CN2798320Y - 碱性二次电池的电极芯及含有该电极芯的碱性二次电池 - Google Patents
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Abstract
一种碱性二次电池的电极芯及含有该电极芯的碱性二次电池，所述的电极芯包括卷绕而成的正极极片(1)、隔膜(2)和负极极片(3)，其中，位于正极极片(1)与负极极片(3)之间的隔膜(2)至少为两层，或者位于正极极片(1)外侧的隔膜(2)至少为两层。通过在正负极极片之间，或者在正极极片外侧使用多层隔膜，能够有效地防止隔膜被刺穿，减少对隔膜的损害，因此降低了电池的短路率，以及电池初始及循环后自放电增大的几率，提高了电池的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及碱性电池，尤其涉及圆柱形碱性二次电池的电极芯。
背景技术
通常，碱性二次电池是将正极极片、负极极片和位于正负极极片之间的隔膜叠合在一起，卷绕成涡卷状的电极芯，装入金属制的一端开口的电池外壳中，然后注入电解液，最后封口而成。
图1为现有碱性二次电池的电极芯的截面示意图，从图1中可以看出，现有的碱性二次电池的电极芯包括卷绕而成的正极极片1、隔膜2和负极极片3。
然而，现有的碱性二次电池存在着隔膜容易被刺破，导致电池短路或初始及循环后自放电增大的缺点，这严重影响了电池的合格率。因此降低电池的短路率，提高电池初始及循环后自放电性能，从而提高电池的合格率及可靠性成为本领域技术人员一个需要解决的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种短路率低，可靠性高且初始及循环后自放电小的碱性二次电池的电极芯及含有该电极芯的碱性二次电池。
本实用新型的发明人通过仔细的研究和分析发现了导致电池短路率较高，初始及循环后自放电增加的原因。
例如，如果采用多孔金属体作为正极片的正极基体，则在制作的过程中需要对极片进行辊压，以使极片内的活性物质填充得更加紧密，从而提高电池的容量密度。但是在辊压的过程中，填充有活性物质的极片会变得较脆，韧性较差，卷绕时易发生断裂，这些因断裂产生的毛刺容易刺穿隔膜，从而导致电池短路或自放电增大。
而且，碱性二次电池的隔膜多采用经过亲水化处理的聚烯烃隔膜。由于聚烯烃材料的亲水性较差，不能直接用做二次电池的隔膜，因此为了提高聚烯烃材料的亲水性，得到吸液速度快且吸液率高的隔膜，通常采用电晕、氟化、磺酸化等措施以提高其亲水性，但是这些措施同时也降低了聚烯烃的抗拉强度和致密性，使得隔膜在使用过程中容易破损，从而导致电池短路或自放电增大。
对于使用Ni(OH)2作为正极活性物质的碱性二次电池，为了提高正极的综合性能，通常在Ni(OH)2中固溶Co、Zn、Cd等元素，而其中的Co和Zn元素易随着电池充放电循环的进行而从电极溶出，在隔膜上沉积形成“桥路”，从而导致电池自放电增大甚至短路。虽然日本专利2004-071497针对正极中Co元素在电极芯的外圈扩散较严重的问题，提出了在电极芯卷绕的最外一圈的正负极之间增加一层隔膜的方法，以此来阻止由于Co元素等的扩散而引起的电池自放电增大或短路，但是这种方法忽略了极片卷绕后正极极片外侧开裂(因为电极芯内部曲率较大，正极极片外侧开裂比电极芯最外一圈严重)产生的毛刺也会损坏隔膜，进而造成电池自放电增大或短路等问题。
对于使用CdO，Cd(OH)2或Zn，ZnO作为负极活性物质的碱性二次电池，在充电的过程中会生成金属Cd或Zn，而金属Cd，Zn的枝晶状长大会刺穿隔膜，导致电池自放电增大或短路。
对于使用含Co、Mn、Al等金属的贮氢合金作为负极活性物质的碱性二次电池，随着电池充放电的进行，合金中的Co、Mn、Al等元素会向电解液中溶出，最终在隔膜上析出，从而造成电池自放电增大。
因此，本实用新型提供了一种电极芯，该电极芯包括卷绕而成的正极极片1、隔膜2和负极极片3，其中，位于正极极片1与负极极片3之间的隔膜2至少为两层，或者位于正极极片1外侧的隔膜2至少为两层。
本实用新型提供的碱性二次电池包括电极芯，其中，所述的电极芯为本实用新型所述的电极芯。
本实用新型提供的电极芯和含有该电极芯的碱性二次电池，通过在正负极极片之间，或者在正极极片外侧使用多层隔膜，提高了隔膜的抗拉强度和致密性，增大了隔膜的介电能力。与使用单纯增加厚度和密度以提高电池性能的单层隔膜相比，使用多层隔膜，不仅能够克服单层隔膜面密度不均匀的问题，而且能够对穿过单层隔膜的微小粒子进行二次过滤，且能够阻挡沿着隔膜微孔生长的晶体或枝晶。随着电池的充放电循环的进行，对于正极溶出的Co、Zn元素，负极产生的Cd、Zn的枝晶以及负极可能溶出的Co、Mn、Al元素来说，采用多层隔膜能够有效地防止隔膜被刺穿，减少对隔膜的损害，因此降低了电池的短路率，以及电池初始及循环后自放电增大的几率，提高了电池的可靠性。
附图说明
图1是现有技术的碱性二次电池的电极芯的截面示意图；
图2是本实用新型的碱性二次电池的电极芯的截面示意图；
图3是本实用新型的碱性二次电池的电极芯的截面示意图。
具体实施方式
按照本实用新型提供的电极芯，如图2所示，该电极芯包括卷绕而成的正极极片1、隔膜2和负极极片3，其中，位于正极极片1与负极极片3之间的隔膜2至少为两层。一般情况下，隔膜的密度为20-150克/平方米，隔膜的厚度为0.01-0.20毫米，正极极片1与负极极片3之间的隔膜2的层数为2-10层，优选的为2-5层。
按照本实用新型另一实施方式提供的电极芯，如图3所示，该电极芯包括卷绕而成的正极极片1、隔膜2和负极极片3，其中，位于正极极片1外侧的隔膜2至少为两层。一般情况下，隔膜的密度为20-150克/平方米，隔膜的厚度为0.01-0.20毫米，正极极片1外侧的隔膜2的层数为2-10层，优选的为2-5层。
正极极片1的组成为本领域技术人员所公知，例如，正极活性物质可以是共溶有Co、Zn、Cd等元素中的一种或几种的Ni(OH)2。
负极极片3的组成为本领域技术人员所公知，例如，负极活性物质可以为CdO、Cd(OH)2或Zn、ZnO或含有Co、Mn、Al中一种或几种的贮氢合金。
隔膜2设置于正极极片1与负极极片3之间，具有电绝缘性能和液体保持性能，可以是经亲水处理的聚烯烃无纺布。
所述正极极片1和负极极片3可以采用现有方法制备。如在宽幅极片上涂覆一种含有正极活性物质和粘合剂的浆液，干燥，辊轧并分切，得到正极极片1。或在宽幅极片上涂覆一种含有负极活性物质和粘合剂的浆液，干燥，辊轧并分切，得到负极极片3。
将所述正极极片1，隔膜2和负极极片3卷绕制得电极芯的方法为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。
按照本实用新型提供的碱性二次电池，除了含有所述的电极芯以外，还含有碱性二次电池所需的其它必要组件，如电解液和电池壳。将卷绕成涡卷状的电极芯装入金属制的一端开口的电池壳中，然后注入电解液，最后封口即可。
下面的实例将对本实用新型做进一步说明。
实例1
本实例说明本实用新型提供的电极芯和碱性二次电池。
(1)正极极片的制备
将100份重量的球状的氢氧化镍，5份重量的氧化亚钴，5份重量的羧甲基纤维素分散液(含有1重量％的羧甲基纤维素)，2份重量的聚四氟乙烯(PTFE)分散液(固含量为60重量％)，20份重量的水混和搅拌成糊状浆料，将此浆料填充入面密度为430克/平方米，一侧焊接有镍制带状引流端子的泡沫镍中，然后经烘干、辊压、裁切，制得尺寸为85毫米×40毫米×0.60毫米的正极极片，标记为P1，其中氢氧化镍活性物质的含量为7.5克。
(2)负极极片的制备
称取100份重量的MmNi13.55Co0.75Al0.3Mn0.4型合金粉(其中Mm指La∶Ce∶Pr∶Nd＝30∶45∶6∶19(重量比)混合稀土)，1份重量的导电碳黑，2.5份重量的PTFE分散液(固含量为60重量％)，5份重量的羧甲基纤维素分散液(含有1重量％的羧甲基纤维素)和20份重量的水混合，搅拌成糊状，涂布于冲孔镀镍钢带上，烘干辊压裁切制得尺寸为115毫米×40毫米×0.34毫米的负极极板，标记为N1，其中合金粉的含量为9克。
(3)电极芯的制备
将(1)和(2)制备的正极极片P1，负极极片N1和经过磺化处理的聚丙烯隔膜(密度为55克/平方米，厚度为0.12毫米)卷绕成涡卷状的电极芯，其中，正极极片1与负极极片3之间的隔膜为两层，如图2所示。
(4)电池的装配
将(3)制备的电极芯放入一端开口的圆柱形电池外壳中，加入电解液(其中含有6摩尔/升的KOH和1摩尔/升LiOH)2.35克，密封后制成1800mAh的AA型金属化物镍电池B1。
实例2
本实例说明本实用新型提供的电极芯和碱性二次电池。
按照实例1的方法制备电极芯和碱性二次电池，不同的只是在卷绕的电极芯中，正极极片1外侧的隔膜为两层，而正极极片1内侧的隔膜为一层，如图3所示，最终制得AA型金属化物镍电池B2。
对比例1
本对比例说明现有技术的电极芯和碱性二次电池。
按照实例1的方法制备电极芯和碱性二次电池，不同的只是在卷绕的电极芯中只有一层隔膜，如图1所示，最终制得AA型金属化物镍电池BB1。
实例3
本实例说明本实用新型提供的电极芯和碱性二次电池。
(1)正极极片的制备
将100份重量的球状的氢氧化镍，5份重量的氧化亚钴，5份重量的羧甲基纤维素分散液(含有1重量％的羧甲基纤维素)，2份重量的聚四氟乙烯(PTFE)分散液(固含量为60重量％)，20份重量的水混和搅拌成糊状浆料，将此浆料填充入面密度为430克/平方米，一侧焊接有镍制带状引流端子的泡沫镍中，然后经烘干、辊压、裁切，制得尺寸为60毫米×40毫米×0.60毫米的正极极片，标记为P2，其中氢氧化镍活性物质的含量为5.2g。
(2)负极极片的制备
将100份的重量的氧化镉，5份重量镍粉，2份重量碳黑，10份重量的羧甲基纤维素(含有1重量％的羧甲基纤维素)，2份重量的PTFE分散液(固含量60重量％)与10份重量的水混合，搅拌均匀，得到混合浆料，将此浆料涂布在穿孔镀镍钢带的两面，经烘干，裁切制得尺寸为90毫米×40.7毫米×0.45毫米的负极极片，标记为N2，其中CdO的含量为6.4克。
(3)电极芯的制备
将(1)和(2)制备的正极极片P2，负极极片N2和经过磺化处理的聚丙烯隔膜(密度为55克/平方米，厚度为0.12毫米)卷绕成涡卷状的电极芯，其中，正极极片1与负极极片3之间的隔膜为两层，如图2所示。
(4)电池的装配
将(3)制备的电极芯放入一端开口的圆柱形电池外壳中，加入电解液(其中含有6摩尔/升的KOH和1摩尔/升LiOH)2.45克，密封后制成900mAh的AA型镍镉电池b1。
实例4
本实例说明本实用新型提供的电极芯和碱性二次电池。
按照实例3的方法制备电极芯和碱性二次电池，不同的只是在卷绕的电极芯中，正极极片1外侧的隔膜为两层，而正极极片1内侧的隔膜为一层，如图3所示，最终制得AA型镍镉电池b2。
对比例2
本对比例说明现有技术的电极芯和碱性二次电池。
按照实例3的方法制备电极芯和碱性二次电池，不同的只是在卷绕的电极芯中只有一层隔膜，如图1所示，最终制得AA型镍镉电池bb2。
下面说明本实用新型提供的电池的性能。
(1)将实施例1、2和对比例1制得的电池B1、B2和BB1分别以180mAh(0.1C)充电15小时，放置30分钟，540mA(0.3C)放电到1.0V。
将实施例3、4和对比例2制得的电池b1、b22和bb2分别以90mAh(0.1C)充电15小时，放置30分钟，270mA(0.3C)放电到1.0V。
(2)按步骤(1)循环三次后，分别以0.1C充电15小时，0.2C放电至1.0V，记录电池放电容量Q1，然后再分别以0.1C充电15小时，在40℃环境中放置30天，测试电池电压，对于电压小于1.0V的电池记为短路，计算短路率1；对电压大于1.0V的电池以0.2C放电到1.0V，记电池容量为q1，按下式计算初始电池的自放电率：初始电池自放电率L1＝(1-q1/Q1)×100％。
(3)按步骤(1)循环三次后，分别以1C充电70分钟，-ΔV＝10mV，1C放电至1.0V，如此循环100次后。以0.1C充电15小时，0.2C放电至1.0V，记录电池的放电容量Q2。再以0.1C充电15小时后，在40℃环境中放置30天，测试电池电压，对于电压小于1.0V的电池记为短路，计算短路率2；对电压大于1.0V的电池再以0.2C放电至1.0V，记录电池容量为q2，按下式计算循环100次后的自放电率：循环100次后的自放电率L2＝(1-q2/Q2)×100％。
结果列于下表中
| 电池 | 隔膜层数 | 短路率1(％) | 短路率2(％) | L1(％) | L2(％) |
| B1 | 正负极之间为双层 | 0 | 0 | 23.2 | 27.7 |
| B2 | 正极极片外侧为双层 | 0 | 0 | 25.1 | 30.7 |
| BB1 | 单层 | 2 | 0 | 27.1 | 35.4 |
| b1 | 正负极之间为双层 | 0 | 0 | 20.4 | 30.2 |
| b2 | 正极极片外侧为双层 | 1 | 1 | 23.5 | 33.4 |
| bb2 | 单层 | 4 | 3 | 25 | 44.6 |
从表中可以看出，本实用新型提供的电池B1、B2、b1、b2的短路率明显低于对比电池BB1、bb2的短路率，而且，本实用新型提供的电池B1、B2、b1、b2的初始及循环后的自放电性能均优于各对比电池BB1、bb2。因此本实用新型所提供的电极芯和含有该电极芯的碱性二次电池不仅具有较好的初始及若干循环后的自放电性能，而且还具有较低的短路率。
Claims (6)
1.一种碱性二次电池的电极芯，所述的电极芯包括卷绕而成的正极极片(1)、隔膜(2)和负极极片(3)，其特征在于，位于正极极片(1)与负极极片(3)之间的隔膜(2)至少为两层，或者位于正极极片(1)外侧的隔膜(2)至少为两层。
2.根据权利要求1所述的电极芯，其特征在于，位于正极极片(1)与负极极片(3)之间的隔膜(2)的层数为2-10层。
3.根据权利要求2所述的电极芯，其特征在于，位于正极极片(1)与负极极片(3)之间的隔膜(2)的层数为2-5层。
4.根据权利要求1所述的电极芯，其特征在于，位于正极极片(1)外侧的隔膜(2)的层数为2-10层。
5.根据权利要求4所述的电极芯，其特征在于，位于正极极片(1)外侧的隔膜(2)的层数为2-5层。
6.一种碱性二次电池，所述电池包括电极芯，其特征在于，所述的电极芯为权利要求1-5中任一项所述的电极芯。
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- 2005-04-18 CN CNU2005200168526U patent/CN2798320Y/zh not_active Expired - Lifetime
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