DE69532517T2

DE69532517T2 - Methode zur Herstellung einer Nickel-Metall-Hydridbatterie

Info

Publication number: DE69532517T2
Application number: DE69532517T
Authority: DE
Inventors: Katsuya Minami-ku Nanamoto; Yuichi Minami-ku Umehara
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: GS Yuasa Corp
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: DE69532517D1; EP0696825A1; EP0696825B1; CN1076889C; CN1118941A; US5814108A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie mit einer positiven Elektrode, enthaltend hauptsächlich ein Nickelhydroxid als aktives Material, einer negativen Elektrode, enthaltend hauptsächlich eine Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, einem Trennelement bzw. Separator, einem alkalischen Elektrolyten und einem Batteriegehäuse.
Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit einer positiven Elektrode, enthaltend hauptsächlich ein Nickelhydroxid als aktives Material, einer negativen Elektrode, enthaltend hauptsächlich eine Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, einem Trennelement, einem alkalischen Elektrolyten und einem Batteriegehäuse zeichnet sich, verglichen mit einer Nickel-Cadmium-Batterie, durch eine verbesserte Energiedichte bzw. Kapazität aus. Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie enthält ebenfalls kein Cadmium als negatives aktives Material, so dass Nickel-Metallhydrid-Batterien im Hinblick auf den Umweltschutz bevorzugt verwendet werden. Deshalb wurden Nickel-Metallhydrid-Batterien bisher bevorzugt als Energiequellen für tragbare elektronische Geräte und als Energiequellen für elektrisch betriebene Fahrzeuge verwendet.
Verschiedene Bestandteile, die in einer Nickel-Cadmium-Batterie verwendet werden, wie z. B. die positive Elektrode, das Trennelement, der Elektrolyt und das Batteriegehäuse, entsprechen in etwa den Bestandteilen, die auch in einer Nickel-Metallhydrid-Batterie verwendet werden.
Die negative Elektrode einer Nickel-Metallhydrid-Batterie enthält eine Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, wie z. B. eine intermetallische Verbindung des Typs AB₅ oder des Typs AB₂. Die Verbindungen des Typs AB₅ umfassen z. B. die intermetallische Verbindung LaNi₅ mit einer Kristallstruktur vom CaCu₅-Typ, und es wurde versucht, La und Ni teilweise durch andere Metalle zu ersetzen, um die Entladekapazität zu optimieren, um die Lebensdauer der Batterie (Anzahl an möglichen Lade-/Entlade-Zyklen) zu erhöhen, um ein Entladen bei sehr hohem Strom zu ermöglichen usw. (US-Patent Nr. 5284619). Die Verbindungen des Typs AB₂ sind intermetallische Verbindungen mit einer Laves-Phase mit einer Kristallstruktur vom C14-Typ (MgZn₂-Typ) oder C15-Typ (MgCu₂-Typ). Auch in diesen Legierungen, die Wasserstoff absorbieren können, wurden verschiedenste Metalle als Bestandteile A und B verwendet, um die Entladekapazität zu optimieren, um die Anzahl an möglichen Lade-/Entlade-Zyklen zu erhöhen usw. (US-Patent Nr. 4551400, K. Sapru et al.; europäisches Patent Nr. 293660B1, T. Gamo et al.).
Bei diesen Nickel-Metallhydrid-Batterien ergeben sich jedoch die folgenden zwei Probleme.
Erstens, wenn die Batterie z. B. zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen bei einer niedrigen Temperatur von z. B. –20C° und bei einem hohen Strom von etwa 1 CmA entladen wird, wird die Entladekapazität, verglichen mit der Entladekapazität einer Batterie, die bei Raumtemperatur entladen wird, deutlich verringert, und es ist eventuell nicht mehr möglich, wieder die ursprüngliche Entladekapazität zu erreichen. Wenn das Entladen andererseits bei einem geringen Strom von etwa C/5 mA durchgeführt wird, treten keine Probleme auf, da der Wert der Entladekapazität bei einer Temperatur von –20°C etwa 90% der Entladekapazität bei 20°C entspricht. Wenn das Laden/Entladen einer Nickel-Metallhydrid-Batterie wiederholt durchgeführt wird, z. B. etwa 100 mal, ist es, selbst wenn das Entladen bei –20°C bei einem Strom von 1 CmA durchgeführt wird, möglich, das Entladen mit etwa 60% der Entladekapazität bei 20°C bei gleichem Strom durchzuführen. Dieses Verfahren ist jedoch nicht bevorzugt, da viele Schritte erforderlich sind, damit es möglich wird, das Entladen bei hohem Strom und bei einer niedrigen Temperatur durchzuführen, was die Herstellung der Batterie verteuert.
Zweitens, die Selbstentladegeschwindigkeit einer Nickel-Metallhydrid-Batterie entspricht der Selbstentladegeschwindigkeit einer Nickel-Cadmium-Batterie oder ist größer als die Selbstentladegeschwindigkeit einer Nickel-Cadmium-Batterie.
Es ist bekannt, dass das Selbstentladen einer Nickel-Cadmium-Batterie hauptsächlich durch den "Nitrat-Nitrit-Mechanismus", verursacht durch Nitratradikale, die aus den Salzen der Ausgangsmaterialien gebildet werden und die als verbleibende Verunreinigung in dem positiven aktiven Material oder in dem negativen aktiven Material vorhanden sind, oder durch Zersetzungsprodukte eines Polyamid-Trennelementes verursacht wird. Wenn eine Elektrode aus gesintertem Nickelhydroxid, hergestellt unter Verwendung ei ner Lösung von Nickelnitrat, als positive Elektrode in einer Nickel-Metallhydrid-Batterie verwendet wird, wird die Batterie, nachdem sie zusammengebaut wurde, in einem offenem System geladen und dann bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 60°C aufbewahrt, um Nitrationen zu eliminieren (Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-4-322071). Während die aufgeladene Batterie bei diesem Verfahren in einem offenen System aufbewahrt wird, absorbiert der alkalische Elektrolyt Nitratradikale aus der Luft, so dass der Elektrolyt verunreinigt wird, oder Wasser aus dem alkalischen Elektrolyten verdampft, so dass die Dichte des Elektrolyten oder die Menge an Elektrolyt verändert wird. Bei einer Nickel-Metallhydrid-Batterie tritt weiterhin das Problem auf, dass die Selbstentladegeschwindigkeit groß ist, selbst wenn das Salz des Ausgangsmaterials, das zur Herstellung der positiven Elektrode verwendet wird, keine Nitratradikale enthält und wenn kein Polyamid-Trennelement verwendet wird. Dieses Problem kann nicht unter Anwendung des Verfahrens gelöst werden, das in der Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-4-322071 beschrieben wird.
Um das erste Problem und andere Probleme zu lösen, wurden die Bedingungen bei der Konditionierung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie untersucht. Das Konditionieren einer Nickel-Metallhydrid-Batterie umfasst gewöhnlich das erstmalige Laden der Batterie, das erstmalige Entladen der Batterie und das Aufbewahren der erstmalig aufgeladenen und nachfolgend entladenen Batterie, und diese Schritte wurden getrennt voneinander untersucht.
Nach der Untersuchung des erstmaligen Ladens der Batterie wurden die folgenden Vorschläge gemacht: das erstmalige Laden der Batterie bei einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, um die Eigenschaften beim schnellen Laden zu verbessern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-3-22365); das Konditionieren der Batterie, umfassend nur das erstmalige Laden der Batterie, um die erstmalige Aktivierung der Legierung mit einer AB₂ Laves-Phase zu beschleunigen (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-3-241673); das Laden der Batterie bei einer niedrigen Temperatur im Bereich von –20°C bis 20°C, um die Kapazität beim Entladen und die Eigenschaften beim Überladen zu verbessern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-4-62763); das Abbrechen des Ladevorganges oder das mindestens einmalige Verringern des Ladestroms während des Ladens, um die Kapazität beim Laden und die Aktivierung der negativen Elektrode zu verbessern und um die Lebensdauer der Batterie zu erhö hen (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-21092); das erstmalige vollständige Laden der Batterie, nachdem die Batterie auf einen Wert von nicht mehr als 100% der Nennkapazität aufgeladen wurde, um den Innendruck der Batterie beim erstmaligen vollständigen Laden zu verringern und um die Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen, die zum erstmaligen Aktivieren der Batterie erforderlich sind, zu verringern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-174869); das erstmalige Laden der Batterie bei einer hohen Temperatur im Bereich von 50°C bis 70°C, um die Entladekapazität der negativen Elektrode einer Nickel-Wasserstoff Batterie, die eine Legierung vom Typ AB₂ auf der Basis von Zr(Ti)-Ni in der negativen Elektrode enthält, zu Beginn der praktischen Verwendung der Batterie zu verbessern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-275082); das Einbringen eines Elektrolyten in die Batterie, dann das Aufbewahren der Batterie über einen Zeitraum von nicht mehr als 14 Stunden, dann das Beginnen des erstmaligen Ladens, dann das Fortführen des erstmaligen Ladens über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde, wobei die Batterie auf einen Wert von nicht weniger als 5% und weniger als 100% der Nennkapazität aufgeladen wird, und das nachfolgende Fortführen des erstmaligen Ladens, um den Innendruck der Batterie beim Überladen der Batterie zu verringern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-6-45003); und das Konditionieren der Batterie, umfassend das erstmalige Laden der Batterie bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur über einen langen Zeitraum hinweg, wobei eine Selbstentladung der Batterie auftritt, um die Aktivierung der Legierung; die Wasserstoff absorbieren kann, in der negativen Elektrode zu beschleunigen, so dass eine hohe Entladekapazität erreicht werden kann (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-6-44490 und veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-2-301871).
Nach der Untersuchung des Ladens und Entladens beim Konditionieren der Batterie wurden andererseits die folgenden Vorschläge gemacht: das Laden von positiven und negativen Elektroden auf einen Wert, der nicht weniger als 50% der möglichen Ladekapazität der positiven Elektrode entspricht, und das Entladen bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 80°C, um die Entladeeigenschaften, wie z. B. die Eigenschaften beim Entladen bei niedriger Temperatur, die Entladekapazität oder dgl. zu verbessern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-4-61756); das Konditionieren der Batterie, umfassend das Laden der Batterie bei niedriger Temperatur und das Entladen der Batterie bei hoher Temperatur, insbesondere, um das erstmalige Aktivieren der Le gierung mit einer AB₂ Laves-Phase auf der Basis von Zr-Ni zu beschleunigen (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-4-65067); das mindestens einmalige Entladen der Batterie vor oder während dem Laden der Batterie, um die Ladekapazität der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, zu verbessern, so dass kein Sicherheitsventil verwendet werden muss und die Lebensdauer der Batterie erhöht werden kann (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-4-67576); das Laden der Batterie über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde bei einer Temperatur im Bereich von 30 bis 80°C und bei einer Batteriespannung von nicht weniger als 0 V und nicht mehr als 1 V, um die Entladeeigenschaften, wie z. B. die Eigenschaften beim Entladen bei niedriger Temperatur, die Entladekapazität oder dgl. zu verbessern (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-4-126370); und das Abbrechen des Entladevorganges oder das mindestens einmalige Verringern des Entladestroms während des Entladens beim Laden/Entladen der Batterie, und dann das Fortführen des Entladens der Batterie bei gleichem oder erhöhtem Entladestrom, um die Kapazität beim Entladen (d. h. die Aktivierung) der Batterie zu verbessern und um die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-182695).
Die veröfentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-3033981 und die Veröffentlichung EP-A-586718 beschreiben ein Verfahren zur Herstellung einer versiegelten Nickel-Wasserstoff-Zelle, bei dem die Zelle, während des Konditionierens, über einen bestimmten Zeitraum hinweg bei einer Temperatur im Bereich von 30°C bis 60°C aufbewahrt wird, nachdem sie mindestens einmal geladen/entladen wurde.
Die zuvor beschriebenen Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass es schwierig ist, die Temperatur bei Laden und Entladen der Batterie zu verändern, oder es ist schwierig, gleichzeitig die Selbstentladeeigenschaften der Batterie zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie, die sich bereits zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen durch eine hohe Entladekapazität auszeichnet und deren Selbstentladung deutlich zurückgedrängt ist, selbst wenn das Entladen bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, bereitzustellen, das leicht durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie gelöst, umfassend:
das Zusammenbauen und Versiegeln einer Nickel-Metallhydrid-Batterie, umfassend eine positive Elektrode mit einem Nickelhydroxid, eine negative Elektrode mit einer Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, ein Trennelement, einen alkalischen Elektrolyten und ein Batteriegehäuse;
das Konditionieren der Batterie, umfassend das mindestens einmalige Laden/Entladen der Nickel-Metallhydrid-Batterie;
nach dem Konditionieren der Batterie, das Laden der Nickel-Metallhydrid-Batterie; und
nach dem Laden der Batterie, das Aufbewahren der Nickel-Metallhydrid-Batterie in geladenem Zustand.
Es ist bevorzugt, dass das Aufbewahren der Batterie bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 70°C durchgeführt wird.
Die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, kann im Bereich von 100% bis 300% liegen, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode.
Das Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, kann mindestens einen Tag lang, besonders bevorzugt mindestens sieben Tage lang durchgeführt werden.
Das Verfahren kann weiterhin, vor dem Konditionierender Batterie, das Aufbewahren der Nickel-Metallhydrid-Batterie über einen Zeitraum von einem Tag bis zwanzig Tagen, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von sieben Tagen bis zwanzig Tagen umfassen.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die positive Elektrode ein positives aktives Material, umfassend ein Nickelhydroxid, erhalten durch gemeinsames Ausfällen von Hydroxiden von Nickel, Cobalt und Zink, sowie mindestens einen Bestandteil, ausgewählt aus metallischem Cobalt, Cobalthydroxid und Cobaltoxid.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die negative Elektrode ein negatives aktives Material, umfassend Ni, Co, Mn, Al und ein Mischmetall, umfassend La, Ce, Pr und Nd.
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, zeichnet sich bereits zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen durch eine hohe Entladekapazität sowie durch eine verringerte Selbstentladung aus, selbst wenn das Entladen bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur durchgeführt wird.
1 zeigt die Beziehung zwischen: der Aufbewahrungszeit, die erforderlich ist, um eine Entladekapazität von 500 mAh zu erreichen, wenn die Nickel-Metallhydrid-Batterien, hergestellt durch Zusammenbauen und Versiegeln der Bestandteile, Konditionieren der Batterien, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, Laden der Batterien und Aufbewahren der Batterien bei verschiedenen Temperaturen, bei einem hohem Strom von 1 CmA bei –20°C entladen wurden; der Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen, die erforderlich sind, bis der Innenwiderstand der Nickel-Metallhydrid-Batterien einen Wert von 100 mΩ erreicht; und der Umgebungstemperatur während des Aufbewahrens der Batterien;
2 zeigt die Beziehung zwischen der von der Nickel-Metallhydrid-Batterie gespeicherten Kapazität und der Anzahl an Zyklen, umfassend das Laden der Batterie, das Aufbewahren der Batterie über einen Zeitraum von mindestens einem Tag und das Entladen der Batterie, nachdem die Batterie konditioniert worden war; und
3 zeigt die Beziehung zwischen der von der Nickel-Metallhydrid-Batterie gespeicherten Kapazität und der Aufbewahrungszeit vor dem Konditionieren der Batterie, nachdem die Batterie versiegelt, konditioniert, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, geladen und mindestens einen Tag lang aufbewahrt worden war.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, umfassend eine positive Elektrode, enthaltend hauptsächlich ein Nickelhydroxid als aktives Material, eine negative Elektrode, enthaltend hauptsächlich eine Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, ein Trennelement bzw. einen Separator, einen alkalischen Elektrolyten und ein Batteriegehäuse, zusammengebaut und versiegelt.
Erfindungsgemäß werden die positive Elektrode, enthaltend hauptsächlich ein Nickelhydroxid als aktives Material, die negative Elektrode, enthaltend hauptsächlich eine Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, und das Trennelement in einem Batteriegehäuse angeordnet, und dann wird ein alkalischen Elektrolyt in das Batteriegehäuse eingebracht. Danach wird das Batteriegehäuse versiegelt, um eine Batterie zu erhalten. Dann wird die Batterie konditioniert, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, und danach wird die Batterie geladen und nachfolgend aufbewahrt, um die Nickel-Metallhydrid-Batterie zu erhalten. Auf diese Weise wird eine Nickel-Metallhydrid-Batterie erhalten, die sich bereits zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen durch eine hohe Entladekapazität auszeichnet, selbst wenn das Entladen bei einem hohem Strom von z. B. etwa 1 CmA und bei niedriger Temperatur, z. B. bei –20°C, durchgeführt wird. Gleichzeitig zeichnet sich die Batterie durch eine verringerte Selbstentladung aus. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Temperatur beim Laden und Entladen während der Herstellung der Nickel-Metallhydrid-Batterie nicht verändert werden muss und dass der Elektrolyt der Batterie nicht mit der Umgebungsluft in Kontakt kommt.
Die Effekte, die erfindungsgemäß erzielt werden, wenn die Batterie nach dem Konditionieren der Batterie, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, und dem Laden der Batterie aufbewahrt wird, sind vorteilhafter als die Effekte, die erzielt werden, wenn die Batterie konditioniert, entladen und dann aufbewahrt wird (veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Hei-5-3033981; Veröffentlichung EP-A-586718).
Der Grund für die vorteilhaften Effekte, die erzielt werden, wenn die Batterie in geladenem Zustand aufbewahrt wird, scheint folgender zu sein. Wenn eine herkömmliche Nickel-Metallhydrid-Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur entladen wird, ist es schwierig, die negative Elektrode mit der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, zu entladen, so dass die Entladekapazität der Batterie deutlich verringert wird. Wenn jedoch eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur entladen wird, wird die Entladekapazität nicht verringert, da die negative Elektrode der Nickel-Metallhydrid-Batterie mit der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, unter solchen Bedingungen leicht entladen werden kann.
Der Grund für den Effekt, dass die Kapazität der erfindungsgemäß hergestellten Nickel-Metallhydrid-Batterie nicht verringert wird, selbst wenn die negative Elektrode mit der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur entladen wird, scheint folgender zu sein. Die Menge an Metallhydrid (das Ladungsprodukt) in der negativen Elektrode einer aufgeladenen oder überladenen Nickel-Metallhydrid-Batterie ist größer als die Menge an Metallhydrid in einer entladenen Batterie. Folglich wird das Metallhydrid leichter als die Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, zersetzt, wenn das Metallhydrid in Kontakt mit dem alkalischen Elektrolyten kommt, so dass Bestandteile mit einer hohen katalytischen Aktivität leicht an der Oberfläche der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, gebildet werden können.
Wenn die Nickel-Metallhydrid-Batterie vor dem Konditionieren, umfassend das mindestens einmalige Laden/Entladen der Batterie, in geladenem Zustand aufbewahrt wird (wie in der Veröffentlichung des geprüften japanischen Patents Nr. Hei-6-44490 und in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-2-301971 beschrieben), und nicht, wie in dem erfindungsgemäßen Verfahren, nach dem Konditionieren, umfassend das mindestens einmalige Laden/Entladen der Batterie, in geladenem Zustand aufbewahrt wird, besteht die Gefahr, dass in der Nickel-Metallhydrid-Batterie ein interner Kurzschluss auftritt.
Ein weiterer Grund für die vorteilhaften Effekte, die erfindungsgemäß erzielt werden, scheint folgender zu sein. Cadmium, Zink oder Cobalt, die als Additive in einer positiven Elektrode verwendet werden, können vor dem Konditionieren der Batterie, umfassend einen Lade-/Entlade-Zyklus, nicht ohne weiteres in die Kristalle von Nickelhydroxid, das als Hauptbestandteil des aktiven Materials in einer positiven Elektrode enthalten ist, eindringen, so dass eine feste Lösung nicht unmittelbar gebildet werden kann. Wenn die Nickel-Metallhydrid-Batterie in aufgeladenem Zustand aufbewahrt wird, werden Cadmium, Zink oder Cobalt, die der positiven Elektrode zugegeben wurden, folglich elektro chemisch in metallischem Zustand auf der aufgeladenen negativen Elektrode, deren Potential negativer ist, abgeschieden, so dass die Gefahr besteht, dass ein Kurzschluss auf Grund der Bildung von kleinen Dendriten dieser Metalle auftritt. (Das Potential einer geladenen Elektrode mit einer Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, in einem alkalischen Elektrolyten ist geringer als das Abscheidepotential von Cadmium und Cobalt in dem alkalischen Elektrolyten und größer als das Abscheidepotential von Zink, so dass Cadmium und Cobalt in metallischer Form abgeschieden werden können. Obwohl Zink nicht in elementarer Form abgeschieden werden kann, ist eine Abscheidung von Zink bei einem negativeren Potential (Unterpotential) möglich).
Es ist bevorzugt, dass die Umgebungstemperatur beim Aufbewahren der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, und dem Laden oder Überladen der Batterie, bei 20°C oder darüber liegt. Dadurch wird verhindert, dass die Entladekapazität beim Entladen der Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur verringert wird, und die Zeit, die zum Aufbewahren der Batterie benötigt wird, kann verringert werden. Wenn die Umgebungstemperatur bei 70°C oder darunter liegt, kann verhindert werden, dass die Lebensdauer der Batterie verkürzt wird.
Es ist bevorzugt, dass die Batterie über einen Zeitraum von einem Tag bis zu dem Zeitpunkt, an dem noch keine Selbstentladung der Batterie auftritt, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von sieben Tagen bis zu dem Zeitpunkt, an dem noch keine Selbstentladung der Batterie auftritt, aufbewahrt wird.
Wenn die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, bei 100% oder darüber liegt, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode, kann weiterhin verhindert werden, dass die Entladekapazität beim Entladen der Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur verringert wird. Wenn die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie bei 300% oder darunter liegt, kann die Lebensdauer der Batterie erhöht werden.
Die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, umfassend das mindestens einmalige Laden/Entladen der Batterie, liegt bevorzugt im Bereich von 100% bis 300%, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektro nenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode. Dadurch kann verhindert werden, dass die Entladekapazität der Batterie beim Entladen bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur verringert wird, und die Lebensdauer der Batterie wird erhöht.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie ist es bevorzugt, dass die Batterie, nach dem Laden der Batterie und dem Aufbewahren der Batterie über einen Zeitraum von mindestens einem Tag, mindestens einmal entladen wird. Dadurch wird die Selbstentladegeschwindigkeit der Batterie verringert, so dass die Menge an gespeicherter Kapazität jedes mal verbessert werden kann, wenn die Batterie, nach dem Laden und Aufbewahren der Batterie, wiederholt entladen wird.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Batterie, vor dem Konditionieren der Batterie, über einen Zeitraum von einem Tag bis zwanzig Tagen, besonders bevorzugt über einen Zeitraum von sieben bis zwanzig Tagen aufbewahrt wird. Wenn die Batterie sieben Tage lang oder länger aufbewahrt wird, werden die erfindungsgemäß erzielten Effekte besonders deutlich. Wenn die Batterie jedoch länger als zwanzig Tage lang aufbewahrt wird, wird kein zusätzlicher Effekt erzielt. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Selbstentladegeschwindigkeit der Nickel-Metallhydrid-Batterie verringert werden, so dass die Menge an gespeicherter Kapazität erhöht werden kann.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Bestandteile der Nickel-Metallhydrid-Batterie zusammengebaut und dann versiegelt, und danach wird die Batterie aufgeladen und aufbewahrt, so dass der Elektrolyt nicht verunreinigt werden kann, und die Konzentration des Elektrolyten und die Menge an Elektrolyt verändern sich nicht.
Während des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Batterie ist es bevorzugt, dass die Umgebungstemperatur im Bereich von 20 bis 70°C liegt.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden an Hand von Beispielen und Vergleichsbeispielen genauer beschrieben.
Versuch 1
Positive Elektroden wurden in der folgenden Weise hergestellt.
95 Gew.-% eines Pulvers eines positiven aktiven Materials, umfassend ein Nickelhydroxid, erhalten durch gleichzeitiges Ausfällen (d. h. durch Mitfällung) von Hydroxiden von Nickel, Cobalt und Zink in einem Gewichtsverhältnis von 95 : 2 : 3, wurden mit 5 Gew.-% eines Cobalthydroxidpulvers vermischt. Dann wurde Wasser zu dem Gemisch gegeben, um eine Paste herzustellen. Cobalthydroxid wurde als Additiv zugegeben, um die Wirksamkeit des aktiven Materials der positiven Elektrode zu verbessern und um eine Entladereserve für die negative Elektrode zu erhalten. Der gleiche Effekt wird durch die Zugabe von metallischem Cobalt oder von Cobaltoxid erzielt. Dann wurde die erhaltene Paste in einen porösen Nickelkörper mit einer mittleren Porengröße von etwa 300 μm eingebracht und getrocknet, und der gefüllte Körper wurde gewalzt und geeignet zugeschnitten, um eine positive Elektrode zu erhalten.
Negative Elektroden wurden in der folgenden Weise hergestellt.
Ein Mischmetall (im Folgenden mit "Mm" abgekürzt, umfassend etwa 45 Gew.-% La, etwa 5 Gew.-% Ce, etwa 10 Gew.-% Pr und etwa 40 Gew.-% Nd), Ni, Co, Mn und Al wurden in einem Hochfrequenz-Induktionsofen zusammengeschmolzen, wobei eine Zusammensetzung der Formel MmNi_3,6Co_0,6Al_0,4Mn_0,3 erhalten wurde, und die Zusammensetzung wurde in eine Form gegossen und dann abgekühlt. Der auf diese Weise erhaltene Gußblock wurde pulverisiert, und das erhaltene Pulver wurde gesiebt, wobei ein Pulver einer Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 30 μm erhalten wurde. Dann wurden 100 Gewichtsteile des Pulvers der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, und 2 Gewichtsteile Ruß (zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit) mit einer wässrigen Lösung von Polyvinylalkohol (Verdicker und Bindemittel) vermischt, um eine Paste herzustellen. Diese Paste wurde dann auf einer gebohrten Platte aus mit Nickel beschichtetem Eisen mit einer Dicke von etwa 80 μm, wobei der Anteil an Bohrlöchern etwa 50% betrug, aufgebracht. Die beschichtete Stahlplatte wurde getrocknet, gewalzt und geeignet zugeschnitten, um eine negative Elektrode zu erhalten.
Drei positive Elektroden und vier negative Elektroden, die wie zuvor beschrieben hergestellt worden waren, wurden über Trennelemente aus Polyamid-Vlies übereinander laminiert und dann in ein Batteriegehäuse aus mit Nickel beschichtetem Eisen eingebracht. Dann wurde ein alkalischer Elektrolyt, erhalten durch Auflösen von 10 g/l LiOH in einer wässrigen 7 molaren KOH-Lösung, in das Batteriegehäuse eingebracht, und die Batterie wurde mit einer Abdeckung mit Anschlüssen für die positive Elektrode, die ebenfalls als Sicherheitsventil diente, versiegelt, wobei eine rechteckige geschlossene Nickel-Metallhydrid-Batterie erhalten wurde. Diese Batterie war 67 mm lang, 16,4 mm breit und 5,6 mm dick. Wenn diese Batterie bei einer Temperatur von 20°C bei einem Strom von 180 mA entladen wurde, betrug die Entladekapazität etwa 900 mAh, wobei die Elektrode, welche die Kapazität beim Entladen begrenzte, die positive Elektrode war. Diese Entladekapazität entspricht einer 100%-igen Ausnutzung des aktiven Materials, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode. Sowohl das Laden als auch das Entladen der Batterie wurden durch die Kapazität der positiven Elektrode begrenzt.
Dann wurden mehrere Nickel-Metallhydrid-Batterien in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebene Batterie hergestellt, und das Aufbewahren der Batterien und/oder das Konditionieren der Batterien, umfassend das Laden und/oder Entladen der Batterien, wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt.
Batterie A (eine Batterie entsprechend der vorliegenden Erfindung, die nach dem Konditionieren in geladenem Zustand aufbewahrt wurde)
Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Danach Laden bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Aufbewahren der Batterie bei 40°C über einen Zeitraum von 7 Tagen.
Batterie B (eine Vergleichsbatterie, die nach dem Laden beim Konditionieren aufbewahrt wurde)
Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Aufbewahren der Batterie bei 40°C über einen Zeitraum von 7 Tagen. Danach Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug.
Batterie C (eine Vergleichsbatterie, die nach dem Konditionieren, umfassend einen Lade-/Entlade-Zyklus, in entladenem Zustand aufbewahrt wurde)
Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Danach Aufbewahren der Batterie bei 40°C über einen Zeitraum von 7 Tagen.
Batterie D (eine Vergleichsbatterie, die nach dem Konditionieren, umfassend zwei Lade-/Entlade-Zyklen, in entladenem Zustand aufbewahrt wurde)
Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Danach erneut Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden und Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Danach Aufbewahren der Batterie bei 40°C über einen Zeitraum von 7 Tagen.
Batterie E (eine Vergleichsbatterie, die nach dem Konditionieren, umfassend zwei Lade-/Entlade-Zyklen, nicht aufbewahrt wurde)
Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden. Danach Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Danach erneut Laden beim Konditionieren bei 20°C bei einem Ladestrom von 180 mA über einen Zeitraum von 8 Stunden und Entladen beim Konditionieren bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug.
Die Batterien A, B, C, D und E wurden in der folgenden Weise getestet. Die Batterien wurden 66 Minuten lang bei einem Strom von 900 mA geladen. Da die Batterie A entsprechend der vorliegenden Erfindung in geladenem Zustand gelagert worden war, wurde die Batterie A einmal bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug und danach 66 Minuten lang bei einem Strom von 900 mA geladen, um den gleichen Ladungszustand wie bei den Vergleichsbatterien zu erhalten, die getestet wurden, nachdem die Batterien entladen worden waren. Bei der erfindungsgemäßen Batterie werden natürlich die gleichen Ergebnisse erhalten, wenn die Batterie nicht entladen wird und statt dessen der Verlust an Kapazität, der bei der Selbstentladung der geladenen Batterie beim Aufbewahren auftritt, kompensiert wird.
Dann wurden die Batterien A, B, C, D und E in aufgeladenem Zustand in einer thermostatisierten Kammer auf –20°C abgekühlt, und die Entladekapazität der Batterien wurde bei einem Entladestrom von 900 mA (bei diesem Strom kann die Zeit, die zum vollständigen Entladen der Batterien erforderlich ist, zu etwa 1 Stunde berechnet werden) entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Die Ergebnisse in Tabelle 1 zeigen, dass eine Verringerung der Entladekapazität, wenn die Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur entladen wird, bei der Batterie A, die erfindungsgemäß hergestellt wurde, verglichen mit den Batterien B, C, D und E, die unter Anwendung herkömmlicher Verfahren hergestellt wurden, verhindert werden kann.
Die Entladekapazität der Vergleichsbatterien C und D, die in entladenem Zustand aufbewahrt worden waren, war gering, und die Entladekapazität der Vergleichsbatterie E, die nach dem Konditionieren nicht aufbewahrt worden war, war noch geringer.
Versuch 2
Batterien A, B, C, D und E, die in der gleichen Weise wie in Versuch 1 beschrieben hergestellt worden waren, wurden 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Strom von 900 mA aufgeladen. Da die Batterie A entsprechend der vorliegenden Erfindung in geladenem Zustand gelagert worden war, wurde die Batterie A einmal bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug, und danach 66 Minuten lang bei einem Strom von 900 mA aufgeladen, um den gleichen Ladungszustand wie bei den Vergleichsbatterien zu erhalten, die getestet wurden, nachdem die Batterien entladen worden waren. Bei der erfindungsgemäßen Batterie werden natürlich die gleichen Ergebnisse erhalten, wenn die Batterie nicht entladen wird und statt dessen der Verlust an Kapazität, der bei der Selbstentladung der geladenen Batterie beim Aufbewahren auftritt, kompensiert wird.
Die Selbstentladeeigenschaften der Batterien wurden in der folgenden Weise bestimmt.
Die geladenen Batterien A, B, C, D und E wurden bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug, und die Entladekapazität der Batterien wurde gemessen.
Dann wurden die Batterien A, B, C, D und E wieder 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA aufgeladen und danach 7 Tage lang bei konstanter Temperatur in einer thermostatisierten Kammer aufbewahrt. Dann wurden die Batterien bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug, dann wurden die Batterien aufbewahrt, und danach wurde die restliche Entladekapazität der Batterien gemessen.
Die restliche Entladekapazität nach dem Aufbewahren wurde durch die restliche Entladekapazität vor dem Aufbewahren dividiert, wobei der Wert für die gespeicherte Kapazität erhalten wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Tabelle 2 zeigt die folgenden Ergebnisse. Die Batterie A, die erfindungsgemäß hergestellt wurde, zeichnet sich durch eine sehr hohe gespeicherte Kapazität aus, und ein Selbstentladen der erfindungsgemäß hergestellten Batterie kann wirksam verhindert werden, verglichen mit den Batterien B, C, D und E, die unter Anwendung herkömmlicher Verfahren hergestellt wurden.
Die gespeicherte Kapazität der Batterie B, die nach dem Laden beim Konditionieren aufbewahrt worden war, ist extrem gering. Diese Batterie wurde untersucht, um den Grund für die extrem geringe gespeicherte Kapazität herauszufinden, und es stellte sich heraus, dass das Trennelement schmutzig war und sich schwarz verfärbt hatte, was darauf hindeutete, dass ein interner Kurzschluss in der Batterie stattgefunden hatte.
Die Versuche 1 und 2 belegen, dass eine Abnahme der Kapazität beim Entladen der erfindungsgemäß hergestellten Nickel-Metallhydrid-Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur verhindert werden kann und dass sich die erfindungsgemäß hergestellte Batterie durch eine geringe Selbstentladung auszeichnet. Herkömmliche Batterien zeichnen sich nicht durch diese hervorragenden Eigenschaften aus.
Versuch 3
Nickel-Metallhydrid-Batterien wurden in der gleichen Weise wie die erfindungsgemäße Batterie A in Versuch 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Aufbewahrungszeit und die Temperatur beim Aufbewahren der Batterien, nachdem die Batterien beim Konditionieren, umfassend einen Lade-/Entlade-Zyklus, aufgeladen worden waren, variiert wurden. Die Batterien F, G, H, I, J, K, L und M wurden nach dem Laden der Batterien bei einer Temperatur von jeweils 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C, 70°C und 80°C aufbewahrt. Die Entladekapazität der Batterien bei einem Entladestrom von 900 mA und bei einer Temperatur von –20°C wurde in der gleichen Weise wie in Versuch 1 gemessen, und die Aufbewahrungszeit, die nach dem Laden und Entladen beim Konditionieren der Batterien erforderlich war, um eine Entladekapazität von 500 mA zu erreichen, wurde bestimmt. Die Aufbewahrungszeit der Batterien bei jeder Temperatur nach dem Entladen beim Konditionieren, umfassend das einmalige Laden und Entladen der Batterien, wurde als die Zeit angenommen, die erforderlich ist, um eine Entladekapazität von 500 mA zu erreichen. Bei der Verwendung der Nickel-Metallhydrid-Batterien, die in der gleichen Weise wie die erfindungsgemäße Batterie A in Versuch 1 hergestellt wurden, mit Ausnahme des zuvor genannten Punktes, wurde, in den Lade-/Entlade-Zyklen, das Laden der Batterien 66 Minuten lang bei einer Umgebungstemperatur von 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA und das Entladen der Batterien bei einem Entladestrom von 900 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug, durchgeführt. Wenn eine Nickel-Metallhydrid-Batterie wiederholt geladen/entladen wird, wird Wasser durch die Korrosion der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, verbraucht, oder der Elektrolyt wird von der positiven Elektrode absorbiert, so dass dem Trennelement Elektrolyt entzogen wird, was dazu führt, dass der Innenwiderstand der Batterie ansteigt. Dies ist der Grund für die begrenzte Lebensdauer der Batterie. Deshalb wurde in diesem Versuch die Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen bestimmt, die erforderlich war, bis der Innenwiderstand jeder Batterie den Wert von 100 mΩ (10 bis 20 mΩ zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen) erreicht hatte.
1 zeigt die Aufbewahrungszeit nach dem Konditionieren und Laden der Batterien, die erforderlich ist, um eine Entladekapazität von 500 mAh zu erreichen, wenn das Entladen der Batterien bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur durchgeführt wird, und die Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen, die erforderlich sind, bis der Innenwiderstand der Batterien einen Wert von 100 mΩ erreicht; diese Ergebnisse wurden in diesem Versuch erhalten.
1 zeigt, dass es möglich ist, zwei Effekte zur gleichen Zeit zu erzielen; wenn die Umgebungstemperatur beim Aufbewahren der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, und dem darauffolgenden Laden oder Überladen der Batterie, bei 20°C oder darüber liegt, ist es möglich, die Aufbewahrungszeit, die erforderlich ist, um eine Verringerung der Entladekapazität beim Entladen der Batterie bei hohem Strom und bei niedriger Temperatur zu verhindern, zu verkürzen, und wenn die Umgebungstemperatur bei 70°C oder darunter liegt, ist es möglich, die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen.
Versuch 4
Nickel-Metallhydrid-Batterien wurden in der gleichen Weise wie die erfindungsgemäße Batterie A in Versuch 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterien, nach dem Konditionieren der Batterien, umfassend einen Lade-/Entlade-Zyklus, im Bereich von 50% bis 3000% variiert wurde, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode. Die Entladekapazität der Batterien bei –20°C und bei einem Entladestrom von 900 mA wurde in der gleichen Weise wie in Versuch 1 gemessen.
Bei der Verwendung dieser Nickel-Metallhydrid-Batterien wurde, in den Lade-/Entlade-Zyklen, das Laden der Batterien 66 Minuten lang bei einer Umgebungstemperatur von 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA und das Entladen der Batterien bei einem Entladestrom von 900 mA, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug, durchgeführt. Wenn eine Nickel-Metallhydrid-Batterie wiederholt geladen/entladen wird, wird Wasser durch die Korrosion der Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, verbraucht, oder der Elektrolyt wird von der positiven Elektrode absorbiert, so dass dem Trennelement Elektrolyt entzogen wird, was dazu führt, dass der Innenwiderstand der Batterie ansteigt. Dies ist der Grund für die begrenzte Lebensdauer der Batterie. Deshalb wurde in diesem Versuch die Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen bestimmt, die erforderlich war, bis der Innenwiderstand jeder Batterie den Wert von 100 mΩ (10 bis 20 mΩ zu Beginn der Lade-/Entlade-Zyklen) erreicht hatte. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Tabelle 3 zeigt die folgenden Ergebnisse. Wenn die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, vor dem Aufbewahren der Batterie, 50% betrug, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode, betrug die Entladekapazität beim Entladen der Batterie bei hohem Strom und bei einer Temperatur von –20°C lediglich 320 mA und lag deutlich unter der Entladekapazität, die beim Laden mit einer Elektrizitätsmenge von 100% erreicht wurde. Wenn die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, vor dem Aufbewahren der Batterie, größer als 300% war, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode, wurde die Anzahl an Lade-/Entlade-Zyklen, die erforderlich war, bis der Innenwiderstand der Batterie den Wert von 100 mΩ erreicht hatte, verringert. Es wird angenommen, dass der Grund für die Verringerung der Lebensdauer der Batterie, wenn die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie erhöht wird, der ist, dass die Menge an Nickel-γ-oxyhydroxid, das sich durch ein großes Molvolumen auszeichnet, in den Ladeprodukten der positiven Elektrode erhöht wird, so dass die positive Elektrode quillt, was dazu führt, dass die positive Elektrode Elektrolyt absorbiert, der dann dem Trennelement nicht mehr zur Verfügung steht.
Es ist deshalb bevorzugt, dass die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, umfassend mindestens einen Lade-/Entlade-Zyklus, im Bereich von 100% bis 300% liegt, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode, so dass eine hohe Entladekapazität selbst beim Entladen bei einem hohen Entladestrom und bei einer Temperatur von –20°C erreicht werden kann und eine Verringerung der Lebensdauer der Batterie verhindert werden kann.
Versuch 5
Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie wurde in der gleichen Weise wie in Versuch 1 hergestellt.
Diese Batterie wurde konditioniert, umfassend mehrere Lade-/Entlade-Zyklen, die bei einer Temperatur von 20°C durchgeführt wurden. Nach dem Konditionieren wurde die Batterie wie folgt behandelt: Laden der Batterie – Aufbewahren der Batterie – Entladen der Batterie. Ein Zyklus dieser Behandlung umfasste die folgenden Schritte.
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie wurde 66 Minuten lang bei einem Ladestrom von 900 mA und bei einer Temperatur von 20°C geladen und dann 7 Tage lang in einer thermostatisierten Kammer bei einer konstanten Temperatur von 40°C aufbewahrt. Danach wurde die Batterie bei einem Entladestrom von 180 mA und bei einer Temperatur von 20°C entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug.
Nach dieser Behandlung, bestehend aus dem Laden der Batterie, dem Aufbewahren der Batterie und dem Entladen der Batterie, wurde die Selbstentladegeschwindigkeit bzw. die Fähigkeit der Batterie, eine gespeicherte Kapazität beizubehalten, unter den folgenden Bedingungen bestimmt.
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie wurde 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA geladen und danach bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Dann wurde die Entladekapazität vor der Selbstentladung bestimmt. Dann wurde die Batterie 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA geladen und danach 7 Tage lang in einer thermostatisierten Kammer bei einer konstanten Temperatur von 40°C aufbewahrt. Danach wurde die Batterie bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspan nung 1,0 V betrug. Dann wurde die restliche Entladekapazität bestimmt. Die gespeicherte Kapazität wurde aus dem Verhältnis von restlicher Entladekapazität zu Entladekapazität vor der Selbstentladung berechnet.
2 zeigt die Beziehung zwischen der gespeicherten Kapazität und der Anzahl an Zyklen, bestehend aus dem Laden der Batterie, dem Aufbewahren der Batterie und dem Entladen der Batterie. In 2 entspricht die Anzahl an Zyklen "0" der gespeicherten Kapazität der Batterie, bevor sie, nach dem Konditionieren, geladen, aufbewahrt und entladen wurde. 2 zeigt, dass die gespeicherte Kapazität zunimmt, wenn die Anzahl an Zyklen, umfassend das Laden der Batterie, das Aufbewahren der Batterie und das Entladen der Batterie, erhöht wird, d. h. die Selbstentladegeschwindigkeit wird verringert.
Versuch 6
Eine Nickel-Metallhydrid-Batterie wurde in der gleichen Weise wie in Versuch 5 hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Laden und Entladen nach dem Konditionieren nicht durchgeführt wurden.
Vor dem Konditionieren, umfassend das Laden/Entladen der Batterie, wurde die Batterie bei 40°C aufbewahrt, wobei die Aufbewahrungszeit variiert wurde, und nach dem Konditionieren, umfassend das Laden/Entladen der Batterie, wurde die Batterie 66 Minuten lang bei einem Ladestrom von 900 mA und bei einer Temperatur von 20°C geladen und dann 7 Tage lang in einer thermostatisierten Kammer bei einer konstanten Temperatur von 40°C aufbewahrt.
Um die Selbstentladung der Batterie zu bestimmen, wurde die Batterie bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Dann wurde die Selbstentladegeschwindigkeit bzw. die Fähigkeit der Batterie, eine gespeicherte Kapazität beizubehalten, unter den folgenden Bedingungen bestimmt.
Die Nickel-Metallhydrid-Batterie wurde 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA aufgeladen und danach bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Dann wurde die Entladekapazität vor der Selbstentladung bestimmt. Dann wurde die Batterie 66 Minuten lang bei 20°C bei einem Ladestrom von 900 mA aufgeladen und danach 7 Tage lang in einer thermostatisierten Kammer bei einer konstanten Temperatur von 40°C aufbewahrt. Danach wurde die Batterie bei 20°C bei einem Entladestrom von 180 mA entladen, bis die Klemmenspannung 1,0 V betrug. Dann wurde die restliche Entladekapazität bestimmt. Die gespeicherte Kapazität wurde aus dem Verhältnis von restlicher Entladekapazität zu Entladekapazität vor der Selbstentladung berechnet.
3 zeigt die Beziehung zwischen der Aufbewahrungszeit vor dem Konditionieren der Batterie und der in diesem Versuch gemessenen gespeicherten Kapazität. 3 zeigt, dass die gespeicherte Kapazität zunimmt, wenn die Batterie vor dem Konditionieren der Batterie mindestens einen Tag lang aufbewahrt wird.
Der Zeitpunkt "0" der Aufbewahrungszeit vor dem Konditionieren der Batterie in 3 entspricht der Anzahl an Zyklen "1" der Behandlung, bestehend aus dem Laden der Batterie, dem Aufbewahren der Batterie und dem Entladen der Batterie nach dem Konditionieren der Batterie in Versuch 5. In Versuch 2 muss das Entladen der Batterie in dem Zyklus "Laden der Batterie – Aufbewahren der Batterie – Entladen der Batterie" nicht unbedingt durchgeführt werden, und die Effekte, die in 3 gezeigt werden, werden ebenfalls erzielt, wenn dieses Entladen nicht durchgeführt wird. In Versuch 2 wurde die Batterie einmal entladen, um die Ladebedingungen bei der Messung der gespeicherten Kapazität festzulegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Nickel-Metallhydrid-Batterie, umfassend: das Zusammenbauen und Versiegeln einer Nickel-Metallhydrid-Batterie, umfassend eine positive Elektrode mit einem Nickelhydroxid, eine negative Elektrode mit einer Legierung, die Wasserstoff absorbieren kann, ein Trennelement, einen alkalischen Elektrolyten und ein Batteriegehäuse; das Konditionieren der Batterie, umfassend das mindestens einmalige Laden/Entladen der Nickel-Metallhydrid-Batterie; nach dem Konditionieren der Batterie, das Laden der Nickel-Metallhydrid-Batterie; und nach dem Laden der Batterie, das Aufbewahren der Nickel-Metallhydrid-Batterie in geladenem Zustand.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbewahren der Batterie bei einer Temperatur im Bereich von 20°C bis 70°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrizitätsmenge beim Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, im Bereich von 100% bis 300% liegt, bezogen auf die theoretische Kapazität einer Einelektronenreaktion des Nickelhydroxids in der positiven Elektrode.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, mindestens einen Tag lang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Laden der Batterie, nach dem Konditionieren der Batterie, mindestens sieben Tage lang durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend, vor dem Konditionieren der Batterie, das Aufbewahren der Nickel-Metallhydrid-Batterie über einen Zeitraum von einem Tag bis zwanzig Tagen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nickel-Metallhydrid-Batterie, vor dem Konditionieren der Batterie, über einen Zeitraum von sieben Tagen bis zwanzig Tagen aufbewahrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die positive Elektrode ein positives aktives Material, umfassend ein Nickelhydroxid, erhalten durch gemeinsames Ausfällen von Hydroxiden von Nickel, Cobalt und Zink, sowie mindestens einen Bestandteil, ausgewählt aus metallischem Cobalt, Cobalthydroxid und Cobaltoxid, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die negative Elektrode ein negatives aktives Material, umfassend Ni, Co, Mn, Al und ein Mischmetall, umfassend La, Ce, Pr und Nd, enthält.