CN1122168A - 用于镍金属氢化物电池的改进电极结构 - Google Patents

Abstract

用于卷绕的镍金属氢化物电化学电池的电极。电极具有载在基板上的电化学活性材料。电极的特征在于包括用有效数量的弹性粘合剂涂敷活性材料外表面，用来增强电极的完整性并在操作期间大幅度地抑制初期短路。

Description

用于镍金属氢化物电池的改进电极结构

本发明涉及用于可充电电化学电池的改进电极，更具体地说，涉及用于镍金属氢化物电池的经过改进的电极。特定地说本发明涉及用于镍金属氢化物电池的改进的电极设计，它显著地抑制了卷绕电池的初期短路。

一般地说，制造和使用用于电化学电池，包括镍金属氢化物电池的电极，对熟悉技术的人是已知的。这种电极通常包括一个多孔的或穿孔的导电金属基板，板上淀积一层电化学活性材料。电化学活性材料可以用挤压或粘贴材料的形式加在基板上，材料中的有机粘合剂提供机械完整性。粘贴的基板然后承受温和的加热和挤压以便在基板上形成活性材料的紧凑层。另外，正负电极都可做烧结的设计。例如，穿孔的或金属线网的钢基板可用一个碳基镍粉层(或多层)烧结来形成多孔的电极板，制成的多孔板然后按常规方法用电化学活性材料的溶液浸渍。这种电极成型的工艺在技术上是众所周知的。

一旦电极成型后，它们随后必须加工进入电池内。在一种加工柱形电池的方法中，负电极板和正电极板用两块隔板材料，如尼龙，交替配置。这个组件然后卷曲成螺旋形，因而在穿过电池时正负电极板的表面并列。这些电池部件通常绕一个可移动的心轴卷曲，轴定位在直径与电化学电池容器相近的穴内。美国专利4,814,242,4,765,799和4,929,519都公开了使用某种乳胶粘合剂材料粘合活性材料的镍镉电化学电池。可是，某些专利是针对镍金属氢化物电池的，而不是下面讨论的问题。

伴随开发镍金属氢化物电池(包括AB2和AB5合金)的困难之一是，它们或多或少地存在脆和不柔顺的趋势。于是，当卷曲电极使它弯曲时，电化学活性材料趋于断裂和剥落。这种趋势有时可导致贯穿隔板材料，并使电池短路。在启动或初期使用电池时这是特别实际的问题，高达10％的电池常因内部短路受损。于是，存在开发镍金属氢化物电极的需要，不论是正极还是负极，需使它们更易弯曲，具有更大的完整性，在卷曲时不会断裂或剥落，并不致影响电池的周期寿命。

相应地，本发明的目的之一是提供一项能抑制初期短路的改进的电极设计。

本发明的另一个目的是提供一个镍金属氢化物电极，它在卷曲和纵切时是柔顺的，从而防止电化学活性材料剥落。

本发明还有一个目的是提供一个烧结的负金属氢化物电极，它能减弱电短路的趋势却能延长周期寿命。

要达到以上和其它目的并根据本发明的目的在举实施例和在这里广泛地描述时，电极被封闭并用于卷曲的镍金属氢化物电化学电池内。电极还包括有效数量的弹性粘合剂涂料，用它涂敷活性材料的外表面来增强电极的完整性，并在工作期间大幅度地抑制初期短路。

说明书中与其结合并构成它一部分的附图解释本发明的最佳实施例，并配合描述，用来说明本明的原理。在图中：

图1是装在密封电化学器件的容器中的本发明的卷绕电极组件的实施例的部面图。

如上所述，本发明涉及可充电镍金属氢化物电化学电池的敷料电极。参阅图1，密封电化学电池10包括具有内表面14的容器构件12以及卷绕电极组件20。电极组件20的尺寸配置为放在容器12内紧对着表面14。容器12可用技术上满足其要求的任何已知材料(如镀镍钢板)制造。

更具体地参阅电极组件20的细节，用图说明负电极板22，它包括基板构件24及电化学活性材料26。如图所示，电化学活性材料固定在基板24的两面，并可用技术上已知的任何方式固定在基板24上，如用主要由活性材料和粘合剂混合制成的浆糊，压在多孔的基板24上并穿过它的孔眼。此外，最好用在基板两侧悬浮的含有活性材料的有机浆中，用十字头压模同时挤压，从那里渗透基板，在它的每一侧形成一个层，将活性材料粘合到基板24上。正如前面指出的，电化学活性材料也可烧结到基板24上。同理，用图说明正极板28，它包括基板材料30，以及固定到基板30两面的电化学活性材料32。再次反复，电化学活性材料32可用上述的任何已知方式固定到板30上。

根据要求和取决于所需电池的在镍金属氢化物技术中已知的技术，可对基板和电化学话性材料任意选择材料。

此外，正极板28和负极板22用一对隔板34和36隔开。隔板34和36又是在技术上按标准设计的，并能在正负的极板间不通过直接的电接触使电化学活性材料流过。在用图说明的实施例中，负极板22用根据本发明的弹性粘合剂层38涂敷。正极板28也可用下面描述的方法涂敷，尽管为简单和清楚起见这种涂敷没有在图1中示出。

由于正负极板22和28卷绕形成电池10，以前存在电化学活性材料26和36分裂，断片和剥落的趋势。不幸的是，这一趋势有时在隔板34和36中导致渗透，由此引起电池10中短路，尤其是在开始启动操作期间更是如此。这种电池的启动短路称为初期短路，而且由于这种初期短路，一般至少10％或更多的新电池由于这种初期短路产生的不合格的电池性能必须被抛弃不用，虽然现有的镍镉可充电电池承受相当多的这种初期短路，在镍金属氢化物电池中，由于在这种电池中用在电极(尤其是负极)中的AB2和AB5合金的较脆的性质，使问题变得突出。

已经发现如果电极表面涂敷一层具有足够厚度的弹性粘合剂材料，电化学活性材料断裂和剥落的趋势将大幅度减弱。当这趋势减弱时，已发现发生初期短路的数量也大幅度减少。可以确定这个减少的主要原因是这一事实，即弹性粘合剂材料的数量达到一定程度时，使电极增加了显著的柔顺性，由此在某种程度上抵销了电化学活性材料的脆性。这样，电极可用标准形式卷曲而不发生电化学活性材料的断裂和剥落从而减少由电池短路造成的损失。

当适于以上描述功能的任何弹性粘合剂材料可使用本发明时，这材料最好是，一种具有强粘性及高度弹性的疏水的聚合物。粘性有助于将电化学活性材料表面紧紧地限制在基板上。粘合剂涂料最好选用壳牌化学公司(Shell Chemical Company)以KRAYTON的商标制造的苯乙烯—乙烯/丁烯—萃乙烯的嵌段共聚物。

KRAYTON涂料不仅能涂敷电极以减少剥落，它还改进电极结构的完整性。用来完成这些功能存在KRAYTON涂料的有效用量，而这个有效用量最好是它的厚度不大于约0.002英寸。因此，要需很薄的涂层就能完成上述功能。如果厚度过大，在放电期间由于KRAYTON的疏水性质使电极对流量敏感。可是，已经发现如果存在KRAYTON的用量不过大于某量的话，在周期寿命中KRAYTON也减少了电化学活性合金氧化的可能性，从而延长了电池的周期寿命。由于电化学活性合金的氧化是镍金属氢化物电池周期寿命终止的主要原因，这个没有料到的功能是选择的KRAYTON涂料的一项附加的优点。进而，在AB5电化学电池结构中，在循环时AB5合金趋于生长和膨胀从而失去它的紧凑性。前面所说的迁移的趋势在这种膨胀中使电化学活性材料进入隔板，而且在最初制造时从超声焊接也会产生这种情况。KRAYTON涂料对电极提供附加的完整性从而防止进入隔板的这种膨胀。

粘合剂涂料可被用于使用任何可用技术的正负电极。其中一个实例是，根据选择，电极可简单地浸入液态KRAYTON或其它液态粘合剂。为今后讨论方便，将用KRAYTON代表选用的粘合剂涂料，尽管选用如上所述的任何适用的粘合剂材料都是可以理解的。应用KRAYTON涂料的另一种方式是把电极浸渍在液态KRAYTON中，然后把它抹去或挤掉来除去任何多余的材料。KRAYTON涂料也可简单地抹或涂在电极表面上，或者，作为替代方法，它可喷涂多层。总之，液态KRAYTON以适当厚度加在电极表面上然后烘干。

可以确信，KRAYTON趋于穿透电极结构的任何孔隙从而提供前面讨论的增强完整性。进而，某些电极结构在电极基板表面上具有沟或其它凹痕以便有助于使电化学活性材料粘合在基板上。在电化学活性材料淀积到基板上以后，在整体电极成型中，在基板中也可选用这种结构形式。已经发现在这种沟或凹痕中KRAYTON涂料趋于填充凹陷或空隙，从而用物理方法把裂纹或断片保持在原处，有助于防止断片和剥落，而且在电极卷好后不允许它剥落。

还发现KRAYTON具有其它优点。优点之一是在卷绕电极时，可以减少在卷绕过程中从电化学材料排放的粉尘颗粒，从而减少产生粉尘的数量。进而，已经发现KRAYTON涂料在制造中有助于切割或刨刮电极，因为电极板通常制成大的薄板，然后根据特定的要放电极的电化学电池的尺寸切成适当的尺寸。在使用上面讨论的KRAYTON涂料前，这种刨刮或切割的操作趋于在切片边缘处从基板上剥落某些电化学材料以及刮刨操作中产生的粉尘。KRAYTON涂料有助于减少产生粉尘的数量，并减少在刨刮操作中剥落的数量。

如上所述，已经指出，由于初期短路，至少有10％的镍金属氢化物电池受损。在某些实例中，在使用KRAYTON涂料前废品率曾高达20—50％。根据上述本发明应用KRAYTON涂料的结果，证明卷绕损失减少到5—10％。另外，与控制相比初期短路损失高达50％。于是，本发明显著地减少了由前述问题产生的镍金属氢化物电池的废品率。

                          实例I

在一次实验中，生产了四种正烧结镍电极用于测试镍金属氢化物电池。这些电极如下：

A型：含有一个非常柔性，易弯曲，并不存在使表面裂成尖锐前突的烧结板坯。把它放在电极基板上。

B型：制成一个标准的负电极板，然而用如上所述的KRAYTON粘合剂涂敷。

C型：制成一个和B型完全相同的标准平板，然后只在前缘处用KRAYTON粘合剂涂敷，其中在滚动装配时，它的前缘用来启动卷绕。

D型：制成标准平板，并像电极B和C一样使用，但不进行任何表面处理。

每个正电极A—D配备一个金属氢化物AB2负极板，使用一个尼龙隔板，和用一个卷绕机进行卷绕。对每一类A—D，卷绕成50个电极组件，并放在电化学电池罐中形成电化学电池。然后将这些电池投入工作，并检测短路。结果如下：

A型：0初期短路。

B型：0初期短路。

C型：4初期短路。

D型：4初期短路。

这个特例I的结果指出D型，用于镍金属氢化物电池的烧结镍金属电板总共发生8％的短路。显而易见，如C型所指出的只简单地涂敷前缘，不产生附加的变化或减少短路。根据本发明制造的B型电池显然指出本发明如上所述将保护以防初期短路。A型电池也指出，易弯曲的，柔软的能抗拒分裂和发生尖锐前突的烧结镍电极表面也能减少初期短路的次数，从而进一步支持上述初期短路理论的正确性。检测后，分别取出上述电池并分析，这种分析明显地指出C和D型电池的上述短路是尖锐前突穿过隔板造成的结果。

                       实例II

在本例中，镍金属氢化物4/3A电池是用AB5紧凑负电极涂敷厚约0.002英寸KRAYTON层制成的。控制电极没有加KRAYTON，而检测电池分成两类—应用KRAYTON一遍和两遍。结果如下：

             缺点/故障％

控制           19.4

1层             7.3

2层             7.1

可以看出，这个文本清楚地说明，KRAYTON涂料显著地减少或抑制这些电池的初期短路。

                         实例III

本发明又完成了另一次试验，其中对由超声焊接电池时产生金属颗粒振荡穿过隔板的缺点进行评估。在本例中，文本中使用和实例II相同的电极和电池的类型。

结果如下：

测试的次数                   缺点/故障％

控制   12                    50

一对   19                    16

两对   19                    5

本发明的效益再次由获得的结果清楚地阐明，并指出由制造加工产生的缺点也可用本发明大幅度地抑制住。

由上述可见，在启动时由电化学活性材料的断片和剥落和电池短路的缺点，镍金属氢化物电池承受高到不可接受的损失率。已经发现，这种缺陷损失近90％是由负电极断片造成的，其余认为是由正电极的断片造成的。本发明是个用于显著减少这种电缺陷的简单但高度有效的技术，并把损失降到可接受的限度内。进而，本发明增强了电极的完整性及减少在电极制造和电池卷绕过程中带来的环境污染问题。因此，本发明不仅由于减少损失提供显著的经济效益，也促进了制造技术。

本发明的上述说明和用图说明的实施例以各种不同形式和在替代的实施例中详细描述。但应当理解，本发明的以上描述只是示范性的，本发明的范围只限于按现有技术作出解释的权利要求书。

Claims (19)

1.一种用于卷绕镍金属氢化物电化学电池中的电极，所述电极具有载在基板上的电化学活性材料，所述电极的特征在于在所述活性材料外表面涂敷有效数量的弹性粘合剂来增强所述电极的完整性，并大幅度地抑制工作中的初期短路。

2.根据权利要求1的电极，其中所述粘合剂涂料具有有效数量以在卷绕所述电极时大幅度减少断片和产生的粉尘，而不限制周期寿命。

3.根据权利要求2的电极，其中所述有效数量包括多达约0.002英寸的厚度。

4.根据权利要求1的电极，其中所述粘合剂涂料由具有强粘性和高弹性的疏水聚合物材料组成。

5.根据权利要求4的电极，其中所述粘合剂涂料由苯乙烯—乙烯/丁烯—乙烯嵌段共聚物组成。

6.根据权利要求1的电极，其中所述电极由镍金属氢化物电极组成。

7.根据权利要求6的电极，其中所述电极由烧结的镍电极组成。

8.根据权利要求6的电极，其中所述电极由涂浆的镍电极组成。

9.根据权利要求1的电极，其中所述电极由镍金属氢化物正电极组成。

10.具有增强电特性和周期寿命特性的烧结的镍金属氢化物电极，包括：基板，烧结到所述基板的电化学活性材料，覆盖所述烧结活性材料的并包括有效数量的弹性疏水粘合剂以增强所述电极的完整性并大幅度抑制使用期间的初期电短路的外表层。

11.根据权利要求10的电极，其中所述有效数量包括厚度不大于约0.002英寸。

12.根据权利要求10的电极，其中所述粘合剂须提供有效数量以在卷曲所述电极时减少断片并增强其纵切能力。

13.根据权利要求10的电极，其中所述粘合剂由具有强粘性和高弹性的疏水聚合物材料构成。

14.根据权利要求13的电极，其中所述粘合剂由苯乙烯—乙烯/丁烯—苯乙烯嵌段共聚物组成。

15.生产具有减少的初期电短路的镍金属氢化物电池电极的方法，包括：

形成电化学活性材料；

把所述活性材料加到基板上；

用有效数量弹性粘合剂涂敷所述基板和电化学活性材料，来增强所述电极的完整性并大幅度抑制使用期间的初期短路。

16.根据权利要求15的方法，其中所述基板和所述活性材料通过将所述基板和上面的所述活性材料浸入所述弹性粘合剂然后把它烘干而进行涂敷。

17.根据权利要求15的方法，其中所述基板和所述活性材料通过将所述弹性粘合剂喷涂到所述活性材料外表面而进行涂敷。

18.根据权利要求15的方法，其中所述基板和所述活性材料通过利用刷子作工具涂刷其表面把所述粘合剂加到所述活性材料外表面而进行涂敷。

19.根据权利要求15的方法，其中所述弹性粘合剂由具有强粘性和高弹性的疏水聚合物材料组成，该聚合物材料的有效数量由约0.002英寸或更小的厚度组成。

20.根据权利要求19的方法，其中所述弹性粘合剂由苯乙烯—乙烯/丁烯—苯乙烯嵌段共聚物组成。

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