CN1387272A - 碱性蓄电池的电极板和使用该电极板的碱性蓄电池 - Google Patents
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Abstract
一种用于碱性蓄电池的电极板,包括导电磁芯材料作为集电器,其中,在该磁芯材料上线性地设置多个通孔,以便平行于该磁芯材料的纵向方向,每个通孔具有10mm2或更小的孔径面积及至少两对相对的侧面相互平行。
Description
本发明的领域
本发明涉及一种用于碱性蓄电池中的电极板和使用该电极板的碱性蓄电池。
本发明的相关背景技术
近来，随着信息设备，如蜂窝式电话、PHS(个人手提电话系统)电话及笔记本计算机的广泛应用，已经新开发出了一种高增值、体积小且重量轻的蓄电池组，它具有高能量密度。另外，新近开发出了另一种具有高能量密度的蓄电池组作为电动汽车的电源。在这种情况下，市场上需要更小型化且具有更高容量的蓄电池。
特别是，在碱性蓄电池中，存在的问题是如何在有限的容积中增大导电膏的填充密度。
通常，在碱性蓄电池中使用负电极板，它包括涂有活性材料的磁芯材料。如图7所示，冲压金属用作负电极板的磁芯材料，它是包括多个填充有活性材料的圆通孔22a的镀镍的钢板。通孔22a在磁芯材料上沿着纵向和横向排列，以便形成交错的图案。在碱性蓄电池中，使用这种磁芯材料22的负电极板和正电极板被分层，它们之间夹着一个隔层，并且被螺旋地卷起。卷起的各板被同心地放置在一个圆柱形外壳中。圆柱形外壳中填充着氢氧化钾的电解液或类似物。
在镍镉蓄电池的情况下，负电极板包括涂有导电膏的磁芯材料，该导电膏主要包含镉。在镍金属氢化物蓄电池的情况下，负电极板包括涂有导电膏的磁芯材料，该导电膏主要包含吸氢合金。
一般地，为了在可利用的有限容积中增加导电膏的填充密度，在碱性蓄电池的负电极板涂有导电膏之后以高压来压它，或者通过增加磁芯材料中的孔径比，即通孔的整个区域和磁芯材料区域的比率，来减少负电极板中磁芯材料的比例。
然而，过大的压力增加了电极板的弯曲，降低了加工性能。另外，磁芯材料中孔径比过多的增大降低了电子流过的电极板和磁芯材料部分的强度，使得电阻增加。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供一种用于碱性蓄电池的电极板，包括导电磁芯材料作为集电器(current collector)，其中，在该磁芯材料中线性地设置多个通孔，以便平行于该磁芯材料的纵向方向，每个通孔具有10mm2或更小的孔径，及至少两对相对侧面相互平行。
在本发明的一个实施例中，该磁芯材料中的孔径比是10％到50％。
在本发明的一个实施例中，该磁芯材料由包含钢作为主要成分的薄镀镍板、或者由包含镍作为主要成分的薄板形成。
根据本发明的另一个方面，提供一种碱性蓄电池，它包括正电极和负电极以及电解液，其中，采用根据权利要求1到3中任一项所述的电极板，作为用于正电极或负电极的电极板。
因此，这里描述的本发明可具有的优点是提供：一种用于碱性蓄电池的电极板，通过增加该电极板的磁芯材料中的孔径比，它能够实现导电膏的填充密度的增大、电极板的高强度和抑制电阻的增加；并提供使用这种电极板的一种碱性蓄电池。
参照附图，通过阅读和理解下面的详细描述，本发明的这些和其他优点对于本领域的技术人员来说将变得更加明显。
附图简述
图1是一种镍金属氢化物蓄电池的剖面立体图，该电池将负电极板用于根据本发明的碱性蓄电池。
图2是根据本发明之负电极板中包括的磁芯材料的展开图，它用于图1所示镍金属氢化物蓄电池。
图3是磁芯材料的拉伸强度的示意图，所述磁芯材料用于根据本发明的负电极板。
图4是相对于使用根据本发明之负电极板的镍金属氢化物蓄电池、在充电和放电周期与内阻之间关系的示意图。
图5是相对于使用根据本发明之负电极板的镍金属氢化物蓄电池、在充电和放电周期与内阻之间关系的另一示意图。
图6是相对于使用根据本发明之比较示例的负电极板的镍金属氢化物蓄电池、在充电和放电周期与内阻之间关系的示意图。
图7是用于常规的碱性蓄电池的负电极板的展开图。
图8是根据本发明之比较示例的负电极板中包括的磁芯材料的展开图。
优选实施例的描述
下面，参照附图来描述本发明的实施例。
图1是一种碱性蓄电池10的剖面立体图，该电池将负电极板用于根据本发明的碱性蓄电池。碱性蓄电池10是使用吸氢合金作为负电极部件的镍金属氢化物碱性蓄电池。在碱性蓄电池10中，具有矩形的负电极板12和具有相似矩形的正电极板13被它们之间夹着的隔板14分成层，并且沿着它们的纵向方向被螺旋地卷起，该被卷起的生成物被同心地放置在圆柱形外壳11中。
外壳11在与负电极板12的一侧边接触的一端11a闭合，以便用作该负电极的集电器。外壳11的另一端是打开的并且用密封板15密封。密封板15与正电极板13的一侧边接触，以便用作该正电极的集电器。外壳11填充着主要包含氢氧化钾的碱性水溶液。
负电极板12包括作为磁芯材料的薄镀镍钢板。图2是用于负电极板12的磁芯材料12b的展开图。磁芯材料12b具有矩形且设置有多个正方形或矩形通孔12a，它被涂有主要包含吸氢合金的导电膏。
磁芯材料12b中设置的通孔12a以固定的间隔线性地排列，以便平行于磁芯材料12b的纵向。沿磁芯材料12b之纵向的相邻两行通孔12a相互适当地隔开，以便形成交错的图案。
如下面更详细描述的，为了防止涂覆磁芯材料12b的导电膏被不希望地去除，每个通孔12a被形成、以便成为具有10mm2或更少的孔径面积的矩形，磁芯材料12b中孔径比大约是10％到50％，即，通孔12a的整个面积和磁芯材料12b的整个面积的比率是1∶9到5∶5。每个通孔12a的形状不限于矩形，只要它是一个具有至少两对相互平行的相对侧面的多边形。可替换的是，每个通孔12a的形状可以是具有圆角截割(radius cut)角或截割处理(cut-processed)角的多边形。
正电极13包括泡沫镍的薄板，它也被用作普通镍氢碱性蓄电池的正电极。隔板14由磺化聚丙烯无纺纤维形成，它也用作普通镍氢碱性蓄电池的隔板。
因为在磁芯材料12b中设置的通孔12a具有矩形并且被沿着磁芯材料12b的纵向方向线性地排列，磁芯材料部分(参见图2中双点划线表示的区域)存在于沿着磁芯材料12b的纵向排列的通孔12a的行之间，以便连续沿着磁芯材料12b的纵向方向。与如图7所示设置的圆通孔的情况相比，具有这种结构的磁芯材料12b已经改进了它的纵向方向的拉伸强度。因此，当压制磁芯材料12b以便形成通孔12a时，在沿着磁芯材料12b的纵向方向而向磁芯材料12b施加最大压力的情况下，该磁芯材料12b上的应力在磁芯材料12b的纵向方向上可以几乎是均匀的，因此，可以抑制沿其纵向方向的磁芯材料12b的拉长(弯曲)。
当负电极板12的磁芯材料12b中设置的每个通孔12a的孔径区域增加时，涂覆磁芯材料12b的导电膏可能被去除。因此，设置每个通孔12a以具有10mm2或更小的孔径面积。这使得即使导电膏的填充密度增加时，负电极板12也能保持在规定的强度上。
另外，当磁芯材料12b中的孔径比增加时，负电极板12中磁芯材料12b之部分的比例被相对地减少，这样，负电极板12本身的电阻率可以增加。另一方面，当磁芯材料12b中的孔径比减少时，涂覆磁芯材料12b的导电膏可以被去除。因此，磁芯材料12b中的孔径比是大约10％到50％。这增加了导电膏的填充密度，同时负电极板12可以被保持在高强度并且该负电极板的电阻的增加可以被抑制。
在上面的实施例中，虽然镍金属氢化物蓄电池已经被描述为碱性蓄电池，根据本发明的负电极板也可以应用于镍镉蓄电池。在这种情况下，镉被用作活性材料，即负电极板的磁芯材料涂有主要包含镉的导电膏。
另外，在上面的实施例中，虽然已经描述了螺旋卷起的电极板被放置在外壳中的圆柱形蓄电池，对于正方形蓄电池来说，也可以获得类似的效果，在该正方形蓄电池中，分层的电极板被放置在矩形外壳中。
另外，本发明可以应用于所谓的烧结型(sinter-type)正电极板，它的形成是通过在根据上述实施例的磁芯材料上涂覆主要包含镍粉末的导电膏、烧结该磁芯、然后向该磁芯注入镍氢化物活性材料。
该电极板可以是包含镍为主要成分的薄板。
下面描述根据本发明产生的碱性蓄电池的示例。(示例1)
在示例1中，薄镀镍钢板被用作负电极板的磁芯材料。如图2所示，每个矩形通孔具有2mm2(1mm×2mm)的孔径面积，并被沿着该磁芯材料的纵向方向、以固定的间隔线性地设置，使得磁芯材料电极板中的孔径比是40％。当测量沿着该磁芯材料之纵向方向的拉伸强度时，它是大约147到153MPa。测量结果在图3中示出。
如上所述，磁芯材料具有多个通孔，其上涂有吸氢合金的导电膏。该吸氢合金的合金成分是MmNi3.5Co0.75Al0.3Mn0.4。该吸氢合金被球磨机压碎，使得它的平均颗粒尺寸是大约20μm。该磁芯材料涂有所得到的合金粉末(理论容量为10Ah)以及粘结剂并且被烘干。下面，通过卷起磁芯材料，产生该负电极板，使其具有0.30mm的厚度。
如图1所示，所产生的负电极板沿其纵向方向被螺旋地卷起，以及由泡沫镍形成的正电极板和由正与负电极板之间夹着的磺化聚丙烯无纺纤维形成的隔板也被卷起。卷起的各板被放置在外壳内。该外壳装满碱性水溶液作为电解液，它主要包含具有1.3的特定比重的氢氧化钾。通过采用密封板来密封该外壳的开口端，D型镍金属氢化物蓄电池被产生作为碱性蓄电池。所产生的镍金属氢化物蓄电池的容量是大约6.5Ah。
在镍金属氢化物蓄电池重复充电和放电时，测量所产生的镍金属氢化物蓄电池的内阻变化。在通过该蓄电池的重复充电和放电的周期测试中，一个周期包括以13A(2C)对该电池充电30分钟和以13A对其放电、直到该电池电压变为1V。
该蓄电池的内阻是以如下方式测量。在具有理论的容量6.5Ah的该所产生的电池得到50％充电之后，该蓄电池在25℃的环境温度中保留3个小时。然后，如下面的表格1所示，重复地进行以规定电流值的10秒钟放电和以相同电流值的10秒钟充电，在其间有60秒钟的暂停，以便在放电和充电之后测量电池电压。用于放电和充电的电流值顺序地从10A、25A、40A、60A到80A变化。最后是以100A进行放电。画出图使得横轴表示在放电和充电之后的电流值，竖轴表示所测量的电池电压值。由图形计算的梯度被认为是表示根据欧姆定律的该电池的内阻，这样使用最小平方法来计算该电池的内阻。
(表1)
| 状态 | 电流值(安) | 时间(秒) |
| 放电 | 10 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 充电 | 10 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 放电 | 25 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 充电 | 25 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 放电 | 40 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 充电 | 40 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 放电 | 60 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 充电 | 60 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 放电 | 80 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 充电 | 80 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
| 放电 | 100 | 10 |
| 暂停 | - | 60 |
图4示出测量结果。如图4所示，示例1的镍金属氢化物蓄电池在它产生之后初始具有大约4.0mΩ的内阻。通过重复充电和放电周期一百次，该镍金属氢化物蓄电池的内阻被减少到大约3.5mΩ。以后，该镍金属氢化物蓄电池的内阻几乎不变。(示例2)
在示例2中，除了每个具有5mm2(1mm×5mm)的孔径面积的矩形通孔被形成、并使得负电极板的磁芯材料的孔径比是40％以外，以类似于示例1的方式形成负电极板。类似于示例1，使用该负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。图5示出相对于示例2的镍金属氢化物蓄电池的充电和放电周期与内阻之间之关系的测量结果。示例2的镍金属氢化物蓄电池在它产生之后初始具有约4.0mΩ的内阻。通过重复充电和放电周期一百次，该镍金属氢化物蓄电池的内阻被减少到大约3.5mΩ。以后，该镍金属氢化物蓄电池的内阻几乎不变。(示例3)
在示例3中，除了每个具有10mm2(2mm×5mm)的孔径面积的矩形通孔被形成、使得负电极板的磁芯材料的孔径比是40％以外，以类似于示例1的方式形成负电极板。类似于示例1，使用该负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。图5还示出示例3的镍金属氢化物蓄电池的充电和放电周期与内阻之间关系的测量结果。示例3的镍金属氢化物蓄电池在它产生之后初始具有大约3.9mΩ的内阻。通过重复充电和放电周期一百次，该镍金属氢化物蓄电池的内阻被减少到大约3.4mΩ。以后，该镍金属氢化物蓄电池的内阻几乎不变。(比较示例1)
在比较示例1中，除了如图7所示，每个具有2mm2(直径：1.6mm)的孔径面积的圆通孔被形成、并使得磁芯材料中的孔径比是40％以外，以类似于示例1的方式形成磁芯材料。测量沿着该磁芯材料的纵向方向的拉伸强度。图3示出这些测量结果。比较示例1的磁芯材料的拉伸强度是大约是136到142MPa，它低于示例1的磁芯材料的拉伸强度。
另外，类似于示例1，使用磁芯材料产生负电极板，使用该负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。测量相对于比较示例1之镍金属氢化物蓄电池的充电和放电周期与内阻之间的关系。图4示出测量结果。比较示例1的镍金属氢化物蓄电池在它产生之后初始地具有大约4.1mΩ的内阻。比较示例1的镍金属氢化物蓄电池的内阻大于示例1的镍金属氢化物蓄电池的内阻。然而，通过重复充电和放电周期一百次，比较示例1的镍金属氢化物蓄电池的内阻被减少到大约3.4mΩ。以后，该镍金属氢化物蓄电池的内阻几乎不变化。比较示例1中的测量结果几乎相似于示例1中的测量结果。(比较示例2)
在比较示例2中，除了如图7所示，每个具有2mm2(直径：1.6mm)孔径面积的圆通孔被形成、并使得磁芯材料中的孔径比是30％以外，以类似于示例1的方式形成磁芯材料。测量沿该磁芯材料的纵向方向的拉伸强度。图3示出测量结果。比较示例2的磁芯材料的拉伸强度大约是146到152MPa，它几乎等于示例1的磁芯材料的拉伸强度。
另外，类似于示例1，使用磁芯材料产生负电极板，使用该负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。相对于比较示例2的镍金属氢化物蓄电池，测量充电和放电周期与内阻之间的关系。图4示出测量结果。在比较示例2的镍金属氢化物蓄电池中，孔径比低到30％，这样，比较示例2的镍金属氢化物蓄电池的内阻在它刚产生之后到第三百次充电和放电周期就较低。然而，在充电和放电周期三百次之后，比较示例2的镍金属氢化物蓄电池的内阻被大大地增加，因为包含吸氢合金的导电膏从磁芯材料上被剥去。(比较示例3)
在比较示例3中，形成磁芯材料、并使得每个具有2mm2(1mm×2mm)的孔径面积的矩形通孔被形成，并且该磁芯材料中的孔径比是40％。如图8所示，在磁芯材料上沿着它的纵向和横向方向排列这些通孔，以便形成不同于图2的交错的图案。当测量沿着磁芯材料的纵向方向的拉伸强度时，它低到大约87到98MPa。图3示出测量结果。(比较示例4)
在比较示例4中，除了每个具有12mm2(3mm×4mm)的孔径面积的矩形通孔被形成、并使得负电极板的磁芯材料中的孔径比是40％以外，以类似于示例1的方式形成负电极板。类似于示例1，使用比较示例4的负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。相对于比较示例4的镍金属氢化物蓄电池，测量充电和放电周期与内阻之间的关系。图5示出测量结果。在比较示例4的镍金属氢化物蓄电池中，该孔径面积大到12mm2(3mm×4mm)，这样，比较示例4的镍金属氢化物蓄电池的内阻在它刚产生之后到第三百次充电和放电周期就低到3.7mΩ。然而，在第三百次充电和放电周期之后，比较示例4的镍金属氢化物蓄电池的内阻被大大地增加，因为包含吸氢合金的导电膏在磁芯材料上被剥去。(比较示例5)
在比较示例5中，除了每个具有2mm2(1mm×2mm)的孔径面积的矩形通孔被形成、并使得负电极板的磁芯材料中的孔径比是7％以外，以类似于示例1的方式形成负电极板。类似于示例1，使用比较示例5的负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。相对于比较示例4的镍金属氢化物蓄电池，测量充电和放电周期与内阻之间的关系。图6示出比较示例5中的测量结果以及示例1的测量结果。在比较示例5的镍金属氢化物蓄电池中，孔径比较低，这样，比较示例5的镍金属氢化物蓄电池的初始内阻也较低。然而，在第三百次充电和放电周期之后，比较示例5的镍金属氢化物蓄电池的内阻被大大地增加，因为包含吸氢合金的导电膏在磁芯材料上被剥去。(比较示例6)
在比较示例6中，除了每个具有2mm2(1mm×2mm)的孔径面积的矩形通孔被形成、并使得负电极板的磁芯材料中的孔径比是60％以外，以类似于示例1的方式形成负电极板。类似于示例1，使用比较示例6的负电极板产生镍金属氢化物蓄电池。相对于比较示例6的镍金属氢化物蓄电池，测量充电和放电周期与内阻之间的关系。图6还示出比较示例6中的测量结果。在比较示例6的镍金属氢化物蓄电池中，孔径比是较高的，这样，比较示例6的镍金属氢化物蓄电池的初始内阻也高。即使在第三百次充电和放电周期之后，比较示例6的镍金属氢化物蓄电池的内阻也被增加。
如上所述，在用于根据本发明之碱性蓄电池的负电极板中，有多个通孔被线性地设置、并平行于及沿着磁芯材料的纵向方向，每个通孔具有规定的形状。因此，电流流过在相邻的两排通孔之间具有固定宽度的磁芯材料部分，因此，可以抑制碱性蓄电池的内部电阻的增加。另外，因为每个通孔的孔径面积是10mm2或更少，可以防止涂覆该磁芯材料的活性材料的导电膏被从该磁芯材料上去除(剥去)。另外，即使导电膏的填充密度增加，碱性蓄电池的内阻也可以稳定很长时间。
另外，通过提供10％到50％的孔径比，可以防止磁芯材料本身的强度被降低。
本领域的技术人员可以容易地理解并做出各种其它的修改而不背离本发明的精神和范围。因此，并非意味着权利要求书的范围被限于这里所进行的描述，而应该更广义地解释权利要求书。
Claims (4)
1.一种用于碱性蓄电池的电极板，包括导电磁芯材料作为集电器，其中，在该磁芯材料中线性地设置多个通孔，以平行于该磁芯材料的纵向方向，每个通孔具有10mm2或更小的孔径面积及至少两对相对的侧面相互平行。
2.如权利要求1所述的用于碱性蓄电池的电极板，其中，该磁芯材料中的孔径比是10％到50％。
3.如权利要求1所述的用于碱性蓄电池的电极板，其中，由包含钢作为主要成分的薄镀镍板、或者由包含镍作为主要成分的薄板来形成该磁芯材料。
4.一种碱性蓄电池，包括正电极、负电极和电解液，其中采用根据权利要求1至3中任一项所述的电极板，作为用于正电极或负电极的电极板。
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