专利名称：大容量动力电池用泡沫镍电极材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及碱性蓄电池电极的制造。
Ni/Cd、Ni/MH、Ni/Fe、Ni/Zn等碱性蓄电池是由正极片、负极片、电解质和隔膜在电池壳内组合而成。将活性物质、添加剂、粘合剂的混合物涂敷在导电基体上(内)制成正、负极片。涂敷方法随基体不同而异，有刷涂、刮浆、真空吸入、挤压等。导电基体先前一般采用镍网、穿孔镍带、穿孔镀镍钢带等，后又采用泡沫镍带。由于泡沫镍带特殊的三维网状结构、比表面积大、抗震强度好、孔隙率高、孔径小、质量均匀、优良的渗透性和很大的可填充性能而被高比容量电池优先选择作为导电基体，特别是Ni(OH)2正极。但与其他基体相比，它也存在不足，如市售泡沫镍电极侧面直接焊接集流片不牢固和泡沫镍电极强度稍差。因而在电池组装中，为了克服焊接不牢固，使得泡沫镍电极焊接金属集流片的工艺比较复杂。小型圆柱电池(如A,AA,AAA等)一般采用泡沫镍带涂好浆料，碾轧裁片后，清洗一小块面积活性物质，点焊上集流片(极耳)。对于大容量动力电池(如Sc、D、F、M或方型)，为了减少电池内阻适应大电流放电，泡沫镍电极要焊四条或更多极片。也有将泡沫镍电极一侧边缘(约3-4mm)清洗掉活性物质，点焊一条镍带，作为电池组装端面焊接集流片使用。这种方法解决了焊接不牢固问题，但工艺较复杂，且损失很多活性物质，降低比容量。加拿大Inco公司为了解决泡沫镍电极端面焊不牢固，开发出在制造泡沫镍过程中采用在两片低密度泡沫之中夹一层金属网构成复合层压材料，或者在焊接极耳区涂镍浆料，在灼烧泡沫聚胺脂骨架时构成高密度泡沫镍区，这样端面焊接集流片较为牢固(第二十三届全国化学与物理电源学术会议论文集p209-210 1998.9)，但制造工艺较为复杂，成本有所提高，至今也未能推广应用。为了增加泡沫镍电极强度，减少电极充放电过程中断裂，现在一般采用高密度泡沫镍，这显然降低了电极比容量。
本发明的目的是提供一种大容量动力电池用泡沫镍电极材料，在较少损失电极比容量下，可直接与集流片进行端面焊形成牢固结合，减少电池大电流充放时集流片脱落，可增加泡沫镍带强度，减少电池充放电过程中电极断裂。
本发明是在泡沫镍带的边缘或中间设置宽0.5-1.5mm的镍或镍合金粉变密位置；或嵌入直径为0.2-1.5mm的镍或镍合金丝或宽0.8-1.5、厚0.1-1.0mm的镍或镍合金条构成的变密位置。所述的边缘变密位置一侧或两侧，是焊极耳位置，用于直接端面焊接。所述的泡沫镍带变密位置采用下述方法制备(变密)在泡沫镍带边缘或中间位置预先涂入镍粉或镍合金粉或镍与其它金属混合物粉的浆料，在惰性气氛下(例如，氩气)800-1300℃热处理，使泡沫镍带充满金属粉变密；或高温(1000-1300℃，惰性气氛下)喷射镍粉或镍合金粉或镍与其它金属混合物粉变密；或在制造泡沫镍过程中，将镍或镍合金丝或条嵌入已镀镍的泡沫聚胺脂骨架中，在灼烧泡沫聚胺脂骨架后，镍或镍合金丝或条与泡沫镍粘结一体而变密。
本发明具体制备方法描述如下该方法(1)在泡沫镍带一侧或两侧边缘或中间位置涂入镍(或镍合金，或镍与其它金属混合物)粉浆料(金属粉粒度＜300μm，粘结剂为CMC、MC、HPMC等)，涂入宽度0.5-1.5mm，深度为泡沫镍厚度，在惰性气氛下800-1300℃热处理(最好1100-1200℃)后变密；或在一侧或两侧边缘或中间位置进行高温喷射镍(或镍合金，或镍与其它金属混合物)粉变密(金属粉粒度＜300μm，喷入宽度0.5-1.5mm，深度为泡沫镍厚度)。(2)在泡沫镍带一侧或两侧边缘或中间位置嵌入镍(或镍合金)丝(直径0.2-1.5mm)或镍(或镍合金)条(宽0.8-1.5mm，厚0.1-1.0mm)变密。(3)也可在制造泡沫镍过程中，将镍(或镍合金)丝(条)嵌入已镀镍的泡沫聚胺脂骨架中，在灼烧泡沫聚胺脂骨架后，镍丝(或条)与泡沫镍粘结一体变密。上述泡沫镍带变密位置成为泡沫镍带增强筋。用此泡沫镍带制作电极组装电池，可直接进行端面焊，且焊接牢固。
本发明的突出的实质性特点和显著效果可以从下述实例中得以体现，但它们不是对本发明作任何限制。
实施例1取泡沫镍带(平均孔径110PPI，厚度1.6mm)四条第Ⅰ条，长10000mm，宽47mm，一侧边缘涂入金属镍粉浆料，宽1mm，深度为泡沫镍厚度(1.6mm)，在惰性气氛下(氩气)1100-1200℃热处理，使镍粉与泡沫镍粘接。镍粉粒度＜300μm，用2.8％MC水溶液调制浆料，镍粉与MC重量比为100∶0.5。
第Ⅱ条，长10000mm，宽47mm，一侧边缘嵌入一条镍丝(直径0.4mm)。
第Ⅲ条，长10000mm，宽47mm。
第Ⅳ条，长10000mm，宽47mm。
四条镍带作为Ni(OH)2电极基体，在同一条件下，用拉浆机进行拉浆、烘干，碾压成型，极带宽度不变(47mm)，厚为0.7mm。浆料由NiOH、CoO、Ni、CMC、H2O配制，它们的重量比为350∶20∶40∶1∶140 。
将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条极带一侧面(Ⅰ、Ⅱ为处理过侧面)进行清洗掉电极材料(清洗深度＜0.5mm)。Ⅳ极带一侧边缘用超声波清洗机清洗掉电极材料(宽4mm)。在露出泡沫镍上点焊4mm宽镍带(厚0.1mm)。
将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ极带各裁三片，长500mm，作D型电池正极，与储氢合金负极(长600，宽47，厚0.38mm，镀镍钢带为基体)卷绕，装进D型电池壳，进行端面焊。然后在相同条件下采取拉脱力(相对比较)测定，结果如表1表1集流片端面焊拉脱力(相对比较)测定
实验结果表明，Ⅳ(点焊镍带)焊接最牢，Ⅱ(嵌镍丝)与Ⅳ相近，Ⅰ(涂镍粉)次之，Ⅲ(泡沫镍未处理)最差。但损失活性物质(以不同极带边缘为端面焊所占宽度除以极带宽)为Ⅳ(8.5％)＞Ⅰ(4.3％)＞Ⅲ(3.2％)＞Ⅲ(2.1％)。
实施例2完全按实施例1方法，注入碱液23ml(KOH浓度5mol/l，每升加5g LiOH)，组装成D型电池。经三次充放电活化(0.2C充电7.5hr，静置30min，0.2C放电至1.0V)后，进行电池放电容量和放电电压平台中值电压测定(0.7A充电16hr，静置30min，再分别以1.4A、7.0A和14A放电，1.4A、7.0A放电至1.0V，14A放电至0.9V)，测试结果如表2表2D型电池放电容量(C)和中值电压(E)
本实验组装各类D型电池所用负极性能相同，且电池是正极限量，所以所测电池容量、放电电压可作为正极性能相对比较。实验结果表明，本发明两种泡沫镍基体处理(涂镍粉和嵌镍丝)后所制造正极，组装电池(Ⅰ、Ⅱ)，性能略优于Ⅳ(点焊镍带)。Ⅲ(泡沫镍未处理)性能最差。说明本发明泡沫镍基体实用于动力电池制造电极。
实施例3将实例2所制作D型电池进行充放电循环寿命实验。实验条件是7.0A充电至ΔV=-10mV，立即转入7.0A放电至1.0V。第49周期用1.4A将电池积存的电量放尽后，再用0.7A充电16hr，静置30min后，用7.0A放电至1.0V，为第50周期的放电容量。以后每50周期同上处理。每50周期的电池放电容量(C)和放电30分钟的端电压(E)测试结果如表3表3 充放电循环寿命实验
测试结果表明，除Ⅲ(泡沫镍未处理)外，Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ充放电循环150次，放电容量略有增加，中值电压略有减小。Ⅲ电池拆开观察，端面焊裂开，因而造成在充放电循环寿命不到150次电池失效。
实施例4取泡沫镍带(平均孔径110PPI，厚度1.6mm，宽47mm，长200mm)三条第Ⅰ条，未嵌入镍丝。
第Ⅱ条，两侧边缘各嵌入镍丝(直径0.4mm)一条。
第Ⅲ条，两侧边缘和中央各嵌入镍丝(直径0.4mm)一条。
将以上三类泡沫镍带，在相同条件下进行拉伸破断力(相对比较)测定，其结果如表4表4 泡沫镍带拉伸破断力(相对比较)测定
*在嵌入镍丝的泡沫镍带拉断时，镍丝未断。实验结果表明，嵌入镍丝后，增加泡沫镍带抗拉强度。
权利要求
1.一种大容量动力电池用泡沫镍电极材料，其特征在于它是在泡沫镍带的边缘或中间设置有宽0.5-1.5mm的镍或镍合金的变密位置或嵌入直径为0.2-1.5mm的镍或镍合金丝或宽0.8-1.5、厚0.1-1.0mm的条构成的变密位置。
2.权利要求1所述的大容量动力电池用泡沫镍电极材料的制备方法，其特征在于它是采用下述步骤在泡沫镍带一侧或两侧边缘或中间位置涂入镍、镍合金或镍与其它金属混合物的粉浆料，其中，金属粉粒度＜300μm，粘结剂为CMC、MC、HPMC，涂入宽度0.5-1.5mm，深度为泡沫镍厚度，在惰性气氛下800-1300℃热处理后变密；或在一侧或两侧边缘或中间位置进行高温喷射镍、镍合金或镍与其它金属混合物粉变密，其中，喷射工艺条件是1000-1300℃和惰性气氛下，金属粉粒度＜300μm，喷入宽度0.5-1.5mm，深度为泡沫镍厚度；或在泡沫镍带一侧或两侧边缘或中间位置嵌入直径为0.2-1.5mm镍或镍合金丝，或宽0.8-1.5mm、厚0.1-1.0mm的镍或镍合金条变密；或在制造泡沫镍过程中，将镍或镍合金丝或条嵌入已镀镍的泡沫聚胺脂骨架中，在灼烧泡沫聚胺脂骨架后，镍丝或条与泡沫镍粘结一体变密。
3.按照权利要求1所述的大容量动力电池用泡沫镍电极材料，其特征在于所述泡沫镍带的边缘变密位置是焊极耳位置，用于直接端面焊接。
4.按照权利要求1所述的大容量动力电池用泡沫镍电极材料，其特征在于所述泡沫镍带的边缘或中间变密位置是泡沫镍带增强筋位置。
全文摘要
本发明涉及碱性蓄电池电极的制造,它是在泡沫镍带的边缘或中间设置宽0.5－1.5mm的镍或镍合金变密位置或嵌入直径为0.2－1.5mm的镍或镍合金丝或宽0.8－1.5、厚0.1－1.0mm条构成的变密位置,使制成电极后,可直接进行端面焊,不仅增加电极强度,而且改善导电性和导热性,有利于大电流充放电。
文档编号H01M4/26GK1310486SQ01110328
公开日2001年8月29日 申请日期2001年4月4日 优先权日2001年4月4日
发明者曲金秋, 高学平, 吴锋, 袁华堂, 宋德瑛 申请人:南开大学