專利名稱：一種低成本方形鎳動力電池及其制造方法
技術領域：
本發明涉及電池領域，尤其涉及一種鎳動力電池及其制造方法。
化學電池由電極、電解質、隔膜和外殼組成。電極是電池的核心部分，分正極和負極，其由電極物質和導電骨架即極板組成，電極物質一般由三部分組成一是參加成流反應的活性物質；二是為改善電極性能而加入的導電劑；三是少量的添加劑如緩蝕劑。電極中的活性物質的活性決定著電池的基本特性。但是就現有鎳系動力電池的成本核算情況來看，電極的極板的成本要占整個電池成本的30％以上，同時，電極中的導電劑和添加劑的成本也是比較高的。
為什么電極極板有如此高的成本呢？其原因就在于其使用了價格昂貴的鎳。
1985年以前，鎳系電池主要以燒結式生產，雙極極板主要采用沖孔的多孔鋼帶，而且要求鋼帶沖孔邊緣不能帶有毛刺，以鎳粉在高溫下(900-1100℃)預制成多孔的極板，其中要消耗昂貴的鎳粉制成多孔極板骨架，然后在其上填充電極材料，電極材料中的活性物質為普通Ni(OH)2也稱為α-Ni(OH)2。
這種極板對電極物質的粘結性較差，不能制得高容量電池。
1985年以后，出現了用發泡鎳作雙極極板的鎳系電池，發泡鎳的三維結構特征和其優良的耐腐蝕性實現了鎳系電池的微型化和高容量化，但它的價格太高了，以致于在1997年以后出現負極不再使用發泡鎳，而是重新使用多孔鋼帶作電極極板，但正極極板仍然使用發泡鎳的單泡鎳系電池，在多孔結構的發泡鎳的正極骨架上以填充球形Ni(OH)2也稱為β-Ni(OH)2作電極物質中的活性物質，并同時加入3-5％的鈷或氧化亞鈷以及10-15％的鎳粉作導電劑，這種單泡鎳系電池一直沿用至今。
這種電池的成本仍然較高。純鎳作成發泡結構制極板，電極物質中的活性物質為Ni(OH)2，而導電劑所用的是Ni粉。鎳粉在其中的作用在1998年2月第1期總卷號第22卷《電源技術》第12-14頁和第17頁公開的名稱為“鎳電極快速充電研究”一文中是這樣公開的，Ni(OH)2電極是一種半導體電極，晶界及其晶缺陷是質子與電子進出晶格的通道，也是其具備電化學活性的必要條件。因為Ni(OH)2導電性較差，不加任何導電劑的Ni(OH)2其活性只能發揮50％左右。為了提高導電性，降低電極內阻，提高活性物質利用率和快速充電效率，加入導電劑Ni粉，本文并提供實驗數據說明鎳粉的必要添加量在添加劑和粘結劑分別為6.5％和3.5％不變的條件下，Ni(OH)2為82％時對應Ni粉導電劑為8％，此時Ic充電效率是74％；Ni(OH)2為75％時對應Ni粉導電劑為15％，此時Ic充電效率是90％；Ni(OH)2為70％時對應Ni粉導電劑為20％，此時Ic充電效率是91％。結論加入適量的Ni粉作導電劑，可提高電池的導電性能，鎳粉合適的量在占電極物質重量的10-20％。
在上述鎳電池中，在電極中用作導電劑要加入占整個電極物質重量10％以上的Ni粉，同時正極極板又以發泡鎳制成，如此之多的用鎳量必然使電極成本大大提高！
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的方形鎳系動力電池包括外殼，外殼內設有隔膜和電解質，還包括有設于外殼內被所述隔膜隔離開的正、負極極板，在其上分別設有正極材料和負極材料。所述正、負極板采用雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金；所述正極材料中不用鎳粉。活性物質為氫氧化鎳，作為導電劑，本發明選用超細石墨粉(即碳粉)，其粒徑小于5微米，較佳值為50-100納米，碳粉重量占正極材料總量的5-30％，優選15-20％，作為添加劑，選用鈷或氧化鈷(鋅或氧化鋅或鎘或氧化鎘)，其占正極材料總重量的2-7％，其余為氫氧化鎳。所述氫氧化鎳最好是α氫氧化鎳和β氫氧化鎳的混合物，其中α氫氧化鎳占10-30％重量％，β氫氧化鎳占70-90％重量％。所述負極材料與現有技術一致。例如鎳-鋅電池的負極材料為氧化鋅67％，氫氧化鈣25％，氧化鉛8％，如果是鎳-鎘電池負極材料，主要是CdO、Cd(OH)2、Fe3O4等，如果是鎳-氫電池負極材料是儲氫合金。
所述雙面毛刺鋼帶為在鋼帶的兩側設有規律毛刺的鋼帶，所述毛刺間隔地在所述穿孔鋼帶的兩側面上分布；在所述穿孔鋼帶上設有電鍍層，所述電鍍層可以是鍍鎳層、也可以在鍍鎳層的基礎上再設有析氫過電位高于鎳的金屬層，如鋅層、錫層、鎘層、鈷層、銅層、銀層或鈀層構成的復合鍍層，所述電鍍層還可以是合金鍍層。以上有關鋼帶的內容可參看于2001年9月28日公開的申請號為00134512.5的公開文件中。所述的多孔含鎳鐵合金可以是多孔的不銹鋼，如1Cr18Ni9Ti等含鎳鐵碳合金，其空隙率應大于90％。
本發明所提供的方形鎳系動力電池的制造方法與現有技術相似，只是在正極制造中涉及碳粉的加入方面略有區別。
所述鎳動力電池制造方法步驟如下A、正極的制作a、調漿將前述正極材料氫氧化鎳和碳粉按所述比例混合，然后再混入所述添加劑以及適量的水和粘接劑進行混合調漿，達到常規要求的干濕粘稠程度。
在所述氫氧化鎳中加入碳粉可以在調漿過程中，也可以在制備活性物質Ni(OH)2的時候，如果是在制備Ni(OH)2時加入，應在Ni(OH)2晶核形成后晶粒長大的過程中加入；b、刮漿將前步制得的正極材料涂沫刮制到雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金所制的極板上。所述正極材料在雙面毛刺鋼帶上的刮制量和刮制厚度同現有技術。
c、烘干將前步刮漿完畢的正極按常規方法進行烘干；d、壓片按常規方法對前步正極進行壓片；e、裁片將前步正極按所制電池的規格要求裁成矩形或方形片材料。
B、負極的制作a、調漿將按現有技術制得的負極材料與粘結劑和水混合調漿；b、刮漿將前步制得的負極材料涂沫刮制到雙面毛刺鋼帶上；c、烘干將前步刮漿完畢的負極按常規方法進行烘干；d、壓片按常規方法對前步正極進行壓片；e、裁片將前步正極按所制電池的規格要求裁成矩形或方形片材。
C、電池組裝將前面各步驟制作完成的正極和負極以及隔膜按常規置入外殼內，在外殼內按常規注入配好電解質的溶液，然后進行封裝。
D、化成按常規要求對前述封裝完畢的電池進行成化。
最后制造完成，進行包裝入庫或出廠。
本發明提供的低成本方形鎳動力電池通過將正負極板材料變為雙面毛刺穿孔鋼帶或多孔含鎳鐵合金和用超細石墨粉作正極的導電劑，減少了鎳的使用量，可以使鎳電池的成本明顯降低，本發明提高的極板只是泡沫鎳極板成本的1/10，是不帶毛刺鋼帶成本的1/2，使用本極板可使電池的成本降低10％以上。
采用雙面毛刺鋼帶作正負極極板，因為鋼帶的兩側面上密布毛刺，且毛刺較高，呈三維結構，對正負極材料的填充性和粘結性與耐大電流充放電性能均等同于甚至優于泡沫鎳極板，而將雙面毛刺鋼帶的表面改性后可降低O2/H2的析出。所以使用所述鋼帶制成的極板可以與用泡沫鎳制的極板相媲美。
所述多孔含鎳鐵合金其結構同泡沫鎳，其對電極物質的填充性和粘接性無疑是很好的，同時，鐵合金的導電性和耐大電流充放電性能也是很好的，另外，其對電池中腐蝕環境的耐受由于其中含有足夠的鎳，如同不銹鋼，也是有保障的。
在電極物質中將鎳粉替換為超細石墨粉，通過這樣的替換所述電池的性能與現有的使用鎳粉導電劑的電池相當同樣不會降低。現給出具體的分析眾所同知，作為正極活性物質的Ni(OH)2是一半導體材料，其導電性不高，現有技術中加入超過10％的鎳粉就是改善Ni(OH)2粉粒間導電性，減少接觸電阻，提高其導電性。在發明使用超細碳粉作導電劑，碳粉也是一種導電材料，粒徑小于5微米的石墨粉粒在與粒徑一般在5-15微米的Ni(OH)2中混合時，其分布于Ni(OH)2粉粒間，同樣可改善Ni(OH)2粉粒間的導電性，而且人們知道，碳粉粒徑越小，其導電性也越好。碳粉的加入量太多或太少也是不合適的，如碳粉加得太少，其導電性較差，但如果碳粉比例太高，就使活性物質Ni(OH)2相對減少，降低電池的電容量。如果碳粉在Ni(OH)2晶核長大的過程中間加入，超細的碳粉嵌固在Ni(OH)2顆粒的晶格中，其導電性更好。
另外，本電池正極中的活性物質一改技術或只用α-Ni(OH)2或只用β-Ni(OH)2的單一選擇，而是將兩種結構的Ni(OH)2按一定比例混合使用，這種特定混合比例的活性物質即可獲得較高的活性和導電性，又具有較高的密度，充分利用了兩種結構氫氧化鎳的優勢。
本發明提供的低成本方形鎳動力電池，通過在電池的不同部分減少甚至不使用鎳而代替以價格更低的雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金作極板，以超細石墨粉作正極導電劑并與這些變化相適應地改變了正極活性材料的顆粒結構構成及制造工藝，使降低價格的鎳動力電池的各種性能不降低，從而促進這一綠色環保能源的商化發展。
圖1為本發明提供的方形鎳動力電池的結構示意2為本發明提供的方形鎳動力電池的制造工藝流程圖
具體實施例方式如圖1所示為本發明提供的方形鎳動力電池的結構示意圖，在外殼7內設有正極板4和負極板5，正負極板的外面設正、負極材料，在正、負材料外設隔板(圖中未示出)，其由絕緣輥6固定在外殼7內，在外殼內注入電解質溶液，外殼7的上端口由蓋3封死，在蓋3的上面設有極柱。
正、負極板4、5為采用表面鎳-鈷-銅合金層電鍍處理的雙面毛刺鋼帶，鍍層中各元素的重量比為鎳∶鈷∶銅＝4-5∶1.0∶2-3。其上的毛刺的平均高度在5毫米。
在正極板4上設正極材料，其中α、β混合氫氧化鎳為68％，其中α-Ni(OH)2為15％，β-Ni(OH)2為85％，顆粒徑為5-15微米，粒徑為100納米的超細碳粉為26％，添加劑為鈷(也可以是氧化鈷)和鋅(也可以是氧化鋅)，其含量各為2％和4％。
在負極板5上設負極材料，其中ZnO占25％，PbO占8％，另外2％的水份。
本電池制造方法如圖4所示。
在如圖2所示的工藝流程中碳粉是在調漿時加入，其分布于Ni(OH)2顆粒之間。
還有一種碳粉加入方法是碳在制備氫氧化鎳過程中，當氫氧化鎳晶核形成后晶粒長大的過程中加入碳粉由NiSO4和NaOH合成Ni(OH)2，在反應罐中施加攪拌投入NiSO4和NaOH，在開始出現晶核時開始投入碳粉，通過調整[Ni2+]和碳粉的加入量使Ni(OH)2和碳粉的量保持占正極材料的68％和26％的重量百分量。
碳粉量還可以是25％，添加劑的量為鈷和鋅，其含量各為3％和3％，其余為氫氧化鎳。
還可以是碳粉量18％，添加劑的量為鎘和鋅，其含量各為2％和4％，其余為氫氧化鎳。
從刮漿往后的工藝過程均與現有技術中用泡沫鎳制鎳電池的方法一樣，在此不再贅述。
正負極板4、5也可以用多孔含鎳鐵合金制，如用多孔的空隙率在90-95％的1Cr18Ni9Ti鐵碳合金制作。在正極板4上設正極正極物質，其中氫氧化鎳占83％，其中α-Ni(OH)2為30％，β-Ni(OH)2為70％，其粒徑為5-15微米。粒徑為80納米的碳粉占10％。添加劑為鈷和鋅，其各占5％和2％。
前述的碳粉和添加劑的配比也適合于本鐵碳合金作極板的情形。
上述材料用如圖2所示的加工工藝制造。
含鎳鐵合金制還可以是0Cr18Ni9Ti不銹鋼，或Al5-18Ni9Ti或Zn5-18Ni9Ti或Cu5-18Ni9Ti。
權利要求
1.一種低成本方形鎳動力電池，包括外殼，外殼內設有隔膜和電解質，還包括有設于外殼內被所述隔膜隔離開的正、負極極板，在其上分別設有正極材料和負極材料，所述正極材料包括活性物質、導電劑和添加劑，所述正極材料中，活性物質為氫氧化鎳，其特征在于所述正、負極板采用雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金；所述導電劑為超細石墨粉，其粒徑小于5微米，碳粉重量占正極材料總量的5-30％，所述添加劑，其占正極材料總重量的2-7％，其余為氫氧化鎳。
2.根據權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池，其特征在于所述石墨粉的粒徑較佳值為50-100納米。
3.根據權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池，其特征在于所述氫氧化鎳是α氫氧化鎳和β氫氧化鎳的混合物，其中α氫氧化鎳占10-30％重量％，β氫氧化鎳占70-90％重量％。
4.根據權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池，其特征在于所述雙面毛刺鋼帶為在鋼帶的兩側設有規律毛刺的鋼帶，所述毛刺間隔地在所述穿孔鋼帶的兩側面上分布；在所述穿孔鋼帶上設有電鍍層，所述電鍍層是鍍鎳層、或在鍍鎳層的基礎上再設有析氫過電位高于鎳的金屬層，或是含鎳和析氫過電位高于鎳的金屬的合金鍍層。
5.根據權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池，其特征在于所述的多孔含鎳鐵合金是多孔的不銹鋼，其空隙率應大于90％。
6.根據權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池，其特征在于碳粉重量占正極材料總量的15-20％。
7.一種如權利要求1所述的低成本方形鎳動力電池的制造方法，其步驟如下A、正極的制作a、調漿將制備或選用的氫氧化鎳和碳粉按比例混合，然后再混入所述添加劑以及適量的水和粘接劑進行混合調漿，達到常規要求的干濕粘稠程度；b、刮漿將前步制得的正極材料涂沫刮制到雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金所制的極板上；c、烘干將前步刮漿完畢的正極按常規方法進行烘干；d、壓片按常規方法對前步正極進行壓片；e、裁片將前步正極按所制電池的規格要求裁成矩形或方形片材料；B、負極的制作a、調漿將按現有技術制得的負極材料與粘結劑和水混合調漿；b、刮漿將前步制得的負極材料涂沫刮制到雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金所制的極板上；c、烘干將前步刮漿完畢的負極按常規方法進行烘干；d、壓片按常規方法對前步正極進行壓片；e、裁片將前步正極按所制電池的規格要求裁成矩形或方形片材。C、電池組裝將前面各步驟制作完成的正極和負極以及隔膜按常規置入外殼內，在外殼內按常規注入配好電解質的溶液，然后進行封裝。D、化成按常規要求對前述封裝完畢的電池進行成化。最后制造完成，進行包裝入庫或出廠。
8.根據權利要求7所述的制造方法，其特征在于在調漿過程中，所述石墨粉加入所述氫氧化鎳中。
9.根據權利要求7所述的制造方法，其特征在于在制備活性物質Ni(OH)2的時候加入所述石墨粉，所述石墨粉在Ni(OH)2晶核形成后晶粒長大的過程中加入。
全文摘要
本發明提供的低成本方形鎳動力電池及其制造方法，其中正、負極板采用雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金；所述導電劑為超細石墨粉，其粒徑小于5微米，碳粉重量占正極材料總量的5－30％，所述添加劑，其占正極材料總重量的2－7％，其余為氫氧化鎳。本發明通過在電池的不同部分減少甚至不使用鎳而代替以價格更低的雙面毛刺鋼帶或多孔含鎳鐵合金作極板，以超細石墨粉作正極導電劑并與這些變化相適應地改變了正極活性材料的顆粒結構構成和制造工藝，使降低價格的鎳動力電池的各種性能不降低，從而促進這一綠色環保能源的商化發展。
文檔編號H01M4/32GK1421951SQ01140048
公開日2003年6月4日 申請日期2001年11月22日 優先權日2001年11月22日
發明者許開華, 聶祚仁, 郭學益 申請人:深圳市格林美環境材料有限公司