專利名稱：一種低溫鎳氫電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鎳氫電池技術領域，具體涉及一種在低溫環(huán)境下仍能保持較高充電效率的鎳氫電池及其制備方法。
背景技術：
由于目前大量使用的鎳鎘電池(Ni-Cd)中的鎘有毒，使鎳鎘廢電池處理復雜，環(huán)境受到污染，因此，鎳鎘電池逐漸被用儲氫合金做成的鎳氫電池(Ni-MH)所替代。鎳氫電池作為鎳鎘電池的替代品，與鎳鎘電池具有同樣的外形，相同的電化學特性，但其安全環(huán)保，不再使用有毒的鎘，可以消除重金屬元素對環(huán)境的污染。鎳氫電池具有較大的能量密度比，相同大小的鎳氫電池電量比鎳鎘電池高大約
I.5 2倍，這意味著相同型號的鎳氫電池可以提供更長的工作時間?，F(xiàn)在，鎳氫電池已經(jīng)廣泛地用于移動通訊、筆記本計算機等各種小型便攜式的電子設備，更大容量的鎳氫電池已經(jīng)開始用于汽油/電動混合動力汽車上。鎳氫電池由正極、負極、隔膜以及電解液等構成。正極通常為鎳電極，鎳電極由發(fā)泡鎳做基體，經(jīng)電化學浸潰而成；負極由儲氫合金粉末附著在負極基體上制成；隔膜使正極、負極隔離，不允許電子通過，但允許隔膜中的離子搬運正極和負極反應時產(chǎn)生的電荷；電解液在鎳氫電池中部消耗，主要起導電作用，電解液應具有盡可能高的電導率，以降低電池內(nèi)阻，電解液的黏度和濃度都不易太高。鎳氫電池中氫氧化鎳為正極的活性物質，但其充放電速率不高，為了改善性能，通常加入添加劑，添加劑可以是金屬，也可以是氧化物或氫氧化物，應用較廣泛的是鈷、鋰等的化合物。隨著鎳氫電池應用范圍的擴大，鎳氫電池在低溫環(huán)境下充放電效率低的缺點也日益凸顯。在我國北方地區(qū)，冬季室外溫度可達-40 -50°C，在此環(huán)境中，鎳氫電池無法正常有效地充放電。申請?zhí)枮?00680024124. 7的發(fā)明公開了一種在低溫的氣氛下具有高輸出密度、并且循環(huán)特性優(yōu)異的密閉型鎳氫電池，該鎳氫電池以鎳電極為正極、以儲氫電極為負極，儲氫電極即用導電性支持體負載儲氫合金粉末，所述儲氫合金粉末包括稀土類兀素和包含鎳的非稀土類金屬元素，所述儲氫合金粉末的質量飽和磁化強度為2 6EMU/G，所述儲氫電極的每單位面積的儲氫合金粉末負載量為O. 06 O. 15G/CM2。為了使鎳氫電池在低溫環(huán)境下可以保持較高的充電效率，需要對鎳氫電池的結構以及工藝進行改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種低溫鎳氫電池，可以在低溫環(huán)境下保持較高的充電效率，避免了低溫環(huán)境下鎳氫電池內(nèi)部電解液的凝固，拓展了鎳氫電池的使用溫度范圍。一種低溫鎳氫電池，包括正極、負極以及電解液，所述正極的活性物質包括氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔的重量比為100 5 15 I 3。現(xiàn)有鎳氫電池中正極的活性物質為氫氧化鎳，加入覆鈷球形氫氧化鎳，可以減小鎳氫電池的內(nèi)阻，提高氫氧化鎳的利用率。加入氧化釔可以改變正極吸氧電勢和氧化電勢之間的差值，保證正極在較高溫度下也具有較好的充放電性能。
覆鈷球形氫氧化鎳以及氧化釔的添加量過多，可能影響氫氧化鎳的晶體結構，從而影響鎳氫電池的性能。優(yōu)選地，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔的重量比為100 10 15 : I 2。作為優(yōu)選，所述正極的活性物質由氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔組成，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔的重量比為100 5 15 7 11 : I 3?，F(xiàn)有鎳氫電池中正極的活性物質為氫氧化鎳，但是，在氫氧化鎳的粒子間以及氫氧化鎳粒子與泡沫鎳基體的間隙中存在較大的接觸電阻，電子傳遞受到影響，因此，通常情況下，在正極中添加氧化亞鈷，氧化亞鈷在電解液中溶解、析出，覆蓋在氫氧化鎳表面，經(jīng)過充電形成CoOOH，由于CoOOH具有良好的導電性，可以改善氫氧化鎳與泡沫鎳基體之間的導電性，降低電池的內(nèi)阻，使氫氧化鎳利用率提高。進一步優(yōu)選，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔的重量比為100 : 10 15 : 9 11 : I 2。作為優(yōu)選,所述正極的基體為泡沫鎳，該泡沫鎳邊緣具有寬度為2 3mm的壓實的白邊。將泡沫鎳邊緣壓緊，形成寬度為2 3mm的壓實的白邊，可以降低鎳氫電池的內(nèi)阻，同時，可以增加正極極片的強度，減少正極極片的斷裂幾率，提高鎳氫電池的性能。作為優(yōu)選，所述電解液重量百分比組成為氫氧化鉀20 40% ；氫氧化鈉O. 2 O. 8% ；氫氧化鋰O. 5 I. 5% ；溴化鉀O. 5 I. 5%;氫氧化鋇O. 05 O. 15% ；余量為水?，F(xiàn)有技術中使用的電解液主要成分為KOH水溶液，并添加一定量的氫氧化鋰和氫氧化鈉，在低溫條件下，該電解液很容易凝固。在電解液中添加氫氧化鋇以及溴化鉀可以改善電解液的低溫性能，在低溫環(huán)境下，仍能保持液體狀態(tài)。所述重量百分比以電解液的總重量計，20 40%的氫氧化鉀，即氫氧化鉀的重量為電解液總重量的20 40%。進一步優(yōu)選，所述電解液重量百分比組成為氫氧化鉀25 35
氫氧化鈉O. 2 O. 6% ；氫氧化鋰O. 8 I. 3% ；溴化鉀O. 8 I. O % ；氫氧化鋇O. 05 O. I % ；余量為水。本發(fā)明還提供了所述低溫鎳氫電池的制備方法，包括如下步驟(I)將正極基體泡沫鎳的邊緣區(qū)域壓實，形成2 3mm寬的白邊；(2)將正極活性物質混合均勻后，填充至步驟(I)得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁 切，制成鎳氫電池的正極；(3)將儲氫合金粉末輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后，在負極基體表面浸潤聚四氟乙烯乳液，經(jīng)烘干和輥壓，得到負極極片；(4)將負極極片置于I. O I. 5g/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸20 40min，取出經(jīng)真空烘干，制成鎳氫電池的負極；(5)將氫氧化鉀、氫氧化鋰、溴化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋇溶于純凈水中，冷卻過濾，制備得到電解液；(6)將正極、負極以及電解液組裝成低溫鎳氫電池。制作鎳氫電池正極和負極均采用現(xiàn)有技術中的干法制作，工藝條件并無特殊要求。將氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔按所述重量比混合，攪拌均勻，得到正極粉料。將所得正極粉料通過機械填充到步驟(I)中得到的泡沫鎳基體上，經(jīng)輥壓和裁切，得到鎳氫電池正極。經(jīng)氫氧化鉀水溶液蒸煮后，可以除去負極表面的氧化物，形成具有較高催化活性的富鎳層，提高了負極的導電性能，該操作需嚴格控制時間和穩(wěn)固，避免改變了負極的表面形態(tài)。制作電解液時，可以先將氫氧化鉀溶于純凈水，配成氫氧化鉀水溶液，然后添加氫氧化鋰、溴化鉀、氫氧化鈉以及氫氧化鋇，配成均勻的溶液，也可以將所有物質全部溶于純凈水，配成電解液。制備得到的正極、負極和現(xiàn)有技術中使用的隔膜依次層卷繞構成電極組，將電極組裝入電池鋼殼內(nèi)，注入步驟(5)制備得到的電解液，密閉電池殼體，經(jīng)過充放電化成，制造得到低溫鎳氫電池。采用本發(fā)明提供的技術方案制備得到的低溫鎳氫電池接解決了低溫環(huán)境下，電解液的凍結問題，提高了鎳氫電池的低溫充放電效率，改善了鎳氫電池的低溫性能。
具體實施例方式下面列舉實施例詳細說明本發(fā)明制作低溫鎳氫電池的方法，同時與現(xiàn)有鎳氫電池進行比較，證實實施例中的低溫鎳氫電池在低溫環(huán)境下的充電效率得到提高。實施例I正極制作
(I)將正極基體泡沫鎳距離邊緣3mm的區(qū)域壓實，形成緊密的泡沫鎳邊；(2)將氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔按82 : 10 : 7 : I的重量比混合均勻后，使用鎳氫電池干法正極工藝填充到步驟(I)制備得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁切，制成鎳氫電池正極。負極制作(I)將儲氫合金粉末使用鎳氫電池干法負極工藝輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后在負極基體表面浸潤一層聚四氟乙烯乳液(采用現(xiàn)有技術中使用的聚四氟乙烯乳液)，經(jīng)烘干、輥壓后，得到負極極片；(2)將負極極片置于I. 3g/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸30min，取出，真空烘 干，制成鎳氫電池負極。電解液制作將氫氧化鉀和純凈水按I : 2的重量比混合，并加入1%氫氧化鋰，1%溴化鉀，O. 5%氫氧化鈉，O. I %氫氧化鋇(百分數(shù)均為重量百分數(shù)，以電解液總重量計)，冷卻過濾后，測試比重在I. 35±O. 02g/ml范圍內(nèi)，即可使用，如果比重不在I. 35±O. 02g/ml范圍內(nèi)，可以加入純凈水調(diào)節(jié)。將正極、隔膜、負極依次層疊卷繞成電極組，將電極組裝入電池鋼殼內(nèi)，注入電解液，密閉電池殼體,經(jīng)過充放電后,制成低溫鎳氫電池。實施例2正極制作(I)將正極基體泡沫鎳距離邊緣3mm的區(qū)域壓實，形成緊密的泡沫鎳邊；(2)將氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔按82 9 7 2的重量比混合均勻后，使用鎳氫電池干法正極工藝填充到步驟(I)制備得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁切，制成鎳氫電池正極。負極制作(I)將儲氫合金粉末使用鎳氫電池干法負極工藝輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后在負極基體表面浸潤一層聚四氟乙烯乳液，經(jīng)烘干、輥壓后，得到負極極片；(2)將負極極片置于I. Og/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸30min，取出，真空烘干，制成鎳氫電池負極。電解液制作將氫氧化鉀和純凈水按I : 2的重量比混合，并加入1%氫氧化鋰，I. 2%溴化鉀，O. 5%氫氧化鈉，O. 15%氫氧化鋇(百分數(shù)均為重量百分數(shù)，以電解液總重量計)，冷卻過濾后，測試比重在I. 35 ±O. 02g/ml范圍內(nèi)，即可使用，如果比重不在I. 35 ±O. 02g/ml范圍內(nèi)，可以加入純凈水調(diào)節(jié)。將正極、隔膜、負極依次層疊卷繞成電極組，將電極組裝入電池鋼殼內(nèi)，注入電解液，密閉電池殼體,經(jīng)過充放電后,制成低溫鎳氫電池。實施例3正極制作(I)將正極基體泡沫鎳距離邊緣2mm的區(qū)域壓實，形成緊密的泡沫鎳邊；(2)將氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔按82 8 9 I的重量比混合均勻后，使用鎳氫電池干法正極工藝填充到步驟(I)制備得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁切，制成鎳氫電池正極。負極制作(I)將儲氫合金粉末使用鎳氫電池干法負極工藝輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后在負極基體表面浸潤一層聚四氟乙烯乳液，經(jīng)烘干、輥壓后，得到負極極片；(2)將負極極片置于I. 5g/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸30min，取出，真空烘干，制成鎳氫電池負極。電解液制作將氫氧化鉀和純凈水按I : 2的重量比混合，并加入I %氫氧化鋰，O. 8%溴化鉀，O. 5%氫氧化鈉，O. 05%氫氧化鋇(百分數(shù)均為重量百分數(shù)，以電解液總重量計)，冷卻過濾·后，測試比重在I. 35 ±O. 02g/ml范圍內(nèi)，即可使用，如果比重不在I. 35 ±O. 02g/ml范圍內(nèi)，可以加入純凈水調(diào)節(jié)。將正極、隔膜、負極依次層疊卷繞成電極組，將電極組裝入電池鋼殼內(nèi)，注入電解液，密閉電池殼體,經(jīng)過充放電后,制成低溫鎳氫電池。實施例4正極制作(I)將正極基體泡沫鎳距離邊緣2mm的區(qū)域壓實，形成緊密的泡沫鎳邊；(2)將氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔按82 7 9 2的重量比混合均勻后，使用鎳氫電池干法正極工藝填充到步驟(I)制備得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁切，制成鎳氫電池正極。負極制作(I)將儲氫合金粉末使用鎳氫電池干法負極工藝輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后在負極基體表面浸潤一層聚四氟乙烯乳液，經(jīng)烘干、輥壓后，得到負極極片；(2)將負極極片置于I. 3g/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸30min，取出，真空烘干，制成鎳氫電池負極。電解液制作將氫氧化鉀和純凈水按I : 2的重量比混合，并加入I %氫氧化鋰，I %溴化鉀，O. 5%氫氧化鈉，O. 1%氫氧化鋇(百分數(shù)均為重量百分數(shù)，以電解液總重量計)，冷卻過濾后，測試比重在I. 35±O. 02g/ml范圍內(nèi)，即可使用，如果比重不在I. 35±O. 02g/ml范圍內(nèi)，可以加入純凈水調(diào)節(jié)。將正極、隔膜、負極依次層疊卷繞成電極組，將電極組裝入電池鋼殼內(nèi)，注入電解液，密閉電池殼體,經(jīng)過充放電后,制成低溫鎳氫電池。對比例按現(xiàn)有工藝制造鎳氫電池，正極使用氫氧化鎳與氧化亞鈷的重量比為93 7，作為正極基體的泡沫鎳不壓邊，負極不經(jīng)氫氧化鉀水溶液處理，電解液為現(xiàn)有技術中使用的電解液，并按與實施例I相同的方法組裝制成鎳氫電池。性能對比測試鎳氫電池在不同溫度下的充放電效率的方法將鎳氫電池分別在-10°C、-20°C，-30°C，_40°C環(huán)境下靜置8h，使鎳氫電池的溫度與環(huán)境的溫度相同，然后，使用O. IC的充電電流充電6h，用O. 2C的放電電流放電至截止電壓為I. 0V，計算電池放電容量，并與鎳氫電池在常溫下的放電容量作比較，得到低溫環(huán)境下鎳氫電池的充電效率。將各實施例和對比例得到的鎳氫電池分別進行測試，測試結果取平均值，各實施例和對比例得到的鎳氫電池在低溫下的充電效率(即鎳氫電池的放電容量與充電電量的比值，以百分數(shù)表示)，如表I所示表I
權利要求
1.ー種低溫鎳氫電池，包括正極、負極以及電解液，其特征在于，所述正極的活性物質包括氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔的重量比為100 5 15 1 3。
2.如權利要求1所述的低溫鎳氫電池，其特征在于，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔的重量比為100 10 15 1 2。
3.如權利要求1所述的低溫鎳氫電池，其特征在于，所述正極的活性物質由氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔組成，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔的重量比為100 5 15 7 11 1 3。
4.如權利要求3所述的低溫鎳氫電池，其特征在于，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳、氧化亞鈷以及氧化釔的重量比為100 : 10 15 : 9 11 : 1 2。
5.如權利要求1 4任一所述的低溫鎳氫電池，其特征在于，所述正極的基體為泡沫鎳，該泡沫鎳邊緣具有寬度為2 3mm的壓實的白邊。
6.如權利要求5所述的低溫鎳氫電池，其特征在干， 所述電解液重量百分比組成為 氫氧化鉀20 40% ； 氫氧化鈉0. 2 0. 8% ； 氫氧化鋰0. 5 1. 5% ； 溴化鉀0. 5 1. 5% ; 氫氧化鋇0. 05 0. 15% ； 余量為水。
7.如權利要求6所述的低溫鎳氫電池，其特征在干， 所述電解液重量百分比組成為 氫氧化鉀25 35% ； 氫氧化鈉0. 2 0. 6% ; 氫氧化鋰0. 8 1. 3% ; 溴化鉀0. 8 1. 0% ; 氫氧化鋇0. 05 0. 1 % ； 余量為水。
8.—種如權利要求7所述的低溫鎳氫電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將正極基體泡沫鎳的邊緣區(qū)域壓實，形成2 3mm寬的白邊； (2)將正極活性物質混合均勻后，填充至步驟(1)得到的泡沫鎳中，經(jīng)輥壓和裁切，制成鎳氫電池的正極； (3)將儲氫合金粉末輥壓至負極基體銅網(wǎng)上，然后，在負極基體表面浸潤聚四氟こ烯乳液，經(jīng)烘干和輥壓，得到負極極片； (4)將負極極片置于1.0 1. 5g/L的氫氧化鉀水溶液中，加熱煮沸20 40min，取出經(jīng)真空烘干，制成鎳氫電池的負極； (5)將氫氧化鉀、氫氧化鋰、溴化鉀、氫氧化鈉、氫氧化鋇溶于純凈水中，冷卻過濾，制備得到電解液； (6)將正極、負極以及電解液組裝成低溫鎳氫電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫鎳氫電池，包括正極、負極以及電解液，所述正極的活性物質包括氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔，所述氫氧化鎳、覆鈷球形氫氧化鎳和氧化釔的重量比為100∶5～15∶1～3。所述正極的基體為泡沫鎳，該泡沫鎳邊緣具有寬度為2～3mm的壓實的白邊。本發(fā)明還公開了該低溫鎳氫電池的制備方法。本發(fā)明低溫鎳氫電池，可以在低溫環(huán)境下保持較高的充電效率，避免了低溫環(huán)境下鎳氫電池內(nèi)部電解液的凝固，拓展了鎳氫電池的使用溫度范圍，制作簡單，成本較低。
文檔編號H01M4/62GK102956893SQ201210431080
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權日2012年11月1日
發(fā)明者顧余成, 張繼強, 朱云, 莫志琴, 何英, 錢亮 申請人:浙江天能能源科技有限公司