CN109390639A - 富液式储能型镍氢电池及其在轨道车辆辅助供电系统上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出富液式储能型镍氢电池及其在轨道车辆辅助供电系统上的应用，属于轨道车辆辅助供电系统技术领域，能够解决传统镍氢电池与轨道车辆辅助供电系统不匹配的技术问题。该技术方案为富液式储能型镍氢电池，包括以氢氧化镍作为正极活性物质的正极板和以储氢合金粉作为负极活性物质的负极板，正极板和负极板之间设置有由聚丙烯/聚乙烯复合膜或尼龙膜组成的隔膜，将正极板、负极板和隔膜装配成正负极板群，正负极板群装配在带有电槽盖的电槽内，电槽内的电解液浸没整个正负极板群，形成单体电池。该富液式储能型镍氢电池具有使用温域宽、充电快、寿命长、能量密度高、过充电期产热少、散热快、不会发生“热失控”和“电流失控”的特点，可满足轨道车辆应急供电系统的储能要求。

Description

富液式储能型镍氢电池及其在轨道车辆辅助供电系统上的 应用
技术领域
本发明属于轨道车辆辅助供电系统技术领域，尤其涉及富液式储能型镍氢电池及其在轨道车辆辅助供电系统上的应用。
背景技术
目前，轨道车辆辅助供电系统采用的恒压限流充电制度，因此，轨道车辆应急电源主要为镍镉蓄电池。但是，由于镍镉蓄电池存在记忆效应、能量密度较低及重金属镉对环境有污染等因素，制约了其可持续应用和发展。
镍氢电池具有比能量高、循环使用寿命高、快速充电性能好、深度放电性能好、充放电效率高、环境友好等特点，使之成为一种可以替代镍镉蓄电池作为轨道车辆应急电源的很好的选择。
专利号CN103138030A公开了一种非对称稀土电容电池的制备方法，其正极材料采用氢氧化镍，负极材料包含储氢合金和活性炭，制备得到一种兼具镍氢电池和电容优势的镍氢电容电池。但是，传统的镍氢电池主要用作混合动力电源。因此，为了降低重量、缩小体积以达到最高能量密度，传统的镍氢电池通常设计为贫液式。然而，在充电末期，贫液式镍氢电池的正极产生大量氧气并扩散到负极，在负极与氢气化合生成水，释放大量热量，且由于贫液式镍氢电池内部无游离态电解液，极板产生的热量传导速度缓慢，从而导致电池内部温度急剧升高。若将传统的镍氢电池用作轨道车辆应急电源，采用恒压限流充电制度，在高温下容易发生“热失控”和“电流失控”现象，造成安全隐患。
发明内容
本申请针对上述传统镍氢电池用作轨道车辆应急电源时存在的缺陷，提出了富液式储能型宽温域镍氢电容电池，该电池能与轨道车辆辅助供电系统采用的恒压限流充电制度相匹配，实现了将镍氢电池用于轨道车辆应急电源的目的。
为了达到上述目的，本发明提供了富液式储能型镍氢电池，包括以氢氧化镍作为正极活性物质的正极板和以储氢合金粉作为负极活性物质的负极板，正极板和负极板之间设置有由聚丙烯/聚乙烯复合膜或尼龙膜组成的隔膜，将正极板、负极板和隔膜装配成正负极板群，正负极板群装配在带有电槽盖的电槽内，电槽内的电解液浸没整个正负极板群，形成单体电池。
作为优选，所述储氢合金粉为宽温域储氢合金粉，其工作温度为-50℃-+50℃。
作为优选，所述负极活性物质还包括活性炭，其比表面积为1500-2500m2/g。
作为优选，所述活性炭的含量为5％-10％。
作为优选，所述氢氧化镍为微米级球形氢氧化镍或纳米级氢氧化镍。
作为优选，所述的正极板和负极板以泡沫镍为集流体。
作为优选，所述电解液由纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成，各组分重量比为100：15-30：0.5-5：5-10：1-1.5。
作为优选，所述富液式储能型镍氢电池还包括位于电槽上部的注液栓、注液栓配有的注液栓塞、分别与正负极板相连接的极柱、用于连接极柱与正负极板的连接件。
作为优选，所述的电槽盖、电槽、注液栓和注液栓塞由聚丙烯或ABS高分子材料制成。
本发明还提供了如上述任一技术方案所述的富液式储能型镍氢电池在轨道车辆的辅助供电系统上的应用。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明提供富液式储能型镍氢电池，电池设计为富液式结构，采用PP/PE复合隔膜或尼龙膜作为电池的隔膜，能够与轨道车辆辅助供电系统使用的恒压限流充电制度相匹配，具有过充电期产热少、散热快，不会发生“热失控”和“电流失控”的优点，可满足轨道车辆应急供电系统的储能要求；
2、采用宽温域储氢合金粉作为负极活性物质，将该电池的使用温域拓宽至-50℃-+50℃；
3、通过向该电池的负极添加高比表面积活性碳，使该电池兼备了超级电容器和镍氢电池特性，既具有超级电容器充电快、寿命长的特点，又具有镍氢电池能量密度高的特点。
附图说明
图1为实施例提供的富液式储能型镍氢电池的结构示意图；
图2为镍氢电池充电曲线示意图；
其中，图1标记代表如下内容：
1-正极板；2-隔膜；3-负极板；4-电解液；5-连接件；6-极柱；7-注液栓；8-注液栓塞；9-电槽盖；10-电槽。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了富液式储能型镍氢电池，如图1所示，包括以氢氧化镍作为正极活性物质的正极板1和以储氢合金粉作为负极活性物质的负极板3，正极板和负极板之间设置有由聚丙烯/聚乙烯复合膜或尼龙膜组成的隔膜2，将正极板、负极板和隔膜装配成正负极板群，正负极板群装配在带有电槽盖9的电槽10内，电槽内的电解液4浸没整个正负极板群，形成单体电池。本实施例中，具体限定正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为储氢合金粉，采用富液式的设计，以PP/PE复合隔膜或尼龙膜作为电池的隔膜，得到富液式储能型镍氢电池。其中，以PP/PE复合隔膜或尼龙膜作为电池隔膜可以有效阻止过充电期间正极产生的氧气扩散至负极；采用富液式设计，使得电槽内存在大量游离态电解液，增大了正极产生的氧气扩散至负极的阻力，有效地减少了氢气与氧气之间的化合反应。同时，大量游离态的电解液有利于吸收充放电产生的部分热能，降低充放电温升，使该富液式镍氢电池能够与轨道车辆辅助供电系统使用的恒压限流充电制度相匹配。并且，该富液式镍氢电池具有过充电期产热少、散热快，不会发生“热失控”和“电流失控”的优点，可满足轨道车辆应急供电系统的储能要求。
在一优选实施例中，所述储氢合金粉为宽温域储氢合金粉，其工作温度为-50℃-+50℃。在本实施例中，具体限定了储氢合金粉的工作温度范围，需要说明的是，常规的储氢合金粉的工作温度为-20℃-+40℃，当温度低于-20℃或高于40℃时，电池的放电性能急剧下降；本申请采用新型A2B7型宽温域储氢合金粉，其工作温度为-50℃-+50℃，可有效解决高容量储氢合金粉高低温放电性能差的问题，将电池的工作温域拓宽至-50℃-+50℃。可以理解的是，对于实施例中新型A2B7型宽温域储氢合金粉的选择并不局限于上述实施例所列举的，还可以是本领域技术人员根据常识在本领域内进行合理选择并调整的其他类型的储氢合金粉。
在一优选实施例中，所述负极活性物质还包括活性炭，其比表面积为1500-2500m2/g。在本实施例中，通过向负极添加活性炭，可有效提升电池的大倍率充放电性能，有利于延长电池寿命，使该富液式镍氢电池兼具镍氢电池能量密度高与超级电容器充电快、寿命长的特点。另外，本发明使用高比表面积的超级活性炭作为负极活性物质，使得该镍氢电池1C放电容量可达90％。本实施例具体限定了活性炭的比表面积，可以理解的是，活性炭的比表面积还可以是2000m2/g及其范围内的任意点值。
在一优选实施例中，所述活性炭的含量为5％-10％。可以理解的是，所述活性炭的含量还可以是6％、7％、8％、9％及其范围内的任意点值。
在一优选实施例中，所述氢氧化镍为微米级球形氢氧化镍或纳米级氢氧化镍。本实施例中，限定氢氧化镍为微米级球形氢氧化镍或纳米级氢氧化镍，原因在于微米级球形氢氧化镍或纳米级氢氧化镍具有优良的电化学循环稳定性及优异的大电流充放电性能。
在一优选实施例中，所述的正极板和负极板以泡沫镍为集流体。
在一优选实施例中，所述电解液由纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成，各组分重量比为100：15-30：0.5-5：5-10：1-1.5。本实施例中，具体限定了电解质溶液由纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成，其中，钨酸钠的加入有利于提高正极氧气析出电位，有效改善电池的高温性能和自放电性能。可以理解的是，纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠的重量比还可以是100：20：2：7：1、100:25：4：10：1及上述范围内的任意点值比。
在一优选实施例中，所述富液式储能型镍氢电池还包括位于电槽上部的注液栓7、注液栓配有的注液栓塞8、分别与正负极板相连接的极柱6、用于连接极柱与正负极板的连接件5。
在一优选实施例中，所述的电槽盖、电槽、注液栓和注液栓塞由聚丙烯或ABS高分子材料制成。本实施例中，限定了电槽盖、电槽、注液栓和注液栓塞使用的材料类型为聚丙烯或ABS高分子材料，原因在于，聚丙烯或ABS高分子材料具有阻燃耐碱的优良性能，将其应用在该富液式镍氢电池，有利于提高电池的使用寿命。可以理解的是，本实施例所述的高分子材料不限于聚丙烯或ABS高分子，还可以为本领域技术人员经过合理调整后的其他阻燃耐碱的高分子材料。
本发明实施例还提供了如上述任一实施例所述的富液式储能型镍氢电池在轨道车辆的辅助供电系统上的应用。本实施例中，该富液式储能型镍氢电池能够与轨道车辆辅助供电系统使用的恒压限流充电制度相匹配，具有过充电期产热少、散热快，不会发生“热失控”和“电流失控”的特点，可满足轨道车辆应急供电系统的储能要求。
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的富液式储能型镍氢电池及其在轨道车辆的辅助供电系统上的应用，下面将结合具体实施例进行描述。
实施例1
一种富液式储能型镍氢电池，其正极和负极以泡沫镍为集流体，正极活性物质为球形覆钴氢氧化镍，负极活性物质为新型A2B7型宽温域储氢合金粉，采用PP/PE复合隔膜或尼龙膜作为电池隔膜，正极板、负极板和电池隔膜以层叠的方式装配形成正负极板群。通过连接件(由螺栓、螺母、垫片组成)将正负极板群与极柱进行连接，并装入电槽内，盖上电槽盖，电槽盖通过热板加热热封工艺进行封口，注入由重量比为100：15：0.5：5：1的纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成的电解液，使其浸没整个正负极板群，形成单体电池。
实施例2
富液式储能型镍氢电池的结构与实施例1相同，不同之处在于，该实施例中负极活性物质还包括比表面积为2000m2/g的活性炭。
对比例1
一种贫液式储能型镍氢电池，其正极和负极以泡沫镍为集流体，正极活性物质为球形覆钴氢氧化镍，负极活性物质为新型A2B7型宽温域储氢合金粉，采用聚丙烯隔膜作为电池隔膜，正极板、负极板和电池隔膜以层叠的方式装配形成正负极板群。将正负极板群与极柱进行连接，并套上绝缘膜后装入金属电池壳体中，对电池盖板和电池壳体进行激光焊接，对电池壳体进行抽真空，并注入一定计量的由重量比为100：15：0.5：5：1的纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成的电解液，确保电解液将正负极板浸润，但电池内没有游离态电解液。拧上安全阀，形成单体电池。
性能测试
对上述实施例2及对比例1所述的镍氢电池在40℃、恒压1.42V、
限流24A下进行充电实验，所得到的充电曲线如图2所示。
实验结果表明，对比例1所述的贫液式镍氢电池在40℃、恒压1.42V、限流24A下进行充电时，发生电流失控现象，电池温升约为10℃。而实施例2所述的富液式储能型镍氢电池在40℃、恒压1.42V、限流24A下进行充电时，电池温升仅3℃，未发生电流失控现象，能够与轨道车辆辅助供电系统用的恒压限流充电制度相匹配。

Claims (10)

1.富液式储能型镍氢电池，其特征在于，包括以氢氧化镍作为正极活性物质的正极板和以储氢合金粉作为负极活性物质的负极板，正极板和负极板之间设置有由聚丙烯/聚乙烯复合膜或尼龙膜组成的隔膜，将正极板、负极板和隔膜装配成正负极板群，正负极板群装配在带有电槽盖的电槽内，电槽内的电解液浸没整个正负极板群，形成单体电池。
2.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述储氢合金粉为宽温域储氢合金粉，其工作温度为-50℃-+50℃。
3.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述负极活性物质还包括活性炭，其比表面积为1500-2500m2/g。
4.如权利要求3所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述活性炭的含量为5％-10％。
5.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述氢氧化镍为微米级球形氢氧化镍或纳米级氢氧化镍。
6.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述的正极板和负极板以泡沫镍为集流体。
7.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述电解液由纯净水、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、钨酸钠组成，各组分重量比为100：15-30：0.5-5：5-10：1-1.5。
8.如权利要求1所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述富液式储能型镍氢电池还包括位于电槽上部的注液栓、注液栓配有的注液栓塞、分别与正负极板相连接的极柱、用于连接极柱与正负极板的连接件。
9.如权利要求8所述的富液式储能型镍氢电池，其特征在于，所述的电槽盖、电槽、注液栓和注液栓塞由聚丙烯或ABS高分子材料制成。
10.如权利要求1-9任一项所述富液式储能型镍氢电池在轨道车辆的辅助供电系统上的应用。
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