CN204130654U

CN204130654U - 镍氢二次电池

Info

Publication number: CN204130654U
Application number: CN201420512695.7U
Authority: CN
Inventors: 李超
Original assignee: Panasonic Energy Wuxi Co Ltd
Current assignee: Panasonic Energy Wuxi Co Ltd
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2024-09-05

Abstract

本实用新型提供了一种镍氢二次电池，其包括电极组、电解液及电池壳，所述电极组是将正极片、第一隔膜、负极片、第二隔膜按照该顺序层叠并卷绕到卷芯上而成的电极组，所述负极片由第一负极片和第二负极片层叠而成，所述第一负极片包含第一负极集电体和形成在所述第一负极集电体的两面上的第一负极材料层，所述第二负极片包含第二负极集电体和形成在所述第二负极集电体的两面上的第二负极材料层。根据本实用新型，能容易地将各种负极活性物质组合使用、且负极活性物质的组合容易实现变更、负极材料的浪费少、设计性强，还能容易地提高镍氢二次电池的负极活性物质的利用率。

Description

镍氢二次电池

技术领域

本实用新型涉及一种镍氢二次电池。

背景技术

镍氢二次电池是继镍镉电池之后的新一代高能碱性二次电池，具有高容量、大功率、无污染等特点，因此，镍氢二次电池具有非常好的应用前景。

镍氢二次电池一般包括密封在电池壳体内的电极组和碱性电解液。所述电极组包括正极片、负极片及隔板。正极片包括正极集电体和涂布在所述正极集电体上的正极材料层，所述正极材料层含有正极活性物质和粘合剂，所述正极活性物质一般为氢氧化镍。负极片包括负极集电体和涂布在所述负极集电体上的负极材料层，所述负极材料层含有负极活性物质和粘合剂，所述负极活性物质一般为储氢合金。所述隔板设置在正极片与负极片之间，具有电绝缘性和液体保持性。

现有技术中，如专利文献1所示，一般在负极集电体的两面上形成负极材料层。在负极集电体的两面上形成的负极材料层的组成一般相同，并且厚度通常也相同。有时为了提高电池性能，需要将不同的负极活性物质混合后直接制成负极材料膏糊并涂布到集电体上。但是，本发明人发现，对于有些难以共混使用的负极活性物质而言，这样的方案无法使用，并且，在为了进一步提高电池性能而需要更换其中一种负极活性物质或调整负极活性物质的用量时，均需要重新配制新的负极材料膏糊，原先制备的膏糊则无法继续使用。因而，存在负极活性物质更换困难、费时、容易发生负极材料浪费等问题。

此外，现有技术中，作为使用了这样的负极片的电极组的结构，如图4和图5所示，通常将正极片5、第一隔膜6、负极片7、第二隔膜8按照该顺序层叠而形成层叠片9，将该层叠片9卷绕到卷芯上，从而制成卷绕式电极组。在这样的卷绕式电极组中，在电极组的最内圈以及最外圈均由负极片单独构成。最内圈的负极片的一面上的负极材料层与卷芯外周面相对，最外圈的负极片的一面上的负极材料层与电池壳内壁面相对。本发明人发现这样的电极组存在负极材料层中的活性物质的利用率低的问题。

现有技术文献

专利文献1：中国发明专利CN101589491A

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种采用了能容易地将各种负极活性物质组合使用、且负极活性物质的组合容易实现变更、负极材料的浪费少、设计性强的负极结构的镍氢二次电池。本实用新型的另一目的在于提供一种负极片的负极活性物质的利用率高的镍氢二次电池。

为此，本实用新型提供了一种镍氢二次电池，其包括电极组、电解液及电池壳，所述电极组是将正极片、第一隔膜、负极片、第二隔膜按照该顺序层叠并卷绕到卷芯上而成的电极组，其特征在于，所述负极片由第一负极片和第二负极片层叠而成，所述第一负极片包含第一负极集电体和形成在所述第一负极集电体的两面上的第一负极材料层，所述第二负极片包含第二负极集电体和形成在所述第二负极集电体的两面上的第二负极材料层。

本实用新型的镍氢二次电池中，优选所述第一负极片的长度方向的两端与所述第二负极片的长度方向的两端不重叠。

本实用新型的镍氢二次电池中，优选在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述卷芯的周长，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述电池壳的内周长。

本实用新型的镍氢二次电池中，优选在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述卷芯的周长，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述电池壳的内周长。

本实用新型的镍氢二次电池中，优选所述第二负极片的两端位于所述第一负极片的两端之内，所述第一负极片与所述第二隔膜接触，且在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片与所述电池壳的内壁面接触。

本实用新型的镍氢二次电池中，优选所述第一负极材料层中所含的第一负极活性物质与所述第二负极材料层中所含的第二负极活性物质不同。

实用新型效果

根据本实用新型的技术方案，能容易地将各种负极活性物质组合使用、且负极活性物质的组合容易实现变更、负极材料的浪费少、设计性强。进而，根据本实用新型的优选的实施方式，能有效提高镍氢二次电池的负极活性物质的利用率。另外，本实用新型的镍氢二次电池中，负极片是通过将两个负极片层叠而成的，与现有技术的负极片相比，其制作难度没有增加。

附图说明

图1a、图1b、图1c及图1d是表示本实用新型的负极片的例子的示意图。

图2是表示本实用新型的电极组的层叠状态的例子的示意图。

图3是表示本实用新型的电极组的卷绕状态的示意图。

图4是表示比较例的电极组的层叠状态的示意图。

图5是表示比较例的电极组的卷绕状态的示意图。

附图标记说明

1 负极片、11 第一负极片、12 第二负极片、2 正极片、3 第一隔膜、4 第二隔膜

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的镍氢二次电池进行详细说明。

本实用新型的镍氢二次电池包括电极组、电解液及电池壳，所述电极组是将正极片、第一隔膜、负极片、第二隔膜按照该顺序层叠并卷绕到卷芯上而成的电极组，所述负极片由第一负极片和第二负极片层叠而成，所述第一负极片包含第一负极集电体和形成在所述第一负极集电体的两面上的第一负极材料层，所述第二负极片包含第二负极集电体和形成在所述第二负极集电体的两面上的第二负极材料层。

本实用新型的负极片由第一负极片和第二负极片层叠而成，通过将负极片形成为这样的特殊的结构，能容易地将各种负极活性物质组合使用、且负极活性物质的组合容易实现变更、负极材料的浪费少、设计性大幅提高。

关于第一负极片与第二负极片的层叠方式，没有特别限定，只要将两者直接叠加地放置即可，不需要特别进行粘合等结合处理。进而，在制作电极组时，只要进一步与隔膜及正极片等层叠并卷绕即可。因此，本实用新型的负极片还具有容易制作、不会提高电池的制作成本的优点。

另外，本实用新型中，优选使第一负极片的长度方向的两端与第二负极片的长度方向的两端不重叠，由此，使负极片的两端仅由第一负极片或第二负极片构成。通过形成这样的特殊的结构，能使与卷芯的外周面相对的负极材料和与电池壳的内壁面相对的负极材料的量减少，能有效减少负极片两端的负极活性物质的量，从而能简便而有效地提高镍氢二次电池的负极活性物质的利用率。

作为这样的优选的负极片的具体例子，可以列举出图1a～图1d中所示的负极片1。

图1a的负极片1中，在负极片1的长度方向(图中的左右方向)上，第一负极片11的左端超出了第二负极片12的左端，第二负极片12的右端超出了第一负极片11的右端。图1b的负极片1中，在负极片1的长度方向(图中的左右方向)上，第二负极片12的左端超出了第一负极片11的左端，第一负极片11的右端超出了第二负极片12的右端。图1c的负极片1中，在负极片1的长度方向(图中的左右方向)上，第一负极片11的两端均在第二负极片12的两端之内。图1d的负极片1中，在负极片1的长度方向(图中的左右方向)上，第二负极片12的两端均在第一负极片11的两端之内。

上述负极片1的具体例子中，优选如图1d所示的负极片，并且优选使图1d中的第一负极片11与第二隔膜接触。在采用这样的负极片的情况下，能避免第二负极片12始末端因卷绕弯曲与隔膜产生应力，从而能避免在第二负极片始末端有毛刺的情况下将隔膜戳穿，防止电池内部短路。

此外，本实用新型中，优选的是，在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述卷芯的周长(即卷芯的外周长)，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述电池壳的内周长。结合图1a～图1d来看，当以负极片1的右端作为卷绕始端，负极片1的左端作为卷绕末端，且第一负极片11与第二隔膜接触的情况下，优选第一负极片11的右端与第二负极片12的右端之间的距离为大于0且小于等于卷芯的周长，第一负极片11的左端与第二负极片12的左端之间的距离为大于0且小于等于电池壳的内周长。

进而，为了充分地提高负极活性物质的利用率，更优选的是，在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述卷芯的周长，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述电池壳的内周长。

此外，本实用新型中，由于第一负极片11的端部与第二负极片12的端部之间的距离可以在一定范围内变动，因此，本实用新型的第一负极片11和第二负极片12的长度也可以在一定范围内进行选择，不需要像现有技术那样将负极片的长度局限在某一长度，因而，对于现有技术中一些不符合规定长度的负极片，在本实用新型中也能被有效地利用，大大减少了负极片的废品率。

本实用新型中，上述第一负极片包含第一负极集电体和形成在上述第一负极集电体的两面上的第一负极材料层，上述第一负极材料层包含第一负极活性物质和粘合剂，上述第二负极片包含第二负极集电体和形成在上述第二负极集电体的两面上的第二负极材料层，上述第二负极材料层包含第二负极活性物质和粘合剂。

关于第一负极片和第二负极片中所具有的负极材料层的构成以及负极材料层中的负极活性物质的含量，本领域技术人员可以根据镍氢二次电池的正极片中的正极活性物质的量来适当选择，没有特别地限定。

另外，第一负极片及第二负极片的厚度和容量充填密度优选按照下述方法来设定。

在将现有技术中的采用单负极片的镍氢二次电池改为本实用新型这样的采用双负极片的镍氢二次电池时，将现有技术中的所述镍氢二次电池的所述单负极片长度设为c，厚度设为H₁，容量充填密度设为Q₁；将本实用新型中的第一负极片和第二负极片的厚度均设为H₂，容量充填密度均设为Q₂；将卷芯外周长设为a(a＝πD₁，D₁为卷芯直径)，将电池壳内周长设为b(b＝πD₂，D₂为电池壳内径)；所述第一负极片和所述第二负极片的宽度均与所述单负极片的宽度相等，所述单负极片、所述第一负极片和所述第二负极片均采用相同的集电体。

此时，优选使所述第一负极片和所述第二负极片的极板厚度满足下述式1，从而使本实用新型的采用双负极片的镍氢二次电池的负极总体积与现有技术中的采用单负极片的镍氢二次电池的负极总体积相等。

cH₁＝(2c－a－b)H₂ 式1

另外，优选使上述第一负极片和上述第二负极片的容量充填密度满足下述式2，从而使本实用新型的采用双负极片的镍氢二次电池的负极总充填能量与现有技术中的采用单负极片的镍氢二次电池的负极填充能量相等。

H₁Q₁＝2H₂Q₂ 式2

本实用新型中，第一负极活性物质和第二负极活性物质的种类可以根据需要进行选择，作为优选的例子。上述第一负极活性物质与上述第二负极活性物质均可选用AB₅合金、AB₃合金等储氢合金中的任一种，并且可以进行合金元素组分或处理条件的适当调整；另外，上述第一负极活性物质与上述第二负极活性物质可以相同也可以不同。为了提高镍氢二次电池的性能，优选第一负极活性物质与第二负极活性物质的种类不同。

本实用新型的负极片通过将两个负极片层叠而构成，由此能够将包含不同的负极活性物质的负极片并用，能进一步提高电池的性能。而且，由于可以将任意的负极片进行组合使用，因此，即便是在负极片的制作过程中出现的质量偏轻或偏重的不合格的负极片，也能在本实用新型的电极组中得到有效利用，从而能有效减少镍氢电池制作过程中的负极片材料的浪费。

此外，上述粘合剂可以是在镍氢二次电池的负极片中使用的任意的粘合剂，没有特别限定。例如，可以使用热塑性树脂、热固性树脂中的任一种。作为热塑性树脂，例如可以列举出丁苯橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物等。粘合剂的含量可以根据需要进行选择，没有特别限定。

本实用新型的上述第一负极材料层和第二负极材料层中，除了负极活性物质和粘合剂之外，还可以含有导电剂、增稠剂等在镍氢二次电池中常用的添加剂。

上述导电剂例如可以是石墨、炭黑、导电性纤维等，其含量没有特别限定，可以根据需要进行选择。

上述增稠剂例如可以是羧甲基纤维素或其改性体、聚乙烯醇、甲基纤维素、聚环氧乙烷等，其含量没有特别限定，可以根据需要进行选择。

另外，上述第一负极集电体和第二负极集电体可以是镍氢电池中使用的各种集电体。例如，可使用铜网、冲孔镀镍钢带等。

上述第一负极材料层和第二负极材料层可以通过将含有负极活性物质、粘合剂、根据需要使用的导电剂和增稠剂、以及溶剂的膏糊涂布到负极集电体上并干燥而形成。

本实用新型的镍氢二次电池中，除了负极片之外，电池的其他部件可以与现有技术中的镍氢二次电池所采用的部件相同。

本实用新型中所使用的正极片没有特别限定，可以使用现有技术中在镍氢电池中使用的各种正极片。

另外，本实用新型的电极组中，上述第一隔膜和第二隔膜可以是镍氢电池中使用的各种隔膜，例如可以是聚丙烯等聚烯烃制的无纺布。

作为本实用新型的电极组的优选实施方式，如图2所示，首先将正极片2、第一隔膜3、第二负极片12、第一负极片11、及第二隔膜4按照该顺序依次层叠而形成层叠片，所述第二负极片12的长度方向的两端位于所述第一负极片11的长度方向的两端之内，以该层叠片的一端(即图2所示的层叠片的左端)作为电极组的卷绕始端，在该卷绕始端侧，所述第二负极片12的端部与所述第一负极片11的端部之间的距离为大于0且小于等于卷芯的外周长，在该层叠片的另一端侧即卷绕末端侧，第二负极片12的端部与所述第一负极片11的端部之间的距离为大于0且小于等于电池壳的内周长。进而，像如图3所示那样，将图2所示的层叠片卷绕到卷芯(图中卷芯未示出)上而制成卷绕式电极组。在采用了该电极组的镍氢二次电池中，与卷芯的外周面相对的负极片的至少一部分仅由第一负极片11构成，并且，与电池壳的内壁面相对的负极片的至少一部分仅由第一负极片11构成。

下面通过实施例对本实用新型作更详细地说明。

实施例

实施例1

1、负极片的制作

在第一负极集电体(冲孔镀镍钢带)的两面形成第一负极材料层(其中，负极活性物质为(LaCe)₁Ni₄.₀₄Co₀.₄₅(MnAl)₀.₆₈)，其长度、宽度、厚度及容量密度示于下表1中。与第一负极片同样地制作了第二负极片，其长度、宽度、厚度及容量密度示于下表1中。

表1

2、正极片的制作

制作以氢氧化镍为正极活性物质的正极片(长、宽、厚分别为：75.0mm、43.7mm、0.85mm)，正极设计容量为2000mAh。

3、电极组的制作

像图2所示的方式那样，将上述正极片、第一隔膜(磺化的聚丙烯无纺布，长×宽为130mm×43.7mm)、上述第二负极片、上述第一负极片、第二隔膜(磺化的聚丙烯无纺布，长×宽为114mm×43.7mm)按照该顺序依次层叠而制成层叠片，将该层叠片卷绕到卷芯上，从而制作了电极组。其中，在电极组的卷绕始端侧，第一负极片的端部与第二负极片的端部之间的距离与卷芯的外周长相等；在电极组的卷绕末端侧，第一负极片的端部与第二负极片的端部之间的距离与电池壳的内周长相等。

4、镍氢二次电池的制作

将上述电极组插入到钢壳中，注入电解液(KOH与NaOH的混合溶液)，再进行封口，最终制成标准AA型镍氢二次电池A1，总高为51.05mm、外径为14.10mm、标准容量为2000mAh。

实施例2

与实施例1同样地制作镍氢二次电池，不同的是，第二负极片中的负极活性物质变更为(LaCe)₁Ni_3.57Co_0.73(MnAl)_0.71，由此得到了镍氢二次电池A2。

比较例1

与实施例1同样地制作镍氢二次电池D1，不同的是，像图4和图5所示的那样，采用单个的负极片6作为负极片。该负极片6通过实施例1的第一负极片的制造方法同样地进行制造，且与实施例1中的第一负极片和第二负极片满足具体实施方式中记载的式1和式2的关系。该负极片6的长度为114mm、宽度为43.7mm、厚度为0.37mm。

下面，对上述实施例和比较例制得的镍氢二次电池进行如下性能测试，并将测试结果记载在下述表2～4中。

性能测试

1、常温放电倍率性能

①标准容量测定：

测试条件如下

环境温度：20℃

a.预放电：0.2It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置1小时，0.1It充电16小时；

c.充电完成后搁置1小时，0.2It放电至1.0V；

d.读取“c步骤”的放电容量即为标准容量C₁。

②1It放电容量测定：

测试条件如下

环境温度：20℃

a.预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后搁置0.5小时，1It放电至1.0V；

d.读取“c步骤”的放电容量C₂。

③1It放电容量相对于0.2It放电容量的比率＝C₂/C₁×100％

2、高温放电性能

①20℃放电容量测定：

测试条件如下

环境温度：20℃

a.预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后搁置0.5小时，1It放电至1.0V；

d.读取“c步骤”的放电容量C₂。

②65℃放电容量测定：

测试条件如下

充电环境温度：20℃；放电电环境温度：65℃

a.20℃中预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后调整环境温度为65℃，再搁置3小时，该温度中1It放电至1.0V

d.读取“c步骤”的放电容量C₃

③65℃放电容量相对于20℃放电容量的比率＝C₃/C₂×100％

3、低温放电性能

①20℃放电容量测定：

测试条件如下

环境温度：20℃

a.预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后搁置0.5小时，1It放电至1.0V；

d.读取“c步骤”的放电容量C₂。

②－20℃放电容量测定：

测试条件如下

充电环境温度：20℃；放电环境温度：-20℃

a.20℃中预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后调整环境温度为－20℃，再搁置3小时，该温度中1It放电至1.0V

d.读取“c步骤”放电容量C₄

③－20℃放电容量相对于20℃放电容量的比率＝C₄/C₂×100％

4、寿命性能

①测试条件如下

环境温度：20℃

a.预放电：1It放电至1.0V；

b.放电完成后搁置0.5小时，1It充电，充至电压－△V＝5mV；

c.充电完成后搁置0.5小时，1It放电至1.0V；

d.放电完成后搁置0.5小时；

e.b—c—d循环充放电200次

d.读取各放电步骤的放电容量c₁、c₂、c₃...c₂₀₀

②第n次循环时的容量维持率＝c_n/c₁×100％

表2

表3

表4

根据上述表2～4的数据可知，本实用新型实施例1的采用双负极片的镍氢二次电池与比较例1的采用单负极片的镍氢二次电池相比，在常温放电倍率性能、高低温放电性能及寿命性能方面均接近。而本实用新型的实施例2中，通过将不同的负极活性物质组合使用，能使电池的寿命性能进一步提高。另外，重要的是，本实用新型实施例1和实施例2的镍氢二次电池与比较例1的镍氢二次电池相比，负极活物质的用量大幅减少，实现了负极活物质利用率的提升。

Claims

1.一种镍氢二次电池，其包括电极组、电解液及电池壳，所述电极组是将正极片、第一隔膜、负极片、第二隔膜按照该顺序层叠并卷绕到卷芯上而成的电极组，其特征在于，所述负极片由第一负极片和第二负极片层叠而成，所述第一负极片包含第一负极集电体和形成在所述第一负极集电体的两面上的第一负极材料层，所述第二负极片包含第二负极集电体和形成在所述第二负极集电体的两面上的第二负极材料层。

2.根据权利要求1所述的镍氢二次电池，其特征在于，所述第一负极片的长度方向的两端与所述第二负极片的长度方向的两端不重叠。

3.根据权利要求1所述的镍氢二次电池，其特征在于，在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述卷芯的周长，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为大于0且小于等于所述电池壳的内周长。

4.根据权利要求3所述的镍氢二次电池，其特征在于，在所述电极组的卷绕始端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述卷芯的周长，在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片的端部与所述第二负极片的端部之间的距离为所述电池壳的内周长。

5.根据权利要求3或4所述的镍氢二次电池，其特征在于，所述第二负极片的两端位于所述第一负极片的两端之内，所述第一负极片与所述第二隔膜接触，且在所述电极组的卷绕末端侧，所述第一负极片与所述电池壳的内壁面接触。

6.根据权利要求1所述的镍氢二次电池，其特征在于，所述第一负极材料层中所含的第一负极活性物质与所述第二负极材料层中所含的第二负极活性物质不同。