CN1776953A - 一种金属氢化物－镍电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属氢化物－镍电池，尤其适合于小电流放电条件下使用的金属氢化物－镍电池。该金属氢化物－镍电池包括电池壳体、壳盖、容在壳体内的电解液、正极片、负极片及夹于正极片、负极片之间的绝缘隔膜，所述的电池壳体与所述的壳盖通过绝缘环密封连接，电池采用反极结构，所述的正极片成中空的环状结构为正极环，所述的负极片成柱状结构为负极柱，所述的负极柱通过绝缘隔膜与正极环套接，所述的正极环与电池壳体电连接，所述的负极柱通过极耳与壳盖电连接。本发明提供的金属氢化物－镍电池结构简单，生产环节少，生产成本和设备投入低，生产效率高。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种金属氢化物-镍电池，尤其是小电流放电条件下使用的金属氢化物-镍电池。
(二)背景技术
金属氢化物-镍电池(镍氢电池)是采用金属氢化物为负极材料，氢氧化镍为正极材料的一类新型二次电池，与传统的镍镉电池相比，具有能量密度高，无环境污染，无记忆效应，循环寿命长，低温特性良好，耐过充电和过放电特性好等优点，因此镍氢电池实现产业化生产以后，发展非常迅速。
目前传统的镍氢电池结构如下：
电池包括正极片、负极片、电池壳体、电解液、以及夹在正负极片间的隔膜、壳盖。其中：
(1)正极为片状结构，采下法制成：以泡沫镍为基体，将β-Ni(OH)2、添加剂CoO或镍粉及粘结剂混合均匀后，制成浆料，然后采用拉浆法将浆料均匀填入泡沫镍基体，经烘干、辊压制成正极片；或采用干粉法将混合均匀的正极粉料均匀填入泡沫镍基体，经辊压制成正极片；
(2)负极为片状结构，制法如下：以拉伸铜网、泡沫镍或冲孔钢带为基体，采用拉浆法或干粉辊压法将贮氢合金均匀填充入基体中制成；
(3)尺寸裁剪好的正负极片间夹绝缘隔膜，卷绕后装入电池壳，再经滚槽、注液、封口、化成和分选。
但目前制造此结构的镍氢电池工艺比较复杂，工序多，生产效率低。且由于正极一般采用泡沫镍作基体，近年来国际上镍价飞涨，造成镍氢电池成本中泡沫镍所占的比例越来越大，如对AA、AAA型电池，泡沫镍所占的成本比例超过10％，对动力型电池，泡沫镍所占的成本比例可超过20％。镍氢电池各种生产原料价格的不断上涨，导致镍氢电池的生产成本不断增加，给生产厂家带来了严重的成本压力。采用泡沫镍为基体的镍氢电池虽然具有倍率放电能力高的优点，但实际上目前很多使用场合如收音机、录音机、CD、MP3、遥控器、小型电动玩具等消费类电子产品，工作时放电电流较小，对电池的高倍率性能要求不高。因此，对该类电池，采用反极式结构，简化其制造工艺，可大幅度降低生产成本，同时对电池的正常工作影响不大。
(三)发明内容
为了解决现有镍氢电池生产工艺复杂，生产成本高的问题，本发明提供了一种易于生产的金属氢化物-镍电池，尤其是小电流放电条件下使用的金属氢化物-镍电池。
本发明为实现发明目的而采用的技术方案为：
一种金属氢化物-镍电池，包括电池壳体、壳盖、容在壳体内的电解液、正极片、负极片及夹于正极片、负极片之间的绝缘隔膜，所述的电池壳体与所述的壳盖通过绝缘环密封连接，所述的正极片成中空的环状结构为正极环，所述的负极片成柱状结构为负极柱，所述的负极柱通过绝缘隔膜与正极环套接，所述的正极环与电池壳体电连接，所述的负极柱通过极耳与壳盖电连接。
所述的正极环的重量组成成分一般为40～80％的β-Ni(OH)2、10～50％的石墨粉、1～8％的CoO、0～5％的镍粉，优选为65％β-Ni(OH)2、30％石墨粉、3％CoO、2％镍粉。
所述的金属氢化物-镍电池中电解液的组成为：7M KOH、0～300gNaOH/L、10～30gLiOH/L。电池壳体中电解液的重量优选为正极和负极总重量的10～30％。
所述金属氢化物-镍电池的负极片材料优选为纯净贮氢合金粉末，如稀土系贮氢合金。
所述金属氢化物-镍电池的正极和负极的容量比为1∶1.1～1.5。
电池的正极环的个数一般为2～4个，最优选为3个。
本发明还提供了一种制备上述金属氢化物-镍电池的方法。所述的方法包括以下步骤：
a)将正极粉料按照配方混合均匀后直接压制成环，也可以加入正极粉料总重量的3～10％的电解液继续混匀，然后压制成环状，将正极环装入电池壳体，使正极环与电池壳体接触，为了改善正极环与电池壳的接触，电池内壁喷涂石墨乳；为保证正极环的强度，通常做成多个正极环，平行布置于电池壳体内；
b)负极采用泡沫拉桨或铜网干粉轧制的方法先制成负极片，极片焊上极耳后卷成柱状，并在负极柱外包上1～3绝缘隔膜后插入环状正极中间；
c)在壳体中注入一定量的电解液，将负极极耳与壳盖焊接，壳盖与电池壳体通过绝缘环密封连接，然后进行滚槽封口；
d)常温下搁置5～24小时，然后进行化成和分选处理。
所述的化成和分选的工艺可以采用下述方法：
(1)电池先以0.05C充电2小时；
(2)初步充电后的电池在烘箱内搁置12～24小时，温度为40～60℃；
(3)将电池从烘箱内取出，待冷至常温后，以0.1C倍率对电池充电12小时，然后0.1C放电至1.0V；
(4)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V；
(5)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V，筛选合格的电池。
具体地叙述，本发明较优的镍氢电池制造工艺可以按以下步骤进行：
(a)将正极原料制粉，按照40～80％(重量比)β-Ni(OH)2+10～50％石墨粉+1～8％CoO+0～5％镍粉混合，先将干粉搅拌均匀，然后边搅拌边添加正极粉料总重量的3～10％的电解液搅拌至均匀；电解液的配方为：7MKOH+0～300gNaOH/L+10～30gLiOH/L；将搅拌好的正极粉料放入打环机，压制成正极环，然后将正极环装入内表面喷涂石墨乳的电池钢壳；
(b)负极采用泡沫拉桨或铜网干粉轧制的方法先制成负极极片，焊上极耳后卷成圆柱状，在负极柱外包上1～3层绝缘隔膜后插入环状正极的中间；
(c)在电池壳体中注入其余欲加入的电解液，然后将负极极耳与壳盖焊接，将壳盖与电池壳体通过绝缘环密封连接，经过滚槽和封口，得到电池半成品；
(d)电池在常温下搁置5～24小时，然后进行化成和分选处理，筛选出合格的电池。
本发明所述的一种金属氢化物-镍电池，尤其是适合于小电流放电条件下使用的金属氢化物-镍电池，与常规的镍氢电池相比，其有益效果主要体现在：(1)简化了生产流程，减少了生产环节和设备投入；(2)大幅度降低了生产成本，成本可以降低20％以上；(3)生产效率可提高2～5倍。
(四)附图说明
图1为本发明所述金属氢化物-镍电池的制备方法的工艺流程图。
(五)具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
正极配比：65％(重量比)β-Ni(OH)2+30％石墨粉+3％CoO+2％镍粉，干粉搅拌均匀，然后添加正极粉料总重的10％的电解液，继续搅拌均匀，电解液的配方为：7M KOH+300gNaOH/L+25gLiOH/L。搅拌好的正极粉料在打环机中压制成正极粉环，每节电池中加三个粉环，粉环的尺寸为：外径l3.3mm，内径9.0mm，高度为14.0mm，每个粉环的重量为：3.7±0.1g；负极片尺寸为：(100±1)×(44.0±0.05)×(0.30±0.01)(mm)，重量约为9.0±0.1g。负极采用市售的稀土系贮氢合金，采用泡沫拉浆的的方法制成负极片，焊上极耳后卷绕成圆柱状，外周直径约为8.5mm，然后在负极柱外包裹上一层聚丙烯无纺布隔膜，装入正极粉环中，然后注入2.1g电解液，将极耳与壳盖焊接，壳盖与电池壳体通过绝缘环密封连接，再经滚槽和封口后，得到电池半成品，，-常温下搁置5小时，然后进行化成和分选处理。化成和分选的工艺为：(1)电池先以0.05C充电2小时；(2)初步充电后的电池在烘箱内搁置24小时，温度为50℃；(3)将电池从烘箱内取出，待冷至常温后，以0.1C倍率对电池充电12小时，然后0.1C放电至1.0V；(4)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.1C放电至1.0V；(5)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V，筛选出合格的电池。
制备了5节电池，结果如下表：
| 编号 | 0.1C放电容量25℃ | 0.2C放电容量25℃ | 自放电率(25℃，28天) | 100次循环后容量保持率(0.2C充放) | 内阻(mΩ) |
| 1 | 1525 | 1361 | 14.3％ | 90.3％ | 45 |
| 2 | 1633 | 1485 | 16.5％ | 88.6％ | 38 |
| 3 | 1455 | 1233 | 15.8％ | 92.1％ | 42 |
| 4 | 1567 | 1337 | 15.2％ | 91.5％ | 46 |
| 5 | 1581 | 1364 | 12.9％ | 89.2％ | 49 |
实施例2：
正极配比：50％(重量比)β-Ni(OH)2+45％墨粉+3％CoO+2％镍粉，干粉搅拌均匀，然后添加10％正极粉料总重的电解液，继续搅拌均匀，电解液的配方为：7M KOH+300gNaOH/L+25gLiOH/L。搅拌好的正极粉料在打环机中压制成正极粉环，每节电池中加三个粉环，粉环的尺寸为：外径9.6mm，内径4.2mm，高度为12.0mm，每个粉环的重量为：1.9±0.1g；负极片尺寸为：(60±1)×(37.0±0.05)×(0.26±0.01)(mm)，重量约为3.8±0.1g。负极极片制法如例1，焊上极耳后卷绕成圆柱状，外周直径约为4.0mm，然后在负极外包裹上一层聚丙烯无纺布隔膜，装入正极粉环中，然后注入1.0g电解液，将极耳与壳盖焊接，再将壳盖与电池壳体通过绝缘环密封连接，经过滚槽和封口后常温下搁置5小时，然后进行化成和分选处理。化成和分选的工艺为：(1)电池先以0.05C充电2小时；(2)初步充电后的电池在烘箱内搁置24小时，温度为50℃；(3)将电池从烘箱内取出，待冷至常温后，以0.1C倍率对电池充电12小时，然后0.1C放电至1.0V；(4)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V；(5)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V，筛选出合格的电池。
制备的5节电池结果如下表：
| 编号 | 0.1C放电容量25℃ | 0.2C放电容量25℃ | 自放电率(25℃，28天) | 100次循环后容量保持率(0.2C充放) | 内阻(mΩ) |
| 1 | 502 | 488 | 15.2％ | 90.2％ | 54 |
| 2 | 511 | 496 | 16.1％ | 91.6％ | 52 |
| 3 | 495 | 475 | 18.2％ | 84.8％ | 59 |
| 4 | 498 | 478 | 18.8％ | 89.6％ | 51 |
| 5 | 486 | 468 | 17.5％ | 88.4％ | 49 |
实施例3：
正极配比：65％(重量比)β-Ni(OH)2+30％墨粉+3％CoO+2％镍粉，干粉搅拌均匀，然后添加10％正极粉料总重的电解液，继续搅拌均匀，电解液的配方为：7M KOH+300gNaOH/L+25gLiOH/L。搅拌好的正极粉料在打环机中压制成正极粉环，每节电池中加三个粉环，粉环的尺寸为：外径9.6mm，内径4.2mm，高度为12.0mm，每个粉环的重量为：1.8±0.1g；负极片尺寸为：(60±1)×(37.0±0.05)×(0.26±0.01)(mm)，重量约为3.8±0.1g。负极极片采用铜网干粉轧制的方法成型，焊上极耳后卷绕成圆柱状，外周直径约为4.0mm，然后在负极外包裹上一层聚丙烯无纺布隔膜，装入正极粉环中，然后注入1.0g电解液，将极耳与壳盖焊接，壳盖与电池壳体通过绝缘环密封连接，经滚槽封口后，得到电池半成品，常温下搁置5小时，然后进行化成和分选处理。化成和分选的工艺为：(1)电池先以0.05C充电2小时；(2)初步充电后的电池在烘箱内搁置24小时，温度为50℃；(3)将电池从烘箱内取出，待冷至常温后，以0.1C倍率对电池充电12小时，然后0.1C放电至1.0V；(4)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V；(5)以0.2C倍率充电6小时，然后以0.2C放电至1.0V，筛选出合格的电池。
制备的5节电池结果如下表：
| 编号 | 0.1C放电容量25℃ | 0.2C放电容量25℃ | 自放电率(25℃，28天) | 100次循环后容量保持率(0.2C充放) | 内阻(mΩ) |
| 1 | 682 | 602 | 13.8％ | 91.2％ | 61 |
| 2 | 644 | 588 | 15.2％ | 92.3％ | 59 |
| 3 | 671 | 601 | 17.1％ | 85.1％ | 62 |
| 4 | 662 | 596 | 19.0％ | 89.2％ | 57 |
| 5 | 658 | 577 | 18.5％ | 90.1％ | 55 |
Claims (10)
1.一种金属氢化物-镍电池，包括电池壳体、壳盖、容在壳体内的电解液、正极片、负极片及夹于正极片、负极片之间的绝缘隔膜，所述的电池壳体与所述的壳盖通过绝缘环密封连接，其特征在于：所述的正极片成中空的环状结构为正极环，所述的负极片成柱状结构为负极柱，所述的负极柱通过绝缘隔膜与正极环套接，所述的正极环与电池壳体电连接，所述的负极柱通过极耳与壳盖电连接。
2.如权利要求1所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于所述的正极环的重量组成成分为40～80％的β-Ni(OH)2、10～50％的石墨粉、1～8％的CoO、0～5％的镍粉。
3.如权利要求2所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：所述的正极环的重量组成成分为65％β-Ni(OH)2、30％石墨粉、3％CoO、2％镍粉。
4.如权利要求2所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：所述的电解液的组成为：7M KOH、0～300gNaOH/L、10～30g LiOH/L。
5.如权利要求2所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：负极为纯净贮氢合金粉末。
6.如权利要求2所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：所述的在电池壳体中注入电解液的重量为正极和负极总重量的10～30％。
7.如权利要求5所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：负极为稀土系贮氢合金。
8.如权利要求1所述的金属氢化物-镍电池，其特征在于：所述的正极环为2～4个。
9.一种制备如权利要求1所述金属氢化物-镍电池的方法，包括以下步骤：
a)将正极环的组分原料制粉并混合均匀，压制成环状，装入电池壳体，使正极环与电池壳体接触；
b)负极极片焊上极耳后卷成柱状，并在负极柱外包上绝缘隔膜后插入正极环中间；
c)在壳体中注入电解液，将负极极耳与壳盖焊接，，然后滚槽和封口；
d)常温下搁置5～24小时，进行化成、分选处理。
10.如权利要求9所述的金属氢化物-镍电池的制备方法，其特征在于所述的步骤a)为将正极环的组分原料制粉后加入正极组分原料总重量3～10％的电解液，再混合均匀后压制成环状，装入电池壳体，使正极环与电池壳体接触。
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