利要求1所述的镍氢电池,其特征在于,所述电解液的重量比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1~3:2~5:0.3~0.8:100。
4.一种制备权利要求1所述的可在极寒环境下使用的镍氢电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.将正极基体的边缘区域压实,形成2~3mm宽的白边;
S2.将正极活性物质混合均匀后,填充至步骤S1得到的正极基体上,经辊压和裁切,制成镍氢电池的正极极片;
S3.将28%~50%(重量百分比)的A2B7储氢合金粉、50%~70%(重量百分比)的AB5储氢合金粉、1%~3%(重量百分比)的T255超细金属镍粉、0.1%~0.5%(重量百分比)的碳纳米管、0.3%~0.5%(重量百分比)的M2O3形成添加剂组合体,再将所述的添加剂组合体填充至负极基体上,经烘干和辊压,得到负极极片;其中,M2O3为Yb2O3、Y2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种或几种。
S4.制备电解液及隔膜;
S5.将正极极片、负极极片、电解液及隔膜组装成可在极寒环境下使用的镍氢电池。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述正极基体采用发泡金属镍,负极基体采用发泡金属铜。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述电解液的重量比为:KOH:LiOH:CsOH:甘油:H2O=50:1~3:2~5:0.3~0.8:100。
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2016
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