CN108054441A - 一种大电流镍氢电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大电流镍氢电池及其制备方法，所述大电流镍氢电池包括外壳体、密封板、正极片、隔膜和负极片；外壳体为底部密封上部开口的空心圆柱体，外壳体上方设有密封板，并通过绝缘密封圈与密封板密封连接，正极片、隔膜和负极片依次叠加卷绕成圆柱体，设于外壳体内部，正极片和负极片均镀有活性膜，使电池能够以大电流放电以满足工作需要，外壳体内填充有电解液。本发明提供的大电流镍氢电池，经检测可以20C倍率以上电流放电，测定20℃下电池的电阻为1.5mΩ以下，放电容量是额定容量的93％以上。

Description

一种大电流镍氢电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镍氢电池及其制备方法，具体地说，涉及一种大电流镍氢电池及其制备方法。
背景技术
金属氢化物镍电池(MH2Ni)是在可充性镉镍电池基础上发展起来的一种新型高能二次电池。由于具有较高的能量密度、良好的耐过充放电能力，且可大电流放电、容易密封、无记忆效应以及环境相容性好等优良性能而备受青睐。近年来，随着贮氢材料性能的提高，镍氢电池的功能也必须改善才能促进电池整体综合性能的提高，以满足全球信息业、移动通信、便携式电脑等迅速发展对电池的需求。
但是现有的镍氢电池的放电电流大小受到限制，存在电池容量低、内阻较大、大电流放电效果差等问题，影响需要大电流电池的大功率电器、电动汽车等的使用。
发明内容
为了解决上述现有技术中的不足，本发明的内容在于提供一种大电流镍氢电池，以克服现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供了一种大电流镍氢电池，所述大电流镍氢电池包括：外壳体、密封板、正极片、隔膜、负极片、绝缘密封圈、电解液、正极环形导电装置和负极导电装置；其中，外壳体为底部密封上部开口的空心圆柱体，正极片、隔膜和负极片依次叠加卷绕成圆柱体，并沿所述圆柱体轴线插设于外壳体内腔；外壳体上方设有密封板，并且外壳体与密封板通过绝缘密封圈密封连接，密封板上表面中心处向上凸设有正极盖帽，正极盖帽通过正极环形导电装置与正极片电连接；正极片的正极基体上从里至外依次环镀有正极电极活性膜、正极抑制析氧活性膜、正极促放电活性膜、正极导电活性膜和正极保护膜，所述正极基体为铜片；隔膜为单层膜，所述隔膜上均匀形成有若干贯穿所述隔膜的微孔；负极片的负极基体上从里至外依次环镀有负极大电流合金膜、负极导电活性膜和负极保护膜，所述负极基体为180～200目的铜网；外壳体内还填充有电解液。所述正极各层活性膜和负极各层活性膜使电池能够以大电流放电以满足工作需要，所述大电流为10C倍率以上的电流。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，正极环形导电装置包括若干相同的正极导流片、集流环和汇流片，所述若干相同的正极导流片一端焊接在正极片上边沿，导流片另一端与集流环焊接连接，集流环上焊接有汇流片，汇流片与正极盖帽电连接。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述正极电极活性膜、正极抑制析氧活性膜、正极促放电活性膜、正极导电活性膜和正极保护膜的厚度分别为10～15微米，总厚度为50～75微米。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述正极电极活性膜由纳米级氢氧化镍制成，所述正极抑制析氧活性膜由铜粉和锌粉制成，所述正极促放电活性膜由氧化钙、氧化铒和氧化镁制成，所述正极导电活性膜由氢氧化亚钴、氧化亚钴、石墨粉中的至少一种制成，所述正极保护膜由聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种制成。更优选地，所述正极电极活性膜由15～20重量份纳米级氢氧化镍制成，所述正极抑制析氧活性膜由3～4重量份铜粉和2.5～2.8重量份锌粉制成，所述正极促放电活性膜由1.2～1.7重量份氧化钙、1.3～1.5重量份氧化铒和0.6～0.8重量份氧化镁制成，所述正极导电活性膜由1.1～1.3重量份氢氧化亚钴、1.2～1.7重量份氧化亚钴、2.2～2.5重量份石墨粉中的至少一种制成，所述正极保护膜由1.5～1.8重量份聚四氟乙烯、2.2～4重量份聚乙烯醇、2.3～2.8重量份聚氨酯中的至少一种制成。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，隔膜为单层膜，所述隔膜上均匀形成有若干贯穿所述隔膜的微孔；所述隔膜的厚度为20～30微米。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述微孔的孔径为0.03～0.05微米。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述隔膜由磺化聚丙烯-尼龙树脂制成。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述负极大电流合金膜、负极导电活性膜和负极保护膜的厚度分别为10～15微米，总厚度为30～45微米。
作为对本发明所述的大电流镍氢电池的进一步说明，优选地，所述负极大电流合金膜由(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5制成，所述负极导电活性膜由羰基镍粉、氧化亚钴、碳酸亚钴中的至少一种制成，所述负极保护膜由羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠中的至少一种制成。更优选地，所述负极大电流合金膜由18～24重量份(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5制成，所述负极导电活性膜由1.5～1.7重量份羰基镍粉、0.5～0.8重量份氧化亚钴、1～2重量份碳酸亚钴中的至少一种制成，所述负极保护膜由0.3～0.5重量份羧甲基纤维素、1.2～1.4重量份甲基纤维素、2～2.5重量份聚丙烯酸钠中的至少一种制成。
本发明还提供了所述大电流镍氢电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)：制作正极片：
分别将纳米级氢氧化镍、铜粉和锌粉、氧化钙、氧化铒和氧化镁、氢氧化亚钴、氧化亚钴、石墨粉中的至少一种，以及聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种电镀到正极基体上，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接正极环形导电装置，制得正极片；
步骤2)：制作负极片：
分别将(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5合金，羰基镍粉、氧化亚钴、碳酸亚钴中的至少一种，以及羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠中的至少一种电镀到负极基体上，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接负极导电装置，制得负极片；
步骤3)：配制电解液：
将氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂溶解于去离子水中，搅拌并在室温下冷却12～24h后，得到组成为60～80％氢氧化钾、20～30％氢氧化钠、2～4％氢氧化锂的电解液；
步骤4)：电池的装配：
将正极片、隔膜和负极片依次叠加、卷绕成圆柱体，并使正极环形导电装置向上，负极导电装置向下，装入外壳体中，再将制作好的电解液填充到外壳体中，盖上密封板使正极环形导电装置与正极盖帽电连接，用带有粘结剂的绝缘密封圈将密封板与外壳体密封。
本发明提供了一种大电流镍氢电池，所述电池经检测可以20C倍率以上电流放电，测定20℃下电池的电阻为1.5mΩ以下，放电容量是额定容量的93％以上。
附图说明
图1为本发明大电流镍氢电池的结构示意图。
附图标记说明如下：
外壳体1、密封板2、正极盖帽21、正极片3、隔膜4、负极片5、负极导电装置51、绝缘密封圈6、电解液7、正极环形导电装置8、正极导流片81、集流环82、汇流片83。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
如图1所示，图1为本发明大电流镍氢电池的结构示意图，所述大电流镍氢电池包括：外壳体1、密封板2、正极片3、隔膜4和负极片5；其中，外壳体1为底部密封上部开口的空心圆柱体，外壳体1上方设有密封板2，密封板2上表面中心处向上凸设有正极盖帽21，正极盖帽21通过正极环形导电装置8与正极片3电连接，外壳体1与密封板2通过绝缘密封圈6密封连接，正极片3、隔膜4和负极片5依次叠加卷绕成圆柱体并沿所述圆柱体轴线插设于外壳体1内部；正极片3的上边沿处焊接有正极环形导电装置8，正极环形导电装置8包括若干相同的正极导流片81、集流环82和汇流片83，所述若干相同的正极导流片一端焊接在正极片3上边沿，导流片另一端与集流环82焊接连接，集流环82上焊接有汇流片83，汇流片83与正极盖帽21电连接。若干相同的导流片同时将多股小电流汇集到集流环上形成大电流，再由汇流片传输给正极盖帽，，环形导电装置提高了电流的传输速率，实现了单位时间内向外部大电流供电；负极片5的下边沿处焊接有负极导电装置9，负极导电装置9与外壳体1内底电连接。
隔膜4为单层膜，所述隔膜上均匀形成有若干贯穿所述隔膜的微孔，所述微孔的孔径为0.03～0.05微米，所述隔膜的厚度为20～30微米；所述隔膜由磺化聚丙烯-尼龙树脂制成。为减少电池内阻采用单层树脂膜制成隔膜，聚丙烯-尼龙树脂膜经磺化亲水性处理后，吸收电解液能力增加，促进离子传递，内阻减小荷电保持率提高；微孔结构不仅能够增加透气性，促进离子传递，还可使电解液充分浸润，增加电解液的反应面积，增加放电反应进程。
正极片3由正极基体环镀正极活性膜制成，所述正极基体为铜片，所述正极活性膜从里至外依次分别为第一层、第二层、第三层、第四层和第五层，所述第一层为正极电极活性膜，所述第二层为正极抑制析氧活性膜，所述第三层为正极促放电活性膜，所述第四层为正极导电活性膜，所述第五层为正极保护膜；所述正极活性膜的厚度为50～75微米，第一层、第二层、第三层、第四层和第五层的厚度分别为10～15微米。所述正极电极活性膜由纳米级氢氧化镍制成，所述正极抑制析氧活性膜由铜粉和锌粉制成，所述正极促放电活性膜由氧化钙、氧化铒和氧化镁制成，所述正极导电活性膜由氢氧化亚钴、氧化亚钴、石墨粉中的至少一种制成，所述正极保护膜由聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种制成。正极片的基体采用铜片不会像发泡镍一样在卷绕和切割过程中产生毛刺，从而避免毛刺刺穿隔膜与负极接触使电池内部短路；纳米氢氧化镍颗粒尺寸减小，比表面积增大，使正离子的扩散路径缩短，改善了电极的导电性，降低了电极的反应阻抗，提高了电极的可逆性；添加铜粉、锌粉，抑制氢氧化镍的析氧反应，提高电极的充电效率和活性物质利用率，金属粉还可以促进电极的导电性；正极导电膜促进电极导电性，提高了镍氢电池大电流放电效果。
负极片5环镀有负极活性膜，由负极基体环镀负极活性膜制成，所述负极基体为180～200目的铜网，所述负极活性膜从里至外依次分别为底层、中间层和最外层，所述底层为负极大电流合金膜，所述中间层为负极导电活性膜，所述最外层为负极保护膜；所述负极活性膜的厚度为30～45微米，底层、中间层和最外层的厚度分别为10～15微米。所述负极大电流合金膜由(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5制成，所述负极导电活性膜由羰基镍粉、氧化亚钴、碳酸亚钴中的至少一种制成，所述负极保护膜由羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠中的至少一种制成。负极大电流合金膜中添加铁、锰元素既可以促进负极放电，又不会对电极反应造成干扰影响电池寿命；负极导电活性膜促进了电流的传导，提高了电池大电流放电效果；所述负极保护膜是为了防止金属产生毛刺刺穿隔膜使电池内部短路。
所述正极活性膜和负极活性膜使电池能够以大电流放电以满足工作需要；外壳体1内还填充有电解液7。
实施例1
步骤1)：制作正极片：
分别将15克纳米级氢氧化镍(第一层，厚度为10微米)、3克铜粉和2.5克锌粉(第二层，厚度为10微米)、1.2克氧化钙、1.3克氧化铒和0.6克氧化镁(第三层，厚度为10微米)、1.1克氢氧化亚钴、1.2克氧化亚钴和2.2克石墨粉(第四层，厚度为10微米)、1.5克聚四氟乙烯、2.2克聚乙烯醇和2.3克聚氨酯(第五层，厚度为10微米)依次电镀到铜片上，制成50微米厚的正极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接正极环形导电装置，制得正极片；
步骤2)：制作负极片：
分别将18克(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5合金(底层，厚度为10微米)、1.5克羰基镍粉、0.5克氧化亚钴和1克碳酸亚钴(中间层，厚度为10微米)、0.3克羧甲基纤维素、1.2克甲基纤维素和2克聚丙烯酸钠(最外层，厚度为10微米)依次电镀到180目的铜网上，制成30微米厚的负极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接负极导电装置，制得负极片；
步骤3)：配制电解液：
将氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂溶解于去离子水中，搅拌并在室温下冷却12h后，得到组成为60％氢氧化钾、20％氢氧化钠、2％氢氧化锂的电解液；
步骤4)：电池的装配：
将正极片、孔径0.03微米厚度20微米的磺化聚丙烯-尼龙树脂隔膜和负极片依次叠加、卷绕成圆柱体，并使正极环形导电装置向上，负极导电装置向下，装入外壳体中，再将制作好的电解液填充到外壳体中，盖上密封板使正极环形导电装置与正极盖帽电连接，用带有粘结剂的绝缘密封圈将密封板与外壳体密封。
在20℃下，将制作好的电池先以0.5C倍率充电500min，再以20C倍率放电至1V截止电压，利用内阻测试仪测量电阻为1.5mΩ，放电容量是额定容量的93％。
实施例2～4
按照实施例1的大电流镍氢电池的制备方法，制备以下三种大电流镍氢电池，具体实验结果见表1。
表1实施例2～4大电流镍氢电池的电极组成及测试结果
实施例5
步骤1)：制作正极片：
分别将20克纳米级氢氧化镍(第一层，厚度为15微米)、4克铜粉和2.8克锌粉(第二层，厚度为15微米)、1.7克氧化钙、1.5克氧化铒和0.8克氧化镁(第三层，厚度为15微米)、1.3克氢氧化亚钴、1.7克氧化亚钴和2.5克石墨粉(第四层，厚度为15微米)、1.8克聚四氟乙烯、4克聚乙烯醇和2.8克聚氨酯(第五层，厚度为15微米)依次电镀到铜片上，制成75微米厚的正极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接正极环形导电装置，制得正极片；
步骤2)：制作负极片：
分别将24克(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5合金(底层，厚度为15微米)、1.7克羰基镍粉、0.8克氧化亚钴和2克碳酸亚钴(中间层，厚度为15微米)、0.5克羧甲基纤维素、1.4克甲基纤维素和2.5克聚丙烯酸钠(最外层，厚度为15微米)依次电镀到200目的铜网上，制成45微米厚的负极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接负极导电装置，制得负极片；
步骤3)：配制电解液：
将氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂溶解于去离子水中，搅拌并在室温下冷却24h后，得到组成为80％氢氧化钾、30％氢氧化钠、4％氢氧化锂的电解液；
步骤4)：电池的装配：
将正极片、孔径0.05微米厚度30微米的磺化聚丙烯-尼龙树脂隔膜和负极片依次叠加、卷绕成圆柱体，并使正极环形导电装置向上，负极导电装置向下，装入外壳体中，再将制作好的电解液填充到外壳体中，盖上密封板使正极环形导电装置与正极盖帽电连接，用带有粘结剂的绝缘密封圈将密封板与外壳体密封。
在20℃下，将制作好的电池先以0.5C倍率充电500min，再以20C倍率放电至1V截止电压，利用内阻测试仪测量电阻为1.2mΩ，放电容量是额定容量的95％。
实施例6～8
按照实施例5的大电流镍氢电池的制备方法，制备以下三种大电流镍氢电池，具体实验结果见表2。
表2实施例6～8大电流镍氢电池的电极组成及测试结果
实施例9
步骤1)：制作正极片：
分别将18克纳米级氢氧化镍(第一层，厚度为13微米)、3.5克铜粉和2.6克锌粉(第二层，厚度为13微米)、1.4克氧化钙、1.4克氧化铒和0.7克氧化镁(第三层，厚度为13微米)、1.2克氢氧化亚钴、1.5克氧化亚钴和2.3克石墨粉(第四层，厚度为13微米)、1.6克聚四氟乙烯、3克聚乙烯醇和2.5克聚氨酯(第五层，厚度为13微米)依次电镀到铜片上，制成65微米厚的正极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接正极环形导电装置，制得正极片；
步骤2)：制作负极片：
分别将20克(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5合金(底层，厚度为13微米)、1.6克羰基镍粉、0.6克氧化亚钴和1.5克碳酸亚钴(中间层，厚度为13微米)、0.4克羧甲基纤维素、1.3克甲基纤维素和2.3克聚丙烯酸钠(最外层，厚度为13微米)依次电镀到200目的铜网上，制成39微米厚的负极活性膜，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接负极导电装置，制得负极片；
步骤3)：配制电解液：
将氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂溶解于去离子水中，搅拌并在室温下冷却18h后，得到组成为70％氢氧化钾、25％氢氧化钠、3％氢氧化锂的电解液；
步骤4)：电池的装配：
将正极片、孔径0.04微米厚度25微米的磺化聚丙烯-尼龙树脂隔膜和负极片依次叠加、卷绕成圆柱体，并使正极环形导电装置向上，负极导电装置向下，装入外壳体中，再将制作好的电解液填充到外壳体中，盖上密封板使正极环形导电装置与正极盖帽电连接，用带有粘结剂的绝缘密封圈将密封板与外壳体密封。
在20℃下，将制作好的电池先以0.5C倍率充电500min，再以20C倍率放电至1V截止电压，利用内阻测试仪测量电阻为1.1mΩ，放电容量是额定容量的96％。
实施例10～12
按照实施例9的大电流镍氢电池的制备方法，制备以下三种大电流镍氢电池，具体实验结果见表2。
表3实施例10～12大电流镍氢电池的电极组成及测试结果
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种大电流镍氢电池，其特征在于，所述大电流镍氢电池包括：外壳体(1)、密封板(2)、正极片(3)、隔膜(4)、负极片(5)、绝缘密封圈(6)、电解液(7)、正极环形导电装置(8)和负极导电装置(9)；其中，
外壳体(1)为底部密封上部开口的空心圆柱体，正极片(3)、隔膜(4)和负极片(5)依次叠加卷绕成圆柱体，并沿所述圆柱体轴线插设于外壳体(1)内腔，负极片(5)的下边沿处焊接有负极导电装置(9)，负极导电装置(9)与外壳体(1)内底电连接；
外壳体(1)上方设有密封板(2)，外壳体(1)与密封板(2)通过绝缘密封圈(6)密封连接，密封板(2)上表面中心处向上凸设有正极盖帽(21)，正极盖帽(21)通过正极环形导电装置(8)与正极片(3)电连接；
正极片(3)从里至外依次环镀有正极电极活性膜、正极抑制析氧活性膜、正极促放电活性膜、正极导电活性膜和正极保护膜；隔膜(4)为单层膜，所述隔膜上均匀形成有若干贯穿所述隔膜的微孔；负极片(5)从里至外依次环镀有负极大电流合金膜、负极导电活性膜和负极保护膜；外壳体(1)内还填充有电解液(7)。
2.如权利要求1所述的大电流镍氢电池，其特征在于，正极环形导电装置(8)包括若干相同的正极导流片(81)、集流环(82)和汇流片(83)，所述若干相同的正极导流片一端焊接在正极片(3)上边沿，导流片另一端与集流环(82)焊接连接，集流环(82)上焊接有汇流片(83)，汇流片(83)与正极盖帽(21)电连接。
3.如权利要求1所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述正极电极活性膜、正极抑制析氧活性膜、正极促放电活性膜、正极导电活性膜和正极保护膜的厚度分别为10～15微米，总厚度为50～75微米。
4.如权利要求3所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述正极电极活性膜由纳米级氢氧化镍制成，所述正极抑制析氧活性膜由铜粉和锌粉制成，所述正极促放电活性膜由氧化钙、氧化铒和氧化镁制成，所述正极导电活性膜由氢氧化亚钴、氧化亚钴、石墨粉中的至少一种制成，所述正极保护膜由聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种制成。
5.如权利要求1所述的大电流镍氢电池，其特征在于，隔膜(4)为单层膜，所述隔膜上均匀形成有若干贯穿所述隔膜的微孔；所述隔膜的厚度为20～30微米。
6.如权利要求5所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述微孔的孔径为0.03～0.05微米。
7.如权利要求5所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述隔膜由磺化聚丙烯-尼龙树脂制成。
8.如权利要求1所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述负极大电流合金膜、负极导电活性膜和负极保护膜的厚度分别为10～15微米，总厚度为30～45微米。
9.如权利要求8所述的大电流镍氢电池，其特征在于，所述负极大电流合金膜由(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5制成，所述负极导电活性膜由羰基镍粉、氧化亚钴、碳酸亚钴中的至少一种制成，所述负极保护膜由羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠中的至少一种制成。
10.一种如权利要求1-9任一所述的大电流镍氢电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)：分别将纳米级氢氧化镍，铜粉和锌粉，氧化钙、氧化铒和氧化镁，氢氧化亚钴、氧化亚钴、石墨粉中的至少一种，以及聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯中的至少一种电镀到正极基体上，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接正极环形导电装置，制得正极片；
步骤2)：分别将(LaTiV)1.0(NiAlFeMn)2.5合金，羰基镍粉、氧化亚钴、碳酸亚钴中的至少一种，以及羧甲基纤维素、甲基纤维素、聚丙烯酸钠中的至少一种电镀到负极基体上，经干燥机干燥、压片辊碾压、切片机切片后，焊接负极导电装置，制得负极片；
步骤3)：将氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂溶解于去离子水中，搅拌并在室温下冷却12～24h后，得到电解液；
步骤4)：将正极片、隔膜和负极片依次叠加、卷绕成圆柱体，装入外壳体中，再将制作好的电解液填充到外壳体中，盖上密封板，用绝缘密封圈密封。
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