CN114864950A - 一种电极集流体及其制备方法和锌镍电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电极集流体及其制备方法和锌镍电池，此电极集流体采用的是具有微孔的泡沫锌材料制成的，泡沫锌的表面镀有一层金属锡，金属锡不仅可以提高泡沫锌的导电性能，还能有效抑制充电时氢气的析出和减缓泡沫锌被电解液腐蚀，同时，活性物质填充于泡沫锌的微孔内，使整个电极的导电性更加均匀，保证了电池的功率性能和低温性能。

Description

一种电极集流体及其制备方法和锌镍电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电极集流体及其制备方法和锌镍电池。

背景技术

二次电池又称为可充电电池，市场上主要的充电电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池以及锌镍电池等。二次电池的电极一般由集流体和活性物质组成，电极的集流体是内外电路的桥梁，一般由导电性能良好的材料制成，尽管正负极电极的材料千变万化，但由于铝箔和铜箔的高导电性和电化学稳定性，成为较受欢迎的正极或负极集流体。然而铝箔和铜箔在长期的循环过程中，易受到局部电化学腐蚀，造成电阻增加、短路和副反应的发生，由此考虑到集流体材料在特定电解液体系中的耐腐蚀性要求，对于不同的电池采用的电极集流体材料不同，例如，铅酸电池的电极集流体多采用铅材料，碱性电池的电极集流体多采用镍和铜材料，在锌镍电池中，正极集流体多采用镍材料，负极集流体多采用的是铜材料，一般地，锌镍电池的负极点位在-1.24V左右，铜材易析氢且易被腐蚀，为了解决这个问题，会在铜材的表面镀上一层锡，尽管铜材表面镀锡有助于提高析氢过点位和提升耐腐蚀性，但难以从根本上解决问题，电池在运行过程中仍会有一定比例的电池会放生镀层失效，铜材被电解液腐蚀，造成电压闪崩。因此一些厂家提出在对电池寿命要求低的应用场景中，用导电性能较差的锌箔代替铜箔，可彻底避免电池电压闪崩的现象，但电池的低温性能和功率性能也都相应的下降了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电极集流体及其制备方法，能够避免电池出现闪崩现象的同时还能保证电池的低温性能和功率性能不降低。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种电极集流体，集流体是具有微孔的泡沫锌材料制成的，为了提高泡沫锌的导电性能，泡沫锌的表面还镀有一层金属锡，金属锡在提高泡沫锌的导电性能的同时还能有效抑制充电时氢气的析出和减缓泡沫锌被电解液腐蚀，同时，活性物质填充于泡沫锌的微孔内，使整个电极的导电性更加均匀，保证了电池的功率性能和低温性能。

进一步地，在本发明中，泡沫锌表面金属锡的厚度为0.1-50μm。

进一步地，在本发明中，泡沫锌微孔的孔径为1-1000μm。

本发明的另一方面提供了上述电极集流体的制备方法，包括以下步骤：

S1、将泡沫锌浸入到金属锡盐溶液中，在泡沫锌的表面形成一层金属锡层，完成集流体浸镀锡；

S2、除去泡沫锌孔内的液体除去，将泡沫锌浸入到活性物质浆料槽中，待活性物质浆料充满泡沫锌的微孔后，刮去泡沫锌表面浆料；

S3、将涂浆的泡沫锌烘干，压实到设定厚度，再分切成设定的尺寸，制得电极。

进一步地，在本发明中，利用金属锡盐溶液和金属锌发生的置换反应，在泡沫锌的表面形成一层较致密较均匀的金属锡层，较好地提高了泡沫锌的导电性能，同时抑制了氢气的析出和电解液对泡沫锌的腐蚀。优选地，在本发明中，金属锡盐为硫酸亚锡或氯化亚锡中的一种，也可以是其他能和金属锌发生置换反应的金属锡盐。

进一步地，在S1步骤中，泡沫锌进入到金属锡盐溶液中停留0.1-20秒即可，就能在泡沫锌表面得到预设厚的金属锡层。

进一步地，在S1步骤中，金属锡盐溶液的温度需要保持在5-45℃之间，以使金属锡较均匀地覆盖于泡沫锌的表面。

进一步地，在本发明中，活性物质为氧化锌、氧化铋、氧化铟、聚四氟乙烯和HEC的混合物或氢氧化钙、四氧化三铅和聚乙烯的混合物。

进一步地，在步骤S3中，涂浆后的泡沫锌需要在90-210℃下烘干。

进一步地，本发明的另一方面提供了一种锌镍电池，包括正极片、负极片、电解液以及隔膜，其中，负极片是由上述电极集流体制得的，优选地，在本发明中，正极片是由泡沫镍材料制成的电极集流体涂覆氢氧化镍/碳复合材料制得的。

本发明的有益效果：

1、本发明采用的是泡沫锌作为电极集流体的基体，泡沫锌具有三维网状结构，孔隙率高，比表面积大，能够较好地负载活性物质，使整个电极导电性更加均匀和效果更好。

2、本发明利用泡沫锌来代替铜箔，避免了电压的闪崩现象，同时用泡沫锌代替锌箔，可有效降低极片的电阻，使电极保持较好的功率性能和低温性能。

3、本发明利用金属锌和金属锡盐溶液之间的置换反应在泡沫锌的表面形成一层金属锡，使金属锡能够较均匀较致密地分布于泡沫锌的表面，进一步提升了泡沫锌集流体的导电性能，同时金属锡能够有效地保护泡沫锌基体，抑制充电时氢气的析出和减缓电解液对锌的腐蚀。

附图说明

图1为本发明优选实施例一和优选实施例二泡沫锌的放大示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例一

本实施例提供了一种电极集流体及其制备方法，具体地，本实施例的电极集流体是以泡沫锌作为基体的，由图1可知，泡沫锌具有微孔，在本实施例中，泡沫锌的微孔孔径约为1-50μm。由于锌的导电性能相较于铜材较差，在本实施例中，泡沫锌的表面镀一层金属锡，以提高泡沫锌的导电性能，金属锡层的厚度约在0.1-20μm。值得一提的是，在本实施例中，金属锡层是通过金属锡盐溶液和金属锌之间发生的置换反应生成的，由此金属锡能够较致密较均匀地覆盖于泡沫锌的表面，避免了金属锡层失效，还能有效抑制充电时氢气的析出和减缓泡沫锌被电解液腐蚀。更进一步地，如图1所示，由于泡沫锌内部为三维网状结构，微孔贯通，分布均匀，由此活性物质填充于泡沫锌的微孔内，提高了泡沫锌与活性物质之间的结合强度，降低活性物质与泡沫锌之间的接触电阻，使电极保持较好的功率性能和低温性能，相应的使电池具有较好的倍率电性能及循环稳定性。

以下为本实施例的电极集流体的制备方法，具体步骤为：

S1、将厚度为1mm的泡沫锌带完全浸入到1M的硫酸亚锡水溶液中，保持浸泡温度为5-25℃，停留0.1-5秒后取出，泡沫锌带的表面形成一层金属锡层，金属锡层的厚度约为0.1-20μm；

S2、用去离子水冲洗泡沫锌带0.5-2分钟，用压缩空气吹去微孔内的液体，再将泡沫锌带浸入到活性物质浆料槽中，待活性物质浆料充满泡沫锌带的微孔后，将泡沫锌带从拉浆板间缝隙拉出，刮去泡沫锌带表面的活性浆料；

优选地，在本实施例中，活性物质的主要成分为氧化锌93-95％、氧化铋2-4％、氧化铟0.01～0.2％、聚四氟乙烯2-4％和HEC 1～3％的混合物。

S3、将涂浆后的泡沫锌带放入烘道内，在90-130℃下烘干，再压实至0.3-2mm的厚度，再分切成4*10cm的尺寸，得到所需的电极。

进一步地，本实施例还提供了一种锌镍电池，包括镍电极、锌电极、电解液和隔膜，隔膜设置于镍电极和锌电极之间，其中，锌电极是由上述电极制得的，镍电极是由泡沫镍材料制成的电极集流体涂覆氢氧化镍/碳复合材料制得的。通过对电池性能测试可知，本实施例的新镍电池的能量密度在80-120Wh/Kg，最高放电容量可达到210mAh/g，在进行200次充放电循环后比容量为180mAh/g，可见由本实施例的电极集流体作为锌镍电池的锌电极具有良好的电化学性能和稳定性能。

实施例二

本实施例提供了一种电极集流体及其制备方法，具体地，本实施例的电极集流体是以泡沫锌作为基体，泡沫锌具有微孔，泡沫锌微孔孔径约为1-1000μm，泡沫锌的表面镀一层金属锡，以提高泡沫锌的导电性能，金属锡层的厚度约为0.5-50μm，在本实施例中，泡沫锌表面的金属锡层是通过金属锡盐溶液和金属锌之间发生的置换反应生成的，由此金属锡能够较致密较均匀地覆盖于泡沫锌的表面，避免了金属锡层失效，同时还能有效抑制充电时氢气的析出和减缓泡沫锌被电解液腐蚀。同时，活性物质填充于泡沫锌的微孔内，提高了泡沫锌与活性物质之间的结合能力，降低了活性物质与泡沫锌之间的接触电阻，使电极保持较好的功率性能和低温性能，相应的使电池具有较好的倍率电性能及循环稳定性。

进一步地，本实施例的电极集流体的制备方法，具体步骤如下：

S1、将厚度为2mm的泡沫锌带完全浸入到1M的氯化亚锡水溶液中，保持浸泡温度在22-45℃，停留10-20秒后取出，泡沫锌带的表面形成一层金属锡，金属锡层的厚度约为0.5-50μm；

S2、用去离子水冲洗泡沫锌带1-2分钟，再烘干微孔内的液体，再将泡沫锌带浸入到活性物质浆料槽中，待活性物质浆料充满泡沫锌带的微孔后，将泡沫锌带从拉浆板间缝隙拉出，刮去泡沫锌带表面的活性浆料；

优选地，在本实施例中，活性物质的主要成分为氢氧化钙2-4％、四氧化三铅93-95％和聚乙烯2-4％的混合物。

S3、将涂浆后的泡沫锌带放入烘道内，在100-210℃下烘干，再压实至0.7-15μm的厚度，再分切成1*5cm的尺寸，得到所需的电极集流体。

进一步地，本实施例还提供了一种锌镍电池，包括镍电极、锌电极、电解液和隔膜，隔膜设置于镍电极和锌电极之间，其中，锌电极是由上述电极集流体制得的，镍电极是由泡沫镍材料制成的电极集流体和氢氧化镍/碳复合材料制得的。通过对电池性能测试可知，本实施例的新镍电池具有较好的能量密度，能量密度在80-150Wh/Kg，最高放电容量可达到260mAh/g，在进行200次充放电循环后比容量为235mAh/g，可见由本实施例的电极集流体作为锌镍电池的锌电极具有良好的导电性能和稳定性能。

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电极集流体，其特征在于，所述电极集流体由泡沫锌材料制成，所述电极集流体表面镀有一层金属锡，所述泡沫锌具有微孔，所述微孔内填充有活性物质。

2.根据权利要求1所述的电极集流体，其特征在于，所述电极集流体表面镀的所述金属锡的厚度为0.1-50μm。

3.根据权利要求1所述的电极集流体，其特征在于，所述微孔的孔径为1-1000μm。

4.一种权利要求1-3任一所述电极集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将泡沫锌浸入到金属锡盐溶液中；

S2、除去泡沫锌微孔内的液体，将泡沫锌浸入到活性物质浆料槽中，待活性物质浆料充满泡沫锌的微孔后，刮去表面浆料；

S3、将涂浆的泡沫锌烘干，压实到设定厚度，再分切成设定尺寸，制得电极集流体。

5.根据权利要求4所述的电极集流体的制备方法，其特征在于，所述金属锡盐为硫酸亚锡、氯化亚锡中的任一种。

6.根据权利要求4所述的电极集流体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，泡沫锌浸入到金属锡盐溶液中停留0.1-20秒。

7.根据权利要求4所述的电极集流体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，金属锡盐溶液的温度保持在5-45℃。

8.根据权利要求4所述电极集流体的制备方法，其特征在于，所述活性物质为氧化锌、氧化铋、氧化铟、聚四氟乙烯和HEC的混合物或氢氧化钙、四氧化三铅和聚乙烯的混合物。

9.根据权利要求4所述的电极集流体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，控制涂浆的泡沫锌在90-210℃下烘干。

10.一种锌镍电池，其特征在于，包括正极片、负极片、隔膜和电解液，所述负极片由权利要求1-3任一所述的电极集流体制得。

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