CN1319193C - 碱性蓄电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种碱性蓄电池，包括装在容器中的电极组件，所述电极组件包括正极板、负极板和隔膜，此正极板是将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料填充到具有三维连续空间的金属多孔体基底中、然后压制而成的，正极板与负极板彼此相对，隔膜放置在正负极板之间，其中所采用的所述正极板由下述方式制备：将活性材料填充到多个基底上，接着将至少两个所得的正极板层叠地放置，将它们压制成单个正极板。

Description

碱性蓄电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及典型以镍氢蓄电池、镍镉蓄电池为代表的、具有提高的容量的碱性蓄电池，以及用于制造这种电池的方法。
背景技术
近年来，随着便携式和/或无绳设备的快速广泛采用，增加了对于尺寸小、重量轻、具有高能量密度的二次电池的需求，以便用作这种设备的电源。在市场上，等待具有很高容量并且不贵的二次电池。因此，人们焦急地等待着市场上出现容量增加、成本减少、可靠性有改进的以镍氢蓄电池和镍镉蓄电池为代表的碱性蓄电池。
这种碱性蓄电池事先由下述方式构成：在电池壳中装入电极组件，此电极组件由包括氢氧化镍作为主要成分的正极板和负极板以及电绝缘隔膜构成，其中正负极板彼此相对设置，电绝缘隔膜放置在正负极板之间；然后将预定量的碱性电解液注入到电极组件中；然后用密封板紧密地密封电池壳的上部分，此密封板还用作正极或负极的端子。
此处的正极板迄今由下述方式制备：将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料与水和水溶性粘合剂一起捏和制备活性材料膏，在含镍的金属多孔体中填充活性材料膏，接着烘干，然后压制所得的电极以使厚度均匀并同时提高活性材料的组装密度。这种方法已经在例如JP9-106814A中公开。
为了确保获得更高容量所需的正极活性材料的量，采用包括厚度增加的镍金属多孔体制备正极板。
然而，当通过增加金属多孔体的厚度以实现容量增加的时候，就增加了制备多孔体的难度，引起成本的提高。由于正极就本性而言是具有低自由度的结构性材料，不易弯曲变形，当增加金属多孔体厚度时，在正极板制备步骤中就容易发生金属多孔体的破裂和折断以及活性材料的脱落和分离。因此，可能会造成脱落下来的活性材料穿透正负极板间的隔膜，引起正负极之间的内部短路。
另外，由于当金属多孔体厚度增加时降低了活性材料膏的填充均匀性，在活性材料密集填充的部分中，在压制正极板以获得所需厚度的同时泡沫金属多孔体易于破裂和折断；另一方面，在活性材料填充稀松的部分中，易于露出金属多孔体骨架。因此，可能造成由于断裂的骨架或裸露的骨架穿透隔膜引起正负极接触而引起的内部短路。
另外，很难通过电镀渗透到厚金属多孔体的内部，因此内部骨架易于变薄，因此采用厚型金属多孔体容易造成放电性能的降低。
发明概述
为了解决上述问题，在本发明的碱性蓄电池中，如下制备电极：首先，通过将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料与水和粘合剂一起捏和制备活性材料膏；然后，在具有三维连续空间的金属多孔体中填充膏状物；或作为选择，通过将活性材料粉末填充到金属多孔体中制备电极，然后，将至少两个由此制备的电极叠加放置，压制成单个电极。
此时，由于至少两个电极堆叠成单个电极，以至少为所要堆叠的电极数量去除完成时所需的活性材料的含量，选择注入金属多孔体的活性材料膏或活性材料粉末的量，同时，使单个金属多孔体的厚度薄以便得到完成时所需要的容量。
将由此制成的正极和负极彼此相对放置，隔膜设置在正负极之间，构成电极组件。将电极组件装入壳体中，往壳体中注入进行碱性电解液，紧密地密封壳体的上部分，由此构成碱性蓄电池。
以上述方式，可以填充活性材料直到获得迄今认为很难达到的容量，同时，可以抑制已经是严重问题的金属多孔体的断裂和活性材料的不均匀填充，可以获得增加的容量，由此可以设计成性能特性波动小的电池。
附图的简要说明
图1示出在本发明的实施例中将两正极板形成单个板的机构的示意图。
图2是显示此例中的正极板的平面图。
图3是此例的电池的局部截面图。
图4是显示用于形成对比例1中的正极板的机构的示意图。
发明的详细描述
本发明的碱性蓄电池包括装在容器中的电极组件，所述电极组件包括正极板、负极板和隔膜，此正极板是将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料填充到具有三维连续空间的金属多孔体中、然后压制而成的，正极板与负极板彼此相对，隔膜放置在正负极板之间，其中所采用的所述正极板由下述方式制备：将活性材料填充到多个基底上，接着将至少两个所得的正极板层叠地放置，将它们压制成单个正极板。
这样，由于可以降低金属多孔体的厚度，因此降低了其制造难度，改善了填充活性材料的填料均匀性。抑制了金属多孔体出现破裂和折断，抑制了由此引起的正负极板相接触而发生的内部短路，提高了成品率。
上述“单个正极板”表示通过压制将至少两个正极板形成为一体而制成的并且至少在制备过程中、优选在电池使用过程中不发生脱落和分离的正极板。在将电极板形成一体的过程中，除了压制之外，还可以采用辅助手段，例如与粘合剂一起采用。
根据本发明用于制造碱性蓄电池的方法包括：通过将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料与水和粘合剂一起捏和而制成的活性材料膏或者活性材料粉末填充到具有三维连续空间的金属多孔体基底中以形成正极板的活性材料填充步骤；将至少两个如上获得的正极板彼此层叠放置并且将它们压制成具有所需厚度的单个正极板；将得到的正极板与负极板彼此相对放置并将隔膜设置在它们之间而形成电极组件的步骤；将电极组件装入容器中的步骤。
对于金属多孔体，优选采用金属镍。所采用的金属镍例如是具有三维连续空间的镍纤维的无纺织物和发泡金属镍。采用发泡金属镍，可以实现在充放电性能和寿命性能方面优异的碱性蓄电池。
对于金属多孔体的孔径、孔隙率和厚度以及每单位面积填充的活性材料的量没有特别限制，可以根据所需的活性材料的量和将层叠的极板的数量适当地进行确定。
优选地，金属多孔体的孔径是200μm-800μm，厚度是0.5mm-3.0mm，每单位面积金属多孔体的量是100g/m2-800g/m2，填充在多孔体中的活性材料的容量密度是600mAh-800mAh，因为即使当两个或多个正极板层叠放置并压在一起，也几乎不会有活性材料从电极板脱落或剥离。
既可以通过填充由捏和活性材料、水和粘合剂(适当确定混合比)而制成的活性材料膏制备电极板，也可以通过直接填充活性材料粉末制备电极板。前者更容易处理。
对填充方法没有特别地限制，例如可以是通过使其振动填充形成膏状的活性材料的方法、用刮刀等涂刮形成膏状的活性材料的方法、使形成膏状的活性材料与金属基底的一面相接触并从另一面吸取材料的填充方法、由喷嘴向金属基底吹形成膏状的活性材料而使其注入的方法、以与上述相同的方式直接填充活性粉末的方法。
用于将至少两个正极板层叠放置并向其施加压力的方法没有特别地限制。可以根据所需压制后极板的厚度适当地选择压力。在辊压的情况下，优选采用直径φ为300mm-800mm的辊子、施加5MPa-100MPa的压力进行辊压。根据压制前正极板的厚度和压制后所需极板的厚度适当地确定压辊的辊隙。对于堆叠的极板数量也没有特别地限制，但是为了简化工艺步骤，优选是2至4个，更优选为2个。
由此概括地描述了本发明，下面以具体实施例描述本发明。这些实施例不是以任何方式对本发明范围的限制。
实施例
向100wt％的氢氧化镍中添加0.2wt％作为粘合剂的羧甲基纤维素和相对于总膏体含量为20-24wt％的水，捏和混合物以获得活性材料膏。
将活性材料膏填充到具有三维连续空间、厚度为1.15mm的条形金属多孔体中，干燥以获得填充有活性材料的基底1。然后，如图1所示，在上侧和下侧设置由不锈钢制成、具有450mm直径的压辊2，在上侧和下侧压辊2之间的缝隙设为1.1mm，将两个如上获得的填充有活性材料的基底1层叠放置在这样设置的压辊2之间，使上述两个基底1经过施加了30-40MPa压力的压辊，以获得厚度为1.28mm的单个极板(电极板3)。
将电极基底3按照所构成电池的设计方案进行裁剪。在本例中，在裁剪后电极的尺寸为54mm长、15mm宽。另外，用于集流的镍引线4a焊接在其上。这样就制备好图4所示的正极板4。
然后，对正极板4进行隔膜密封。通过热焊接将由聚丙烯无纺织物制成的隔膜4制成袋状，正极板4放置在袋子中。
单独地，以如下方式制备负极板6。向吸氢合金粉末中加入水、羧甲基纤维素、SBR(苯乙烯-丁二烯共聚物)和作为导电材料的碳，将所得混合物制成膏状。在镀镍的铁冲制金属芯材的两侧上涂覆膏状物，烘干，然后辊压涂覆后的芯材，并裁剪成113mm长、15mm宽的尺寸，获得负极板6。
将如上获得的两个进行过隔膜密封的正极板4和两个负极板6以层叠的方式结合以便彼此相对；在工作过程中，负极板6对折为两部分，设置进行了隔膜密封的正极板4以便保持在它们之间。然后，焊接引线部分，使得正极板可以彼此电连接。由此制成电极组件。
将由此获得的电极组件设置在方形壳体7中，将包括6N KOH和1NLiOH的碱性电解液注入其中，壳体上部用盖子8紧密地密封。由此，制备本发明的例子的100个方形镍氢蓄电池A，各蓄电池A具有1350mAh的理论容量。图3示出电池A的局部截面图。
对比例
作为对比例，以与实施例中所描述的相同方式制备正极活性材料。
将活性材料膏填充到具有三维连续空间、厚度为2.3mm的条形发泡金属多孔体中，烘干以获得填充有材料的基底9。然后，如图4所示，在上侧和下侧设置由钢制成、具有450mm直径的压辊10，在上侧和下侧压辊10之间的缝隙设为1.1mm。使填充有活性材料的基底9经过这样设置的压辊10之间，以获得厚度为1.28mm的电极基底。
裁剪以与实施例相同的方式的电极基底11，向其上焊接用于集流的镍引线，然后将所得的电极基底放置在由聚丙烯无纺织物制成并通过热焊接形成袋状的隔膜中。由此，制成正极板。
另外，以与实施例相同的方式制备负极板。
根据与实施例相同的方式组装正极板和负极板以形成电极组件，此组件之后装在方形壳体中。与实施例相同的方式，碱性电解液注入到壳体中并封闭开口。由此，制备出对比例的各具有1350mAh的理论容量的100个方形镍氢蓄电池B。
将实施例和对比例的电池各100个拆开，检查正极发泡金属多孔体的破裂和折断发生率、正极活性材料脱落的发生率以及填充在正极板中的活性材料量的波动。检查结果示于表1中。
                         表1
Figure C0214353000081
如表1所示，在对比例中，正极金属多孔体破裂和折断的发生率是2.0％，正极活性材料脱落的发生率高达3.0％，而实施例中两者都是0.0％，结果优异。对于正极活性材料填充量的波动，在对比例中是5.0％，在实施例中是2.0％，由此实施例中填充量的波动比对比例中要低3.0％。
本发明不仅可以应用于其中电极组件以实施例中所示的层状结构构成的方形电池，而且还可以应用于其它各种碱性蓄电池，例如，其中电极组件以圆盘状构成的柱状电池、袋型电池，还涉及铅蓄电池。
如上所述，根据本发明，可以降低用于正极板的发泡金属多孔体的厚度，由此其金属多孔体的制备变得容易，其成本可以降低。另外，通过降低发泡金属多孔体的厚度，可以提高填充活性材料膏的封装性能，可以减少金属多孔体的破裂和折断，能够抑制活性材料的脱落和分离。因此，可以抑制由于金属多孔体引起的内部短路的发生以及由于活性材料的脱落引起的内部短路的发生。
因此，通过应用本发明，即使在高容量型的电池中，也可以大大降低生产过程中的缺陷，可以实现高的生产率和提高的成品率。

Claims (1)

 1.一种用于制造碱性蓄电池的方法，包括：通过将含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料与水和粘合剂一起捏和而制成的活性材料膏或者含有氢氧化镍作为主要成分的活性材料粉末填充到具有三维连续空间的金属多孔体基底中以形成正极板的活性材料填充步骤；将至少两个如上获得的正极板彼此层叠地放置并且将它们压制成单个正极板的步骤；将得到的正极板与负极板彼此相对放置并将隔膜设置在它们之间的电极组件形成步骤；将电极组件装入容器中的步骤。
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