CN115692873A - 一种宽温镍氢电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于镍氢电池制备技术领域,公开了一种宽温镍氢电池及其制备方法,其中所述宽温镍氢电池,包括正极、负极、隔膜及电解液,所述正极的正极材料包括以下组分:78~82wt%球形氢氧化亚镍、8~12wt%覆钴球型氢氧化亚镍、6~8wt%导电剂、2~4wt%正极添加剂;所述负极的负极材料采用高钴稀土储氢合金粉。通过对正极材料和负极材料的配方改进,实现了镍氢电池在‑20~70℃温度条件下的充放电能和长循环性能,其中在70℃温度条件下,镍氢电池能够保持85%以上的放电效率,在70℃6个月的浮充测试后,镍氢电池依旧能够保持72%以上的放电效率。

Description

一种宽温镍氢电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及镍氢电池制备技术领域,特别是涉及一种宽温镍氢电池及其制 备方法。
背景技术
镍氢电池具有环保、安全稳定、成本较低的特点,且镍氢电池与锌锰电池、 镉镍电池具有相近的工作电压、更高的能量密度和环保型,因此大规模的替代 锌锰电池、镉镍电池应用于电子领域,具有良好的商业前景,尤其当今社会对 环境保护极大关注,使得镍氢电池的进一步应用开发越来越得到重视。传统的 镍氢电池的适用温度一般为-15~45℃,其应用场景较为局限,并不适用于极端温 度环境。
现有技术中主要针对镍氢电池的结构进行改进来提高其耐高温性能,如CN201720531574.0一种耐高温的镍氢电池中通过设置风扇与半导体制冷片,从 而保证了电池组的温度恒定,CN201721792271.0一种耐高温的镍氢电池则通过 设置热反射层可将镍氢电池所处高温环境的热能反射,通过设置隔热层可有效 防止热量传导至电池的内部,从而减少高温环境对电池的影响。但是通过改进 结构的方式无疑会增加制备难度,同时也并不适用对电池规格有要求的日常使 用场景。因此,本领域的研发人员有回归镍氢电池配方材料进行改进的开发思 路,开发一种配方简洁,制备工艺简单的宽温镍氢电池。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足,本发明目的是提供一种宽温镍氢电 池,该镍氢电池具有配方简洁、能够在-20~70℃的温度范围内实现良好的充放电 性能。
本发明的另一目的是提供上述宽温镍氢电池的制备方法。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种宽温镍氢电池,包括正极、负极、隔膜及电解液,所述正极的正极材 料包括以下组分:78~82wt%球形氢氧化亚镍、8~12wt%覆钴球型氢氧化亚镍、 6~8wt%导电剂、2~4wt%正极添加剂;所述负极的负极材料采用100wt%高钴稀 土储氢合金粉。
进一步的,所述正极的正极材料包括以下组分:80wt%球形氢氧化亚镍、 10wt%覆钴球型氢氧化亚镍、7wt%导电剂、3wt%正极添加剂;所述负极的负极 材料采用100wt%高钴稀土储氢合金粉。
进一步的,所述球形氢氧化钠亚镍中镍含量≧53wt%,钴含量为5±0.3wt%, 锌含量为3.0±0.3%。
进一步的,所述覆钴球形氢氧化亚镍中镍含量≧54wt%,钴含量为 4±0.3wt%,锌含量为3.0±0.3%。
进一步的,所述球形氢氧化钠亚镍的粒度D50为9~15μm,优选为 12~12.5μm;所述覆钴球形氢氧化亚镍的粒度D50为9~15μm,优选为12~12.5μm。
进一步的,所述导电剂包括氧化亚钴。
进一步的,所述正极添加剂包括氧化钇、二氧化钛。
进一步的,所述正极添加剂还包括硒化钴。
进一步的,所述高钴稀土储氢合金粉的化学式为 MmNi3.67Co0.68Mn0.36Al0.29X,其中Mm为稀土元素,主要包括镨、钕,X为满足 特殊性能需要添加的元素。
进一步的,所述高钴稀土储氢合金粉中的元素组成为Mm 33.0±1.5wt%、Ni 51.0±1.5wt%、Co 9.5±0.5wt%、Mn 4.7±0.5wt%、Al 1.9±0.3wt%。
进一步的,所述高钴稀土储氢合金粉的粒度为D50为70~75μm,优选为 70.5~71.5μm。
进一步的,所述隔膜采用磺化型隔膜,优选为磺化PP隔膜纸或磺化PE隔 膜纸。
进一步的,所述磺化型隔膜的面密度为62.0±6.0g/m2;厚度为 0.180±0.020mm;透气率为35~40cm/sec;磺化度为0.7±0.2Wt%;抗拉强度为 3500~4000N/m;电解液吸液率(10min)为250~280%。
进一步的,所述电解液采用碱金属氧化物配制成的碱性水溶液,所述碱金 属氧化物的浓度为6~8.5mol/L。
进一步的,所述碱金属氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化锂,所述 氢氧化钠、氢氧化钾及氢氧化锂在所述电解液中的摩尔比为2:(0.5~1):(0.5~1)。
本发明还提供所述的宽温镍氢电池的制备方法,包括以下步骤:
S1:将所述正极材料填充到发泡镍基体中,然后辊压,裁切得到正极片;
S2:将所述负极材料填充到铜网基体中,然后碾压、裁切得到负极片;
S3:将所述正极片、隔膜及所述负极片卷绕成圆柱型电芯;
S4:提供底部具有泡沫镍底垫的圆柱形钢壳,将所述圆柱型电芯放入所述 圆柱形钢壳中;
S5:提供集流盘和盖帽,将所述集流盘焊接在所述圆柱型电芯上,将所述 盖帽焊接在所述集流盘上;
S6:向所述圆柱形钢壳注入电解液,封口得到所述宽温镍氢电池。
进一步的,所述发泡镍基体的密度为320g/m2;所述铜网基体的密度为 300g/m。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的宽温镍氢电池通过对正极材料和负极材料的配方改进,实 现了镍氢电池在-20~70℃温度条件下的充放电能和长循环性能,其中在70℃温 度条件下,镍氢电池能够保持85%以上的放电效率,在70℃6个月的浮充测试 后,镍氢电池依旧能够保持72%以上的放电效率。
2、本发明提供的镍氢电池采用干法上粉辊压制备正极片和负极片,尤其负 极片采用100wt%的高钴稀土储氢合金粉填充到基体中直接进行辊压制片,无需 预先经过混合搅拌均匀的过程,减少了制备过程中由于负极材料搅拌不均而导 致的镍氢电池的电化学性能不稳定,同时也减少了制备工序,提高了生产效率。
具体实施方式
下面用具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的 实施方式不限于此。如无特别说明,本发明中所有原料和试剂均为市购常规的 原料、试剂。实施例中各组分的用量以质量体积份计,g、mL。
其中,所述覆钴球形氢氧化亚镍采购自金川集团粉体材料有限公司;
所述球形氢氧化亚镍采购自江门市长优实业有限公司;
所述磺化型隔膜采购自莱州联友金浩新型材料有限公司,HG6018L型号;
所述高钴稀土储氢合金粉采购自微山钢研稀土材料有限公司,3C03型号, 化学式MmNi3.67Co0.68Mn0.36Al0.29X,Mm包括Pr、Nd,主要包括元素组成为Mm 33.0±1.5wt%、Ni 51.0±1.5wt%、Co 9.5±0.5wt%、Mn 4.7±0.5wt%、Al 1.9±0.3wt%。
实施例1
S1:将80wt%球形氢氧化亚镍、10wt%覆钴球型氢氧化亚镍、7wt%氧化亚 钴、2wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀,混粉过程中喷洒适量的PTFE粘结 剂,然后填充到320g/m2的发泡镍基体中,然后辊压,裁切得到正极片,其中球 形氢氧化亚镍的粒度D50为12~12.5μm;覆钴球形氢氧化亚镍的粒度D50为 12~12.5μm,高钴稀土储氢合金粉粒度D50为70.5~71.5μm;
S2:将高钴稀土储氢合金粉填充到300g/m的铜网基体中,然后碾压、裁切 得到负极片;
S3:将正极片、隔膜及负极片卷绕成圆柱型电芯;
S4:提供底部具有泡沫镍底垫的圆柱形钢壳,将圆柱型电芯放入圆柱形钢 壳中;
S5:提供集流盘和盖帽,将集流盘焊接在所述圆柱型电芯上,将盖帽焊接 在集流盘上;
S6:向圆柱形钢壳注入电解液(4mol/L氢氧化钠、2mol/L氢氧化钾及1mol/L 氢氧化锂,封口得到宽温镍氢电池。
对实施例1制备的到的宽温镍氢电池进行耐温性能测试,分别在常温25℃、 0℃、-10℃、-20℃、70℃环境温度下用0.05C充电24小时,0.2C放电至3.0V, 进行放电测试,同时在70℃条件下用0.05C浮充6个月,进行放电测试具体结 果见表1。
表1不同环境温度充放电效率对比
Figure BDA0003914119840000041
Figure BDA0003914119840000051
由实施例1数据可见,本发明提供的镍氢电池在-20~70℃环境下均能够保持 较好的充放电性能,表明其具有良好的耐高低温性能,尤其具备良好的耐高温 性能,在70℃充放电测试中放电效率大于85%,70℃浮充6个月的放电效率依 旧能到达到72%以上,表明其在高温条件下具有长期稳定性。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于,将78wt%球形氢氧化亚镍、12wt%覆钴球 型氢氧化亚镍、6wt%氧化亚钴、3wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀,混粉 过程中喷洒适量的PTFE粘结剂,然后填充到320g/m2的发泡镍基体中;
实施例2最终制备得到的镍氢电池测试得到的电化学性能与实施例1相近。
实施例3
实施例2与实施例1的区别在于,将82wt%球形氢氧化亚镍、8wt%覆钴球 型氢氧化亚镍、8wt%氧化亚钴、1wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀,混粉 过程中喷洒适量的PTFE粘结剂,然后填充到320g/m2的发泡镍基体中;
实施例3最终制备得到的镍氢电池得到的电化学性能与实施例1相近。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于,正极添加剂有2wt%氧化钇、0.5wt%二氧 化钛、0.5wt%硒化钴;
实施例4最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为86.18%,在70℃的 放电效率为91.2%。
由实施例4的测试结果可见,当正极添加剂中加入催化剂硒化钴,能够显 著的提高镍氢电池在低温-20℃和高温70℃的放电效率,主要是由于硒化钴具有 良好的导电性和电化学性能,作为正极添加剂使用能够与氧化亿、二氧化钛、 协同作用,提高镍氢电池的放电效率,如此提高镍氢电池的耐高温性能。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于将90wt%球形氢氧化亚镍、7wt%氧化亚钴、 2wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀后填充到320g/m2的发泡镍基体中;
对比例1最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为66.48%,在70℃的 放电效率为75.26%。
对比例2
对比例1与实施例1的区别在于将90wt%覆钴球形氢氧化亚镍、7wt%氧化 亚钴、2wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀后填充到320g/m2的发泡镍基体中;
对比例2最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为70.21%,在70℃的 放电效率为78.12%。
对比例3
将70wt%球形氢氧化亚镍、20wt%覆钴球型氢氧化亚镍、7wt%氧化亚钴、 2wt%氧化钇及1wt%二氧化钛混合均匀,混粉过程中喷洒适量的PTFE粘结剂, 然后填充到320g/m2的发泡镍基体中;
对比例3最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为75.54%,在70℃的 放电效率为80.37%。
由对比例1和对比例2的测试结果可看出当正极材料中球形氢氧化亚镍或 覆钴球形氢氧化亚镍的其中一种时,制备得到的镍氢电池在-20℃和70℃的放电 效率均明显降低,由对比例3测试结果可以看出,当降低球形氢氧化亚镍和增 加覆钴球型氢氧化亚镍后,制备得到的镍氢电池在-20℃和70℃的放电效率同样 也略有降低,数据表明在本发明提供的镍氢电池中,球形氢氧化亚镍和覆钴球 形氢氧化亚镍协同作用,使镍氢电池保持良好的耐高低温性能。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于负极材料采用市售购买的A2B7型储氢合 金,该储氢合金不含Pr和Nd,且Co含量小于5wt%;
对比例4最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为64.62%,在70℃的 放电效率为72.19%。
由对比例4的测试结果可看出,当负极材料采用不含镨钕的且Co含量低于 本发明的高钴稀土储氢合金粉时,制备得到的镍氢电池的放电效率显著降低, 可见本发明所采用的单一的高钴稀土储氢合金粉是不可替换的,与正极材料、 负极材料配合使用,不仅具有电化学性能高的特点,无需添加负极添加剂,依 旧能够使镍氢电池保持良好的充放电性能,减少了镍氢电池生产过程中的搅拌 工序,提高了生产效率,同时减少了不稳定因素,提高了镍氢电池的稳定性。
对比例5
对比例5与实施例1的区别在于高钴稀土储氢合金粉粒度D50大于78μm, 对比例5最终制备得到的镍氢电池在-20℃的放电效率为74.82%,在70℃的放电 效率为79.37%。
由对比例5的测试数据可见,当负极材料高钴稀土储氢合金粉粒度超出本 申请的限定范围时,不同温度下的放电效率也会下降,说明高钴稀土储氢合金 粉粒度对电池的电化学性能也有重要相关。
上述实施例为本发明探索的最优实施方式,但本发明的实施方式并不受上 述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、 修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范 围之内。

Claims (10)

1.一种宽温镍氢电池,包括正极、负极、隔膜及电解液,其特征在于,
所述正极的正极材料包括以下组分:78~82wt%球形氢氧化亚镍、8~12wt%覆钴球型氢氧化亚镍、6~8wt%导电剂、2~4wt%正极添加剂;
所述负极的负极材料采用高钴稀土储氢合金粉。
2.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述正极的正极材料包括以下组分:80wt%球形氢氧化亚镍、10wt%覆钴球型氢氧化亚镍、7wt%导电剂、3wt%正极添加剂;所述负极的负极材料采用100wt%高钴稀土储氢合金粉。
3.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述球形氢氧化钠亚镍中镍含量≧53wt%,钴含量为5±0.3wt%,锌含量为3.0±0.3%;所述覆钴球形氢氧化亚镍中镍含量≧54wt%,钴含量为4±0.3wt%,锌含量为3.0±0.3%。
4.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述导电剂包括氧化亚钴。
5.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述正极添加剂包括氧化钇、二氧化钛。
6.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述高钴稀土储氢合金粉的化学式为MmNi3.67Co0.68Mn0.36Al0.29X,其中Mm为稀土元素,主要包括镨、钕,X为满足特殊性能需要添加的元素。
7.根据权利要求6所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述高钴稀土储氢合金粉中的元素组成为Mm 33.0±1.5wt%、Ni 51.0±1.5wt%、Co 9.0±0.5wt%、Mn4.7±0.5wt%、Al1.9±0.3wt%。
8.根据权利要求6所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述隔膜采用磺化型隔膜。
9.根据权利要求6所述的宽温镍氢电池,其特征在于,所述电解液采用碱金属氧化物配制成的碱液,所述碱金属氧化物包括氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾。
10.根据权利要求1所述的宽温镍氢电池的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将所述正极材料填充到发泡镍基体中,然后辊压,裁切得到正极片;
S2:将所述负极材料填充到铜网基体中,然后碾压、裁切得到负极片;
S3:将所述正极片、隔膜及所述负极片卷绕成圆柱型电芯;
S4:提供底部具有泡沫镍底垫的圆柱形钢壳,将所述圆柱型电芯放入所述圆柱形钢壳中;
S5:提供集流盘和盖帽,将所述集流盘焊接在所述圆柱型电芯上,将所述盖帽焊接在所述集流盘上;
S6:向所述圆柱形钢壳注入电解液,封口得到所述宽温镍氢电池。
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